Wirth Roland és munkatársai, az ELKH Szegedi Biológiai Kutatóközpont Növénybiológiai Intézetének Maróti Gergely vezette Mikrobiális és Alga Genomika Kutatócsoportjában, illetve az Extracelluláris Elektrontranszfer Lendület-csoportban, az SZTE TTIK Biotechnológiai Tanszékével szoros együttműködésben a biogáz-előállításban kulcsszerepet játszó mikrobák – metanogén archaeák, hidrolizáló és szintrófikus baktériumok – interakcióit, a közösségek stabilitását és működését vizsgálták ipari méretű anaerob degradációs rendszerekben, valódi biogázüzemekben. Tanulmányukban bemutatták, hogy bár a metanogén archaeák alacsony relatív abundanciával vannak jelen a rendszerben, mégis messze a legaktívabb mikroorganizmusok a biogázt előállító fermentorokban. A hidrogént és szén-dioxidot hasznosító metanogének dominánsak a közösségben, és szoros kapcsolatban állnak a hidrolizáló Firmicutes és Bacteroidota baktériumtörzsek képviselőivel. A kutatás rámutatott, hogy a metanogén populáció diverzitása meghatározó a hatékony biogáz-előállítás szempontjából. A legmodernebb metagenomikai és metatranszkriptomikai megközelítések kombinációját alkalmazó kutatás eredményeit a The ISME Journal folyóiratban közölték a szerzők.
A biogáztermelés a szerves anyag bontásának hatékonyságán alapul. Ebben a folyamatban egy összetett mikrobiális közösség vesz részt, amelyben minden mikroorganizmusnak meghatározott szerepe van. A mikrobiális közösség összetételét és aktivitását különböző tényezők, mint például a mikrobák közötti interakciók, a biomassza összetétele, valamint az anaerob degradáció során keletkező metabolitok befolyásolják. A mikrobiális kölcsönhatások és mechanizmusaik feltárása összetett feladat, mivel a legtöbb mikroba a partnereinek hálózata nélkül laboratóriumban nem vizsgálható. Így a komplex közösségekben működő szintrófikus kölcsönhatások feltárása speciális megközelítést igényel. Az egyre fejlettebb szekvenálási technológiák és bioinformatikai algoritmusok megoldást nyújthatnak ennek a problémának a feloldására. Ezek segítségével lehetővé válik az egyedi mikrobafajok teljes genomjainak rekonstrukciója, illetve az egyes mikrobákhoz kapcsolható funkciók azonosítása és kvantitatív jellemzése még olyan összetett közösségekben is, mint a biogáztermelő rendszerek. Ebben a tanulmányban a szerzők ipari méretű biogázreaktorok metagenom adatainak mélyelemzése során nagyszámú baktérium- és archaeagenomot rekonstruáltak mesterséges neurális hálózatot alkalmazó genomcentrikus eljárással.
1. ábra. A három biogázüzemben azonosított jellemző mikroorganizmusok
A kutatás eredményei rávilágítottak, hogy ismereteink hiányosak a biogáztermelő közösségek tevékenységéről és az ezekben a közösségekben élő mikroorganizmusok kapcsolatairól. A tanulmányban számos eddig ismeretlen mikrobát azonosítottak a kutatók, illetve az egyes mikrobák aktivitását, funkcionális szerepét és más mikrobákkal alkotott kölcsönhatásaikat is feltárták. A metanogén archaeák és szintrófikus baktériumpartnereik között a biomassza-metán konverzióban kulcsszerepet játszó metabolikus útvonalakat azonosítottak. A kutatás eredményei rámutattak arra is, hogy a metanogén mikroorganizmusok diverzitása jelentős szerepet játszik a közösség funkcionális stabilitásában.
Publikáció:
Wirth R., Bagi Z., Shetty P., Szuhaj M., Cheung TTS., Kovács KL. and Maróti G. (2023). Inter-kingdom interactions and stability of methanogens revealed by machine-learning guided multi-omics analysis of industrial-scale biogas plants. The ISME Journal. DOI: 10.1038/s41396-023-01448-3