 |
Fungi in the anaerobic degradation of biomass for biogas production
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128345 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Petróné Dr. Kovács, Etelka |
| Title in Hungarian |
Biomassza lebontásra képes anaerob gombák alkalmazása biogáz előállításra |
| Title in English |
Fungi in the anaerobic degradation of biomass for biogas production |
| Keywords in Hungarian |
gomba, anaerob, biogáz, biomassza |
| Keywords in English |
fungi, anaerobic, biogas, biomass |
| Discipline |
| Microbial ecology and evolution (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Bacteriology | | Interspecific interactions (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Ecology and evolution 1 |
| Department or equivalent |
Department of Biotechnology and Microbiology (University of Szeged) |
| Starting date |
2018-10-01 |
| Closing date |
2022-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.807 |
| FTE (full time equivalent) |
2.29 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A mai modern társadalmak energiaigénye folyamatosan növekszik, amelyre a megújuló energiaforrások alkalmazása megoldást jelenthet. Számos egyéb környezeti probléma kezelésére is alternatívát szolgáltatnak, így a légkörbe kerülő CO2 csökkentésére.
A növényi biomassza a környezetbarát, megújuló energiahordozók legnagyobb „raktára” a Földön. A nehezen bontható lignocellulózban-gazdag szubsztrátok a biomasszára alapozott megújuló energiatermelési technológiákat (bioetanol, biogáz, biodízel) komolyan limitálják. Az energiatermelés különösen előnyös módja a biogáz fermentáció, ez az egyetlen megújuló technológia, amely egyesíti a megújuló energia előállítását a környezetvédelmi, hulladékkezelési feladatokból származó előnyökkel. Még ma sem rendelkezünk elegendő molekuláris szintű információval a szerves anyagot biogázzá alakító mikrobiológiai eseménysor mikrobiológiai részleteiről és működéséről. Az anaerob gombák biogáz-termelésben betöltött szerepéről elborzasztóan keveset tudunk azon kívül, hogy meghatározóan fontos elemei a komplex táplálékláncnak. A jelen kutatási pályázatban az anaerob gombák cellulolitikus enzimkészletének feltérképezésére és az anaerob gombáknak a biogáz fermentorokban való alkalmazhatóságára összpontosítjuk a felfedező kutatást. A kutatás nemzetközileg is egyedülálló alapkutatási és gyakorlati, technológia-fejlesztési következményekkel fog járni. A készülő publikációk és konferencia előadások hozzá fognak járulni a nemzetközi tudományos közvéleménynek az anaerob gombák hasznosításával kapcsolatos megítéléséhez. Mindemellett a projektbe bevonni kívánt PhD hallgatóval és számos szakdolgozóval a tudományos utánpótlás nevelés is megvalósul.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az oxigénmentes környezetben történő szervesanyag lebontása és az ezt kísérő biogáz-termelés vonzó módja a megújuló energia előállításának, mivel a különböző forrásokból származó szerves hulladékok ártalmatlanítása együtt jár az energiahordozó előállítással. A hulladékgazdálkodás és a szén-semleges megújuló energia előállítása mellett ez a technológia segít az alapvető tápanyagok talajba történő visszatáplálásában is.
Jelen pályázatunkban az anaerob mikroba közösség bendőből származó meghatározó, anaerob gombákból álló tagjainak izolálását és biogáz termelő anaerob fermentációba való bevonását tűztük ki célul, amelyek nagy hatékonysággal képesek cellulózt bontani és abból biogázt előállítani. A célunk eléréséhez fontos, hogy a bendő és a biogáz-fermentor mikrobiális összetételét pontosan feltérképezzük. Bár a korábbi vizsgálatok már vizsgálták e két élettér bakteriális és metanogén összetételét, kevés adattal rendelkezünk a bennük előforduló gombákkal kapcsolatban. A metagenom-szekvenálás lehetőséget nyújt e két, egymáshoz nagyban hasonlító közösség összehasonlítására. Mindehhez szükségét látjuk, hogy a bendőnek – mint nehezen definiálható közegnek – minél több paraméterét megvizsgálva azonosítsuk azokat, amelyek létfontosságúak a gombák életben maradásához és enzimtermeléséhez. A biogáz fermentációba való bevonásukhoz fontos annak tanulmányozása, hogy miként képesek életben maradni az anaerob fermentáció számára ideális körülmények és hogyan képesek beilleszkedni az ottani konzorciumba. Az így létrehozott szimbiotikus kokultúrákat első lépésként zárt, szakaszos működésű reaktorokban, majd ezt követően folyamatos üzemű biogáz fermentációkban kívánjuk vizsgálni.