Khí sinh học là một nguồn năng lượng tái tạo bao gồm hỗn hợp khí metan, Carbon dioxide, Nitơ & Hydro được tạo ra bởi sự phân hủy yếm khí của chất thải hữu cơ. Phần lớn các chủng vi khuẩn lên men biogas thuộc nhóm Clostridia (36%) và Bacilli (11%), cùng với nhóm Bacteroidia (3%), Mollicutes (3%), Gammaproteobacteria (3%) ) và các nhóm Actinobacteria (3%).
1. Chủng vi khuẩn lên men biogas: nhóm Clostridia
a. Chủng vi khuẩn lên men biogas và sản xuất Hydro
Trong số các Clostridia, Clostridium thermocellum chiếm ưu thế. Nhóm vi khuẩn này có thể thủy phân cellulose một cách hiệu quả bằng các cellulase ngoại bào, được sắp xếp thành xenluloza. Một chủng vi khuẩn xuất sắc của lớp này là C. kluyveri, nhóm duy nhất trong chủng Clostridia, vì nó sử dụng ethanol và acetate làm nguồn năng lượng duy nhất và chuyển đổi các chất nền này thành butyrate và H2. Một loài nổi bật và đặc trưng là C. acetobutylicum, trong đó thực hiện các hoạt động sản xuất cellulolytic, sacarolytic và H2. Qúa trình lên men có thể tạo ra các axit hữu cơ như acetate và butyrate (acetogenesis), hoặc acetone, butanol và ethanol (dung môi). C. perfingens tạo ra lactate, acetate và butyrate từ đường và thông qua ezyme [FeFe] –hydrogenase, nó cũng có thể tạo ra H2.
Tương tự như C. thermocellum, C. cellulolyticum là một chủng nổi tiếng làm phân hủy các cellulose thành acetate và giải phóng CO2 và H2. C. sacarololicicum cũng có hoạt tính phân giải tế bào. Các sản phẩm lên men bao gồm acetate, ethanol, H2 và CO2. C. difficile là một trong những mầm bệnh hiếm gặp được tìm thấy trong cộng đồng vi sinh biogas. Thermoanaerobacterium, thermosaccharolyticum là một loại vi khuẩn sản xuất H2. Chúng sống cùng với C. thermocellum. Việc nuôi cấy hỗn hợp tạo ra nhiều H2 hơn so với nuôi cấy thuần một chủng loại.
Ruminococcus albus đã được ghi nhận trong hoạt động phân hủy cellulose, hiệu quả của nó bằng xenluloza; sản phẩm lên men chính là ethanol. Cả Anaerotruncus colihominis và Faecalibacterium Prausnitzki đều xâm nhập vào bên trong và tạo ra các axit hữu cơ dễ bay hơi khác nhau từ glucose và acetate.
Caldicellulosiruptor saccharolyticus là một loại vi khuẩn phân giải cellulose và sản xuất H2. Thêm vào môi trường tinh khiết của C. sacarolyticus vào nước thải, sinh khối thực vật, phân động vật hoặc hỗn hợp này làm tăng đáng kể mức độ sản xuất khí sinh học.
Vi khuẩn Clostridium thermocellum
b. Chủng vi khuẩn lên men biogas và sản xuất Sulfide
Bên cạnh khả năng khử clo hóa, Desulfitobacterium hafniense có thể sản xuất sulfide từ thiosulfate hoặc sulfite, nhưng không thể làm giảm lượng sulfate. Như là một nguồn carbon, nó thích lên men pyruvate (axit pyruvit) và lactate (axit lactic). Loài này cũng được biết có chứa loại enzyme Hup ( h ydrogen- up ) của nhóm các enzyme cho phản ứng thủy phân [NiFe].
