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Ecological and biotechnological aspects of mono- and multispecies hydrogen production systems
Michael Steiner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molekulare Mikrobiologie, Mikrobielle Ökologie und Immunbiologie
Betreuer*in
Christa Schleper
Mitbetreuer*in
Simon Karl-Maria Rasso Rittmann
DOI
10.25365/thesis.60674
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10831.42022.949772-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Biologisch hergestellter molekularer Wasserstoff (H2) hat in den letzten Jahrzehnten als vielversprechende Alternative zu fossilen Energieträgern viel Aufmerksamkeit erregt. Untersuchungen haben gezeigt, dass Bakterien, welche die „dark fermentation“ nutzen, ein hohes Potenzial zeigen, H2 effizient und in großen Mengen zu produzieren. Diese H2-Produzenten metabolisieren organische Verbindungen unter anschlie-ßender Produktion von H2 und gelösten Metaboliten. Zu den dark-fermentation nutzenden Organismen gehören Clostridium acetobutylicum und Enterobacter aerogenes als vielversprechendste mesophilen Kandidaten für die Optimierung und Steigerung der industriellen Biowasserstoffproduktion.
Diese Organismen wurden in dieser Studie verwendet, um ein neu entwickeltes Co-Kultur-H2-Produktionssystem zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden mit dem Wachstum, der Substrataufnahme und der Produktion der entsprechenden Reinkulturen verglichen.
Während und nach den Experimenten wurden die produzierten Gaszusammensetzungen mittels Gas-chromatographie analysiert. Die H2-Entwicklungsraten (HERs) von 26,3 mmol / L / h (C-molar) und 1,7 mmol / L / h (C-molar) und die Ausbeuten (H2 / S) von 0,91 mol / C-mol und 0,43 mol / C- Mol wurden jeweils mit E. aerogenes bzw. C. acetobutylicum im spezifischen Medium gefunden. Das Verhältnis von H2 zu CO2 erreichte während der Exponentialphase bis zu 1,9: 1,2. Dies zeigt, dass die gewählten Orga-nismen eine erhöhte H2-Produktion unter bestimmten Bedingungen erreichen können. Die gelösten Meta-boliten wurden mittels HPLC analysiert und die Ergebnisse zeigten ein breites Spektrum an Verbindungen wie Ethanol, Ameisensäure, Butandiol, Essigsäure und Milchsäure.
Zur Quantifizierung der Wachstumskinetik wurden verschiedene Instrumente verglichen, einschließlich der optischen Dichte, der quantitativen Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) und der Zellzahlen. qPCR zeigte als einzige Methode korrekte Zellzahlen auch während der Biofilmbildung. Zur Unterscheidung der beiden Organismen in Co-Kultur wurde eine Visualisierungsmethode auf Einzelzellbasis mittels fluoreszierender In-situ-Hybridisierung (FISH) gezeigt. Gruppenbasierte FISH-Sonden waren zum Färben von E. aerogenes-Zellen geeignet. C. acetobutylicum war hingen resistent gegen spezifische Färbung aufgrund von Sporenbildung und konnte nur mit einem unspezifischen DNA-Farbstoff gefärbt werden.
Um die H2-Produktion zu verbessern, wurde ein neu entwickeltes Medium für die Co-Kultur dieser beiden Bakterien entwickelt und getestet. In diesem „DOE E-Medium“ konnten beide Bakterien wie im spezifi-schen Medium in Serumflaschen wachsen. Bei unkontrollierten pH-Bedingungen im Bioreaktor konnte die Co-Kultur die Kohlenstoffquelle vollständig nutzen. In den Experimenten mit den Reinkulturen als auch mit der Co-Kultur im DOE E-Medium war allerdings fast keine Produktion von H2 nachweisbar. Die Kulti-vierung des strengen anaeroben C. acetobutylicum als Reinkultur in Bioreaktoren mit DOE E-Medium war bisher nicht möglich. Zusätzliche methodische Verbesserungen der Kultivierung strikter Anaerobier sind erforderlich, um ein ideales Co-Kultur-H2-Produktionssystem zu entwickeln. Es müssen mehr Untersu-chungen zur Kultivierung dieser Mikroorganismen im Bioreaktor durchgeführt werden, um das bislang gehemmte Wachstum und die eingeschränkte Aktivität zu überwinden.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse als Ausgangs-punkt für das Design eines Biowasserstoff-Co-Kultur-Systems im Hinblick auf die Herausforderungen dienen. Besondere Beachtung ergibt sich aus den unterschiedlichen Physiologien und Morphologien von C. acetobutylicum und E. aerogenes, und ihrer unterschiedlichen Kultivierung, Eigenschaften und Anfor-derungen. In Zukunft könnte ein solcher Ansatz für die kombinierte Kultivierung möglicherweise die bio-logische H2-Produktion zu einem hocheffektiven biotechnologischen Prozess machen.