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az utóbbi évek egyik komoly kérdése, hogy az emberek táplálására fordítható és az állati takarmányozásban felhasználható mezőgazdasági terményeket felhasználhatjuk-e energiatermelésre, így például biogáz előállítására? Jelen kutatásunk célja éppen az, hogy elő kívánjuk segíteni olyan cellulóz tartalmú mezőgazdasági melléktermékek minél tökéletesebb felhasználását, melyek más iparágak számára már nem hasznosak, a körkörös gazdaságban a biomassza maradékot képviselik. Az anaerob gombák lenyűgözően széles enzimarzenállal bírnak, mellyel a cellulóz alapú mezőgazdasági hulladékokat, melléktermékeket képesek lebontani. Bár az anaerob gombák mezőgazdasági és ipari szempontból is jelentősek, az életfolyamataik és cellulózbontó képességük molekuláris mechanizmusai jórészt ismeretlenek. A tervezett kutatás elsősorban arra kíván koncentrálni, hogy megértsük a vizsgált anaerob gombák és a biogáz-fermentorok metanogén mikroorganizmusai közti finomhangolást, szintropikus együttműködést. Mivel kísérleteinket laboratóriumi méretű, de folyamatos üzemű rendszerben tervezzük elvégezni, a projekt eredményei jelentős segítséget nyújthatnak az ipari biogáz üzemek hozam növelésében, ezáltal új perspektívát nyújtva a mezőgazdaság, a szennyvíz kezelés és kommunális hulladéklerakókban keletkező metánban gazdag gáz számára. Pályázatunk egyedisége abban rejlik, hogy a biogáz termelő fermentációban még nem használták az anaerob gombák nyújtotta előnyöket. Bár a lignocellulóz bontó enzimek egy része tiszta állapotban elérhető, az ipar számára ezek ára nagyon magas. Jelentős előnyökkel számolhatunk, amennyiben a gombákat, nem pedig csak egyes enzimjeiket alkalmazzuk a fermentáció során. Az enzim kezeléseken alapuló eljárások folyamatos enzim adagolást írnak elő. Az enzimtermelő anaerob gombák azonban a biogáz mikrobiológiai közösségében szaporodnak, enzimeiket újratermelik, ezért sokkal hatékonyabban mikrobiológiai és gazdaságosság szempontjából egyaránt. A támogatásra javasolt alapkutatási projekt tehát egyszerre ötvözi a természet megismerésre irányuló új ismeretek szerzését és a gyakorlati hasznosítás lehetőségét.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A növényi biomasszában hatalmas mennyiségű és évente megújuló napenergia tárolódik, aminek fő tömegét a cellulóz és hemicellulóz teszi ki. Ezek a cukor polimerek szerkezeti sajátosságaik miatt nehezen emészthetőek. Energetikai és kapcsolódó környezetvédelmi célra azonban a lignocellulózban gazdag biomassza kiválóan felhasználható. Hasznosításukat csak jól szervezett, a speciális funkcióhoz alkalmazkodott mikroba közösségek segítségével tudjuk kiaknázni. Ezekben a közösségekben meghatározó szerepet játszanak a mikrobiológiai szempontból kevéssé ismert és jellemzett anaerob gombák. Az anaerob gombák számos olyan cellulózbontó enzimmel rendelkeznek, amelyek hatékonyan képesek a masszív lignocellulóz molekuláris szerkezetet megbontani. Ezzel nem csak saját maguknak tudnak tápanyagot biztosítani, de megkönnyítik más élőlények számára is a forráshoz való hozzájutást. Az ipari biogáz fermentáció egyik fő alapanyagát képezik a cellulózban gazdag mezőgazdasági hulladékok. Nehézkes és lassú mikrobiológiai lebontásuk miatt csak részlegesen tud lejátszódni a degradáció a biogáz erőművek fermentoraiban. Kevés ismerettel rendelkezünk az anaerob gombák biogáz-termelésben betöltött szerepéről, valamint mindazon előnyökről, melyekkel hozzájárulhatnak a sikeres fermentációhoz. Tanulmányozni kívánjuk enzimkészletüket, életmódjukat, szaporodási sajátságaikat, továbbá a fermentációs iparba való bevonásuk lehetőségeit. Az anaerob gombák segítségével sokkal hatékonyabbá tehető a biogáz üzemekben a lignocellulóz lebontás és mindez a megtermelt biogáz mennyiségének növekedését, a technológiai gazdaságosságának jelentős javulását vonja maga után.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The energy needs of modern societies are constantly increasing, for which the use of renewable energy sources can be a solution. They also provide an alternative to many other environmental problems, such as reducing CO2 in the atmosphere.
