Metaanista edullisia biotuotteita Pohjolan vesiekosysteemien bakteerien avulla
Pohjolan järvissä ja soissa elää kalojen, kasvien ja muiden eliöiden lisäksi bakteereita, jotka syövät vesistöjen hapettomissa kerroksissa syntyvää metaania ja hillitsevät siten ilmastonmuutosta. Tampereen yliopiston Bio- ja kiertotalouden tutkimusryhmässä tutkitaan näiden metaania syövien bakteerien, toiselta nimeltään metanotrofien, toimintaa.
– Metanotrofit kuluttavat metaania erittäin tehokkaasti kasvuunsa. Niitä voi hyödyntää myös kiertotalouden sovelluksissa biokaasun sisältämän metaanin muokkaamisessa biotuotteiksi, kertoo tutkimusprojektin johtaja tutkijatohtori Antti Rissanen Tampereen yliopistosta.
Tampereen yliopistossa tehtävä metanotrofitutkimus on tärkeä osa maailmanlaajuista pyrkimystä löytää uusia kiertotalouden ratkaisuja maatalous- ja yhdyskuntajätteiden ja jätevesien käsittelyn yhteydessä syntyvän biokaasun käytölle.
– Biokaasun metaani on halpa ja runsas raaka-aine, jonka kiertotalouskäyttö hillitsisi ilmastonmuutosta, ei kilpailisi ihmisravinnon tuotannon kanssa, ja säästäisi maailman raaka-aine varantoja, lisää Antti Rissanen.
Metanotrofeista rehua ja valmistusaineita teollisuudelle
Metanotrofeja hyödynnetään jo maailmalla kaupallisesti esimerkiksi eläinten rehuna. Metaanilla kasvatettua metanotrofien biomassaa syötetään tuotantoeläinten, erityisesti kalojen, ruoaksi ja sillä voidaan korvata ihmisten ruoantuotannon kanssa kilpailevia rehunlähteitä kuten kala- ja äyriäisrehua. Tamperelaisia tutkijoita kiinnostavat metanotrofien solun ulkopuolelle erittämät kemikaalit.
– Tiedämme ympäristönäytteistä peräisin olevien DNA-sekvenssiaineistojen perusteella, että järvien ja soiden metanotrofeilla on kyky muokata metaania mm. orgaanisiksi hapoiksi, joita voidaan käyttää teollisuudelle tärkeinä alustakemikaaleina eli arvokkaampien tuotteiden valmistusaineina, sanoo Rissanen.
– Syötimme metanotrofien tuottamia orgaanisia happoja toiselle, ei-metanotrofiselle bakteerille, joka valmisti niistä 1-undekeenia, joka on tärkeä teollisuuskemikaali, selvittää projektissa työskentelevä tutkijatohtori Ramita Khanongnuch.
Metaania syövien bakteerien geeniperimä selvisi DNA-sekvensointitekniikalla
Jotta metaanin muokkaamista biotuotteiksi on voitu tutkia, on tutkijoiden pitänyt eristää metanotrofeja luonnosta laboratorio-olosuhteisiin. Tutkimuksessa on kerätty näytteitä Hämeenlinnan Lammin ja Evon alueen metsäjärvien vesistä, joissa suomalaistutkimusten mukaan esiintyy runsaasti metanotrofeja. Näytteistä on eristetty kolme eri metanotrofilajia. Lisäksi tutkijat saivat käyttöönsä kaksi Norjan Huippuvuorien suoalueilta eristettyä metanotrofilajia.
– Järvien metanotrofien eristäminen puhdasviljelmiksi on haastavaa ja vaati kärsivällisyyttä. Tämä työ kesti kokonaisen vuoden. Siksi teimme kokeita myös valmiiksi eristetyillä metanotrofeilla, toteaa Ramita Khanongnuch.
Tutkimuksessa on tähän mennessä pystytty todistamaan laboratorio-olosuhteissa, että soiden ja järvien metanotrofit valmistavat metaanista orgaanisia happoja. Tämän lisäksi eristettyjen metanotrofien geeniperimä eli genomi on selvitetty, minkä ansiosta niiden toimintaa ja kykyä valmistaa erilaisia tuotteita voidaan tutkia jatkossa vieläkin yksityiskohtaisemmin. Jatkotutkimusten pitää myös keskittyä tekemään metaanin muokkaamisesta biotuotteiksi tehokkaampaa.
Koneen Säätiön ja Suomen Akatemian rahoittama tutkimus alkoi vuoden 2019 alussa ja jatkuu elokuun 2022 loppuun. Tällä hetkellä tutkimuksessa keskitytään tutkimusjulkaisujen kirjoittamiseen. Tutkimuksessa on käytetty bakteeriviljelyn ja eristämisen perusmenetelmiä, tehty mittauksia kaasukromatografi-, korkean erotuskyvyn nestekromatografi- ja massaspektrometrilaitteistoilla, sekä tutkittu luonnossa elävien että laboratorio-olosuhteisiin eristettyjen metanotrofikantojen identiteettiä ja toiminnallista kykyä hyödyntämällä nk. uuden sukupolven DNA-sekvensointitekniikoita.
Tutkimusta on tehty yhteistyössä Norjan Arktisen yliopiston (Tromssa), Ruotsin Maatalousyliopiston (Uppsala), Helsingin yliopiston, Itä-Suomen yliopiston, Jyväskylän yliopiston sekä MARUM tutkimuskeskuksen (Bremenin Yliopisto, Saksa) tutkijoiden kanssa. Sekvensointiaineistojen käsittelyssä on hyödynnetty Tieteen tietotekniikan keskus OY:n (CSC) supertietokone Puhtia.
Linkkejä alan tutkimuksiin:
- Oxford Academic: Vertical stratification patterns of methanotrophs and their genetic controllers in water columns of oxygen-stratified boreal lakes.
- Frontiers: Candidatus Methylumidiphilus Drives Peaks in Methanotrophic Relative Abundance in Stratified Lakes and Ponds Across Northern Landscapes.
- BioRxiv: A two-staged bacterial process coupling methanotrophic and heterotrophic bacteria for 1-alkene production from methane.
- Science Direct : Draft genome sequence data of methanotrophic Methylovulum psychrotolerans strain S1L and Methylomonas paludis strain S2AM isolated from hypoxic water column layers of boreal lakes.
Lisätiedot
Antti Rissanen
antti.rissanen [at] tuni.fi
Ramita Khanongnuch
ramita.khanongnuch [at] tuni.fi
Rahul Mangayil
rahul.mangayil [at] tuni.fi
