Monitoren van de anaerobe vergisting d.m.v. het F420 co-enzym in methanogenese

Cindy Law
Het detecteren van proces falen d.m.v. het F420 co-enzym, in de anaerobe vergistingsproces. Het F420 co-enzym komt enkel voor in de methanogene archaea, deze micro-organismen zijn essentieel voor de productie van CH4. Een wijziging in het aantal cellen met het F420 co-enzym, zou hypothetisch willen zeggen dat er een wijziging is in het proces, waardoor dit leidt tot proces falen.

Het ontdekken van een innovatieve detectiemethode voor de anaerobe vergisting

Verschillende bedrijven produceren organisch afvalwater. Het organisch materiaal aanwezig in het afvalwater mag niet direct geloosd worden in de directe omgeving. Het lozen van dit afvalwater dient te voldoen aan de lozingsnormen (Chen et al. 2008). Om aan deze lozingsnormen te voldoen, kan er gedeeltelijk gebruik gemaakt worden van de anaerobe vergisting. 

 

Behandelen van organisch afvalwater

Anaerobe vergisting is een vergistingsproces dat plaatsvindt in de afwezigheid van zuurstof, waarbij micro-organismen gebruikt worden voor de afbraak van het gesuspendeerd organisch materiaal aanwezig in het afvalwater (Chen et al. 2008). Een belangrijk voordeel bij het gebruik van de anaerobe vergistingsproces is dat er productie van biogas plaatsvindt. Biogas bevat ongeveer 60 vol % CH4, 38 % CO2 en 2 % andere gassen e.g. H2S, de samenstelling van het biogas kan sterk variëren naargelang het gebruikte afvalwater (Franke-Whittle et al. 2014, Lu et al. 2015). Hierbij kan het opgezuiverde CH4 als hernieuwbare energie gebruikt worden. Op dergelijke manier kan er zowel energie herwonnen worden, als het organisch materiaal in het afvalwater verwijderd worden. Deze herwonnen energie kan gebruikt worden voor elektriciteitsproductie, gekoppeld met energie- en warmteproductie. Hierdoor kan er op een milieuvriendelijke manier gewerkt worden (Holm-Nielsen et al. 2009).  

 

Anaerobe vergisting

Het anaerobe vergistingsproces van afvalwaters vindt meestal plaats in een upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Dergelijke reactoren maken gebruiken van granulair slib (Seghezzo et al. 1998). Dit slib bevat micro-organismen, organische- en anorganische stof. In granulair slib zijn verschillende micro-organismen aanwezig, o.a. hydrolytische-, acidogene- en acetogene bacteriën en de methanogene archaea. Hoewel zowel de archaea als de bacteriën tot de prokaryoten (cellen die geen celkern bevatten) behoren, is er toch een verschil tussen deze micro-organismen. Hierbij is het erfelijk materiaal van de archaea wel beschermd, wat niet het geval is voor de bacteriën. Het is ook zo dat de transcriptie en translatie bij de bacteriën specifiek verloopt, terwijl dit niet het geval is voor de archaea (Börger and Broekhuisen 2012 - 2018 ). Het anaerobe vergistingsproces bestaat uit 4 stappen (Figuur 1). Hierbij zullen de hydrolytische bacteriën zorgen voor de eerste stap van het anaerobe vergistingsproces, hydrolyse. Hydrolyse zorgt ervoor dat het organisch materiaal, zoals eiwitten, koolhydraten en vetten, tot oplosbare organische componenten zoals aminozuren, suikers en vetzuren. De bekomen componenten zullen door de acidogene bacteriën gefermenteerd worden tot hogere organische zuren, e.g., alcoholen, ketonen, acetaat, H2 en CO2, tijdens de acidogenese. Deze bekomen componenten zullen in de acetogene stap door de acetogene bacteriën omgezet worden tot azijnzuur, H2en CO2. Hierbij zullen zowel de acidogene als acetogene bacteriën zorgen voor de afbraak van de vluchtige vetzuren met de productie van H2 en CO2. De bekomen producten uit de acetogene stap worden dan gebruikt door de methanogene archaea. Het zijn deze methanogene archaea die verantwoordelijk zijn voor de omzetting van de producten uit de acetogene stap naar CH4 en CO2. De methanogene archaea zijn dus essentieel voor dit vergistingsproces. Deze micro-organismen zijn ook meest gevoelig tegen fluctuaties in de opperende condities e.g. pH, vluchtige vetzuur productie, saliniteit, zware metalen (Appels et al. 2008). Ze bevatten ook het F420 co-enzym, wat een essentieel element is in the methaanvorming en dit is tevens autofluorescent (Whitmore et al. 1986). Wanneer er proces falen optreedt, zullen de aanwezige micro-organismen eveneens beïnvloed worden. De methanogene archaea zullen de eerste micro-organismen zijn die een verandering ondergaan. Door proces faling zal er eveneens een verandering in het aantal cellen met het F420 co-enzym verwacht worden. Op deze manier kan dit gebruikt worden als een indicator voor proces faling. 

