Dynamics of methanogenic archaean populations in a FBR digester during the transition from mesophilic to thermophilic conditions applying control schemes

• Snell-Castro, Raúl ^[1] ; Vázquez-Cotero, Carlos Javier ^[1] ; Méndez-Acosta, Hugo Oscar ^[1] ; García-Sandoval, Juan Paulo ^[1] ; Gutiérrez-Gómez, Alejandro Isaac ^[1]
  1. [1] Departamento de Ingeniería Química, CUCEI-Universidad de Guadalajara, Blvd. Marcelino García Barragán 1421, Guadalajara, Jalisco, México
• Localización: Renewable Energy, Biomass & Sustainability, ISSN-e 2683-2658, Vol. 3, Nº. 1, 2021, págs. 95-101
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Dinámica de las poblaciones arqueanas metanogénicas en un digestor FBR durante la transición de condiciones mesofílicasa termofílicas aplicando esquemas de control
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• Resumen
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    El propósito de este estudio fue la caracterización molecular dela comunidad arqueana metanogénica en un reactor de biopelícula fija (FBRpor sus siglas en inglés) alimentado con vinazas tequileras. Dicha caracterización se realizó durante la transición de condiciones de operación mesofílicas (37 °C) a termofílicas (55 °C) aplicando esquemas de control en cascada. Inicialmente, el FBR se arrancó y operó bajo condiciones mesofílicas aplicando un incremento de 5 a 6.6 g-DQO L-1d-1 en la carga volumétrica aplicada para evaluar un esquema de control donde se usó la alcalinidad (factor alfa) como factor de referencia para adaptar el flujo de alimentación. Posteriormente, el FBR fue operado bajo condiciones termofílicas incrementando la temperatura de manera directa y después escalonada mediante la aplicación de un esquema de control que usó la alcalinidad (factor alfa) como factor de referencia para regular la temperatura del bioproceso, manteniendo el flujo de alimentación constante. Las poblaciones arqueanas fueron caracterizadas por medio de secuenciación masiva y un análisis filogenético de las regiones variables 4 y 5 del gen de ARN ribosomal 16S. Los resultados sobre la caracterización de la comunidad arqueana indicaron que las poblaciones de arqueas productoras de metano por la ruta acetótrofa (Methanosaeta harundinaceae, M. thermoacetophila, Methanosaeta.sp., Methanosarcina thermophilay Methanometylovorans uponensis) mostraron una reducción de sus abundancias relativas bajo condiciones mesofílicas. Mientras que, las poblaciones de arqueas productoras de metano por la ruta hidrogenótrofa (Methanobacterium beijingense, M.subterraneum, Methanofollis liminatans, Methanoculleus marisnigri, Methanolinea tarday Methanomassiliicoccussp.) incrementaron sus abundancias relativas, indicando un fenómeno de adaptación fisiológica a las condiciones mesofílicas y obteniendo una relación de arqueas hidrogenótrofas: acetótrofas de 87:8. Sin embargo, las dinámicas poblacionales durante la etapa termofílica indicaron que las arqueas metanógenas acetótrofas incrementaron al doble sus abundancias relativas hasta alcanzar una relación de arqueas hidrogenótrofas: acetótrofas de 81:16, indicando un fenómeno de adaptación fisiológica a las condiciones termofílicas cuando el esquema de control aplicó incrementos paulatinos de temperatura, ya que el incremento directo a 55 °C desestabilizó a la comunidad arqueana y factor alfa.

  • English

    The purpose of this study was the molecular characterization of the methanogenic Archaea community in a fixed biofilm reactor (FBR) fed with tequila vinasses. This characterization was realized during the transition from mesophilic (37 °C) to thermophilic (55 °C) conditions applying cascade control schemes. Initially, the FBR was started-up and operated under mesophilic conditions applying a change from 5 to 6.6 g-COD L-1 d-1 in the organic loading rate to evaluate a control scheme where the reference variable was the alkalinity (alpha factor) and the controlled variable was the tequila vinasses (substrate) flow rates. Subsequently, the FBR was operated under thermophilic conditions increasing the temperature in a direct manner and after, in a stepwise manner by applying a control scheme which used the alkalinity (alpha factor) as a reference factor to regulate the temperature of the bioprocess, keeping the tequila vinasses flow rate constant. The Archaea community was characterized by mass sequencing and further phylogenetic analysis of the variable regions 4 and 5 of the 16S ribosomal RNA gene. The results on the characterization of the Archaea community indicated that the populations of methane-producing Archaea by the acetotrophic pathway (Methanosaeta harundinaceae, M. thermoacetophila, Methanosaeta sp., Methanosarcina thermophila and Methanometylovorans uponensis) showed a reduction in their relative abundances during the disturbances applied under mesophilic conditions. Whereas, the populations of methane-producing Archaea by the hydrogenotrophic pathway (Methanobacterium beijingense, M. subterraneum, Methanofollis liminatans, Methanoculleus marisnigri, Methanolinea tarda, and Methanomassiliicoccus sp.) increased their relative abundances, indicating a phenomenon of physiological adaptation to the environmental disturbances under mesophilic conditions, obtaining a hydrogenotrophic:acetotrophic Archaea ratio of 87:8. However, the population dynamics during the thermophilic stage indicated that the methanogenic acetotrophic archaea doubled their relative abundance reaching a hydrogenotrophic:acetotrophic Archaea ratio of 81:16, indicating a phenomenon of physiological adaptation to thermophilic conditions when the control scheme applied the increase of the temperature in a stepwise manner, since the direct increase to 55 °C destabilized the Archaea community and the alpha factor.