A biometanização de gás de síntese, processo de conversão de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio em metano renovável, depende de interações microbianas cuidadosamente equilibradas. Um novo estudo demonstra que um excesso de hidrogênio perturba esse equilíbrio, reduzindo significativamente a eficiência da metanogênese e desencadeando grandes mudanças no metabolismo microbiano e na dinâmica viral dentro do microbioma. Essas descobertas fornecem insights moleculares críticos para otimizar a produção industrial de metano renovável a partir de gás de síntese derivado de biomassa.
Pesquisadores da Universidade de Pádua detalharam sua investigação em um estudo de acesso antecipado de 2025 publicado na Environmental Science and Ecotechnology (DOI: 10.1016/j.ese.2025.100637). Usando metagenômica resolvida por genoma, metatranscriptômica e perfilamento de viroma, a equipe monitorou microbiomas anaeróbicos termofílicos enquanto a composição do gás de síntese mudava de proporções ótimas para condições ricas em hidrogênio. O trabalho foi apoiado pelo programa LIFE+ da União Europeia e pelo programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020.
Sob proporções de gás quase ótimas, o rendimento de metano melhorou e o metanogênico dominante, Methanothermobacter thermautotrophicus, manteve expressão gênica estável. No entanto, quando o fornecimento de hidrogênio excedeu a demanda estequiométrica, a produção de metano diminuiu. A análise do transcriptoma revelou forte repressão metabólica, com genes-chave da metanogênese—incluindo mcr, hdr, mvh e enzimas da via de redução de CO₂ para CH₄—significativamente reprimidos.
Simultaneamente, M. thermautotrophicus ativou sistemas de defesa antiviral, aumentando a expressão de CRISPR-Cas, genes de restrição-modificação e marcadores de estresse como ftsZ. O mapeamento do viroma identificou 190 espécies virais, incluindo fagos associados a principais metanogênicos e acetogênicos. Alguns vírus apresentaram atividade reduzida, sugerindo supressão induzida por defesa, enquanto outros exibiram padrões de replicação ativa. Isso destaca uma dimensão ecológica anteriormente negligenciada na eficiência da biometanização.
Em contraste, vários táxons acetogênicos, incluindo Tepidanaerobacteraceae, aumentaram a expressão de genes da via de Wood-Ljungdahl (cdh, acs, cooF, cooS) para impulsionar a fixação de monóxido de carbono e dióxido de carbono, atuando como sumidouros alternativos de elétrons. Essa reprogramação metabólica indica uma mudança de uma metanogênese para um metabolismo dominado pela fixação de carbono sob excesso de hidrogênio.
Os autores enfatizam que o excesso de hidrogênio cria um gargalo regulatório, forçando os metanogênicos a um modo de estresse enquanto permite que os acetogênicos assumam o metabolismo do carbono. Eles observam que as interações virais desempenham um papel importante na formação da estabilidade da comunidade, com a ativação de CRISPR-Cas e a supressão de fagos indicando um estado defensivo que deve ser considerado no projeto de biorreatores.
Esta pesquisa fornece evidências moleculares de que o excesso de hidrogênio pode desestabilizar a produção de metano, sublinhando a necessidade de um controle preciso das proporções de gás em reatores industriais. Compreender como as populações microbianas se reprogramam sob estresse pode orientar a engenharia de sistemas de biometanização mais resilientes, permitindo rendimentos consistentes de biometano mesmo com matérias-primas variáveis. Os insights sobre as interações fago-micro-organismos sugerem ainda o potencial para estratégias de gestão de reatores conscientes do viroma, incluindo projeto de comunidades microbianas, monitoramento de fagos ou intervenções antivirais. Essas descobertas apoiam o desenvolvimento futuro de tecnologias de conversão de gás em energia neutras em carbono e plataformas escaláveis de resíduos para recursos, avançando na transição para sistemas energéticos circulares.
