Untersuchungen zur Nutzung von Knallgasbakterien als Biokatalysator in einem aeroben Elektrosyntheseprozess zur stofflichen Nutzung von CO$_{2}$

Bei der sogenannten mikrobiellen Elektrosynthese handelt es sich um eine recht junge
Technologie zur direkten Konversion von CO$_{2}$ und elektrischem Strom in organische
Verbindungen. Kathodische Elektronen dienen dabei elektroautotrophen Mikroorganismen
als alleinige Energie- und Elektronenquelle zur CO$_{2}$-Fixierung. In der Literatur sind nur
wenige Mikroorganismen beschrieben, welche als Biokatalysator in einem mikrobiellen
Elektrosyntheseprozess verwendet werden können. Dabei handelt es sich überwiegend um
acetogene und methanogene Organismen. Dies resultiert in einer geringen Produktpalette
dieser vielversprechenden Technologie. Darüber hinaus handelt es bei der genannten
Organismengruppen um strikt anaerobe Mikroorganismen. Allerdings enthalten die
Abgasströme großer CO$_{2}$-Emissionsquellen typischerweise Sauerstoff, wodurch eine direkte
Nutzung dieser Substratströme durch anaerobe, elektroautotrophe Organismen nur durch
eine kostspielige Aufreinigung des Substrates erwirkt werden könnte. Das Ziel dieser Arbeit
war die Identifizierung eines geeigneten Biokatalysators zur Nutzung von CO$_{2}$ in einem
aeroben, mikrobiellen Elektrosyntheseprozess. ... mehrDabei wurden verschiedene, im Rahmen
einer Isolationskampagne in Reinkultur gebrachte Knallgasbakterien einem initialen
Elektroautotrophie-Screening unterzogen. In diesem Screening konnte ein
thermoacidophiles Isolat der Gattung Kyrpidia als ein geeigneter Kandidat für den
angestrebten Prozess identifiziert werden. Anschließend wurde das Genom von Kyrpidia sp.
in einem dualen Sequenzierungsansatz als Grundlage weiterer Analysen sequenziert.
Anhand genomischer, chemotaxonomischer und physiologischer Untersuchungen konnte
das Isolat als eine neue Art der Gattung Kyrpidia beschrieben werden. Mikroskopische
Analysen eines kathodischen Kyrpidia spormannii-Biofilms bestätigten dessen Zellvitalität
und Aktivität. Mittels einer vergleichenden Transkriptomanalyse wurden Hinweise auf eine
kathodische CO$_{2}$-Fixierung über den Calvin-Zyklus, eine elektroautotrophe PHB-Produktion
sowie eine hydrogenase-abhängige Elektronenaufnahme von der Kathode erlangt. Durch
die Kultivierung von K. spormannii in mit Druck beaufschlagbaren, bioelektrochemischen
Fließzellen wurden vergleichsweise hohe Biofilmdichten erreicht. Elektroautotrophes
Wachstum konnte Anhand eines 13C-Inkorporationsexperiment und optischer
Kohärenztomographie nachgewiesen werden. Abschließend konnte die Nutzung von
Rauchgas aus einem Kohlekraftwerk als alleinige Kohlenstoffquelle für das autotrophe
Wachstum von K. spormannii gezeigt werden. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser
Arbeit ein neuartiger Biokatalysator für einen aeroben mikrobiellen Elektrosyntheseprozess
beschrieben werden.