Due to the complicated procedures f

Due to the complicated procedures for measuring intracellular pH and cation concentrations, experimental work to support this hypothesis is very limited. A study carried out using the methanogen strain Methanolobus taylorii has shown that most of the energy in the A^h+ of the methanogen cell is accounted for by its large Ay (i.e., the outside of the cell is more positively charged); its ApH is therefore small or even negative (Jeris and McCarty, 1965). The study discovered that for the methanogen strain Methanolobus taylorii, the negative ApH allows it to grow with a near-neutral cytosol even when the external pH is above 7. The active extrusion of potassium by this methanogen was suggested as a mechanism by which it increases its Ay, thereby allowing it to grow with a low or negative ApH (Wolin and Miller, 1982, Koster, 1986).
Following the diffusion of ammonia into cell, at least two possible mechanisms of ammonia toxicity have been postulated (Kadam and Boone, 1996):
1. The direct inhibition of the activity of cytosolic enzymes by un-ionized ammonia. Kadam and Boone (1996) studied the active level of three ammonia-assimilating enzymes (glutamate dehydrogenase, glutamine synthetase, and alanine dehydrogenase) in three methanogen species of the family Methanosarcinaceae. The results showed diversified enzymatic responses in different species towards a high concentration of ammonia in the growth media, which implied variable tolerances to ammonia between the three species.
2. Free NH3 enters into the cells and the lower intracellular pH causes the conversion of part of this into ammonium (NH4+), absorbing protons in the process. The cells must then consume energy in proton balancing, using a potassium (K+) pump to maintain the intracellular pH, thus increasing maintenance energy requirements, and potentially causing inhibition of specific enzyme reactions (Gallert et al., 1998, Sprott et al., 1984, Whittmann et al., 1995). Also when the cell is exposed to high ammonia and the potassium (K+) pump cannot keep up with the accumulated NH4+ inside cells, intracellular pH cannot be maintained; this therefore might be the cause of toxicity (Sprott and Patel, 1986). In a study conducted by Sprott et al. (1984) using pure culture Methanospirillum hungatei exposed to ammonia in a K+ free buffer. It was observed that the methanogen lost up to 98% of the cytoplasmic K+ through an ammonia/K+ exchange reaction. The experiment also suggested that additions of NH4OH or various NH4+ salts (or methylamine) were most effective in causing K+ depletion in a media of alkaline pH (i.e. containing a higher proportion of the unionised form free ammonia), suggesting that NH3was the active chemical species crossing the cell membrane and causing toxicity. Other essential cytosolic cations such as Mg2+ and Na+have also been reported to be affected in the same way by ammonia (Kadam and Boone, 1996). Based on the findings of these studies, it is reasonable to speculate that high ammonia could also affect the uptake of essential trace elements required for cell function and thereby cause micro-nutrients deficiency.
Either way, it is understandable that high pH and high total ammonia concentration could exert their toxicities synergistically. At higher pH values, a larger fraction of total ammonia is unprotonated, i.e. in the form of free ammonia (at 35°C, about 1.1% at pH 7 but almost 53% at pH 9, calculated according to equation 2-26). Also, if bacteria growing at a higher pH establish a more negative ApH to maintain a near-neutral cytosol, then the potential toxicity due to NH4+ accumulation would also be greater.
2.5.1.2 Impact of Ammonia Toxicity to the Diversity of Methanogens and MethanogenesisPathway in Anaerobic Digestion
It is generally acknowledged that of all the anaerobic microorganisms involved in anaerobic digestion, the methanogens are the least tolerant to environmental inhibitors and the most likely to be affected by ammonia inhibition (Kayhanian, 1994, McMahon et al., 2001, Kotsyurbenko et al., 2004).
Koster and Lettinga (1988) studied the microbial activity change of acidogenic and methanogenic population in granular sludge as ammonia nitrogen concentrations were increased in the range of 4051-5734 mg N l-1. The experiment showed the methanogenic population lost 56.5% of its activity; while the acidogenic populations were hardly affected. The particular sensitivity of methanogens to ammonia toxicity will lead to the cessation of the methanogenesis stage of anaerobic digestion, whilst acid production remains unaffected. Consequently the build-up of organic acids resulting from inhibited methanogenesis will cause a rapid fall in pH and complete failure of the whole anaerobic process (McMahon et al., 2001).
Among the methanogenic strains, the tolerance towards ammonia toxicity varies significantly. In an early study (Wiegant and Zeeman, 1986), hydrogen-utilising methanogens were reported to be more susceptible to ammonia than acetoclastic methanogens under thermophilic conditions. In the same study, the author postulated that hydrogen accumulation due to the blockage of the hydrogenotrophic route caused a build-up of propionate which in turn, acts as an inhibitor of the acetoclastic methanogens. In a later study carried out by Angelidaki and Ahring (1993), however, specific methanogenic activity (SMA) was monitored for both acetoclastic and hydrogenotrophic methanogens under thermophilic conditions. It was observed in this study that the SMA of acetoclastic methanogens decreased more than hydrogenotrophic methanogens under ammonia stress. These experimental results therefore did not support the previous study by Wiegant and Zeeman (1986).
There is, in fact, increasing evidence in the literature indicating that acetoclastic methanogens are more sensitive to ammonia toxicity than hydrogenotrophic ones (Robbins et al., 1989, Schnürer and Nordberg, 2008, Sprott and Patel, 1986). Koster and Koomen (1988) studied ammonia inhibition specifically of hydrogenotrophic methanogens using sludge that had never experienced ammonia inhibition before. The hydrogenotrophic population was found to grow well at an ammonia concentration as high as 6.3 g N l-1. Interestingly, in this study using only hydrogenotrophic methanogens strains, the methanogenesis started without a requirement for acclimation. Whereas in other studies using unacclimatised mixed populations of acetoclastic and hydrogenotrophic methanogens (Van Velsen, 1979, Koster and Lettinga, 1984, Koster, 1986), temporary cessation of methanogenesis was always encountered after exposure to ammonia and recovered only after an adaptation period. This again is in accordance with earlier findings that the hydrogenotrophic methanogens are less susceptible to ammonia toxicity.
A few toxicity studies have been carried out studying the different inhibition thresholds of ammonia towards hydrogenotrophic and acetoclastic methanogens. Jarrell et al. (1987) used pure cultures to study the tolerance to ammonia in four methanogen strains commonly isolated from sludge digesters which can grow on H2 and CO2(Methanospirillum hungatei, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum, and Methanobacterium formicicum). It has been observed that although being the most sensitive to ammonia of the four strains, Methanospirillum hungatei can tolerate ammonia concentrations up to 4.2 g N l-1; whilst the other three strains tested were resistant to ammonia concentrations higher than 10 g N l-1. Similar pure culture studies conducted on four strains of thermophilic hydrogenotrophic methanogens showed population growth could still be observed for some strains even at ammonia concentration of 9g N l-1 (Hendriksen and Ahring, 1991). The concentrations of ammonia that could be tolerated by methanogens in those studies were significantly higher than in other studies using mixed cultures (Poggi-Varaldo et al., 1997), further indicating that hydrogenotrophic methanogens have higher tolerance towards ammonia.
Although there is an apparent difference in ammonia tolerance between the two groups of methanogens, nothing in the scientific literature puts forward a possible mechanism, on a molecular microbiology level, to explain this difference e.g. effect on certain enzymes used exclusively by the acetoclastic pathway. Some investigations have been conducted on microbial behaviour under ammonia toxicity as in Borja et al. (1996) who observed that inhibition of the acetoclastic populations showed a sigmoidal pattern. This finding is in agreement with the study conducted by Poggi-Varaldo et al. (1991) who found that the bacterial growth rate and the specific acetate-uptake rate were affected by the free ammonia concentration in a three-stage pattern: initial inhibition, plateau and final inhibition. This inhibition pattern could indicate that two inhibition mechanisms are involved which act at different concentration levels. The hydrogenotrophic populations, however, exhibited a more linear pattern of inhibition (Borja et al., 1996).
Other studies have focused on microbial diversity and morphology at a genus and species levels. Sprott and Patel (1986) found that methane formation from obligate acetotroph Methanosaeta concilii was completely inhibited at a TAN concentration of 560 mg l-1, while methane formation from Methanosarcina barkeri was not inhibited at a TAN concentration of 2800 mg l-1.
Amongst the 83 species of methanogens discovered, the majority (61 species) are hydrogenotrophs that oxidise H2 and reduce CO2 to form methane, while only 9 species of acetoclastic methanogens are known that utilise acetate to produce methane (Garcia et al., 2000). Some researchers have concluded that cell morphology plays an important role in resisting ammonia toxicity. Demirel and Scherer (2008) attributed the particular susceptibility of acetate-utilising methanogens Methanosaetaceae to the cell morphology which is o

Kết quả (Việt) 1:

Do các thủ tục phức tạp để đo độ pH nội bào và nồng độ cation, các công việc thử nghiệm để hỗ trợ cho giả thuyết này là rất hạn chế. Một nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng sự căng thẳng methanogen Methanolobus taylorii đã cho thấy rằng đa số năng lượng trong A ^ h + trong tế bào methanogen là chiếm bởi Ay lớn của nó (tức là, bên ngoài của các tế bào hơn tích điện dương); ApH của nó là do đó nhỏ hoặc thậm chí tiêu cực (Jeris và McCarty, 1965). Nghiên cứu phát hiện ra rằng cho sự căng thẳng methanogen Methanolobus taylorii, ApH tiêu cực cho phép nó để phát triển với một thích gần Thái độ trung lập ngay cả khi độ pH bên ngoài là trên 7. Đùn kali bởi methanogen này, hoạt động đã được đề xuất như là một cơ chế bởi mà nó làm tăng Ay, do đó cho phép nó để phát triển với một ApH thấp hoặc tiêu cực (Wolin và Miller, 1982, Koster, 1986).Sau sự khuếch tán của amoniac vào tế bào, ít nhất hai cơ chế có thể của ngộ độc amoniac đã là tiên đoán (Kadam và Boone, 1996):1. sự ức chế trực tiếp của các hoạt động của các enzym cytosolic bởi un-ion hóa amoniac. Kadam và Boone (1996) học cấp ba enzyme đồng hóa amoniac (glutamate dehydrogenase, glutamine synthetase và alanine dehydrogenase), hoạt động trong ba methanogen loài trong họ Methanosarcinaceae. Kết quả cho thấy phản ứng enzym đa dạng ở các loài khác nhau đối với nồng độ cao của amoniac trong phương tiện truyền thông phát triển, mà ngụ ý biến dung sai cho amoniac giữa ba loài.2. miễn phí NH3 nhập vào các tế bào và độ pH nội bào thấp gây ra việc chuyển đổi của một phần của điều này vào amoni (NH4 +), hấp thụ proton trong tiến trình. Các tế bào sau đó phải tiêu tốn năng lượng trong proton cân bằng, bằng cách sử dụng một máy bơm kali (K +) để duy trì độ pH nội bào, do đó tăng nhu cầu năng lượng bảo trì, và có khả năng gây ra sự ức chế của các phản ứng enzym cụ thể (Gallert và ctv, 1998, Davis và ctv., 1984, Whittmann et al., 1995). Cũng khi tế bào được tiếp xúc với cao amoniac và bơm kali (K +) không thể theo kịp với các tích lũy NH4 + bên trong tế bào, độ pH nội bào không thể duy trì; Điều này do đó có thể là nguyên nhân gây ra độc tính (Davis và Patel, 1986). Trong một nghiên cứu thực hiện bởi Davis và ctv (1984) bằng cách sử dụng tinh khiết văn hóa Methanospirillum hungatei tiếp xúc với amoniac trong một K + bộ đệm miễn phí. Nó được quan sát thấy rằng methanogen mất lên đến 98% của các tế bào chất K + thông qua một amoniac / K + trao đổi phản ứng. Các thử nghiệm cũng đề nghị bổ sung NH4OH khác nhau NH4 + muối (hoặc methylamine) đã hiệu quả nhất trong việc gây ra K + sự suy giảm trong một phương tiện truyền thông của kiềm pH (tức là có chứa một tỷ lệ cao của nghiệp đoàn hình thức miễn phí amoniac), gợi ý rằng NH3was hóa chất loài hoạt động qua màng tế bào và gây ra độc tính. Các cation cytosolic thiết yếu như Mg2 + và Na + cũng đã được báo cáo bị ảnh hưởng như vậy bởi amoniac (Kadam và Boone, 1996). Dựa trên những phát hiện của các nghiên cứu này, nó là hợp lý để suy đoán rằng cao amoniac có thể cũng ảnh hưởng đến sự hấp thu của nguyên tố thiết yếu cần thiết cho chức năng tế bào và do đó gây ra thiếu hụt vi chất dinh dưỡng.Dù bằng cách nào, nó là dễ hiểu rằng cao pH và nồng độ cao tất cả amoniac có thể phát huy toxicities của synergistically. Tại giá trị pH cao hơn, một phần lớn của tất cả amoniac là unprotonated, nghĩa là trong các hình thức miễn phí amoniac (tại 35° C, khoảng 1,1% ở pH 7 nhưng hầu như 53% ở pH 9, tính theo phương trình 2-26). Ngoài ra, nếu vi khuẩn phát triển ở một độ pH cao thiết lập một ApH tiêu cực hơn để duy trì một thích gần trung lập, sau đó độc tính tiềm năng do NH4 + tích tụ cũng sẽ lớn hơn.2.5.1.2 tác động của ngộ độc amoniac để sự đa dạng của các loài sinh metan và MethanogenesisPathway kỵ khí tiêu hóaMọi người được biết rằng tất cả các vi sinh vật kỵ khí tham gia kỵ khí tiêu hóa, các loài sinh metan là ức chế ít nhất là khoan dung cho môi trường và nhiều khả năng bị ảnh hưởng bởi sự ức chế amoniac (Kayhanian, 1994, McMahon et al., năm 2001, Kotsyurbenko et al, 2004).Koster và Lettinga (1988) nghiên cứu sự thay đổi vi khuẩn hoạt động của acidogenic và sinh dân ở hạt bùn như amoniac nitơ nồng độ đã được tăng lên trong khoảng 5734 người 4051 mg N l-1. Thử nghiệm cho thấy dân sinh mất 56.5% hoạt động của nó; trong khi các quần thể acidogenic đã hầu như không bị ảnh hưởng. Sự nhạy cảm đặc biệt của loài sinh metan để ngộ độc amoniac sẽ dẫn đến sự chấm dứt của giai đoạn methanogenesis của kỵ khí tiêu hóa, trong khi sản xuất axit vẫn không bị ảnh hưởng. Do đó xây dựng của axit hữu cơ phát sinh từ inhibited methanogenesis sẽ gây ra một mùa thu nhanh chóng trong pH và thất bại hoàn toàn của quá trình toàn bộ kỵ khí (McMahon và ctv., 2001).Trong số các chủng sinh, khoan dung đối với amoniac độc tính thay đổi đáng kể. Trong một nghiên cứu đầu (Wiegant và Zeeman, năm 1986), sử dụng hydro loài sinh metan đã được báo cáo là hơn dễ bị amoniac hơn acetoclastic loài sinh metan dưới điều kiện nhiệt. Trong nghiên cứu này, tác giả giả thuyết đó tích tụ hiđrô do sự tắc nghẽn của đường hydrogenotrophic gây ra một xây dựng của propionate mà đến lượt nó, hoạt động như một chất ức chế của các loài sinh metan acetoclastic. Trong một nghiên cứu sau đó thực hiện bởi Angelidaki và Ahring (1993), Tuy nhiên, cụ thể sinh hoạt động (SMA) đã được giám sát cho cả hai acetoclastic và hydrogenotrophic loài sinh metan dưới điều kiện nhiệt. Nó được quan sát trong nghiên cứu này SMA loài sinh metan acetoclastic giảm nhiều hơn hydrogenotrophic loài sinh metan bị căng thẳng amoniac. Các kết quả thử nghiệm do đó không hỗ trợ nghiên cứu trước đây của Wiegant và Zeeman (1986).Đó là, trong thực tế, ngày càng tăng bằng chứng trong văn học chỉ ra rằng loài sinh metan acetoclastic rất nhạy cảm với amoniac độc tính hơn hydrogenotrophic người (Robbins et al., 1989, Schnürer và Nordberg, 2008, Davis và Patel, 1986). Koster và Koomen (1988) nghiên cứu amoniac ức chế cụ thể của loài sinh metan hydrogenotrophic bằng cách sử dụng bùn đó đã không bao giờ có kinh nghiệm amoniac ức chế trước khi. Dân số hydrogenotrophic được tìm thấy để phát triển tốt ở một nồng độ amoniac cao 6.3 g N l-1. Điều thú vị, trong nghiên cứu này bằng cách sử dụng chỉ hydrogenotrophic loài sinh metan chủng, các methanogenesis bắt đầu mà không có một yêu cầu cho acclimation. Trong khi trong các nghiên cứu khác bằng cách sử dụng unacclimatised hỗn hợp quần thể của loài sinh metan acetoclastic và hydrogenotrophic (Van Velsen, 1979, Koster và Lettinga, 1984, Koster, năm 1986), tạm thời chấm dứt methanogenesis luôn luôn gặp phải sau khi tiếp xúc với amoniac và phục hồi chỉ sau một thời gian thích ứng. Điều này một lần nữa là phù hợp với những phát hiện trước đó rằng các loài sinh metan hydrogenotrophic là ít nhạy cảm với amoniac độc tính.Một vài độc tính nghiên cứu đã được tiến hành nghiên cứu ngưỡng ức chế khác nhau của amoniac đối với loài sinh metan hydrogenotrophic và acetoclastic. Jarrell et al. (1987) dùng nền văn hóa tinh khiết để nghiên cứu khả năng chịu amoniac trong bốn methanogen chủng thường bị cô lập từ bùn digesters mà có thể phát triển trên H2 và CO2 (Methanospirillum hungatei, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum, và Methanobacterium formicicum). Nó đã được quan sát thấy rằng mặc dù là nhạy cảm nhất với amoniac chủng bốn, Methanospirillum hungatei có thể chịu đựng amoniac nồng độ lên đến 4.2 g N l-1; trong khi các chủng ba khác kiểm tra là đề kháng với amoniac nồng độ cao hơn 10 g N l-1. Tương tự như tinh khiết văn hóa nghiên cứu tiến hành trên bốn chủng nhiệt hydrogenotrophic mêtanogen cho thấy dân số tăng trưởng có thể vẫn còn được quan sát cho một số chủng thậm chí tại amoniac nồng độ của 9g N l-1 (Hendriksen và Ahring, 1991). Nồng độ của amoniac mà có thể được dung nạp bởi loài sinh metan trong những nghiên cứu đã đáng kể cao hơn trong các nghiên cứu khác bằng cách sử dụng hỗn hợp nền văn hóa (Poggi-Varaldo và ctv., 1997), hơn nữa cho thấy rằng loài sinh metan hydrogenotrophic có cao khoan dung đối với amoniac.Mặc dù có một sự khác biệt rõ ràng trong khoan dung amoniac giữa hai nhóm của các loài sinh metan, không có gì trong các tài liệu khoa học đặt ra một cơ chế có thể, trên một mức độ vi sinh vật học phân tử, để giải thích sự khác biệt này ví dụ: ảnh hưởng nhất định enzym được sử dụng độc quyền của con đường acetoclastic. Một số nghiên cứu đã được thực hiện vào các hành vi vi sinh vật dưới ngộ độc amoniac như trong Borja et al. (1996) người quan sát thấy rằng sự ức chế của các quần thể acetoclastic đã cho thấy một mô hình sigmoidal. Tìm kiếm này là trong thỏa thuận với nghiên cứu thực hiện bởi Poggi-Varaldo et al. (1991) những người tìm thấy tỷ lệ vi khuẩn phát triển và tỷ lệ hấp thụ axetat cụ thể đã bị ảnh hưởng bởi sự tập trung miễn phí amoniac trong một mô hình ba giai đoạn: đầu tiên sự ức chế, cao nguyên và ức chế cuối cùng. Mô hình sự ức chế này có thể chỉ ra rằng hai ức chế cơ chế có liên quan mà hành động ở các cấp độ khác nhau tập trung. Dân số hydrogenotrophic, Tuy nhiên, trưng bày một mô hình tuyến tính hơn của sự ức chế (Borja và ctv., 1996).Các nghiên cứu khác đã tập trung vào sự đa dạng vi khuẩn và hình thái học ở một cấp chi và loài. Davis và Patel (1986) tìm thấy rằng sự hình thành metan từ bắt acetotroph Methanosaeta concilii hoàn toàn ức chế tại nồng độ TAN của 560 mg l-1, trong khi hình thành metan từ Methanosarcina barkeri không ức chế tại nồng độ TAN của 2800 mg l-1.Trong số các loài 83 của các loài sinh metan phát hiện, đa số (61 loài) có hydrogenotrophs oxidise H2 và giảm CO2 để hình thức mêtan, trong khi chỉ 9 loài loài sinh metan acetoclastic được biết đến mà tận dụng axetat để sản xuất mêtan (Garcia và ctv., 2000). Một số nhà nghiên cứu đã kết luận rằng hình thái học di động đóng một vai trò quan trọng trong chống amoniac độc tính. Demirel và Scherer (2008) do tính nhạy cảm đặc biệt của tận dụng axetat mêtanogen Methanosaetaceae để hình thái của tế bào mà là o

Kết quả (Việt) 2:

Do các thủ tục phức tạp để đo pH và nồng độ cation nội bào, công việc thử nghiệm để hỗ trợ cho giả thuyết này là rất hạn chế. Một nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng các chủng methanogen Methanolobus taylorii đã chỉ ra rằng hầu hết năng lượng trong A ^ h + của tế bào methanogen là chiếm được Ay lớn của nó (tức là, bên ngoài của các tế bào được nhiều điện tích dương); APH của nó là do nhỏ hoặc thậm chí tiêu cực (Jeris và McCarty, 1965). Nghiên cứu phát hiện ra rằng đối với sự căng thẳng của methanogen Methanolobus taylorii, các APH tiêu cực cho phép nó phát triển với một tế bào chất gần như trung tính, ngay cả khi độ pH bên ngoài là trên 7. đùn tích cực của kali của methanogen này đã được đề xuất như là một cơ chế mà theo đó nó làm tăng Ay của nó, do đó cho phép nó phát triển với một APH thấp hoặc âm (Wolin và Miller, 1982, Koster, 1986).
