Methanogens, sulphate and heavy metals: a complex system

Anaerobic digestion (AD) is a well-established technology used for the treatment of wastes and wastewaters with high organic content. During AD organic matter is converted stepwise to methane-containing biogasa renewable energy carrier. Methane production occurs in the last AD step and relies on methanogens, which are rather sensitive to some contaminants commonly found in wastewaters (e.g. heavy metals), or easily outcompeted by other groups of microorganisms (e.g. sulphate reducing bacteria, SRB). This review gives an overview of previous research and pilot-scale studies that shed some light on the effects of sulphate and heavy metals on methanogenesis. Despite the numerous studies on this subject, comparison is not always possible due to differences in the experimental conditions used and parameters explained. An overview of the possible benefits of methanogens and SRB co-habitation is also covered. Small amounts of sulphide produced by SRB can precipitate with metals, neutralising the negative effects of sulphide accumulation and free heavy metals on methanogenesis. Knowledge on how to untangle and balance sulphate reduction and methanogenesis is crucial to take advantage of the potential for the utilisation of biogenic sulphide as a metal detoxification agent with minimal loss in methane production in anaerobic digesters.

Syntrophic relationships between algae and bacteria in a fresh-water stream and in culture /

Interactions between freshwater algae and bacteria were examined in a natural stream habitat and a laboratory model. Field observations provided circumstantial evidence, in statistical correlation for syntrophy between the microbial populations. This relation is probably subject to control by the temperature and pH of the aquatic environment. Several species of a pond community were isolated in axenic culture and tests were performed to determine the nature of mixed species interactions. Isolation procedures and field studies indicated that selected strains of Chlorella and Azotobacter were closely associated in their natural habitat. With the suspected controlling parameters, pH and temperature, held constant, mixed cultures of algae and bacteria were compared to axenic cultures of the same organisms, and a mutual stimulation of growth was observed. A mixed pure culture apparatus was designed in this laboratory to study the algal-bacterial interaction and to test the hypothesis that such an interaction may take place through a diffusable substance or through certain medium-borne conditions, Azotobacter was found to take up a Chlorella-produced exudate, to stimulate protein synthesis, to enhance chlorophyll production and to cause a numerical increase in the interacting Chlorella population. It is not clear whether control is at the environmental, cellular or genetic level in these mixed population interactions. Experimental observations in the model system, taken with field correlations allow one to state that there may be a direct relationship governing the population fluctuations of these two organisms in their natural stream surroundings.

Biomethanation of syngas: identification of metabolic pathways from CO in a natural anaerobic consortium

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies.

Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Multidimensional modelling to investigate interspecies hydrogen transfer in anaerobic biofilms

Anaerobic digestion is a multistep process, mediated by a functionally and phylogenetically diverse microbial population. One of the crucial steps is oxidation of organic acids, with electron transfer via hydrogen or formate from acetogenic bacteria to methanogens. This syntrophic microbiological process is strongly restricted by a thermodynamic limitation on the allowable hydrogen or formate concentration. In order to study this process in more detail, we developed an individual-based biofilm model which enables to describe the processes at a microbial resolution. The biochemical model is the ADM1, implemented in a multidimensional domain. With this model, we evaluated three important issues for the syntrophic relationship: (i) is there a fundamental difference in using hydrogen or formate as electron carrier? (ii) Does a thermodynamic-based inhibition function produced substantially different results from an empirical function? and; (iii) Does the physical colocation of acetogens and methanogens follow directly from a general model. Hydrogen or formate as electron carrier had no substantial impact on model results. Standard inhibition functions or thermodynamic inhibition function gave similar results at larger substrate field grid sizes (> 10 mu m), but at smaller grid sizes, the thermodynamic-based function reduced the number of cells with long interspecies distances (> 2.5 mu m). Therefore, a very fine grid resolution is needed to reflect differences between the thermodynamic function, and a more generic inhibition form. The co-location of syntrophic bacteria was well predicted without a need to assume a microbiological based mechanism (e.g., through chemotaxis) of biofilm formation.