Implementierung des elektroaktiven Deltaproteobakteriums Desulfuromonas acetexigens in mikrobiellen Elektrolysezellen

Angesichts der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und des wachsenden globalen Energiebedarfs fokussiert sich die Biotechnologie verstärkt auf alternative Energie- und Kohlenstoffquellen. Wasserstoff, mit seiner hohen Energiedichte, wird als ein vielversprechendes Produkt mikrobieller Elektrolysezellen betrachtet, um als Energiespeicher zu dienen. Diese Studie zielt darauf ab, den elektroaktiven Desulfurikanten Desulfuromonas acetexigens in mikrobiellen Elektrolysezellen (MECs) im Labormaßstab zu implementieren. D. acetexigens, ein Bakterium, das aufgrund seiner Unfähigkeit, Wasserstoff als Elektronendonor zu nutzen, als vielversprechender Kandidat für die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie betrachtet wird, katalysiert eine anodische Respiration in MECs, verbunden mit hohen Wasserstoffproduktionsraten an der Kathode. ... mehrDie Biofilmmorphologie von D. acetexigens wurde mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) charakterisiert und sein elektrochemisches Verhalten mit dem von Geobacter sulfurreducens verglichen. Durch phylogenetische Analysen wurden die in einzelnen Kultivierungen vorhandenen mikrobiellen Konsortien taxonomisch klassifiziert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass trotz der starken Abundanz von homoacetogenen- und clostridialen Kontaminanten die Stromdichte ausschließlich auf den extrazellulären Elektronentransfer der zugegebenen elektroaktiven Bakterien zurückzuführen ist, was auf eine Nischendominanz dieser Zielorganismen hinweist. Des Weiteren blieb D. acetexigens, trotz der in dieser Arbeit postulierten syntrophen Ethanolvergärung, der Organismus mit der höchsten relativen Abundanz im anodischen Biofilm der MECs. Der Nachweis einer Coulomb´schen Effizienz von 0,96 ± 0,03 in einer monokulturell mit D. acetxigens betriebenen MEC belegt, dass Wasserstoff nicht durch diesen Organismus oxidiert werden kann. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit erbrachten Erkenntnisse bestätigen, dass D. acetexigens als Biokatalysator für einen effizienten mikrobiellen Elektrolyseprozess geeignet ist.

In view of the limited availability of fossil resources and the increasing global energy demand, biotechnology is increasingly focusing on alternative energy and carbon sources. Hydrogen, with its high energy density, is considered a promising product of microbial electrolysis cells (MECs) to serve as an energy storage medium. This study aims to implement the electroactive desulfuricant Desulfuromonas acetexigens in laboratory-scale MECs. D. acetexigens, a bacterium that is considered a promising candidate for converting chemical into electrical energy due to its inability to utilize hydrogen as an electron donor, catalyzes anodic respiration in MECs, which is associated with high hydrogen production rates at the cathode.
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The biofilm morphology of D. acetexigens was characterized using optical coherence tomography (OCT), and its electrochemical behavior was compared with that of Geobacter sulfurreducens. Phylogenetic analyses were used to taxonomically classify the microbial consortia present in individual cultures. The results indicate that, despite the strong abundance of homoacetogenic and clostridial contaminants, the current density is exclusively attributable to the extracellular electron transfer of the introduced electroactive bacteria, indicating a niche dominance of these target organisms. Furthermore, despite the syntrophic ethanol fermentation postulated in this work, D. acetexigens remained the organism with the highest relative abundance in the anodic biofilm of the MECs. The demonstration of a Coulombic efficiency of 0.96 ± 0.03 in an MEC operated in monoculture with D. acetexigens proves that hydrogen cannot be oxidized by this organism. The findings of this study confirm that D. acetexigens is a suitable biocatalyst for an efficient microbial electrolysis process.