Biogassproduksjon og struktur av det mikrobielle samfunnet i labskala biogassreaktorer- effekt av storfegjødsel og ensilert fiskeavfall

Abstract

Verden i dag står overfor store miljømessige utfordringer, som trolig bare vil bli større i fremtiden. Vi produserer mer, vi bruker mer og energietterspørselen øker i takt med avfallshaugen. Dermed har også interessen rundt alternative energikilder og avfallshåndteringer økt de senere årene, for å møte utfordringer og behov på en miljøvennlig måte. Søkelyset er blant annet rettet mot den energirike gassen metan (CH4), som dannes ved anaerob degradering av biomasse til biogass. I tillegg til å generere fornybar energi, gir denne prosessen en effektiv avfallsbehandling av organisk materiale. Dannelsen av metan fra organisk materiale er en kompleks prosess, utført av et mikrobielt samfunn bestående av ulike bakterier og arker i synergi med hverandre. I Norge er landbruk og fiskenæring er to viktige ressurser, og avfall fra disse industriene har et stort biogasspotensiale. Likevel har erfaringer vist at biogassanlegg ofte kan være ustabile og med et lavt energiutbytte. For å overkomme begrensninger knyttet til prosessen og for optimalisering av biogassproduksjonen, er mer kunnskap rundt den mikrobielle prosessen nødvendig. Hovedmålsettingen med dette arbeidet var derfor å studere sammensetning og utvikling av det mikrobielle samfunnet, og dannelse av biogass i reaktorer med varierte ratioer av storfegjødsel i kombinasjon med ensilert fiskeavfall. Biogassproduksjonen viste et avtakende metanutbytte med økende andel fiskeavfall. I tillegg til kvalitative og kvantitative analyser av biomassen og produsert biogass, ble ulike metoder benyttet for å kartlegge mikrobiologisk tilstedeværelse og suksesjon i batchreaktorene med storfegjødsel og fiskeensilasje. En dyp karakterisering med high-throughput Illumina sekvensering avdekket Firmicutes, Bacteroidetes og Proteobacteria som mest tilstedeværende bakteriefylum. Medlemmer av Methanobacteriales ble observert som dominerende innen metanogene arker, og indikerte dermed at det meste av konverteringen til metan skjedde via hydrogenotrof metanogenese. En blandet Sanger-sekvensering utført på de samme prøvene som Illumina sekvenseringen, avslørte en konvergent utvikling i henhold til substrat. I tillegg ble qPCR-basert kvantifisering gjennomført for karakterisering av det relative forholdet mellom andelen av de ulike metanogruppene Methanosarcinales og Methanomicrobiales. Fluorescence in situ hybridization (FISH) benyttet i et forsøk på å kvantifisere forholdet mellom arker og bakterier i bioreaktorene, men bakgrunnsstøy gjorde kvantifisering umulig. Karakteriseringen av den mikrobielle stukturen avdekket tilstedeværelsen av de mest sentrale metanproduserende arkene, og som denne oppgaven viser gav Illumina-sekvensering et godt innblikk i det mikrobielle samfunnet i en biogassreaktor.