Poiché gli organismi anaerobici obbligati non sono in grado di crescere dopo l’esposizione all’ossigeno, l’uso di tecniche di coltura anaerobica è indispensabile. Qui, dimostriamo un metodo semplice ed efficace per coltivare una coltura mista derivata da una pianta di biogas dalla preparazione dei media alla quantificazione del gas e degli acidi grassi volatili.
A differenza degli organismi aerobici, microrganismi strettamente anaerobici richiedono l’assenza di ossigeno e di solito un basso potenziale di redox per avviare la crescita. Poiché l’ossigeno è onnipresente nell’aria, mantenere le condizioni libere di O2durante tutte le fasi della coltivazione è impegnativo ma un prerequisito per la coltivazione anaerobica. Il protocollo qui presentato dimostra il successo della coltivazione di una coltura mista anaerobica derivata da una pianta di biogas utilizzando un metodo semplice ed economico. Viene fornita una descrizione precisa dell’intero processo di coltura anossica, tra cui la preparazione dei media, il riempimento di flaconi di coltivazione, il completamento con indicatore di redox e gli agenti che riducono la protezione per fornire bassi potenziali di redox, nonché lo scambio dello spazio della testa per mantenere senza ossigeno. Inoltre, viene fornita una panoramica dettagliata dei flaconi di siero stretto a gas a gas a livello ape (utilizzando siringhe e aghi sterili) e di condizioni di incubazione adeguate. Il presente protocollo si occupa inoltre del campionamento di gas e liquidi per le successive analisi relative alla composizione del gas e alle concentrazioni di acidi grassi volatili utilizzando la cromografia a gas (GC) e la cromografia liquida ad alte prestazioni (HPLC), calcolo del biogas e della resa del metano considerando la legge ideale sul gas.
Sulla terra l’ossigeno molecolare in notevoli concentrazioni è disponibile in aree a contatto diretto con l’atmosfera o in presenza di fototrofi ossigeni. Ambienti in cui l’ossigeno è assente sono chiamati anaerobici. Tuttavia, la conversione energetica è ancora possibile in condizioni anaerobiche attraverso due diversi processi metabolici, fermentazione e respirazione anaerobica1.
Mentre gli organismi sottoposti a respirazione aerobica utilizzano l’ossigeno come un accettatore di elettroni terminale, la respirazione anaerobica richiede accetti di elettroni alternativi come nitrato o solfato2. Nella cosiddetta “torre degli elettroni”, le coppie di ridox sono organizzate in base al loro potenziale di ridox, con quelle più negative situate nella parte superiore (donatori di elettroni) e agenti di ossidazione più forti con potenziale di redox positivo nella parte inferiore (accettatori di elettroni). Il trasferimento di elettroni tra donatori e accetti porta alla conservazione dell’energia attraverso la cosiddetta catena respiratoria e gli elettroni possono essere catturati da accettanti elettronici – per rimanere nell’immagine – in diversi piani della torre. Di conseguenza, maggiore è la caduta degli elettroni attraverso la torre degli elettroni, maggiore è l’energia che può essere conservata dalla rispettiva reazione. Pertanto, la respirazione è possibile anche negli habitat anaerobici, ad esempio, con coppie di redox tra cui NO3–/NO2–, acido fumarico/acido succinico, SO32-/H2S, S/H2S, Mn(IV)/Mn(II ), Fe(III)/Fe(II)2,3. In primo luogo, l’energia risultante è conservata come potenziale di membrana, che viene successivamente utilizzata dal trasporto elettronico di fosfororylazione per la sintesi adenosina-tripfosfato (ATP) da ATP-synthases legati alla membrana. A differenza della respirazione aerobica, la quantità di energia che può essere conservata dalla respirazione anaerobica può essere drasticamente ridotta; tuttavia, la produzione di energia della maggior parte delle respirazioni anaerobiche è ancora superiore rispetto alla fermentazione, un percorso anaerobico di conservazione dell’energia in habitat privi di ossigeno e altri accetti di elettroni terminali2.
Durante la fermentazione, i substrati organici ricchi di energia vengono degradati a vari prodotti di fermentazione che spesso definiscono il nome del processo complessivo, ad esempio la fermentazione alcolica. A differenza dei processi respiratori, la generazione di ATP durante la fermentazione è limitata al fosforo a livello di substrato durante il quale un gruppo di fosfati viene trasferito all’adenosina-difosfato (ADP) da un substrato fosforo 2 ricco di energia. I microrganismi fermentanti svolgono un ruolo centrale nella degradazione anaerobica della materia organica in quanto sono attori chiave nella ripartizione del substrato. I prodotti primari di fermentazione, come gli acidi organici, gli alcoli, CO2e H2,possono successivamente essere utilizzati da microrganismi fermentanti secondari per produrre acido acetico, CO2e H2. Esempi di prodotti di fermentazione includono acido lattico, vari acidi grassi volatili (formic-, acetica-, propionico-, butirico-, acido valerico), n-butanolo, 2,3-butandiolo, acetone ed etanolo.
La coltivazione di microrganismi in condizioni strettamente anaerobiche richiede metodi e attrezzature completamente diversi rispetto alla coltivazione di organismi aerobici. Mentre gli organismi tolleranti all’ossigeno sono spesso coltivati su piatti di agar, le cosiddette colture superficiali, questo è – con poche eccezioni – difficilmente possibile per i microrganismi strettamente anaerobici. Pertanto, le colture di arricchimento di microrganismi strettamente anaerobici sono stabilite principalmente in supporti liquidi che applicano vasi di coltura sigillati con setti a tenuta di gas che garantiscono un’atmosfera senza testa priva di ossigeno4,6, 7.
