Биометаногенез

Биометаногенез или метановое брожение – давно известный процесс превращения биомассы в энергетически ценный материал (метан). Открыт данный процесс в 1776 г А. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе.

Сырьем для производства биогаза являются:

- различная растительная биомасса, т.е. несъедобные части сельскохозяйственных растений;

- отходы древесины, т. е. сырье с высоким содержанием целлюлозы, которое трудно поддаётся методам переработки, но эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз (рис.14.2).

- Отходы перерабатывающей промышленности.

- Специально выращенные культуры, такие как водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли.

- Жидкие отходы сельскохозяйственных ферм.

- Промышленные и бытовые стоки и ил очистных сооружений.

- Мусор городских свалок.

Первая фаза производства метана. В производстве биогаза как нигде в других производствах важны не отдельные чистые виды микроорганизмов, а их консорции. Они обладают более высокой биодеградационной активностью, чем отдельные виды и штаммы микроорганизмов. Именно состав микроорганизмов в консорции определяет эффективность разложения тех или иных видов сырья (рис. 14.3).

Первая стадия метанового брожения – кислотная – осуществляется различными микроорганизмами, способными к спиртовому, маслянокислому, пропионовому, ацетонобутиловому и другим видам брожения (энтеробактерии, клостридии, стрептококки, лактобациллы).

Активную роль в диструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы. От их наличия и активности зависит разложение наиболее трудноразлагаемых компонентов сырья. В превращении органических кислот в уксусную кислоту важную роль играют ацетогены – специализированная группа анаэробных бактерий. Это прежде всего клостридии, в частности Clostridium thеrmoaceticum.

Они превращают органические кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода. Ацетогенная стадия процесса наиболее тесно связана со второй основной фазой образования биогаза – уже собственно с образованием метана. Установлено, что некоторые метаногенные бактерии при понижении концентрации водорода в среде до определенного уровня перестраиваются на ацетогенный метаболизм.

Вторая фаза. Метаногены широко распространены и активно участвуют в деструкции органических веществ с образованием углекислоты (биогаза) в анаэробных зонах: в морских осадках, болотах, речных и озерных илах.

Третья фаза. Все известные метанобразующие бактерии могут получать энергию в результате окисления водорода и превращая углекислоту в метан.

Одни метаногены являются автотрофами и используют для роста только смесь водорода и углекислоты, другие, являясь гетеротрофами, используют муравьиную и уксусную кислоты, а также метанол и метиламины.

Метаногены – облигатные анаэробы, среди которых имеются аллофилы, мезофиллы и термофилы. Некоторые из них способны к росту в соленых водоемах и даже в насыщенном растворе соли (14.4). Развиваются они в кислой среде при температуре от 4 до 97° и даже до 250°С. Метаногенез – один из древнейших процессов, производимый бактериями с Архея до наших дней. Такие бактерии называют архебактериями и оценивают их возраст в 3, 0-3, 5 млрд. лет. Архебактерии отличаются от прокариотических микроорганизмов отсутствием муреина в клеточной стенке, специфическим составом липидов, специфической нуклеотидной последовательностью рибосомальной РНК, наличием специфических компонентов метаболизма.