5.1. Idrolisi
E’ la prima fase della digestione anaerobica in cui le molecole vengono scisse nei rispettivi monomeri costituenti. Questa fase è tra le più importanti, ed è ritenuta essere un vero e proprio “collo di bottiglia” per l’intero processo, poiché non tutti i batteri hanno capacità idrolitiche. La quantità di substrato idrolizzato contribuisce infatti a determinare le rese del processo. Determinante in questa fase è il ruolo di batteri idrolitici in grado di scindere le macromolecole organiche e permettere ai batteri idrogeno produttori di fermentare il substrato idrolizzato.
5.2. Acidogenesi
E’ il processo in cui avviene la trasformazione dei monomeri che costituiscono le macromolecole in acidi a basso peso molecolare (ad esempio acido acetico, propionico, butirrico e valerico).
5.2.1. La glicolisi
I La glicolisi (via di Embden-Meyerhof-Parnas) è la principale via che precede numerose fermentazioni. Nelle reazioni fermentative la fosforilazione avviene a livello del substrato e l’energia derivata dall’ossidazione dell’NADH non viene utilizzata per la produzione di ATP, ma è in genere dissipata sotto forma di calore. Il metabolismo chiave del processo di fermentazione è l’acido piruvico in cui vengono convertiti quasi tutti i composti a 6, 5, 4 atomi di carbonio. La demolizione del glucosio si divide in due fasi:
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fase preparatoria dove vengono consumate 2 molecole ATP e formato fruttosio 1,6-bisfosfato e fase di recupero energetico con formazione di piruvato e 4 molecole di ATP.
Una molecola di glucosio viene fosforilata (con il consumo di 1 ATP) a glucosio 6-P; mediante isomerizzazione ed un ulteriore fosforilazione (che comporta il consumo di una seconda molecola di ATP) produce fruttosio-1,6-bisfosfato, che viene poi scisso in due molecole di gliceraldeide 3-fosfato. A questo punto si ha la deidrogenazione della molecola di fosfoglicerato, con il trasferimento dell’idrogeno all’NAD che viene ridotto a NADH. L’energia liberata dalla reazione viene utilizzata per legare un fosfato inorganico alla fosfogliceraldeide ridotta che viene così trasformata in acido 1,3-bisfosfoglicerato. Le 2 molecole di acido 1,3-bisfosfoglicerato trasferiscono il radicale fosforico a due molecole di ADP formando ATP e trasformandosi in acido 3-fosfoglicerico. E’ questa la reazione che si chiama fosforilazione a livello del substrato. L’acido 3-fosfoglicerico a sua volta si trasforma in acido 2-fosfoglicerico che, per perdita di una molecola d’acqua, dà luogo alla forma enolica dell’acido fosfoenolpiruvico. Le due molecole di acido fosfoenolpiruvico cedono a loro volta il radicale fosforico ad altre due molecole di ADP formando due molecole di ATP e trasformandosi in acido piruvico. La resa netta è di 2 molecole di ATP per molecola di glucosio entrata nella via metabolica.
5.2.2. La fermentazione
In assenza di accettori di elettroni forniti dall’esterno, molti organismi compiono reazioni di ossido-riduzione dei composti organici internamente bilanciate, con rilascio di energia; questo processo è chiamato fermentazione.
La fermentazione è un processo metabolico anaerobico in cui il donatore e accettore di elettroni (e-) sono molecole organiche. Più precisamente, nel corso della fermentazione, un composto organico funge da donatore di e-, ossidandosi e generando nel contempo NADH (cioè NAD in forma ridotta). Il coenzima nicotinamide adenina dinucleotide ridotto (NADH) non può scaricare i suoi elettroni nella catena di trasporto; perciò per rigenerare il pool di NAD+ necessario per il proseguimento del processo, avviene la riossidazione dell’NADH a spese di un composto intermedio del processo, che funge da accettore di e-. La fermentazione è quindi un processo ossido-riduttivo bilanciato al suo interno.
Quando un organismo catabolizza un composto organico in un metabolismo energetico deve affrontare due problemi:
- Eliminare gli elettroni rimossi dal donatore di elettroni;
- Conservare, convertendola, in ATP parte dell’energia liberata durante il processo.
Nella fermentazione non si ha la completa demolizione del composto di partenza, che viene solo parzialmente fermentato in uno o più prodotti finali per lo più ancora organici, che mantengono ancora parte dell’energia del composto iniziale. Pertanto la resa energetica della fermentazione non è paragonabile a quella dei processi respiratori e l’ATP (adenosina trifosfato), un composto di fosfato ad alta energia, viene generato soltanto per trasferimento di un gruppo fosfato legato ad un intermedio del processo con un legame ad alto contenuto energetico all’ADP (fosforilazione a livello del substrato).
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In diverse fermentazioni il bilancio ossidoriduttivo viene mantenuto producendo idrogeno molecolare. Generalmente la produzione di idrogeno è associata alla presenza nell’organismo di una proteina ferro-zolfo chiamata ferredossina, un trasportatore di elettroni a basso potenziale di ossidoriduzione. Il trasferimento di elettroni dalla ferredossina a H+ è catalizzato dall’enzima idrogenasi. La diversità delle fermentazioni e dei percorsi metabolici utilizzati dai batteri porta alla formazione di un alternativa di prodotti metabolici e poiché l’idrogeno ha il compito di mantenere il bilancio ossidoriduttivo, prodotti finali più ridotti determineranno una minor produzione di idrogeno. Ad esempio quando l’etanolo, più ridotto dell’acetato, viene prodotto sarà minore la produzione di idrogeno. Diversi batteri producono tra i prodotti della fermentazione acetato. La produzione di acetato è energeticamente vantaggiosa perché consente all’organismo di produrre ulteriore ATP, sempre mediante fosforilazione a livello del substrato. L’intermedio generato durante la produzione di acetato è l’Acetil-CoA, un intermedio ad alta energia, che può essere convertito in acetilfosfato, il cui gruppo fosfato è poi trasferito all’ADP con formazione di ATP e acetato.
5.3. Acetogenesi
Il terzo stadio della catena trofica di digestione anaerobica è rappresentato dall’acetogenesi. In questa fase gli acidi grassi volatili precedentemente prodotti vengono convertiti in acido acetico, anidride carbonica e idrogeno.
5.4. Metanogenesi
La produzione di metano rappresenta la conclusione della catena trofica anaerobica. La sua produzione può avvenire essenzialmente attraverso due differenti vie di reazioni : una via prevede la metanogenesi ad opera dei batteri idrogenotrofi, che operano l’ossidazione anerobica dell’idrogeno, mentre la seconda via, la cosiddetta via acetoclastica, prevede la dismutazione anerobica dell’acido acetico con formazione di metano ed ossido di carbonio. La maggior parte della produzione di metano avviene attraverso questo secondo meccanismo.
Il monitoraggio della quantità e della composizione del biogas (almeno in termini di metano e biossido di carbonio) del biogas è di fondamentale importanza per il controllo della stabilità del processo di digestione anerobica. Se il reattore sta operando in condizioni di stabilità la produzione e la composizione del biogas risultano costanti. Una diminuzione nella produzione complessiva di biogas e un aumento di percentuale di CO2 possono indicare fenomeni di inibizione del processo. Ne consegue che l’analisi della produzione e della
composizione percentuale del biogas dovrebbe sempre essere associata al controllo di parametri quali la concentrazione degli acidi grassi volatili.
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