При 55оС микробные сообщества показывали более высокий выход биогаза, большую скорость и больший коэффициент конверсии субстрата, чем при 37оС. Преимуществом термофильных условий также является санация материала - уничтожаются патогенные микроорганизмы и паразиты. При этом, однако, мезофильные условия являются более предпочтительными с биотехнологической точки зрения. После осуществления подбора оптимальных условий культивирования были получены устойчивые активные микробные сообщества, разлагающие различные субстраты: пищевые бытовые отходы, картофельную биомассу и картофельный крахмал, биомассу фототрофных микроорганизмов (цианобактерий и водорослей), целлюлозу и целлюлозосодержащее бумажное сырье. Используемые субстраты не подвергались предварительной обработке. В среднем выход биогаза в отобранных сообществах составил 55-65%. Получены культуры, активно образующие биогаз (60-65%) из целлюлозы в условиях полунепрерывного культивирования в ферментере.
Наиболее продуктивные анаэробные микробные сообщества отличались высокой эффективностью конверсии целлюлозы в метан (15 ммоль СН4/г) и устойчивым образованием биогаза на протяжении нескольких пересевов. При выращивании микробных сообществ на целлюлозе, офисной бумаге и картоне выход метана составил 190-260 и 220-280 СН4/г при культивировании в мезофильных и термофильных условиях соответственно. При использовании пищевых бытовых отходов наиболее стабильные и эффективные сообщества образовывали в термофильных условиях 230-353 мл СН4/г с содержанием метана 54-58%.
Проведены исследования по использованию газоразделительных мембран на основе поливинилтриметилсилана и мембранных контакторов для очистки биогаза с целью получения биометана технической степени чистоты (>95%). Схема работы контакторного модуля представлена на рис.1.
Рис. 1. Мембранный контакторный модуль для выделения метана из низкокалорийных смесей переработки биомассы.
Метаногенные сообщества могут включать в себя до 60 различных видов бактерий и архей. Микроскопические исследования выявили различия в составе микробных сообществ как между культурами, выделенными из различных источников, так и между начальными и конечными этапами (пассажами) селекции сообществ. Эти результаты были также подтверждены при исследовании состава сообществ молекулярными методами (ДГГЭ, рис. 2).
Рис. 2. DGGE анализ бактериального разнообразия некоторых микробных сообществ (№ 3, 4, 6, 7), разлагающих целлюлозу в термофильных условиях. Представлены образцы сообществ из первого и пятого пассажей.
Морфология микроорганизмов, входящих в сообщества, различна (рис. 3, 4): это короткие и длинные палочки, кокки, клетки неправильной формы (изогнутые). Большое количество спор клостридиального типа спороношения свидетельствует о присутствии Clostridium spp., которые являются известными активными целлюлозолитиками и играют одну из главенствующих ролей в анаэробном разложении целлюлозы.
Рис. 3. Микробные сообщества, разлагающие целлюлозу.
Рис. 4. Разнообразие морфотипов микробных клеток, входящих в анаэробные термофильные сообщества, выращенные на бытовых пищевых отходах.
Отмечена адгезия клеток на волокнах целлюлозы и частицах субстрат (рис. 5). Известно, что способность к адгезии является важной особенностью анаэробных гидролитиков и даже больше, чем гидролитическая активность, присущая отдельным микроорганизмам, характеризует способность всего микробного сообщества к гидролизу субстрата.
Рис. 5. Адгезия микробных клеток на волокне целлюлозы.
При идентификации архей, входящих в метаногенные сообщества, разлагающие целлюлозу, были обнаружены представители родов Methanogenium, Methanoculleus и Methanosarcina.