Новый метод мониторинга повышает эффективность и прибыльность производства биоэтанола
Новая методика контроля микробных загрязнений в производстве биоэтанола может увеличить выручку более чем на $1,6 млрд и сократить выбросы CO2 на 2 млн тонн.
Впервые исследователи из Центра биологической устойчивости Фонда Ново Нордиск (DTU Biosustain) изучили популяцию контаминантов в процессе производства биоэтанола из сахарного тростника с разрешением на уровне штаммов. Их исследование показывает, как динамика штаммов напрямую влияет на эффективность процесса, подчеркивая необходимость улучшения методов микробного контроля. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Повышение выхода продукта и экологические преимущества
Биоэтанол, получаемый ферментацией сахаров дрожжами (в основном Saccharomyces cerevisiae), — важный возобновляемый источник энергии. Однако бактерии-контаминанты в сырье могут значительно снижать эффективность брожения. До сих пор эти микробы изучались методами, не полностью отражающими их разнообразие и влияние.
«Наше исследование представляет комплексный анализ микробных популяций на всех этапах промышленного процесса на двух крупных бразильских биорефайнериях. Используя комбинацию метагеномики shotgun и культуральных методов, мы выявили экологические факторы, влияющие на динамику сообществ и эффективность биоконверсии», — говорит постдок Фелипе Лино. «Исследование показывает, что конкретные бактериальные штаммы, на которые влияет температура, могут как снижать, так и повышать выход этанола. Такое улучшение анализа стало возможным только с применением наших передовых методов».
Результаты могут привести к увеличению выхода процесса более чем на 5%, что для одной Бразилии эквивалентно примерно $1,6 млрд дополнительной выручки и сокращению выбросов CO2 примерно на 2 млн тонн в год.
Разрешение на уровне штаммов: скрытая динамика бактерий
Исследователи обнаружили, что взаимодействие между видами значительно влияет на выход этанола. Более высокие концентрации Lactobacillus amylovorus коррелируют с лучшими показателями.
«Мы картировали микробные популяции с разрешением на уровне штаммов, чтобы раскрыть истинное влияние не-дрожжевых микробов на ферментацию. Мы определили, что конкретные штаммы вида L. fermentum наносят наибольший ущерб процессу, в то время как другие штаммы нейтральны и даже могут служить буфером против вредных», — объясняет профессор Мортен Соммер.
«Повышенные температуры были связаны с ростом специфических штаммов L. fermentum, негативно влияющих на жизнеспособность дрожжей и эффективность брожения. Это подчеркивает важность внедрения методов более высокого разрешения для мониторинга микробных сообществ».
Путь к новым решениям для контроля процесса
Результаты могут привести к разработке новых решений для микробного и технологического контроля, которые позволят управлять нежелательными микробами и раскрыть значительный потенциал для улучшения производства биоэтанола. Это может означать более экономичные биотоплива, повышенную эффективность и существенное сокращение выбросов CO2.
Выводы особенно актуальны для компаний в области биотоплива и промышленной биотехнологии, а также для исследовательских групп, занимающихся биоинформатическими инструментами для анализа микробиомов с высоким разрешением. Новый каталог генов и функциональный анализ, разработанные в исследовании, представляют ценный ресурс для поиска новых ферментов и метаболических признаков для устойчивых промышленных штаммов. Эти данные также могут быть применены в других метагеномных исследованиях, например, динамики микробиома кишечника, почвы или сельскохозяйственных культур.