Heliobacterium modesticalum có thể phát triển ở chế độ quang điện hoặc quang hóa. Trong điều kiện nhận dinh dưỡng từ hóa chất, nó lên men acetate thành H2 và CO2. Nó cũng chứa một số enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân, bao gồm [NiFe] – và [FeFe] -hydrogenase. H2 và acetate được tạo ra bởi Caldanaerobacter subterraneus từ đường sữa, glucose hoặc phân tử cellobiose làm cơ chất.
Syntrophomonas wolferi lên men các axit béo chuỗi dài và sống trong cùng điều kiện nuôi cấy với Archaea methanogen.
Pelotomaculum thermopropionicum cũng hình thành một mối quan hệ cộng sinh với methanogens, và do đó số lượng cao của nó trong cộng đồng bể xử lý kỵ khí là hợp lý. Các mối quan hệ cộng sinh đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khí sinh học hiệu quả.
c. Chủng vi khuẩn lên men biogas và khử kim loại
Các thành viên duy nhất của lớp Clostridia là Alkaliphilus metalliciredigens và Desulfotomaculum reducens , đã được phát hiện với số lượng cao bất ngờ. Những vi khuẩn này được biết đến là nhóm sử dụng axit lactic và acetate làm nguồn điện tử để khử sắt và coban trong hô hấp yếm khí. Mặc dù giải thích sự xuất hiện của vi khuẩn khử kim loại trong cộng đồng sản xuất khí sinh học kỵ khí có thể không quan trọng, nhưng cần lưu ý rằng những vi khuẩn này cũng có hoạt tính enzyme [FeFe] -hydrogenase cao.
d. Chủng vi khuẩn lên men biogas và thúc đẩy quá trình thuỷ phân
Finegoldia magna có tính đặc hiệu cơ chất đáng chú ý, vì nó chỉ có thể sử dụng fructose trong một số các loại đường và tạo ra axetat. F. magna cũng mang các gen của một enzyme thúc đẩy quá trình thủy phân giả định. Số lượng lớn và sự cân bằng số lượng Clostridiales order là dấu hiệu cho thấy vai trò quan trọng của các vi khuẩn này trong hoạt động chính xác của cộng đồng vi sinh vật trong bể xử lý kỵ khí được nuôi bằng chất nền phức tạp. Đóng góp của chúng trong việc phân hủy các phân tử polysacarit có thể được giải thích bằng hoạt động phân giải tế bào cao của nhiều thành viên trong Clostridiales order và các thành viên của họ Clostridiaceae có khả năng thực hiện các quá trình lên men đa dạng. Chúng chủ yếu lên men đường thành axit hữu cơ.
Đóng vai trò quan trọng trong quá trình khử acetyl-CoA là vi khuẩn acetogen. Trong quá trình này, CO2 bị khử thành CO và sau đó được chuyển thành acetyl-CoA, H2 đóng vai trò là chất cho điện tử. Trong bể xử lý kỵ khí, Archaea aceticlastic đã tách acetate thành CH4 và CO2 trong quá trình tăng năng lượng.
Bên cạnh Clostridia acetogen đã thảo luận ở trên, Moorella thermoacetica và Carboxidothermus hydrooformans cũng có được năng lượng thông qua quá trình khử acetyl-CoA. Ngoài ra, cần lưu ý rằng một số lượng lớn các Clostridia sản xuất ra H2, một chất nền quan trọng cho các methanogens hydrootrophic. Đáng chú ý là Cr. hydrooformans có thể sử dụng CO làm nguồn carbon làm chất cho điện tử và nước làm chất nhận điện tử, để tạo ra acetate và H2.
Cả Cr. hydrooformans và M. thermoacetica có khả năng sản xuất H2. Clostridia chiếm ưu thế trong cộng đồng bể xử lý kỵ khí kích hoạt hoạt động của methanogens hydrootrophic, phải giữ áp suất riêng phần của H2 thấp trong hệ thống để đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Sự cân bằng thuận lợi giữa Clostridia và methanogens hydrootrophic phải là một yếu tố quyết định trong cộng đồng vi sinh sản xuất biogas.
Xem thêm:
