Ecologische inzichten verbeteren afbraak van biomassa

Het afbreken van plantaardige biomassa tot suikers die bruikbaar zijn als duurzame grondstoffen gebeurt veelal met behulp van micro-organismen. Maar het vinden van de juiste mix van micro-organismen is grotendeels een toevalsproces. Nieuwe inzichten van microbieel ecoloog Diego Javier Jiménez van de RUG en zijn collega’s kan er toe leiden dat die mix gericht is te ontwerpen. Dat betogen zij in een opinieartikel dat op 22 juni is gepubliceerd in het tijdschrift Trends in Microbiology.

‘De sleutel ligt in de dynamiek van het proces’, zegt Jiménez. De afbraak van lange, moeilijk afbreekbare biopolymeren uit planten verloopt in stappen. Daar is tot nu toe te weinig aandacht aan besteed. De gebruikelijke manier om een mix van micro-organismen te krijgen die plantaardig materiaal kan afbreken is de ‘verdunningsmethode’: bij een reactievat met plantaardig materiaal in een voedingsmedium stop je bijvoorbeeld een bodemmonster uit de omgeving van de plant. Na een poosje hevel je een deel van de vloeistof over naar een nieuw vat met plantenmateriaal en voedingsmedium. Via een aantal herhalingen van deze stap onrstaat een stabiele mix van micro-organismen die goed groeien op het gebruikte plantenmateriaal.

Fasen

‘Het idee in dit onderzoeksveld is dat de meest voorkomende micro-organismen ook het meest actief zijn bij de afbraak van de biomassa’, legt Jiménez uit. ‘Maar uit ons eerdere werk blijkt dat dit lang niet altijd zo is.’ Jiménez bestudeerde de dynamiek van soorten micro-organismen tijdens de afbraak van plantaardig materiaal. ‘We ontdekten dat er verschillende fasen te onderscheiden zijn. De eerste fase bestaat uit het klieven van de ‘ruggengraat’ van de plantaardige polysachariden. In de volgende fase breken enzymen de zijverbindingen af waarmee polysacharideketens verbonden zijn.’ In de laatste fase worden de overgebleven moleculen afgebroken tot suikers.

‘Wat wij zagen was een patroon waarin verschillende soorten micro-organismen domineerden in de verschillende fasen’, vertelt Jiménez. ‘De vakliteratuur geeft geen echte verklaring voor dit ecologische aspect van biomassa afbraak.’ Jiménez ontwikkelde met zijn collega’s een conceptueel model om deze dynamiek te beschrijven, dat nu dus is gepubliceerd. ‘Het betekent ook dat in de verschillende fasen verschillende enzymen belangrijk zijn. Wanneer je gezuiverde enzymen gebruikt om biomassa af te breken moet je daar rekening mee houden. Je kunt ze niet allemaal tegelijk erbij doen.’

Met het nieuwe conceptuele model is het mogelijk om gericht de optimale mix van micro-organismen te kiezen voor de afbraak van plantaardige biomassa, denkt Jiménez. ‘Ik ben opgeleid als industrieel mirobioloog, aan de Pontifica Universidad Javeriana in Colombia, maar mijn promotie was bij de afdeling Microbiële Ecologie hier aan de RUG. Dit gaf mij een unieke combinatie van ervaring in twee verschillende vakgebieden. Mijn doel is om de inzichten uit de microbiële ecologie te gebruiken om de afbraak van plantaardige biomassa in suikers te verbeteren.’

Referentie: Jiménez DJ, Dini-Andreote F, DeAngelis MK, Singer SW, Salles JF, van Elsas JD. (2017). Ecological insights in the dynamics of plant biomass-degrading microbial consortia. Trends Microbiol. Published online June 22, 2017. DOI 10.1016/j.tim.2017.05.012