Adaptation of Methanosarcina barkeri to acetoclastic methanogenesis: working towards advantageous syntrophies and novel bioaugmentation strategies

Anaerobic digestion is a well-established biological process to obtain methane from biomass, impacting the renewable energy sector. Methanation is however very susceptible to factors such as increased ammonia concentration or competition with other pathways, and this can heavily impact the effectiveness of the technology as a whole. Bioaugmentation has been recognized as a key strategy to improve the resilience of the process, although not always effective: this has been observed, for example, with the addition of the methanogenic archaeon, Methanosarcina barkeri, to promote methane production over sulfate reduction. In an experiment performed on a series of lab-scale digesters, methane production was indeed stabilized in the short term, but the newly added species was unable to establish itself and was washed out of the reactors. The objective of this work is to adapt M. barkeri to grow only in presence of acetate. Batch cultures of this species were able to reach the stationary phase at a rate comparable to half that of cultures supplemented with methanol, which is proven to be the preferred carbon source for M. barkeri – but still almost four times higher than the growth rate at the start of the adaptation. The growth rate was determined by measuring the production of methane and the amount of acetate at the end of the fermentation with gas chromatography. Microscopy was used to evaluate the changes in morphology of the cell aggregates and detect potential contaminations. Other experiments were attempted, albeit unsuccessfully. Nonetheless, these results will pave the way for the establishment of an advantageous syntrophy with Geobacter metallireducens, which can also be adapted to grow on ethanol and produce acetate for Methanosarcina to consume. These two species can also act as DIET partners: this electron exchange pathway is far more efficient than H2 interspecies transfer and promoting it also appears to be a viable strategy to increase the efficiency of methanation. Even then, further experiments, performed within continuous reactors, will still be needed to evaluate whether or not this syntrophy can improve the previously mentioned bioaugmentation strategy.

La digestione anaerobica è un processo biologico ampiamente utilizzato per la produzione di metano da biomasse, e che rientra così nel campo delle energie rinnovabili. L’ultimo passaggio del processo, la produzione di metano, è però spesso inibita da fattori come alto contenuto di azoto o competizioni con altre vie metaboliche, e questo può compromettere l’efficienza dell’intero processo. È riconosciuto che la bioaugmentation può essere una strategia chiave per aumentare la resilienza della metanogenesi, ma non è sempre efficace: questo è stato osservato con l’aggiunta di Methanosarcina barkeri, una specie di archaea metanogeno, per promuovere la produzione di metano al posto della riduzione dello ione solfato. In un esperimento effettuato su una serie di reattori in scala da laboratorio, la produzione di metano era effettivamente stabilizzata nel breve periodo, ma la nuova specie non era in grado di crescere nel reattore ed era soggetta a wash-out. L’obiettivo di questo lavoro è quello di adattare M. barkeri a crescere in presenza di solo acetato. Colture in batch di questa specie sono state in grado di raggiungere la fase stazionaria ad una velocità dimezzata rispetto alla tipica velocità di crescita di colture con metanolo, che è dimostrato essere la fonte di carbonio preferita da Methanosarcina – ma quasi quattro volte superiore alla velocità di crescita all’inizio dell’adattamento. La velocità di crescita è stata determinata misurando con gas-cromatografia la produzione di metano durante la crescita, nonché la quantità di acetato rimasta nella coltura. Eventuali differenze nella morfologia degli aggregati di cellule, e possibili contaminazioni, sono state osservate al microscopio. Altri esperimenti sono stati tentati, anche se senza successo, per caratterizzare ulteriormente le colture. Questi risultati aprono la strada per stabilire una sintrofia con Geobacter metallireducens, che può altresì essere adattato alla crescita in etanolo, con produzione di acetato durante il metabolismo – che può essere utilizzato appunto da Methanosarcina. Queste due specie sono inoltre partner DIET, perciò possono usare un meccanismo di scambio di elettroni molto più efficiente del semplice scambio di idrogeno molecolare. Inoltre, promuovere DIET è in sé una strategia promettente per aumentare l’efficienza della metanogenesi. Alla luce di questo, ulteriori esperimenti con crescita in continuo saranno necessari per valutare se questa sintrofia può davvero migliorare la già citata strategia di bioaugmentation.