Figuur 1: Schematische weergave van het anaerobe vergistingsproces

Methanogene archaea

Net als eerder vermeld, zijn de methanogene archaea de meest essentiële micro-organismen. Deze zijn hoofdzakelijk verantwoordelijk voor de productie van CH4. De methanogene archaea bevatten een F420 co-enzym, zoals eerder vermeld. Een co-enzym is een organisch molecule die vereist is om de functie van een enzym te bekomen.Dit co-enzym is essentieel voor de energie metabolisme van methanogene archaea: (1) als primaire elektronenacceptor van H2; (2) als elektronendonor van twee belangrijke reacties waarbij CO2 ingebouwd wordt in de koolstof synthese van cellen; en (3) als een rechtstreekse elektronendonor voor een reductase systeem (Vogels et al. 1982). Het co-enzym speelt in de methanogene archaea een sleutel rol als elektronen drager in zowel de anabole als katabole redoxreacties (Dolfing and Mulder 1985). Autofluorescentie is het fenomeen dat optreedt, wanneer een molecule van zijn grondtoestand naar een hogere energieniveau springt, bij het opnemen van energie. Deze hogere energieniveau is onstabiel en zal terugvallen naar de grondtoestand. Bij terugval zal deze energie vrijstellen, onder de vorm fluorescentie.  

 

Detectie van het F420 co-enzym

Aangezien de methanogene archaea gevoelig zijn voor variaties in de verschillende proces parameters, zullen de variaties zorgen voor een corresponderende fluctuatie in het F420 co-enzym. Doordat het F420 co-enzym autofluorescent is, kan deze gedetecteerd worden via de flowcytometer. De flowcytometer meet de optische en fluorescente karakteristieken van cellen (of andere delen die nuclei, micro-organismen, chromosoom preparaten of latex beads bevatten). Binnenin de flowcytometrie worden de cellen in suspensie gehouden. Deze worden met een stroom meegetrokken die gecreëerd wordt door de omliggende omhulsel van isotonische vloeistof die op zijn beurt een laminaire stroom veroorzaakt. Het resultaat hiervan is dat de cellen individueel doorgelaten worden door een punt, waarbij op dit moment de verschillende cellen worden ingedeeld. Op dit punt wordt er een straal monochromatisch licht doorgelaten dat de cellen doorsnijdt. Monochromatisch licht is licht met maar één golflengte en vertoont dus één kleur. De geëmitteerde licht straal in alle richtingen uit en dit wordt door een lens opgevangen. Het verzamelde licht wordt door verschillende filters en dichroïde spiegels gelaten, dit zorgt voor het afzonderen van de verschillende golflengtes. Het lichtsignaal wordt gedetecteerd door een tube die zorgt voor het vermeerderen van de fotonen en digitaliseert het voor computer analyse (Brown and Wittwer 2000). 

 

Bekomen resultaten

In dit onderzoek werd het proces falen bekomen door introductie van zout, NaCl. Uit de bekomen onderzoek bleek dat detectie van het F420 co-enzym mogelijk was met de flowcytometer. Hierbij is er verdere onderzoek vereist om een vaststelling te kunnen leggen m.b.t. het gebruik van het co-enzym als indicator voor proces faling. 

 

Bibliografie

Referentie 

Appels, L., Baeyens, J., Degrève, J. and Dewil, R. (2008) Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge. Progress in Energy and Combustion Science 34(6), 755-781.

Börger, B. and Broekhuisen, M. (2012 - 2018 ) Archaea.

Brown, M. and Wittwer, C. (2000) Flow Cytometry: Principles and Clinical Applications in Hematology. Clinical Chemistry 46(8), 1221.

Chen, Y., Cheng, J.J. and Creamer, K.S. (2008) Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresource Technology 99(10), 4044-4064.

Dolfing, J. and Mulder, J.-W. (1985) Comparison of Methane Production Rate and Coenzyme F(420) Content of Methanogenic Consortia in Anaerobic Granular Sludge. Applied and Environmental Microbiology 49(5), 1142-1145.

Franke-Whittle, I.H., Walter, A., Ebner, C. and Insam, H. (2014) Investigation into the effect of high concentrations of volatile fatty acids in anaerobic digestion on methanogenic communities. Waste Management (New York, N.y.) 34(11), 2080-2089.

Holm-Nielsen, J.B., Al Seadi, T. and Oleskowicz-Popiel, P. (2009) The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource Technology 100(22), 5478-5484.

Lu, X., Zhen, G., Estrada, A.L., Chen, M., Ni, J., Hojo, T., Kubota, K. and Li, Y.-Y. (2015) Operation performance and granule characterization of upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor treating wastewater with starch as the sole carbon source. Bioresource Technology 180(Supplement C), 264-273.

Seghezzo, L., Zeeman, G., van Lier, J.B., Hamelers, H.V.M. and Lettinga, G. (1998) A review: The anaerobic treatment of sewage in UASB and EGSB reactors. Bioresource Technology 65(3), 175-190.

Vogels, G.D., Keltjens, J.T., Hutten, T.J. and Van Der Drift, C. (1982) Coenzymes of Methanogenic Bacteria. Zentralblatt für Bakteriologie Mikrobiologie und Hygiene: I. Abt. Originale C: Allgemeine, angewandte und ökologische Mikrobiologie 3(2), 258-264.

Whitmore, T.N., Etheridge, S.P., Stafford, D.A., Leroff, U.E.A. and Hughes, D. (1986) The evaluation of anaerobic digester performance by coenzyme F420 analysis. Biomass 9(1), 29-35.

Universiteit of Hogeschool
Industrieel ingenieur: Biowetenschappen: Biochemie
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Ir. Nico Boon en Dr. Ir. Jo De Vrieze
Kernwoorden
Share this on: