30031

مدل‌سازي متابوليكي جامعه ميكروبي در هضم بي‌هوازي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- بيوتكنولوژي

1399

1402/7/15

فرشته نعيم پور

مهندسي شيمي، نفت و گاز

هضم بي¬هوازي شامل چهار مرحله¬ي هيدروليز، اسيدوژنز، استوژنز و متانوژنز است كه كنسرسيومي از ميكروارگانيسم¬ها مواد آلي را تحت شرايط بدون اكسيژن به قندها، اسيدهاي آمينه و اسيدهاي چرب هيدروليز مي¬كنند و محصول نهايي آن متان است. از آنجا كه فهم مسيرهاي متابوليكي اين فرآيند نقش مهمي در بازده توليد متان به عنوان محصولي ارزشمند دارد، در اين پژوهش بررسي توليد محصولات و رشد با استفاده از دو آناليز پركاربرد FBA و FVA در مدل¬هاي منفرد clostridium acetobutylicum، Syntrophomonas wolfei و Methanospirillum hungatei به ترتيب جهت شبيه سازي سه مرحله¬ي اسيدوژنز، استوژنز و متانوژنز در فرآيند هضم بيهوازي انجام گرديد و سپس نتايج جوامع بررسي شد. سپس توسط الگوريتم SteadyCom و جعبه ابزار COBRA در نرم¬افزار MATLAB جوامع دو و سه عضوي تشكيل شد. مدل جامعه دو عضوي متشكل از باكتري¬هايC. acetobutylicum و M. hungatei شامل 256 واكنش و 231 متابوليت و مدل جامعه سه عضوي متشكل از باكتري¬هاي C. acetobutylicum، S. wolfei و M. hungatei شامل 378 واكنش و 344 متابوليت است. تاثير عوامل مختلفي مانند شدت مصرف ماده كربني، نوع منبع كربني از جمله گلوكز و گليسرول، ايجاد محدوديت بر توليد متان روي اين جوامع توسط FBA براي نرخ رشد جامعه و توليد محصولات بررسي شد. نتايج مدل¬هاي منفرد نشان داد در C. acetobutylicum و S. wolfei توليد بايومس به ترتيب با منابع كربني گلوكز و بوتيرات، 56/0 و [h-1] 095/0 و براي مدل M. hungatei با منابع كربني فرمات و استات از 0037/0 تا [h-1] 14/0 بدست آمد كه نشان دهنده موثرتر بودن گلوكز بر رشد مي¬باشد. متان توليدي نيز با توجه به محدوديت¬هاي مدل M. hungatei از 42/2 تا [mmol/gDW/h] 95/11 متغير بود. طبق نتايج بدست آمده از جوامع به طور كلي ماكزيمم نرخ رشد جامعه سه عضوي بيشتر از جامعه دو عضوي بدست آمد و حداكثر توليد متان در جامعه دو عضوي [mmol/gDW/h] 313 به مقدار بسيار بيشتري نسبت به جامعه سه عضوي [mmol/gDW/h] 44/4 در شرايطي كه بايومس همه اعضا توليد شود، صورت گرفت و مقدار متان توليدي در جامعه سه عضوي با ثابت كردن فلاكس متان خروجي حداكثر تا [mmol/gDW/h]140 توليد شد. همچنين متان خروجي از سيستم در حضور گليسرول و گلوكز به ترتيب 6/16 و [mmol/gDW/h] 4/11 بدست آمد كه نشان دهنده بهتر بودن گليسرول نسبت به گلوكز به عنوان منبع كربن است و هدف از اين مطالعه نيز افزايش ميزان متان خروجي در جامعه¬ي هضم بيهوازي مي¬باشد.

1402/08/22

Metabolic modeling of microbial community in anaerobic digestion

10/6/2024 12:00:00 AM

Anaerobic digestion includes four stages of hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis, and methanogenesis, in which a consortium of microorganisms hydrolyze organic materials under oxygen-free conditions into sugars, amino acids, and fatty acids, and the final product is methane. Since the understanding of the metabolic pathways of this process plays an important role in the yield of methane production as a valuable product, in this research, product production and growth were investigated using two widely used analyzes FBA and FVA in single models of clostridium acetobutylicum, Syntrophomonas wolfei and Methanospirillum hungatei. In order to simulate the three stages of acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis in the process of anaerobic digestion, the results of the communities were analyzed. Then two and three member societies were formed by SteadyCom algorithm and COBRA toolbox in MATLAB software. The two-member community model consisting of bacteria C. acetobutylicum and M. hungatei include 256 reactions and 231 metabolites and the three member community model consisting of C. acetobutylicum, S. wolfei and M. hungatei bacteria includes 378 reactions and 344 metabolites. The effect of various factors such as the intensity of consumption of carbon material, the type of carbon source including glucose and glycerol, limiting the production of methane on these communities by FBA was investigated for the growth rate of the community and the production of products. The results of the individual models showed that in C. acetobutylicum and S. wolfei, biomass production with carbon sources of glucose and butyrate was 0.56 and 0.095 h-1, respectively, and for the M. hungatei model with carbon sources of formate and acetate. From 0.0037 to 0.14 h-1 was obtained, which indicates that glucose is more effective on growth. Methane production also varied from 2.42 to 11.95 mmol/gDW/h according to the limitations of the M. hungatei model. According to the results obtained from the communities in general, the maximum growth rate of the three-member community was higher than the two-member community, and the maximum methane production in the two-member community mmol/gDW/h was much higher than the three-member community 4.44 mmol/gDW/h was done in the condition that the biomass of all members is produced, and the amount of methane produced in the community of three members was produced by fixing the output methane flux up to 140 mmol/gDW/h. Also, methane output from the system in the presence of glycerol and glucose was 16.6 and 11.4 mmol/gDW/h, respectively, which indicates that glycerol is better than glucose as a carbon source, and the aim of this study is to increase the amount methane output in anaerobic digestion community.

هضم بيهوازي , جامعه ميكروبي , مهندسي متابوليك , مدلسازي

Anaerobic digestion , Microbial Community , metabolic engineering , modeling

Tooba Aghapoor

Dr. Naeimpoor