בחינת השפעת השינויים הסביבתיים בכרס הפרה כתלות בדיאטה על אוכלוסיות מתאנוגנים כמודל להגברת ייצור גז המתאן על ידם במערכות עיכול אנאירוביות לטיפול בפסולות אורגניות

שיטת העיכול האנאירובי לטיפול בפסולות אורגניות נחשבת כשיטה אטרקטיבית מאחר שתחת תנאים מבוקרים נוצר ביוגז, המהווה מקור זול של אנרגיה חלופית המפחית את השימוש בדלקים פוסיליים. ביוגז הוא תערובת של גזים שתמהילם בעיקר פחמן דו חמצני וגז המתאן הנפלטים על ידי קבוצות מיקרואורגניזמים שונות בסדרות של ריאקציות מטאבוליות בתהליכי פירוק וייצוב של חומרים אורגניים בסביבה נטולת חמצן. גז המתאן, שהוא החלק האנרגטי והחשוב, מיוצר בשלב האחרון בתהליך הפירוק, על ידי מיקרואורגניזמים הקרויים מתאנוגנים, המפיקים אותו דרך מסלולים של ניצול פחמן דו חמצני, תרכובות מתיליות ואצטט. בתנאים אידיאלים עבור מרבית המינים המתאנוגנים שנמצאו, הפקת גז מתאן מתאפשרת בערכי פוטנציאל חמצון/חיזור בטווחי -200 מיליוולט (mV) ועד ל-400- מיליוולט, ובטווחי pH של 6-7. הפקת גז מתאן על ידי מתאנוגנים המשתמשים באצטט, הינו המסלול המטאבולי השכיח ביותר בתוך מערכות העיכול האנאירוביות לטיפול בפסולות אורגניות, בעוד הפקת הגז דרך המסלולים האחרים הינה זניחה יחסית. דבר זה משפיע לשלילה על כמות גז המתאן הפוטנציאלי שיכול להיות מופק בתהליך הטיפול.

על מנת להפיק את מירב התועלת ממערכות עיכול אנאירוביות דרך הגברה של אחוז גז המתאן מהמסלולים המטבוליים האחרים, ישנו צורך להבין לעומק את התהליכים המתרחשים במערכת האקולוגית המיקרוביאלית. אך, השונות הגבוהה שבין מערכות העיכול האנאירוביות, הופכות אותן למערכות מורכבות שקשה לחקור אותן. במחקר זה מוצעת גישה חדשה לחקר אוכלוסיית המתאנוגנים בכרס הפרה. כרס הפרה הינה סביבה אנאירובית שבה המזון שהפרה צורכת מפורק על ידי קבוצות מיקרואורגניזמים בסדרות של תהליכים מטאבוליים הזהים לתהליכים המתרחשים במערכות העיכול האנאירוביות לטיפול בפסולות אורגניות. למרות הדמיון בין שתי המערכות האקולוגיות, ההבדל המרכזי הוא העובדה שבכרס הפרה, הפקת גז מתאן מתרחשת ברובה על ידי מתאנוגנים המשתמשים בפחמן דו חמצני ומימן. בנוסף, הפרה כבעל חיים עם ערך כלכלי מובהק, מנוטרת באופן שוטף ונמדדת על פני מספר רב של פרמטרים. על מנת לשפר את יעילות התהליך והגברת הפקת גז המתאן במערכות העיכול האנארוביות לטיפול בפסולות אורגניות, כרס הפרה מהווה סביבה נוחה לחקור את חלק מהתהליכים המשפיעים על תהליכי המתאנוגנזה.

מטרתה המרכזית של תזה זו הייתה לבחון כיצד משפיעים שינויים סביבתיים בכרס הפרה על מיני מתאנוגנים נבחרים ועל יכולות ייצור גז המתאן שלהם. שאלה זו נבחנה תחת ההנחות כי מיני מתאנוגנים שונים המשתמשים בפחמן דו חמצני ומימן כמקור אנרגיה, יגבירו את קצב הפקת גז המתאן בסביבה אנאירובית עשירה בסוכרים, סיבים, חומצות שומן וחומצות אמינו. בנוסף, יכולת הגדילה של המתאנוגנים במצעים השונים יהיה מושפע מסוג החומר האורגני שעבר פירוק אנאירובי בכרס הפרה, והשינויים בערכי ה-pH ופוטנציאל חמצון/חיזור הנובעים מכך.

בשלב הראשון, בוצע בידוד מיני מתאנוגנים מכרס הפרה במטרה לאתר מינים חדשים בעלי פוטנציאל ייצור מהיר יותר של גז המתאן ובכמות גבוהה יותר, לעומת מיני מתאנוגנים ידועים שבודדו בעבר. בניתוח הרצף הגנטי של גן ה-16S שהתקבל עבור מבחנת בידוד נמצא כי ישנו דמיון של 95-99% למין המתאנוגן Methanobrevibacter ruminantium strain M1, דבר שהעיד כי במבחנה זו נמצא מין מתאנוגן מבודד, הידוע כמתאנוגן שבודד בעבר מכרס הפרה.

השלב הבא היה לבחון את פוטנציאל פליטת גז מתאן של מיני מתאנוגנים נבחרים וקצב גדילת התאים. על ידי ניתוח אנאליטי של כמות גז המתאן שנפלט בתרבית וכימות מספר התאים על ידי ביצוע ראקציית Quantitative Real Time–PCR (qRT-PCR) המגבירה את גן 16S rRNA, ניתן היה לקבוע את היחס שבין מספר התאים המתאנוגנים לכמות גז המתאן שנפלטת על ידם. לשם כך, נבחנו 8 מיני מתאנוגנים: Methanobrevibacter gottschalkii, Methanobrevibacter ruminantium sp., Methanobrevibacter smithii, Methanocorpusculum labreanum R, Methanomicrobium mobile, Methanocorpusculum labreanum Z, Methanospirillum hungatei ו-Methanosarcina barkeri שבודדו מכרס הפרה וממערכות עיכול אנאירוביות לטיפול בפסולות אורגניות. המתאנוגנים נזרעו במצע BY סטרילי שמספק להם תנאי סביבה עדיפים. כל 8 מיני המתאנוגנים הציגו עלייה בכמות גז המתאן שנפלט כאשר נמדדו עליות במספר התאים המתאנוגנים.

החלק הבא בחן כיצד שינויים בתנאי הסביבה של נוזל כרס הפרה, השפיעו על M. mobile לגדול ולפלוט את גז מתאן. השינויים הסביבתיים התרחשו על ידי שינויים מבוקרים בדיאטת הפרה, ממזון דל בסיבים למזון עתיר בסיבים והמתאנוגן נזרע למצעים סטריליים שהופקו מהכרס. במצע הגידול העשוי מ-100% מזון דל בסיבים M. mobile לא הצליח לגדול, בעוד במצע העשוי מ-100% מזון עתיר בסיבים, נמצא כי חלה עלייה בכמות גז המתאן שנפלט לאורך ימי הניסוי כלומר המתאנוגן הצליח לגדול במצע זה. ניסוי זה, שהתרחש בסביבה מבוקרת מחוץ לגוף הפרה, סיפק תוצאות דומות לאלו שהתקבלו מניסויי מעבדה קודמים בתוך גוף הפרה. תוצאות אלו, שללו את העובדה כי ההשפעה על יכולת הגדילה של M. mobile קשורה לאינטראקציה שלו עם הגוף המאחסן או לאינטראקציה שלו עם מיקרואורגניזמים אחרים. לכן, הוסק כי היכולת של המתאנוגן לגדול במצע עתיר בסיבים לעומת אי היכולת שלו לגדול במצע דל בסיבים קשורה בתנאים הכימיים/פיזיקאליים של נוזלי הכרס השונים.

בנוסף, בוצעה אנליזה מקיפה על הרכב החומרים המטבוליים בתוך נוזלי הכרס השונים, בכדי לבחון את השינוי בהרכב החומרים המטבוליים כתלות בדיאטה. נמצא כי נוזל כרס שהופק מדיאטה עתירה בסיבים ואפשר את גדילתו של M. mobile במצע הכיל יותר חומצות אמינו. לעומת זאת, נוזל כרס שהופק מדיאטה דלה בסיבים שלא אפשרה את גדילתו של המתאנוגן הכיל יותר חד-סוכרים.

במטרה לבודד את האלמנט אשר השפיע לחיוב או לשלילה על היכולת של מתאנוגן לגדול, קבוצות חומרים ידועים ובריכוזים שונים הוספו למצעים השונים. נמצא כי הוספת חומר מחזר (סיסטאין-חומצה כלורידית) למצע מזון שהופק מכרס הפרה שהוזנה בדיאטה דלה בסיבים, שינתה את ערכי פוטנציאל החמצון/חיזור, ואפשרה את גדילתו של M. mobile במצע שעיכב את גדילתו לפני כן. למרות שהמתאנוגן הצליח לגדול גם בסביבות עם החומרים השונים, מאחר ולהוספת החומר המחזר הייתה השפעה מהירה יותר על הגדילה של המתאנוגן, נקבע כי פוטנציאל החמצון/חיזור הינו האלמנט המשמעותי ביותר שהשתנה בין המצעים השונים.

השלב האחרון בחן את השינויים בערכי ה-pH ובפוטנציאל חמצון/חיזור במצע מזון דל בסיבים ובמטרה לקבוע את מידת השפעתם על שאר מיני המתאנוגנים שנחקרו בתזה זו. בעוד שאר המינים, גדלו באופן זהה בשני המצעים השונים (מזון עתיר בסיבים ומזון דל בסיבים) כאשר רמות ה-pH נמצאו בטווחי הגדילה המתאימים להם, נמצא כי M. mobile היה המתאנוגן היחידי שהושפע בעקבות שינויים בדיאטה של הפרה שהובילו לשינויים בפוטנציאל החמצון/חיזור.

ערך ה-pH הינו פרמטר שחשיבותו הרבה בהשפעתו על האוכלוסייה המיקרוביאלית בסביבות אנאירוביות נקבעה כבר במחקרים קודמים. זהו גם פרמטר שנמדד ומנוטר באופן קבוע כיום במערכות אנאירוביות לטיפול בפסולות אורגניות, כאשר שינויים בטווחי ערכי ה-pH מתריעים על שינויים באוכלוסייה המיקרוביאלית וביעילות תהליך הטיפול בפסולות. ניטור קבוע של ערכי פוטנציאל החמצון/חיזור במערכת יכולים להתריע על חוסר יציבות ופגיעה בכושר ייצור גז המתאן על ידי מיני מתאנוגנים הרגישים לשינויים בפוטנציאל החמצון/חיזור. יחד עם זאת, צריך לבצע מחקר נוסף הבוחן את השתנות ערכי פוטנציאל החמצון/חיזור במערכות עיכול אנאירוביות לטיפול בפסולות אורגניות לצד השתנות בערכי ה-pH. בנוסף, ישנו צורך לבחון את אותם שינויים על שאר האוכלוסייה המיקרוביאלית בסביבות האנאירוביות של כרס הפרה ומערכות עיכול לטיפול בפסולות אורגניות, ויכולת ייצור הסובסטרט הנחוצים למתאנוגנים על מנת לקבל תמונה מקיפה יותר על יכולת הפקה יעילה יותר של גז המתאן ושימושו כאנרגיה מתחדשת.