Base taxonômica e enzimática do consórcio microbiano celulolítico KKU

Jul 13, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2968 (2023) Citar este artigo

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A biomassa lignocelulósica é um substrato promissor para a produção de biogás. No entanto, a sua estrutura recalcitrante limita a eficiência da conversão. Este estudo tem como objetivo desenhar um consórcio microbiano (MC) capaz de produzir a enzima celulolítica e explorar os aspectos taxonômicos e genéticos da degradação da lignocelulose. Uma gama diversificada de bactérias lignocelulolíticas e enzimas degradantes de vários habitats foram enriquecidas para um KKU-MC1 conhecido. Descobriu-se que o KKU-MC1 é abundante em Bacteroidetes (51%), Proteobacteria (29%), Firmicutes (10%) e outros filos (8% desconhecidos, 0,4% não classificados, 0,6% archaea e os restantes 1% outros bactérias com baixa predominância). A anotação da enzima ativa em carboidratos (CAZyme) revelou que os gêneros Bacteroides, Ruminiclostridium, Enterococcus e Parabacteroides codificavam um conjunto diversificado de enzimas de degradação de celulose e hemicelulose. Além disso, as famílias de genes associadas à desconstrução da lignina foram mais abundantes nos gêneros Pseudomonas. Posteriormente, os efeitos do MC na produção de metano a partir de diversas biomassas foram estudados de duas formas: bioaumento e pré-hidrólise. O rendimento de metano (MY) do bagaço de mandioca pré-hidrólise (CB), capim Napier (NG) e bagaço de cana-de-açúcar (SB) com KKU-MC1 por 5 dias melhorou em 38-56% em comparação com substratos não pré-hidrólise, enquanto MY de A torta de filtro pré-hidrolisada (FC) por 15 dias melhorou 56% em comparação com a FC crua. O MY de CB, NG e SB (a 4% de concentração inicial de sólidos voláteis (IVC)) com aumento de KKU-MC1 melhorou em 29-42% em comparação com o tratamento sem aumento. A FC (1% IVC) teve MY 17% maior do que o tratamento sem aumento. Essas descobertas demonstraram que o KKU-MC1 liberou a enzima celulolítica capaz de decompor diversas biomassas lignocelulósicas, resultando no aumento da produção de biogás.

A produção de biogás a partir de resíduos orgânicos através da digestão anaeróbica (AD) tem atraído interesse mundial nos últimos anos. Esta tecnologia poderá satisfazer a crescente procura de energia e resolver o problema da poluição ambiental1. A matéria-prima utilizada para a fermentação do biogás é abundante; biomassa lignocelulósica, como bagaço de cana (SB) e torta de filtro (FC) das indústrias açucareiras, também capim Napier (NG), bagaço de mandioca (CB) e alguns tipos de resíduos industriais, são os mais comuns e de fácil acesso. No entanto, a utilização desta biomassa lignocelulósica para bioconversão é um desafio devido à natureza altamente recalcitrante da parede celular vegetal, que compreende microfibras de celulose ligadas a redes de hemicelulose e protegidas por lignina. Além disso, a baixa taxa de hidrólise da biomassa lignocelulósica faz com que o processo de degradação diminua, reduzindo a eficiência da produção de metano. Para aumentar a produção de biogás a partir da biomassa lignocelulósica, é necessário um método de pré-tratamento antes do processamento adicional2. Os métodos de pré-tratamento utilizados podem ser classificados em físicos, químicos e biológicos3. Os pré-tratamentos físicos e químicos podem perturbar a estrutura da lignocelulose num espaço de tempo muito curto, aumentando assim a sua biodegradabilidade. Porém, esses métodos aumentam o custo do processo e geram compostos tóxicos ou inibidores no meio ambiente4. Além disso, são necessários tratamentos ácidos ou alcalinos para neutralização após o pré-tratamento, complicando o processo.

O pré-tratamento biológico, que utiliza enzimas ou microrganismos para preparar a biomassa de lignocelulose para a produção de biogás, pode ser demorado em comparação com os pré-tratamentos físicos e químicos. No entanto, estas tecnologias são promissoras porque são amigas do ambiente e económicas4. No entanto, vários factores devem ser cuidadosamente controlados para manter a actividade enzimática estável ou persistente, tais como o tipo de substrato, tempo de pré-tratamento, pH e temperatura. Segundo Parawira, o uso de enzimas livres pode ser menos eficiente e eficaz do que o cultivo de microrganismos que produzem compostos degradadores de lignocelulose estáveis ​​e persistentes5. Por outro lado, a utilização de uma mistura de vários microrganismos isolados é mais eficaz do que a utilização de estirpes únicas devido à natureza complexa da lignocelulose6. O consórcio microbiano (MC) pode ser isolado de vários nichos ecológicos, incluindo solo composto florestal7, habitats compostos8, composto SB9 e compostagem sob AD10. Vários estudos utilizaram MC com sucesso para melhorar a biodegradação da biomassa lignocelulósica e aumentar a produção de biogás. Por exemplo, Wongwilaiwalin et al. descobriram que o NG tratado com MC (criado a partir de culturas de sementes colhidas de composto de bagaço degradado) por 7 dias aumentou o rendimento de metano (MY) em 37% em comparação com o NG11 não tratado. Além disso, o MC enriquecido com composto, lixo vegetal e resíduos animais e agrícolas aumentou a produção de metano do NG12.