BackgroundAnaerobic digestion, whose final products are methane and carbon dioxide, ensures energy flow and circulation of matter in ecosystems. This naturally occurring process is used for the production of renewable energy from biomass. Lactate, a common product of acidic fermentation, is a key intermediate in anaerobic digestion of biomass in the environment and biogas plants. Effective utilization of lactate has been observed in many experimental approaches used to study anaerobic digestion. Interestingly, anaerobic lactate oxidation and lactate oxidizers as a physiological group in methane-yielding microbial communities have not received enough attention in the context of the acetogenic step of anaerobic digestion. This study focuses on metabolic transformation of lactate during the acetogenic and methanogenic steps of anaerobic digestion in methane-yielding bioreactors.ResultsMethane-yielding microbial communities instead of pure cultures of acetate producers were used to process artificial lactate-rich media to methane and carbon dioxide in up-flow anaerobic sludge blanket reactors. The media imitated the mixture of acidic products found in anaerobic environments/digesters where lactate fermentation dominates in acidogenesis. Effective utilization of lactate and biogas production was observed. 16S rRNA profiling was used to examine the selected methane-yielding communities. Among Archaea present in the bioreactors, the order Methanosarcinales predominated. The acetoclastic pathway of methane formation was further confirmed by analysis of the stable carbon isotope composition of methane and carbon dioxide. The domain Bacteria was represented by Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria, Synergistetes, Actinobacteria, Spirochaetes, Tenericutes, Caldithrix, Verrucomicrobia, Thermotogae, Chloroflexi, Nitrospirae, and Cyanobacteria. Available genome sequences of species and/or genera identified in the microbial communities were searched for genes encoding the lactate-oxidizing metabolic machinery homologous to those of Acetobacterium woodii and Desulfovibrio vulgaris. Furthermore, genes for enzymes of the reductive acetyl-CoA pathway were present in the microbial communities.ConclusionsThe results indicate that lactate is oxidized mainly to acetate during the acetogenic step of AD and this comprises the acetotrophic pathway of methanogenesis. The genes for lactate utilization under anaerobic conditions are widespread in the domain Bacteria. Lactate oxidation to the substrates for methanogens is the most energetically attractive process in comparison to butyrate, propionate, or ethanol oxidation.Electronic supplementary materialThe online version of this article (10.1186/s13068-018-1106-z) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Background During the acetogenic step of anaerobic digestion, the products of acidogenesis are oxidized to substrates for methanogenesis: hydrogen, carbon dioxide and acetate. Acetogenesis and methanogenesis are highly interconnected processes due to the syntrophic associations between acetogenic bacteria and hydrogenotrophic methanogens, allowing the whole process to become thermodynamically favorable. The aim of this study is to determine the influence of the dominant acidic products on the metabolic pathways of methane formation and to find a core microbiome and substrate-specific species in a mixed biogas-producing system. Results Four methane-producing microbial communities were fed with artificial media having one dominant component, respectively, lactate, butyrate, propionate and acetate, for 896 days in 3.5-L Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) bioreactors. All the microbial communities showed moderately different methane production and utilization of the substrates. Analyses of stable carbon isotope composition of the fermentation gas and the substrates showed differences in average values of δ13C(CH4) and δ13C(CO2) revealing that acetate and lactate strongly favored the acetotrophic pathway, while butyrate and propionate favored the hydrogenotrophic pathway of methane formation. Genome-centric metagenomic analysis recovered 234 Metagenome Assembled Genomes (MAGs), including 31 archaeal and 203 bacterial species, mostly unknown and uncultivable. MAGs accounted for 54%–67% of the entire microbial community (depending on the bioreactor) and evidenced that the microbiome is extremely complex in terms of the number of species. The core microbiome was composed of Methanothrix soehngenii (the most abundant), Methanoculleus sp., unknown Bacteroidales and Spirochaetaceae. Relative abundance analysis of all the samples revealed microbes having substrate preferences. Substrate-specific species were mostly unknown and not predominant in the microbial communities. Conclusions In this experimental system, the dominant fermentation products subjected to methanogenesis moderately modified the final effect of bioreactor performance. At the molecular level, a different contribution of acetotrophic and hydrogenotrophic pathways for methane production, a very high level of new species recovered, and a moderate variability in microbial composition depending on substrate availability were evidenced. Propionate was not a factor ceasing methane production. All these findings are relevant because lactate, acetate, propionate and butyrate are the universal products of acidogenesis, regardless of feedstock.

