Systematische Untersuchungen zur bioelektrochemischen Umsetzung von Glycerin

Thiel, Simone

doi:10.24355/dbbs.084-202302082005-0

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Systematische Untersuchungen zur bioelektrochemischen Umsetzung von Glycerin

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Mit steigender Weltbevölkerung vergrößert sich der globale Energie- und Wasserbedarf und führt damit auch zu immer größeren Abwassermengen, die aufbereitet werden müssen. Die Kapazitäten von fossilen Energieträgern für die Energieversorgung sind jedoch begrenzt und häufig nicht sehr umweltfreundlich. Daher rückt der Fokus immer mehr auf nachhaltige Energieerzeugung und effiziente Energienutzung. Bioelektrochemische Systeme wie mikrobielle Elektrolysezellen (MEZ) ermöglichen die Umwandlung des im Abwasser enthaltenen, organischen Materials und der darin gebundenen, chemischen Energie in elektrische Energie. Zudem können günstigen Ausgangsmaterialien in wertvollere und speicherbare Produkte wie Strom und Wasserstoff umgesetzt werden. Einer dieser preisgünstigen Rohstoffe ist Rohglycerin, das Hauptnebenprodukt der Biodieselproduktion.

Im ersten Teil der hier vorliegenden Arbeit wurden MEZ zunächst mit häuslichem Abwasser inokuliert und die Substrate Acetat oder (Roh-)Glycerin bezüglich der produzierten Stromdichte und der Coulombschen Effizienz (CE) verglichen. Die mit Glycerin erzielten Stromdichten betrugen etwa 50 % und die CEs etwa 65 % der zuvor mit Acetat-basierten MEZ erreichten Stromdichten und CEs. Mit Hilfe der 16S rRNA-Sequenziertechnologie wurden Bakterien identifiziert, welche direkt oder indirekt an der Stromproduktion aus Glycerin beteiligt waren. In Glycerin-basierten MEZ bestand der anodische Biofilm bis zu 48 % aus Geobacter Spezies. Dennoch ist G. sulfurreducens, der Modellorganismus für direkten extrazellulären Elektronentransfer, nicht in der Lage, Glycerin als Elektronendonor zu nutzen, so dass andere Bakterien für den Abbau verantwortlich sein müssen. Im zweiten Teil wurde G. sulfurreducens PCA erfolgreich mit rekombinanten Plasmiden transformiert. Eine Plasmid-basierte, rekombinante Produktion des anaeroben Fluoreszenzproteins EcFbFP für eine Detektion im Biofilm konnte hingegen nicht beobachtet werden. Anschließend wurde im dritten Teil dieser Arbeit Raoultella electrica 1GB als Partnerbakterium für eine Ko-Kultur mit G. sulfurreducens ausgewählt. R. electrica 1GB konnte Glycerin unter anoxischen Bedingungen als Substrat nutzen und erzielte eine Acetatausbeute von 0,67 mM_Acetat mM_Glycerin^‑1. Die erfolgreiche Glycerinverwertung deckte sich mit den Ergebnissen der durchgeführten Genomsequenzierung. Während Reinkulturen von R. electrica und G. sulfurreducens keine signifikante Stromproduktion aus Glycerin zeigten, wurden maximale Stromdichten von bis zu 0,22 mA cm^-2 und eine CE von bis zu 21 % aus reinem Glycerin mit deren Ko-Kultivierung erzielt. Dabei fand wahrscheinlich kein direkter Elektronentransfer zwischen den Spezies statt, sondern Acetat diente als Elektronenshuttle zwischen R. electrica und G. sulfurreducens.

As the world's population increases, so does the global demand for energy and water, leading to larger volumes of wastewater that need to be treated. However, the capacities of fossil fuels for energy supply are limited and often not very environmentally friendly. Therefore, the focus is increasingly shifting to sustainable energy production and efficient energy use. Bioelectrochemical systems such as microbial electrolysis cells (MECs) enable the conversion of the organic material contained in wastewater and the chemical energy bound in it into electrical energy. In addition, inexpensive feedstocks can be converted into more valuable and storable products such as electricity and hydrogen. One of these low-cost feedstocks is crude glycerol, the main by-product of biodiesel production.

In the first part of this thesis, MECs were first inoculated with domestic wastewater. The substrates acetate or (crude) glycerol were compared in terms of the current density produced and Coulombic efficiency (CE). The current densities achieved with glycerol were about 50 % and the CEs about 65% of the current densities and CEs previously achieved with acetate-based MECs. 16S rRNA sequencing technology identified bacteria that were directly or indirectly involved in current production from glycerol. In glycerol-based MECs, the anodic biofilm consisted of up to 48 % Geobacter species. Nevertheless, G. sulfurreducens, the model organism for direct extracellular electron transfer, is not able to use glycerol as an electron donor, so other bacteria have to be responsible for its degradation. In the second part, G. sulfurreducens PCA was successfully transformed with recombinant plasmids. In contrast, plasmid-based recombinant production of the anaerobic fluorescent protein EcFbFP for a potential detection within the biofilm could not be observed. Subsequently, in the third part, Raoultella electrica 1GB was selected as a partner bacterium for co-culture with G. sulfurreducens. R. electrica 1GB was able to utilize glycerol as a substrate under anoxic conditions and achieved an acetate yield of 0.67 mM Acetate mM Glycerol^-1. The conversation of glycerol was consistent with the results from the genome sequencing performed. While pure cultures of R. electrica and G. sulfurreducens did not show significant current production from glycerol, maximal current densities of up to 0.22 mA cm^-2 and CE of up to 21 % from pure glycerol were obtained during their co-cultivation. In this case, probably there was no direct electron transfer between the species, but acetate served as an electron shuttle between R. electrica and G. sulfurreducens.