Anaerobic degradation of marine algae, seagrass and tropical climbing vines to produce a renewable energy source and the analysis of their anaerobic microbial communities

Abstract

Energy demand by contemporary societies and the excessive consumption of fossil fuels have impulsed research and the employment of renewable energy systems. It has been proposed, in terms of renewable systems, the use of biofuels generated by the degradation of organic matter, like bioethanol, biodiesel and methane, being this last one the more efficient one based on its calorific value. For this reason we propose the implementation of anaerobic reactors which degrade biomass that has relatively high growth rates, require low quantity of nutrients and eliminate any competition by its use, thus creating a cost-effective system. Tropical climbing vines provide biomasses with the previous characteristics; however, they contain high concentrations of cellulose and lignin that are polymers difficult to degrade. In contrast, biomass like marine algae contains low concentrations of both lignin and cellulose, which should make them an easier material for degradation. Finally, in comparison to marine algae another source of marine biomass, which can serve as biomass for the creation of these systems, is seagrasses. Nonetheless, seagrasses are more related to terrestrial plants than marine algae for which they could present the same difficulties towards degradation as climbing vines. This study aims to compare the efficiency of three different vegetation biomasses (marine algae, seagrass and tropical climbing vines) as primary substrate for anaerobic reactors. Moreover, to achieve what could be a highly cost effective system, the isolation and identification of anaerobic alginate degraders was studied. Alginate is a complex polysaccharide present in marine algae’s cell wall, representing up to 40% of its dry weight. The study was completed creating anaerobic microcosms, which contained 0.016 g/mL (0.5 g total biomass) of each biomass. Methane and intermediaries produced were determined for each microcosm. After chemical determinations, the microbial community was analyzed using molecular techniques. The isolation of anaerobic alginate degraders was achieved performing serial dilutions for the purification of the microbial community present in the samples selected, which in turn were analyzed using molecular techniques, such as PCR and DGGE. After 108 days, results demonstrated that there were significant differences between marine and terrestrial biomasses; the latter was the most efficient. In terrestrial biomass microcosms, a maximum production of 50% of methane achieved an energetic rendition of 8.37 W/h; in comparison with marine biomass microcosms in which the highest energetic rendition was 3.60 W/h. Molecular analysis of the microbial community present in the marine biomass microcosms had a low diversity. In the different marine and terrestrial microcosms, the bacteria that dominated was Desulfovibrio vulgaris, but the dominant methanogen depended on the biomass being degraded. Moreover, in the samples analyzed, the anaerobic alginate degraders demonstrated a convergence of a gram-negative spore former, which seemed favored during the purification process. Nonetheless, even though the isolation of anaerobic alginate degraders was successful, it is important that the microbial community works together to achieve the conversion of alginate to methane. Although there was a positive isolation of bacteria that can degrade alginate, methanogenic bacteria were not isolated this in spite of methane formation, which indicated their presence in the experimental microcosms.

La necesidad energética requerida por la sociedad y el consumo excesivo de combustible fósil ha impulsado la investigación e implementación de sistemas de energía renovable. Actualmente se ha propuesto el uso de biocombustibles generados de la degradación de materia orgánica, entre los cuales se encuentra el bioetanol, biodiesel y metano, siendo este último el de mayor eficiencia por su valor calorífico. En base a lo previo proponemos la implementación de bioreactores anaeróbicos los cuales degradarían biomasas con tasas de crecimiento rápidas, requieren bajas cantidades de nutrientes y eliminen cualquier competencia por su uso, creando así un sistema costo efectivo. Entre las biomasas que poseen estas características se encuentran las enredaderas tropicales, ya que poseen una tasa de crecimiento alta y no requieren altas cantidades de nutrientes para su crecimiento; más sin embargo éstas contienen una alta cantidad de polímeros complejos, como la lignina y celulosa, los cuales son difíciles de degradar. Por otro lado, biomasas como las algas marinas contienen bajas concentraciones de lignina y celulosa, lo cual las haría un material fácil de degradar. Por último, en comparación con las algas marinas, otra biomasa marina que podría cualificar para la utilización en estos sistemas son las yerbas marinas. Sin embargo, en comparación con las algas marinas éstas tienen mayor relación con las plantas terrestres por lo cual podrían enfrentar el problema de tener polímeros complejos. Es por ello que en esta investigación se trató de comparar la efectividad de algas marinas, yerbas marinas y enredaderas tropicales como sustrato primario en reactores anaeróbicos. Aun así, para lograr lo que sería un sistema altamente costo efectivo, se ha propuesto también aislar e identificar degradadores anaeróbicos de alginato. El alginato es un polisacárido presente en la pared celular de las algas marinas, representando hasta un 40% del peso seco de éstas. Para lograr los objetivos propuestos, microcosmos anaeróbicos que contenían 0.016 g/mL de cada biomasa fueron analizados en respecto a la producción de metano e intermediarios. Luego de esto, las comunidades microbianas presente en estos fue analizadas a través de técnicas moleculares. El aislamiento de degradadores anaeróbicos de alginato fue logrado realizando diluciones seriales para la purificación de la comunidad microbiana presente en las muestras seleccionadas. Luego de 108 días, los resultados obtenidos demuestran una diferencia significativa entre la producción de metano entre la biomasa marina y la terrestre, siendo esta última la más eficiente. Con una producción máxima de 50% de metano, se lograría obtener un rendimiento energético de 8.37 W/h, en comparación con las otras biomasas utilizada donde la mayor producción de energía obtenida es de 3.60 W/h. El análisis de la comunidad microbiana presente en las biomasas demuestra que hay una baja diversidad en los microcosmos de biomasa marina. En términos de las bacterias presente, aparenta existir una dominancia de Desulfovibrio vulgaris en todos lo microcosmos, mientras que la arquea dominante dependerá de la biomasa que se encuentre degradando la población. Más aún, el análisis de degradadores anaeróbicos de alginato demuestra la convergencia de un formador de esporas gram-negativo en los sedimentos analizados, el cual muestra ser favorecido durante el proceso de purificación. Sin embargo, aún al lograr el aislamiento de microorganismos degradadores de alginato en ambientes anaeróbicos, es importante que esta población trabaje en conjunto para lograr la conversión de alginato a metano. Aunque hubo una exitosa aislación de bacterias degradadoras de alginato, las arqueas metanogénicas no fueron aisladas a pesar de la presencia de estas en los microcosmos analizados.