Methanogenesis je sada cest metabolických výrobu methanu v některých mikroorganismů , jako je popsáno methanogens . Byly identifikovány takové mikroorganismy, které v rámci domény z Archaea , skupina prokaryot odlišných od bakterií a eukaryot dekódovací fylogenetické , ačkoli mnoho archea živé úzce spojené s bakteriemi anaerobní . Produkce metanu je důležitým a rozšířeným projevem mikrobiálního metabolismu . Často jde o poslední krok v rozkladu biomasy , čímž se účastní obecnějšího procesu metanizace .
Některé studie provedené na začátku 21. století by znamenalo, že listy z živých rostlin také produkují metan, zatímco jiný výzkum raději zjistit, zda rostliny odmítají přes listy metanu absorbovány na úrovni kořenů. Je možné, že neznámé procesy produkují metan v rostlinách, ale to není v žádném případě prokázáno.
Mikrobiální methanogeneze je forma anaerobního dýchání , přičemž kyslík je inhibitorem růstu v methanogenech . Při aerobním dýchání O 2je konečným přijímačem elektronů a forem vody ; v případě methanogenů je konečným akceptorem elektronů uhlík malých organických molekul.
Methanogenní organismy lze rozdělit do tří tříd podle jejich substrátu: hydrogenotrofy, methylotrofy a acetotrofy.
Globální reakce pro methanogenezi | ΔG ° ' [kJ / mol CH 4 ] | Organizace |
Hydrogenotrof | ||
CO 2+ 4 H 2→ CH 4+ 2 H 2 O | -135 | většina methanogenů |
4 HCOOH → CH 4+ 3 CO 2+ 2 H 2 O | -130 | hodně hydrogenotrofních methanogenů |
CO 2+ 4 CH 3 CHOHCH 3→ CH 4+ 4 CH 3 COCH 3+ 2 H 2 O | -37 | některé hydrogenotrofické methanogeny |
4 CO + 2 H 2 O→ CH 4+ 3 CO 2 | -196 | Methanothermobacter a Methanosarcina |
Methylotrof | ||
4 CH 3 OH→ 3 CH 4+ CO 2+ 2 H 2 O | -105 | Methanosarcina a další methylothrophic methanogens |
CH 3 OH+ H 2→ CH 4+ H 2 O | -113 | Methanimicrococcus blatticola a Methanosphaera |
2 (CH 3 ) 2 S+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 2 H 2 S | -49 | některé methanogeny methylothrofy |
4 CH 3 NH 2+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 4 NH 3 | -75 | některé methanogeny methylothrofy |
2 (CH 3 ) 2 NH+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 2 NH 3 | -73 | některé methanogeny methylothrofy |
4 (CH 3 ) 3 N+ 6 H 2 O→ 9 CH 4+ 3 CO 2+ 4 NH 3 | -74 | některé methanogeny methylothrofy |
4 CH 3 NH 3 Cl+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 4 NH 4 Cl | -74 | některé methanogeny methylothrofy |
Acetotrof | ||
CH 3 COOH→ CH 4+ CO 2 | -33 | Methanosarcina a Methanosaeta |
Redukce molekuly oxidu uhličitého na metan je psána globálně:
CO 2+ 4 H 2→ CH 4+ 2 H 2 OTato syntetická cesta postupně zahrnuje několik enzymů , koenzymů a kofaktorů v sedmi hlavních krocích s použitím vodíku jako hlavního donoru elektronů, většina hydrogenotrofních methanogenů může také použít formiát jako donor elektronů.
Disulfidová sloučenina se poté redukuje za použití koenzymu F420 k regeneraci dvou thiolů.
Redukce molekuly kyseliny octové na methan se píše globálně:
CH 3 COOH→ CH 4+ CO 2.Tato syntetická cesta postupně zahrnuje několik enzymů , koenzymů a kofaktorů ve čtyřech hlavních krocích.
Disulfidová sloučenina se poté redukuje za použití koenzymu F420 k regeneraci dvou thiolů .
Příliš nízká nebo příliš vysoká teplota může tento proces bránit.
Mikroby odpovědné za methanogenezi jsou také citlivé na určité inhibitory, včetně: určitých antibiotik nebo biocidů, kationtů, těžkých kovů, síranů, amoniaku a těkavých mastných kyselin (jejichž účinky jsou však stále kontroverzní: někteří autoři (Aguilar et al., 1995) )) odhadují, že by bylo zapotřebí 10 g / l každé kyseliny, aby měla významnou inhibici, ale podle jiných, jako je Yuen et al. (1995), odhaduje se, že ze 3 g / l AGV lze methanogenezi inhibovat. zdůrazňuje však význam monitorování tohoto parametru během anaerobní degradace pro stabilitu procesu (Bolzonella et al., 2003) a skutečnost, že v případě inhibice anaerobní digesce se hromadí VFA.
Methanační , který je zejména katalyticky „ převést “ CO 2 antropogenní v těžitelném metanu se ukazuje jako složitější, než se dříve myslelo, ale postupuje.
Ve stejné době, univerzity a průmyslový výzkum a vývoj jsou zkoumání více biotechnologických cesty , známý jako „mikrobiální katalýzou“ nebo biomethanation . Více či méně biomimetickým způsobem se průmyslová biomethanace snaží inspirovat procesy běžnými v určitých přírodních prostředích, kde určité archaea (skupina prokaryot dnes odlišná od bakterií) používají ve svém prostředí oxid uhličitý a dihydrogen hojně k výrobě metanu (to je přírodní methanogeneze, jejímž prvním krokem je snížení CO 2). Většina suchozemského metanu se vyrábí tímto způsobem.
Elektrony produkované oxidací vodíku nejsou přirozeně dostatečně energické na to, aby spontánně snížily CO 2, Ale během evoluce některé skupiny archaea naučili používat metalloenzymatic komplexy ( methyl-koenzym M reduktázy a koenzymu B ) k výrobě COM-SS palic a metan buzením polovinu elektrony odvozených z H 2(na úkor druhé poloviny).
Wagner a kol. ukázal (v roce 2017 v časopise Journal Science), jak v některých archaeách dostávají elektrony potřebný nárůst energie: díky krystalické struktuře metaloenzymatického komplexu, který obsahuje řetězec přenosu elektronů ve tvaru písmene T, který dělí tok elektronů od jediného dárce dvěma akceptorům (jeden akceptor se musí vázat na pár nových skupin železa a síry, aby se snížil).
Pro místní použití, zejména v rozvojových zemích, jsou prováděny pokusy o výrobu rustikálních bioreaktorů jednoduché konstrukce a údržby. Nedávný prototyp kombinuje dva pevné bioreaktory namontované v sérii propojené systémem přívodu a recirkulace. Dokázal vyprodukovat až 6,35 l metanu na litr reaktoru (pro průtok vodíku 25,2 l / l reaktoru), s jednoduchým zdrojem živin (kapalný organický odpad) a s přijetím média jednoduché kultury ( vermikulit a perlitová zrna v experimentu); rychlost konverze vodíku byla 100%, ale provoz tohoto typu reaktoru zůstává nestabilní a musí být vylepšen.
Princip fluidního lože byl také testován (v Německu v letech 2015-2017) na anaerobní kulturu termofilní archea za účelem získání beztlakého vysoce výkonného biomethanačního reaktoru. Prototyp (s objemem 58,1 litru) byl schopen vyrobit 5,4 m 3 CH 4/ (M 3 d), s více než 98% konverze na CH 4. Ukázal také význam kontroly pH a živin pro stabilitu výroby. V tomto případě bylo původní inokulum mezofilní a rychle se přizpůsobilo termofilním podmínkám takzvaného ATBR (pro „reaktor s anaerobním pramínkem“ ). Ukázalo se, že provoz reaktoru je citlivý na jev ředění metabolickou vodou produkovanou mikrobiální komunitou. Tento typ reaktoru může být naočkován (naočkován) jednoduše tráveným kalem: jejich vnitřní biologická rozmanitost je činí schopnými poskytnout mikrobiální populaci, která se dobře a rychle přizpůsobí termofilním podmínkám reaktoru. V tomto případě autoři nikdy nepozorovali makroskopický biofilm za termofilních podmínek (ani po 313 dnech provozu). Došli k závěru, že tato technologie je „velmi účinná“ a má „vysoký potenciál pro použití jako prostředek pro přeměnu a skladování energie“ .
Nový typ kontinuálního reaktoru byl také nedávno (publikace 2017) prototypován a testován: obsahuje smíšený mezofilní anaerobní mikrobiální biofilm . Doba pobytu je pomalá, ale systém je jednoduchý. Do 82 dnů po zahájení testů se získá konverze (z CO 2v CH 4) bylo dosaženo 99% a 90% pro celkové průtoky plynu, které byly 100, respektive 150 v / v / d. U vstupního průtoku plynu 230 V / V / D dosáhly rychlosti vývoje metanu 40 V / V / D (dosud zaznamenaný „biomethanation by fixed biofilm“ , s několika zdroji plynu. „Parazitní“ spotřeba energie díky k novému konceptu toku zátkami střídajícími se kapalnou (s živinami), pevnou (růst biofilmu) a plynnou (absorpce CO 2 ) fází) velmi odlišné od reaktoru CSTR, který také vyžaduje neustálé a výrazné chlazení).
Tato práce byla také příležitostí vymyslet typ reaktoru, který by mohl mít další související biotechnologické využití.
V roce 2017 se vyvíjí úsilí o další zlepšení energetické účinnosti těchto nových biomethanizačních cest, které by mohly být například integrovány do procesu čištění odpadních vod.