Plant biomass is the largest storage of environmentally friendly, renewable energy sources on Earth. Lignocellulose-rich substrates are seriously limited renewable energy technologies (e.g. bioethanol, biogas, biodiesel) based on biomass. Biogas fermentation is a particularly preferred way of biomass-based power generation because it is the only renewable technology that combines the production of renewable energy with the benefits of environmental and waste management. We do not have yet sufficient molecular information about microbial details and function of microbial events which convert the organic material to biogas. The role of anaerobic fungi in the production of biogas is mostly unknown, apart from the fact that they are crucial elements of the complex food chain. In the present research project we focus on the exploration of the cellulolytic enzymes of anaerobic fungi and the applicability of anaerobic fungi to biogas fermenters. The research is likely to have internationally unprecedented implications regarding basic research methodology and technological development. The preparation of publications and conference presentations contributes to the international scientific opinion's assessment of the utilization of anaerobic fungi. In addition, a PhD student and other students will be involved in the project, which contributes to the recruitment of scientific education.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The degradation of organic matter in an oxygen-free environment and the accompanying biogas production is an attractive way of producing renewable energy because the disposal of organic waste from various sources goes hand in hand with the production of energy. In addition to waste management and carbon-neutral renewable energy, this technology also helps to regenerate essential nutrients into the soil.
In our application, the aim of the present invention is to isolate anaerobic fungi from rumen and to incorporate biogas community into anaerobic fermentation, which are able to break down and produce biogas with high efficiency. To achieve our goal it is important to precisely map the microbial composition of rumen and biogas fermenter. Although previous studies have already studied the bacterial and methanogenic composition of these two living spaces we have little information about the fungi that are present in them. Metagenome sequencing provides an opportunity to compare these two communities. We have little knowledge of anaerobic cellulose degrading fungi, so it is a basic task to maintain strains and to investigate their enzymatic activity and molecular biological characterization of non-cultured strains. To this end, we need to identify as many parameters of rumen as a hard-to-define medium, identifying those that are vital to the survival and enzyme production of fungi. In the project, we seek answers to questions such as how to co-exist/co-operate with methanogenic microbes and anaerobic fungi isolated by us? The symbiotic cultures thus created will be tested first in closed, intermittent reactors and then in continuous biogas fermentations.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
One of the major issues of recent years is whether we can use agricultural crops to feed people and use them in animal nutrition or produce energy source, such as biogas. The purpose of our present research is to promote the perfect use of cellulosic agricultural by-products that are no longer useful for other industries, and represent a biomass residue in circular economy. The anaerobic fungi have an impressively wide range of enzymes, which are able to break down pulp-based agricultural waste and by-products. Although anaerobic fungi are important for agriculture and industry, the molecular mechanisms of their processes of life and cellulose degradation are largely unknown. The aim of the planned research is to concentrate on fine tuning between the anaerobic fungi and the methanogenic microorganisms of the biogas fermenters. As our experiments are planned in a laboratory-sized, but continuously running system, the results of the project can provide significant help in increasing the yield of industrial biogas plants, thus providing a new perspective for methane-rich gas in agriculture, sewage treatment and communal landfills. The uniqueness of our proposal lies in the fact that the benefits of anaerobic fungi have not been used in biogas production fermentation. Although some of the lignocellulosic enzymes are available in purified form for industry, they are very expensive. Significant benefits can be expected using whole fungi, not just certain enzymes, during fermentation. Enzymatic treatment-based procedures require continuous enzyme dosing. Enzyme-producing anaerobic fungi, however, reproduce in microbiological communities of biogas, reproduce their enzymes, and therefore much more efficiently, both in terms of microbiology and economics. The proposed basic research project, therefore, combines both the acquisition of new knowledge about nature and the possibility of practical utilization.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In plant biomass, huge amounts of renewable solar energy are stored, the main mass of which is cellulose and hemicellulose. These sugar polymers are difficult to digest due to their structural characteristics. However, lignocellulose-rich biomass can be used for energy and related environmental protection purposes. Their utilization can only be exploited by well-organized microbe communities adapted to the special function. In these communities, anaerobic fungi are not well-known and characterized by microbiological aspects play a decisive role. The anaerobic fungi have many cellulose decomposing enzymes capable of efficiently breaking the massive lignocellulose molecular structure. They do not only provide nutrition for themselves but also facilitate access to resources for other organisms. A major source of industrial biogas fermentation is pulp-rich agricultural waste. Due to their difficult and slow microbiological degradation, the degradation in the biogas power plant fermenters can only partially occur. We have little knowledge of the role of anaerobic fungi in biogas production and all the benefits that can contribute to successful fermentation. We want to study their enzyme inventory, their lifestyle, their reproductive characteristics, and their potential for involvement in the fermentation industry. With anaerobic fungi, lignocellulose degradation can be made more efficient in biogas plants, resulting in an increase in the amount of biogas produced and a significant improvement in its technological economy.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
