Samband mellan den mikrobiologiska strukturen och den

Kvantitativa samband mellan mikrobiologisk struktur och specifik metanogen aktivitet vid anaerob behandling med propionat resp. glykos som substrat bestämdes genom multipel linjär regressionsanalys med ett underlag baserat på 49 olika kulturer. Sambanden uppvisade god korrelation och hög prediktivitet med potentiella möjligheter att öka aktiviteten.

Av: Bengt Andersson

Anaeroba processer bygger på en komplex samverkan mellan olika mikrobiologiska populationer och hänsyn tas nästan aldrig till den mikrobiologiska sammansättningen och strukturen vid standardiserad test, vid drift eller vid dimensionering. Många studier har genomförts för att beskriva effekten av olika omgivningsparametrar på mikrobiologin i en anaerob process och likaså har studier gjorts för att påvisa effekten av den mikrobiologiska sammansättningen för olika typer av störningar av processen. Däremot är kunskaperna om den mikrobiologiska strukturens påverkan på processens funktion, t.ex. i form av biogasproduktion eller nedbrytning av organiskt material, bristfälliga.

Syftet med refererad studie var erhålla prediktiva samband mellan den mikrobiella strukturen och den specifika metanogena aktiviteten.  

Genomförande av undersökningen

Försöken utfördes med totalt 49 olika slam eller slamblandningar med olika mikrobiologisk sammansättning och struktur. Slam från 9 olika fullskaleanläggningar för mesofil rötning med olika uppbyggnad och substrat insamlades och dessutom utnyttjades 4 olika kulturer från laboratorieförsök med propionat som substrat. För att erhålla en än mer varierande mikrobiologisk struktur gjordes dessutom 36 olika blandningar, där slam från de olika anläggningarna blandades med laboratorieslam i varierande andel.

För försöken användes propionat resp. glykos som substrat. Den specifika metanogena aktiviteten (SMA) bestämdes som producerad volym metangas per mängd aktiv biomassa, där iATP (intracellular adenosine triphosphate) användes som mått på den aktiva biomassan (ml CH₄/mg iATP*h).

Fingeravtrycken av varje mikrobiologisk struktur bestämdes med DGGE, som separerade förstärkta gener av mcrA (methyl coenzyme M reductase) i band på ett gel av polyamid. Genen förekommer alltid i metanogener. Varje band representerade olika populationer av bakterier eller arkéer och intensiteten för de olika banden bestämdes. Bandintensiteterna låg till grund för analysen.

Med hjälp av stegvis multipel linjär regression bestämdes sambandet mellan bandintensitet (den mikrobiologiska strukturen) och SMA och modeller genererades för alla möjliga kombinationer av intensiteten för 15 band. Högst regressionskoefficient (R²) erhölls då minst 5 band användes. En grupp av 5 band valdes för analysen för att undvika en överskattning av resultatet. Modellernas prediktivitet (q²) testades genom en korsvalidering enligt LGO (leave-group-out).  

Resultat

Inledningsvis konstaterades att SMA för en blandning av två biomassor från laboratoriet kunde bestämmas genom en linjär kombination av de individuella biomassornas aktiviteter (R² > 0,90), vilket antydde att en linjär korrelation är lämplig att använda vid empiriska samband mellan mikrobiologisk struktur och specifik metanogen aktivitet.

Uppmätt SMA för olika prov av biomassa från välfungerade anläggningar varierade kraftigt (som mest över 600 %) även då ett bättre mått på den aktiva biomassan i form av iATP användes istället för VS. Den stora variationen var önskvärd för att utveckla empiriska modeller. Samtidigt indikerade det stora variationsområdet att SMA skulle kunna förbättras väsentligt för anaeroba rötkammare med låg SMA.

Två kvantitativa samband mellan mikrobiologisk struktur och SMA med propionat resp. glykos som substrat skapades genom regressionsanalysen. Sambanden uppvisade både god korrelation (R² > 0,5) och god prediktivitet (q² > 0,5). Prediktiviteten var god trots inneboende osäkerhet i aktivitetsbestämningen och en potentiell bias vid bestämning av DGGE. Sannolikt skulle resultatet kunna ha förbättrats genom användning av en mer modern teknik som qPCR (quantitative polymerase chain reaction) för en mera detaljerad och specifik karakterisering av den mikrobiologiska strukturen.    

Båda sambanden hade positiva koefficienter för band 15 för både propionat och glykos och för band 10 för propionat, vilket innebar att metanogenerna kopplade till dessa band signifikant bidrog till höga SMA-värden. Genom att förbättra betingelserna för tillväxten av metanogener associerade till dessa DGGE-band skulle den maximala metanproduktionen kunna ökas.  

Slutsatser

Studien visade att

Källa: B.T.W. Boucher, K. Cherukuri, J.S. Maki, M. Johnson, D.H. Zitomer. Relating methanogen community structure and anaerobic digester function. Water Research 70 (2015) pp 425 – 435.