Thermophilic bacteria and their thermozymes in composting processes: a review

Resumo

Nesta revisão, o processo de compostagem de resíduos orgânicos é discutido por meio de uma exploração aprofundada de sua fase termofílica. Inicia-se com destaque para a evolução termodinâmica, que precisa ser avaliada ao se decidir pelo uso de reatores para compostagem, inclusive no contexto da geração de energia. O processo de compostagem é mediado por diferentes tipos de microrganismos, e são avaliadas as bactérias que desempenham papéis-chave. São considerados os papéis dos gêneros Bacillus e Thermus, frequentemente descritos como os principais componentes da microbiota do composto. Devido à sua adaptação aos processos de compostagem, são candidatos para fins tecnológicos. Em seguida, o foco passa para as enzimas termoestáveis que podem ser isoladas desses microrganismos e para sua sucessão durante os processos de compostagem. São revisados exemplos experimentais da literatura sobre enzimas, por exemplo investigando proteases e ureases, encontradas no início do processo. Além disso, celulases, hemicelulases, enzimas modificadoras de lignina e esterases foram descritas por suas atividades durante a fase termofílica, o que lhes confere grande potencial para aplicações biotecnológicas e industriais. Na sequência, a composição da comunidade microbiana é analisada por meio da descrição de abordagens de metagenômica. Embora seja um campo relativamente novo, mas em rápido crescimento na biologia, pretende-se que seja uma análise prioritária para adquirir conhecimento sobre os genomas de microrganismos e comunidades ambientais. Por fim, dedica-se um espaço à descrição da planta de compostagem que trata resíduos da produção de azeite no âmbito do projeto LIFE TIRSAV PLUS (LIFE05 ENV/IT/00845). Por meio de duas soluções de planta, a Compostagem Dinâmica e a Compostagem Estática, obtém-se um composto de alta qualidade com um processo eficaz, flexível e econômico.

Abstract

In this review, the composting process of organic waste is discussed through an in-depth exploring of its thermophilic phase. It starts with the highlight on the thermodynamic evolution, which needs to be assessed when deciding to use reactors for composting, also in the context of energy generation. The composting process is mediated by different types of microorganisms, and the bacteria that play key roles are evaluated. The roles of the genera Bacillus and Thermus are considered, often described as the main components of the microbiota of compost. Due to their adaptation to the composting processes, they are candidates for technological purposes. Subsequentially, the focus is moved on the thermostable enzymes that can be isolated from them and their succession during the composting processes. Experimental examples of enzyme-related literature are reviewed, for example investigating proteases and ureases, which are found at the beginning of the process. In addition, cellulases, hemicellulases, lignin-modifying enzymes, and esterases have been described for their activities during the thermophilic phase, giving them great potential for biotechnological and industrial applications. Following, the composition of the microbial community is analyzed through the description of approaches of metagenomics. Despite it being a relatively new but fast-growing field within biology, it is intended to be a priority analysis to acquire knowledge on genomes of environmental microorganisms and communities. Finally, a space is dedicated to the description of the composting plant which treats olive oil wastes within the LIFE TIRSAV PLUS project (LIFE05 ENV/IT/00845). Through two plant solutions, being the Dynamic and the Static Composting, it provides a high-quality compost with an effective, flexible and economical process.