Studio di comunità microbiotiche nell’ambito di un progetto per il miglioramento della produzione di CH₄ utilizzando CO₂ e H₂ da energie rinnovabili

Questo progetto di tesi analizza nel dettaglio l’utilizzo degli archea metanogenici come produttori di metano per scopi biotecnologici: in particolare si discutono le varie tappe e caratteristiche dal punto di vista metabolico del processo metanogenico, le tipologie di reattori sviluppati per la produzione di biogas e le tecniche metagenomiche utilizzate per l’analisi di comunità microbiche durante il processo di upgrading del biogas. Nello specifico sono analizzati gli habitat nei quali sono presenti gli archea metanogeni, il ruolo ecologico che ricoprono, oltre alle diverse tipologie di metanogenesi (metilotrofica, idrogenotrofica e acetotrofica) esistenti: sono descritti i processi di idrolisi, acidogenesi e acetogenesi che precedono la metanogenesi nella serie di reazioni di digestione della materia organica presente nell’ambiente. Sono illustrate le condizioni nelle quali i metanogeni sono in grado di utilizzare idrogeno ed anidride carbonica come fonte di carbonio, i micronutrienti, il range di pH e di temperatura necessari per la loro crescita. Per quanto riguarda i reattori utilizzati per la pulizia del biogas e la sua conversiona a biometano, sono analizzate nel dettaglio le configurazioni in situ, ex situ e ibride con attenzione particolare al tipo di comunità microbiche, i parametri fisici e le caratteristiche dei mezzi utilizzabili nelle varie configurazioni. Le criticità riscontrate nello sviluppo e utilizzo dei reattori sono presentate; in particolare, quello che influisce maggiormente sull’efficienza della produzione di metano è la bassa diffusione dell’idrogeno gassoso in ambiente liquido. Sono successivamente descritte le caratteristiche dei reattori trickle-bed e CSTRs sviluppati per ridurre il più possibile questa problematica. L’analisi metagenomica è descritta in breve nelle varie tappe che la compongono, nei software e metodologie più largamente utilizzate, con enfasi sulle tecniche e risorse impiegate comunemente. I risultati esplorati riguardano lo studio di una specifica comunità microbica metanogenica e sono esposti nel dettaglio. Per quanto riguarda le specie archea e batteriche identificate si sono analizzate la loro diffusione e attività rispetto al totale della comunità microbica e le loro variazioni a seguito dell’aggiunta di idrogeno nell’ambiente interno del reattore utilizzato. I metabolismi ricostruiti sono riportati ponendo particolare attenzione all’utilizzo dell’idrogeno e alla produzione finale di metano da parte delle specie archea, e alla produzione di anidride carbonica e idrogeno da parte delle specie batteriche. In particolare, sono analizzati i rapporti sintrofici presenti fra le due tipologie di microrganismi che consistono nello scambio di molecole fondamentali per la crescita e sviluppo dell’intera comunità. Sono infine riportati i possibili nuovi sviluppi riguardanti l’utilizzo della metanogenesi come fonte di energia per scopi umani, le migliorie necessarie alle tecnologie attualmente esistenti per tale impiego e ulteriori possibili usi del metano come mezzo efficiente di trasmissione e stoccaggio di grandi quantità di energia.