Abstract
(Englisch)
Biologically produced molecular hydrogen (H2) has gathered attention in the last decades as a prom-ising alternative to fossil energy carriers. Recent investigations have revealed the high potential of dark fermentative bacteria to produce H2. Dark fermentative H2 producers metabolize organic com-pounds with the subsequent production of H2 and dissolved metabolic end products. Among the dark fermentative H2 producing organisms, Clostridium acetobutylicum and Enterobacter aerogenes are promising mesophilic candidates for examining, optimizing and scaling-up industrial biohydrogen production.
Therefore, in this study, C. acetobutylicum and E. aerogenes were used for establishing and investi-gating a co-culture H2 production system in closed batch cultivation mode and comparing the results to their growth, substrate uptake and production in monocultures. During and after H2 production ex-periments, the headspace gas compositions were analysed via gas chromatography. H2 evolution rates (HERs) of 26.3 mmol/L/h (C-molar) and 1.7 mmol/L/h (C-molar) and yields (H2/S) of 0.91 mol/C-mol and 0.43 mol/C-mol were found for E. aerogenes and C. acetobutylicum species-specific media, respectively.
The relative ratio of H2 partition to CO2 reached up to 1.9:1.2 during the exponential phases, underlin-ing that these organisms can be suitable for enhanced H2 production. Dissolved metabolites were analysed via HPLC and revealed the production of a wide spectrum of compounds such as ethanol, formic acid, butanediol, acetic acid and lactic acid.
For quantification of growth kinetics, different tools, including optical density, quantitative polymer-ase chain reaction (qPCR), and cell counts, were compared. qPCR was the only suitable method when evaluating cell numbers during biofilm formation. To distinguish the two organisms in co-culture, a visualisation method on a single cell basis was established via fluorescent in situ hybridisa-tion (FISH). Group-based FISH probes were suitable for staining cells of E. aerogenes. Conversely, C. acetobutylicum was resistant to specific staining due to spore formation and could only be stained using a nonspecific DNA dye.
To enhance H2 production, a newly designed medium for the co-culture of these two bacteria was designed and tested. In this “DOE E medium”, both bacteria could grow as well as in their own spe-cific medium in closed batch. At uncontrolled pH conditions in batch, the co-culture was able to fully use the carbon source. However, almost no H2 production was detectable from the mono-cultures or the co-culture in the DOE E medium. So far, cultivation of the strict anaerobe C. acetobutylicum was not possible as mono-culture in the DOE E medium grown in batch mode in bioreactors. Additional methodical improvements in cultivation of strict anaerobes are needed to establish a co-culture H2 production system. More intensive research on cultivation of these microorganisms in batch must be done to overcome inhibited growth and activity so far.
In conclusion, the results shown in this thesis can be used as a starting point to design a biohydro-gen co-culture system with respect to known challenges arising from the different physiologies and morphologies of C. acetobutylicum and E. aerogenes and their different cultivation characteristics and nutritional demands. In the future, such an approach for parallel medium and co-culture design could possibly render biological H2 production an effective biotechnological process.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Bacteria Biohydrogen H2 Clostridium acetobutylicum Enterobacter aerogenes Biotechnology Co-Culture Batch Closed batch
Schlagwörter
(Deutsch)
Bakterien Biowasserstoff H2 Clostridium acetobutylicum Enterobacter aerogenes Biotechnolgie Co-Kulturen Batch Closed batch
Autor*innen
Michael Steiner
Haupttitel (Englisch)
Ecological and biotechnological aspects of mono- and multispecies hydrogen production systems
Paralleltitel (Deutsch)
Ökologische und biotechnologische Aspekte von mono- und multispezies Wasserstoffproduktionssystemen
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
55 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christa Schleper
AC Nummer
AC15577080
Utheses ID
53611
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |