Mediated electron transfer in defined microbial co-cultures for bioelectrochemical system application

  • Mediator basierter Elektronentransfer in definierten Mischkulturen für eine Anwendung in bioelektrochemischen Systemen

Schmitz, Simone; Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor); Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Bioelektrochemische Systeme (BES) ermöglichen die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie mithilfe eines mikrobiellen Katalysators und können somit genutzt werden um Strom nachhaltig zu gewinnen. Zumeist werden in diesen Systemen undefinierte Mischkulturen verwendet, da so eine effiziente Umsetzung von komplexen Substraten z.B. aus Abwasser ermöglicht wird. In dieser Dissertation wird die Kooperation des Phenazinproduzenten Pseudomonas aeruginosa mit Enterobacter aerogenes im Speziellen und schließlich auch mit weiteren 2,3-Butandiolfermentern für eine Anwendung in BES untersucht. Um synergistische Effekte zwischen Mikroben nutzen zu können, ist es besonders wichtig die physikalische und chemische Umgebung, die auch in der natürlichen Umwelt vorkommt, nachzustellen. Hier erwies sich Sauerstoff als wichtiger Faktor um Synergismen zwischen P. aeruginosa und E. aerogenes hervorzurufen. Eine Optimierung der Sauerstoffzufuhr ermöglichte es die Stromproduktion um 400% zu erhöhen. Desweiteren konnte die coulombische Effizient durch ein Fed-batch Verfahren auf herausragende 20% erhöht werden. Die Phenazinbildung von P. aeruginosa wird über mehre Ebenen stark reguliert. Davon ist sowohl die Expression der zwei redundanten Phenazinoperons betroffen als auch die der zwei spezifischen Gene phzM und phzS, die PCA zu Pyocyanin konvertieren. Eine Analyse der Phenazinbildung und der Expression der Phenazingene in Deletionsmutanten zeigte, dass eine enge Kreuzregulation zwischen den Genen existiert. Die Untersuchungen ergaben außerdem, dass das Phenazinoperon phzA2-G2 (phz2) 10-fach höher exprimiert wird als das Operon phzA1-G1 (phz1) und dieses somit auch zu einem Großteil der PCA Produktion beisteuert. Außerdem zeigten phzM und phzS eine antagonistische Wirkung aufeinander, die dafür sorgt, dass die Phenazinbildung im Gleichgewicht bleibt. Im BES spiegelt sich die veränderte und oftmals erhöhte Phenazinbildung direkt in der Stromproduktion wider. Die Rolle von fermentierenden Mikroben im BES ist oftmals die Versorgung von anderen Mikroorganismen mit leicht zugänglichen Substraten. Hier konnte zudem gezeigt werden, dass die 2,3-Butandiolfermenter S. marcescens, K. pneumoniae und S. aureus selbst zum Elektronentransfer mittels Phenazinen fähig sind und somit zur Stromproduktion beitragen können. Es konnten sogar für alle Fermenter Ko-Kulturen mit P. aeruginosa etabliert werden. Trotzdem zeigte nur die S. aureus Ko-Kultur mit P. aeruginosa einen synergistischen Effekt in Bezug auf die Strombildung, die vergleichbar mit der Ko-Kultur von E. aerogenes und P. aeruginosa ist und dies obwohl der mutmaßliche Effektor 2,3-Butanediol sich in allen Ko-Kulturen befand. Um dies tiefergehend zu erforschen, wurden Überstände einer durchgewachsenen E. aerogenes Kultur als Medium für P. aeruginosa genutzt. Diese führten zu einer starken Erhöhung der Phenazinbildung, die unabhängig von 2,3-Butandiol ist. Es ist also noch ein weiterer bisher unbekannter Faktor am Synergismus zwischen den Fermentern und P. aeruginosa beteiligt. Diese Erkenntnisse zeigen nachdrücklich die Bedeutung von synergistischen Effekten in bioelektrochemischen Systemen. Insgesamt verdeutlicht diese Arbeit das große Potential von definierten Mischkulturen für die Stromproduktion in bioelektrochemischen Systemen als Quelle für erneuerbare Energie.

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