Come il trattamento caldo cambia i microbi nella digestione dei letami?

In un impianto industriale che trasforma il letame di mucca in biogas, gli scienziati hanno provato un nuovo trucco: riscaldare il materiale a 70‑72 °C con il batterio Caldicellulosiruptor, un vero “termofilo estremo”. Questo passaggio, chiamato EBP (Extremophilic Biological Process), rende il substrato più facile da digerire, ma cosa succede ai microrganismi che poi producono metano? 

L’impianto è diviso in tre tipi di reattori. I primi sono i serbatoi EBP, dove avviene il riscaldamento. Poi ci sono i CSTR mesofili, che trattano il letame senza pre‑trattamento, e infine gli IBR, che ricevono il flusso combinato dei CSTR e dei serbatoi EBP. Tutti hanno un tempo di permanenza di due giorni e sono stati monitorati per 60 giorni. 

I risultati mostrano che il riscaldamento aumenta la quantità di acetato, una molecola chiave per la produzione di metano. Tuttavia, le specie di metanogeni che usano direttamente l’acetato, come Methanosarcina, diminuiscono negli IBR. Al loro posto crescono i metanogeni sintrofici, appartenenti alla famiglia Methanobacteriaceae, che collaborano strettamente con batteri che producono idrogeno. 

Le analisi di rete confermano che queste collaborazioni sono molto più strutturate nei digestati pretrattati, mentre nei CSTR non ci sono. In pratica, il trattamento caldo spinge il sistema verso una “metanogenesi sintrofica”, dove più partner microbici lavorano insieme. Per sfruttare al meglio questa dinamica, gli impianti devono mantenere i metanogeni acetoclasti attivi, evitando che l’acetato venga sprecato e massimizzando così la resa di metano.

L’EBP sfrutta le capacità enzimatica di Caldicellulosiruptor, un genere di batteri termofili che produce cellulasi, xilanasi e altre glicolasi capaci di degradare polisaccaridi complessi presenti nel letame. Il riscaldamento a 70‑72 °C non solo rompe le fibre vegetali, ma favorisce la solubilizzazione di acidi grassi volatili (VFA), in particolare l’acetato, che è il principale precursore del metanogeno acetoclastico. Tuttavia, l’aumento di acetato non si traduce automaticamente in una crescita di Methanosarcina, poiché questi organismi richiedono condizioni di pH stabile (6,8‑7,2) e una concentrazione di H₂ limitata per mantenere la loro attività. In presenza di elevati livelli di H₂, i metanogeni sintrofici della famiglia Methanobacteriaceae (es. Methanobacterium, Methanobrevibacter) diventano più competitivi, poiché consumano H₂ in combinazione con CO₂ per formare CH₄, riducendo la pressione parziale di H₂ e favorendo la degradazione di acidi grassi più complessi da parte dei batteri fermentativi. Le analisi di co‑occorrenza basate su metriche di correlazione di Spearman e modelli di rete di tipo SparCC hanno evidenziato hub microbici centrali nei digestati pretrattati, con nodi di Methanobacteriaceae collegati a genera come Syntrophomonas e Desulfovibrio. Queste interazioni sintrofiche migliorano l’efficienza termodinamica del processo, poiché la rimozione dell’H₂ spinge le reazioni di fermentazione verso la produzione di più acido acetico. Per ottimizzare il rendimento di metano, è consigliabile implementare strategie di ritenzione selettiva, come filtri a membrana o zone di sedimentazione, che mantengano una popolazione stabile di metanogeni acetoclasti, evitando così la perdita di acetato non convertito in CH₄.