STRESZCZENIE: W artykule skupiono się na parametrach geochemicznych kluczowych dla oceny potencjału węglowodorowego formacji łupkowych (zawartość substancji organicznej oraz jej termiczna dojrzałość i stopień transformacji). Przeprowadzono analizę porównawczą pomiarów gazu pozyskanego w procesie desorpcji rdzeni z analizą nasyceń uzyskanych z pirolizy Rock-Eval i określono procent zachowania wolnych węglowodorów przy obliczonej generacji w poziomach macierzystych. Zaobserwowano duże rozbieżności pomiędzy pomierzonymi wartościami refleksyjności macerałów witrynitopodobnych lub na zooklastach a obliczonymi wartościami VR z parametru T max. Oznacza to ograniczoną stosowalność i uniwersalność wzoru według Jarvie (Wüst, 2013). Opracowano, na podstawie dużej populacji próbek, nowy wzór przeliczeniowy. Dodatkowo w artykule przedstawiono wyniki analiz składu izotopowego. Stwierdzono duże zróżnicowanie wartości δ 13 C metanu, etanu i propanu pomiędzy odwiertami. Udział wyższych węglowodorów w składzie gazów jest bardzo wysoki, co może oznaczać termogeniczne pochodzenie gazu. Większość próbek to gaz związany z ropą naftową i gaz mieszany, jedna próbka to gaz związany z kondensatem (wykres według Petersa). Generacja gazu z obydwu odwiertów odpowiada zakresowi okna ropnego do początku okna gazowego (VR od około 0,6% do około 1,35%) (Peters et al., 2005). Dodatkowo, wykorzystując dane z eksperymentów degazacyjnych (ilości gazu całkowitego) oraz parametry pirolityczne otrzymywane z analiz Rock-Eval (T max i TOC), stwierdzono, że korelacja pomiędzy dojrzałością źródłowej substancji organicznej (określaną na podstawie T max) a ilościami gazu jest niewielka (r = 0,37 dla gazu całkowitego). Natomiast korelacja pomiędzy zawartością węgla organicznego (TOC) a ilościami gazu jest wysoka dla gazu całkowitego (r = 0,70). Słowa kluczowe: sweet spot, substancja organiczna, dojrzałość termiczna, gaz z formacji łupkowych, skład izotopowy.

Niniejsza praca wskazuje na użyteczność arylowych izoprenoidów jako wskaźników do uszczegółowienia występowania stref fotycznych w środowisku sedymentacji osadów. Dokonano przeglądu 50 próbek bituminów wyizolowanych przez ekstrakcję próbek skał, zróżnicowanych stratygraficznie i litologicznie, pod względem występowania i dystrybucji arylowych izoprenoidów. W kilkunastu próbkach, w których stwierdzono obecność tych związków, została wykonana analiza korelacyjna z uwzględnieniem składu molekularnego arylowych izoprenoidów, które są użyteczne do oceny warunków paleośrodowiskowych. Na podstawie rozpoznania literaturowego wybrano wskaźniki geochemiczne, które posłużyły do określania stref anoksycznych. Arylowe izoprenoidy są pochodnymi izorenieratenu, czyli pigmentu, który występuje m.in. w zielonych bakteriach siarkowych (Chlorobiaceae). Dla tego typu bakterii niezbędnymi do życia czynnikami są światło i siarkowodór (H 2 S). Z tego względu izorenieraten, jak również związki pochodne, m.in. arylowe izoprenoidy (takie jak trimetyloarylowe izoprenoidy) oraz diarylowe izoprenoidy, są bardzo dobrymi wskaźnikami warunków anoksycznych (beztlenowych) w strefie fotycznej. Pozwalają one także ocenić czas trwania fotycznej strefy anoksycznej (PZA). Wykorzystanie arylowych izoprenoidów w połączeniu z interpretacją powszechnie stosowanego wskaźnika Pr/Ph pozwala na uściślenie warunków środowiskowych. Słowa kluczowe: arylowe izoprenoidy, fotyczna strefa anoksyczna, środowisko sedymentacji. Aryl isoprenoids as indicators of the anoxic zones of the water column The aim of this work is to show the method of identification of compounds from the aryl isoprenoids group, for elaborating the information about photic zones during sedimentation. Several dozen bitumen extracts (from different geological settings) were used for this purpose. The presence of aryl isoprenoids compounds was proven in a dozen of 50 tested samples. Correlation analysis with a composition of isoprenoid compounds which are widely used for paleoenvironmental condition assessment, was conducted for these samples. After literature studies, the authors attempted to select geochemical markers which could be useful for anoxic zones determination. Aryl isoprenoids are derivatives of isorenieratene-a pigment which occurs in green sulfur bacteria (Chlorobiaceae). For these kinds of bacteria, the factors required to control their lives, are light and hydrogen sulfide content. Because of this fact the isorenieratene and derivative compounds like aryl isoprenoids (trimethylaryl isoprenoids) and diaryl isoprenoids are very good indicators of anoxic (anaerobic) condition in a photic zone. They are also useful in the estimation of photic zone anoxia (PZA) duration in time. The use of aryl isoprenoids combined with the interpretation of a commonly used Pr/Ph indicator allows to specify environmental conditions.

Wykorzystanie pirolitycznej chromatografii gazowej do określania składu produktów symulowanego procesu generowania węglowodorów W artykule przedstawiono elementy optymalizacji nowej procedury badawczej, jaką jest pirolityczna chromatografia gazowa (Py-GC), która może zostać wykorzystana do określania typu związków organicznych generowanych przez różnego rodzaju skały macierzyste. Nowo opracowana metodyka badawcza doskonale nadaje się do badań różnego typu próbek geologicznych, m.in. rdzeni skalnych, kerogenu, jak również ekstraktów bitumicznych czy frakcji asfaltenowych, wyekstrahowanych ze skał macierzystych. W ramach badań laboratoryjnych wykonano optymalizację warunków analizy chromatograficznej i procesu pirolizy (temperatury i czasu) oraz skontrolowano wpływ wybranych parametrów na powtarzalność metody.Słowa kluczowe: Py-GC, piroliza, chromatografia gazowa, generowanie węglowodorów, skała macierzysta, kerogen.Using pyrolysis gas chromatography (Py-GC) to determine the products composition of the simulated generation process of hydrocarbons This article presents elements for the optimization of new research methodology, such as pyrolysis gas chromatography (Py-GC) that can be used to determine the type of organic compounds generated by various source rocks. Newly developed research methodology is well suited for various types of geological samples analysis (such as: cores, kerogen, as well as bitumen or asphaltene fraction, extracted from source rocks). In the laboratory tests the optimization of conditions for chromatographic analysis and pyrolysis process was performed (temperature and time) and the influence of selected parameters on the method's repeatability was checked.Key words: Py-GC, pyrolysis, gas chromatography, hydrocarbons generation, source rock, kerogen.Proces wysokotemperaturowej pirolizy sprzężonej z chromatografią gazową (Py-GC) jest stosowany między innymi w badaniach geochemicznych dla charakterystyki skał macierzystych, kerogenu, ekstraktów bitumicznych, asfaltenów, węgli i rop naftowych. Eksperymenty symulowanego przeobrażenia odgrywają ważną rolę w demonstrowaniu kinetyki procesów generowania węglowodorów z kerogenu. Wyniki uzyskane z analizy Py-GC pomagają w zrozumieniu zagadnień generowania i ekspulsji węglowodorów w pracach związanych z poszukiwaniem ropy naftowej.Układ pirolitycznej chromatografii gazowej znajduje zastosowanie w geochemii naftowej do szybkiego oszacowania potencjału węglowodorowego skał macierzystych. Wykorzystywane powszechnie w geochemii naftowej techniki analityczne, w tym Rock-Eval, petrologia organiczna, analiza elementarna i ekstrakcja rozpuszczalnikami organicznymi, dostarczają informacji o zasobności w substancję organiczną, typie genetycznym i stopniu dojrzałości termicznej [1]. Dzięki eksperymentom pirolitycznym można zdobyć informacje nie tylko o strukturze kerogenu, ale także o kierunku zachodzących reakcji (pierwotne produkty mogą być transformowane do lżejszych węglowodorów) oraz o zanieczyszczeniach spowodowanych przez migrujące węglowodory lub dodat...