L’attuale descrizione del protocollo fornirà metodi di coltivazione appropriati per i microrganismi bersaglio di una popolazione mista derivata da una pianta di biogas anaerobica. L’isolamento e la coltivazione di culture pure è ancora più impegnativo ma non fa parte di questo lavoro.
Qui, mostriamo la procedura per coltivare una comunità microbica anaerobica basata su uno studio riguardante la formazione di acidi fenili durante la digestione anaerobica di substrati proteici8. La comunità microbica era composta da membri di tutte e quattro le fasi della digestione anaerobica: idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi. Un mezzo di sale minerale integrato con una fonte di carbonio, redox-indicatore, vitamina e traccia elemento soluzione, e agente di riduzione è stato applicato9. Il mezzo è stato modificato con il rispettivo precursore dell’acido fenile proteico substrati8.
Il passo più importante e critico nella coltura di microrganismi anaerobici è quello di garantire condizioni prive di ossigeno nei media di coltivazione e nello spazio della testa dei flaconi. Un indicatore come resazurin può essere utilizzato per controllare indirettamente il corretto riempimento anaerobico dei flaconi. Resazurin è un coloranti redox comunemente usato in quanto è poco costoso, non tossico, e già efficace in basse dosi e tempi di incubazione brevi 12. Quando incorporato nei media, la resazurina di colore blu subisce per la prima volta un passaggio di riduzione irreversibile alla rirufin, che è rosa con valori di pH neutri. Questa prima reazione può verificarsi quando il supporto è riscaldato 13. Successivamente, la rirumarcia viene ridotta a dihydroresorufin incolore in una reazione secondaria reversibile (Figura 7)12. Il sistema di redox redox rerufin/diidroresorufin diventa completamente incolore ad un potenziale di riduzione di ossidazione standard di circa Eh – -110 mV e diventa rosa sopra un potenziale di redox di -51 mV 13.
Al fine di ridurre ulteriormente il potenziale di redox, ad esempio, per facilitare la crescita di microrganismi metanogenici noti per richiedere meno di -200 mV14, può essere aggiunta una soluzione Na2S. In alternativa, sono comunemente usati cisteine-HCl, sodio-tioglicolato o dithionite di sodio. Tuttavia, quale agente di riduzione è appropriato da utilizzare dipende dalla rispettiva configurazione sperimentale e potrebbe richiedere particolare attenzione. Ad esempio, il tioglicolicolo di sodio ha bisogno di attivazione della temperatura (ad esempio, automatizzando l’autoclaving).
Un consorzio microbico ben bilanciato, composto da vari generi di batteri e archea, e una cascata di degradazione anaerobica efficiente può essere ulteriormente valutata determinando la composizione del gas headspace nei flaconi di coltura tramite gas Cromatografia. Quando si trattano composti come gli acidi fenili derivati da diversi precursori, la valutazione dello spazio della testa è un modo veloce per controllare il processo di metanogenesi8. Una concentrazione di CH4 nello spazio della testa di circa il 50-60% dei controlli alla fine del periodo di incubazione indica un utilizzo positivo dei nutrienti applicati e quindi una mineralizzazione del materiale organico in condizioni anaerobiche. La produzione teorica di metano e le concentrazioni prevedibili di metano durante il processo di digestione possono essere determinate ex secondo l’equazione di Buswell-Boyle dopo l’analisi elementare del substrato o stimando il contenuto di carboidrati, proteine e grassi nel substrato. Secondo VDI 4630 15, i carboidrati possono portare a una produzione teorica di biogas di 750 L kg-1 VSS (50% CH4 e 50% CO2), proteine a 800 L kg-1 VSS (72% CH4 e 28 % CO2), e grassi a 1.390 L kg -1 VSS (60% CH4 e 40% CO2).
Inoltre, sono stati monitorati la formazione e la possibile successiva degradazione di VFA e acidi fenili. Il processo di degradazione può essere valutato analizzando le concentrazioni di VFA (ad esempio, acetato, propionato) in momenti diversi. L’accumulo di acidi grassi a catena corta come acetato e/o propionato può indicare disturbi nella composizione della comunità metanogenica e ad un sovraccarico complessivo del reattore. Tuttavia, una cascata di degradazione microbica ben bilanciata può anche far fronte a concentrazioni molto elevate di VFA e acetato9. Inoltre, il rapporto acetato / propionato potrebbe fornire ulteriori informazioni sulla condizione complessiva del reattore16. Tuttavia, ci sono molti parametri adatti per il monitoraggio dei processi che devono essere selezionati secondo le ipotesi sperimentali proposte. Nell’esempio attuale, le variabili di destinazione erano concentrazioni di acidi fenili (Figura 6).
The authors have nothing to disclose.
Questa ricerca è stata finanziata dal Fondo scientifico austriaco (FWF): i numeri di progetto P 29360 e P 29143. La pubblicazione è stata supportata da Publikationsfonds der Universitat Innsbruck. Riconosciamo molto il BEI.
culture flasks (120 mL, N20) | Ochs, Germany | 102046 | |
buty rubber septa (N20) | Ochs, Germany | 102049 | |
aluminium caps (N20) | Ochs, Germany | 102050 | |
N2 gas | Messer, Austria | purity 5.0 | |
syringes + cannulae | various | ||
crimper | Ochs, Germany | 102051 | |
de-crimper | Ochs, Germany | 102052 | |
GC2010 | Shimadzu | ||
Shin-carbon GC column | Restek | chromatographic separation of H2, O2, CH4, and CO2 | |
HPLC Prominence | Shimadzu | ||
Fast Fruit HPLC Column | Phenomenex | chromatographic separation of VFAs, phenyl acids, etc. |