Sau sự khuếch tán của amoniac vào tế bào, ít nhất là hai cơ chế có thể nhiễm độc amoniac đã được mặc nhiên công nhận (Kadam và Boone, 1996):
1. Sự ức chế trực tiếp của các hoạt động của các enzym cytosolic bởi amoniac un-ion hóa. Kadam và Boone (1996) đã nghiên cứu mức độ hoạt động của ba loại enzim ammonia-đồng hóa (glutamate dehydrogenase, glutamine synthetase, và dehydrogenase alanine) trong ba loài methanogen của gia đình Methanosarcinaceae. Kết quả cho thấy phản ứng enzyme đa dạng ở các loài khác nhau đối với một nồng độ cao của amoniac trong phương tiện truyền thông phát triển, mà ngụ ý dung sai biến thành amoniac giữa ba loài.
2. Miễn phí NH3 đi vào các tế bào và nội bào pH thấp gây ra việc chuyển đổi một phần của điều này vào amoni (NH4 +), hấp thụ proton trong quá trình này. Sau đó các tế bào phải tiêu thụ năng lượng trong cân bằng proton, sử dụng kali (K +) bơm để duy trì pH trong tế bào, do đó làm tăng nhu cầu năng lượng duy trì, và có khả năng gây ức chế các phản ứng enzyme cụ thể (Gallert et al., 1998, Sprott et al., 1984, Whittmann et al., 1995). Ngoài ra khi các tế bào tiếp xúc với amoniac cao và kali (K +) bơm không thể theo kịp với sự tích lũy NH4 + trong tế bào, độ pH trong tế bào không thể được duy trì; do đó đây có thể là nguyên nhân gây ra độc tính (Sprott và Patel, 1986). Trong một nghiên cứu được tiến hành bởi Sprott et al. (1984) sử dụng thuần túy văn hóa Methanospirillum hungatei tiếp xúc với amoniac trong một K + đệm miễn phí. Nó đã được quan sát thấy rằng các methanogen bị mất lên đến 98% của các tế bào chất K + thông qua một ammonia / K + phản ứng trao đổi. Các thí nghiệm cũng đề nghị bổ sung của NH4OH hoặc khác nhau NH4 + muối (hoặc methylamine) là hiệu quả nhất trong việc gây ra K + cạn kiệt trong một phương tiện truyền thông của pH kiềm (tức là có chứa một tỷ lệ cao hơn các hình thức công đoàn ammonia miễn phí), cho thấy NH3was các loài hóa hoạt động qua màng tế bào và gây ngộ độc. Cation cytosolic thiết yếu khác như Mg2 + và Na + cũng đã được báo cáo là bị ảnh hưởng trong cùng một cách bởi amoniac (Kadam và Boone, 1996). Dựa trên kết quả của những nghiên cứu này, nó là hợp lý để suy đoán rằng ammonia cao cũng có thể ảnh hưởng đến sự hấp thu của các nguyên tố vi lượng thiết yếu cần thiết cho chức năng tế bào và do đó gây ra tình trạng thiếu vi chất dinh dưỡng.
Dù bằng cách nào, đó là dễ hiểu rằng pH cao và tổng ammonia cao nồng độ có thể gây độc tính của họ hiệp đồng. Tại giá trị pH cao hơn, một phần lớn hơn trong tổng ammonia là unprotonated, tức là ở dạng amoniac miễn phí (ở 35 ° C, khoảng 1,1% ở pH 7 nhưng gần 53% ở pH 9, tính theo phương trình 2-26). Ngoài ra, nếu vi khuẩn phát triển ở pH cao hơn thiết lập một APH tiêu cực hơn để duy trì một cytosol gần trung tính, sau đó độc tính tiềm tàng do NH4 + tích lũy cũng sẽ lớn hơn.
2.5.1.2 Tác động của Độc Amoniac đến sự đa dạng của methanogen và MethanogenesisPathway trong kỵ khí Tiêu hóa
Nó thường được thừa nhận của tất cả các vi sinh vật kỵ khí tham gia vào quá trình tiêu hóa yếm khí, methanogens là những người ít chịu các chất ức chế môi trường và có khả năng bị ảnh hưởng bởi sự ức chế amoniac (Kayhanian, 1994 nhất, McMahon et al., 2001, Kotsyurbenko et al., 2004).
Koster và Lettinga (1988) đã nghiên cứu sự thay đổi hoạt động của vi sinh vật của dân acidogenic và vi sinh methanogenic trong bùn hạt như nồng độ nitơ amoniac tăng lên trong khoảng 4051-5734 mg N l-1. Các thí nghiệm cho thấy dân số vi sinh methanogenic mất 56,5% hoạt động của mình; trong khi các quần acidogenic hầu như không bị ảnh hưởng. Sự nhạy cảm đặc biệt của methanogen đến ngộ độc ammonia sẽ dẫn đến sự chấm dứt của giai đoạn khí methan của kỵ khí, trong khi sản lượng axit vẫn không bị ảnh hưởng. Do sự tích tụ của axit hữu cơ do khí methan ức chế sẽ gây ra sự sụt giảm nhanh chóng trong pH và thất bại hoàn toàn của toàn bộ quá trình yếm khí (McMahon et al., 2001).
Trong số các chủng vi sinh methanogenic, sự khoan dung đối với độc tính ammonia thay đổi đáng kể. Trong một nghiên cứu trước đây (Wiegant và Zeeman, 1986), methanogen hydro-sử dụng đã được báo cáo là nhạy cảm hơn với amoniac hơn methanogen acetoclastic dưới điều kiện nhiệt. Trong nghiên cứu này, tác giả mặc nhiên công nhận rằng sự tích lũy hydro do sự tắc nghẽn của tuyến đường hydrogenotrophic gây ra một build-up của propionate do đó, hoạt động như một chất ức chế methanogens acetoclastic. Trong một nghiên cứu sau đó được thực hiện bởi Angelidaki và Ahring (1993), tuy nhiên, hoạt động của vi sinh methanogenic cụ thể (SMA) đã được giám sát cho cả methanogen acetoclastic và hydrogenotrophic dưới điều kiện nhiệt. Nó đã được quan sát trong nghiên cứu này là SMA của methanogen acetoclastic giảm hơn methanogen hydrogenotrophic bị căng thẳng amoniac. Những kết quả thực nghiệm nên không hỗ trợ các nghiên cứu trước đây bởi Wiegant và Zeeman (1986).
Có nghĩa là, trong thực tế, ngày càng tăng bằng chứng trong văn học chỉ ra rằng methanogen acetoclastic nhạy cảm hơn với nhiễm độc amoniac hơn những hydrogenotrophic (Robbins et al., 1989, Schnürer và Nordberg, 2008, Sprott và Patel, 1986). Koster và Koomen (1988) đã nghiên cứu ức chế amoniac đặc biệt của methanogen hydrogenotrophic sử dụng bùn đã bao giờ trải qua sự ức chế amoniac trước. Dân số hydrogenotrophic đã được tìm thấy để phát triển tốt ở một nồng độ amoniac cao như 6,3 g N l-1. Điều thú vị là, trong nghiên cứu này sử dụng các chủng methanogen chỉ hydrogenotrophic, các khí methan bắt đầu mà không có một yêu cầu cho sự thích nghi. Trong khi các nghiên cứu khác sử dụng quần unacclimatised hỗn hợp của methanogen acetoclastic và hydrogenotrophic (Van Velsen, 1979, Koster và Lettinga, 1984, Koster, 1986), tạm ngừng khí methan luôn gặp phải sau khi tiếp xúc với amoniac và phục hồi chỉ sau một thời gian thích ứng. Điều này một lần nữa là phù hợp với kết quả nghiên cứu trước đó rằng methanogens hydrogenotrophic là ít nhạy cảm với nhiễm độc amoniac.
Một vài nghiên cứu độc tính đã được tiến hành nghiên cứu các ngưỡng ức chế khác nhau của amoniac hướng methanogen hydrogenotrophic và acetoclastic. Jarrell et al. (1987) sử dụng các nền văn hóa thuần túy để nghiên cứu khả năng chịu amoniac trong bốn chủng methanogen thường được phân lập từ phân hủy bùn mà có thể phát triển trên H2 và CO2 (Methanospirillum hungatei, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum, và Methanobacterium formicicum). Nó đã được quan sát thấy rằng mặc dù là nhạy cảm nhất với amoniac trong bốn chủng, Methanospirillum hungatei có thể chịu được nồng độ amoniac lên đến 4,2 g N l-1; trong khi ba chủng khác được thử nghiệm kháng với nồng độ amoniac cao hơn 10 g N l-1. Nghiên cứu văn hóa tinh khiết tương tự như tiến hành trên bốn chủng methanogen hydrogenotrophic ưa nhiệt cho thấy tốc độ tăng trưởng dân số vẫn có thể được quan sát thấy đối với một số chủng thậm chí ở nồng độ ammonia của 9g N l-1 (Hendriksen và Ahring, 1991). Nồng độ ammonia có thể được dung thứ bởi methanogens, trong những nghiên cứu này cao hơn so với các nghiên cứu khác sử dụng các nền văn hóa pha trộn đáng kể (Poggi-Varaldo et al., 1997), tiếp tục chỉ ra rằng methanogen hydrogenotrophic có khoan dung cao hơn đối với amoniac.
Mặc dù có một rõ ràng sự khác biệt trong khả năng chịu ammonia giữa hai nhóm methanogens, không có gì trong các tài liệu khoa học đưa ra một cơ chế có thể, trên một mức độ vi sinh học phân tử, để giải thích sự khác biệt này ví dụ như ảnh hưởng đến một số enzym được sử dụng độc quyền bởi các con đường acetoclastic. Một số cuộc điều tra đã được tiến hành trên các hành vi vi khuẩn phía dưới độc amoniac như trong Borja et al. (1996), người đã quan sát thấy sự ức chế của các quần acetoclastic cho thấy một mô hình xích ma. Phát hiện này cũng phù hợp với các nghiên cứu tiến hành bởi Poggi-Varaldo et al. (1991) đã tìm thấy rằng tỷ lệ tăng trưởng của vi khuẩn và tỷ lệ acetate hấp thu cụ thể bị ảnh hưởng bởi nồng độ ammonia tự do trong một mô hình ba giai đoạn: ức chế ban đầu, cao nguyên và ức chế thức. Mô hình ức chế này có thể chỉ ra rằng hai cơ chế ức chế là có liên quan mà hành động ở mức nồng độ khác nhau. Các quần hydrogenotrophic, tuy nhiên, trưng bày một mô hình tuyến tính hơn của sự ức chế (Borja et al., 1996).
Các nghiên cứu khác đã tập trung vào sự đa dạng của vi sinh vật và hình thái ở một chi và loài cấp. Sprott và Patel (1986) tìm thấy rằng sự hình thành khí metan từ bắt buộc acetotroph Methanosaeta concilii đã hoàn toàn bị ức chế ở nồng độ TAN 560 mg l-1, trong khi hình thành methane từ Methanosarcina barkeri không bị ức chế ở nồng độ TAN 2800 mg l-1.
Trong số 83 loài methanogens, phát hiện, đa số (61 loài) là hydrogenotrophs mà bị oxi hóa H2 và giảm CO2 để tạo thành methane, trong khi chỉ có 9 loài methanogen acetoclastic được biết rằng sử dụng acetate để sản xuất khí methane (Garcia et al., 2000). Một số nhà nghiên cứu đã kết luận rằng tế bào hình thái đóng một vai trò quan trọng trong việc chống nhiễm độc amoniac. Demirel và Scherer (2008) cho rằng sự nhạy cảm đặc biệt của methanogen acetate-sử dụng Methanosaetaceae đến hình thái tế bào mà là o