Elektrochemische und Mikrobiologische Untersuchungen des Elektronentransfers von G. sulfurreducens

Wichmann, Hilke, Sophie

doi:10.24355/dbbs.084-202310271258-0

Thesis Fri Oct 27 2023 CC BY 4.0

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Elektrochemische und Mikrobiologische Untersuchungen des Elektronentransfers von G. sulfurreducens

Wichmann, Hilke Sophie

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In dieser Arbeit wurden Abwasser-basierte Mischbiofilme erfolgreich auf dem Elektrodenmaterial ITO kultiviert. Aufgrund des langsameren Wachstums auf diesem Elektrodenmaterial war es unter anderem möglich, CVs in einem jungen Biofilmstadium zu messen. Bei den Untersuchungen an der Mischkultur traten verschiedene Phänomene auf, die nach aktuellem Forschungsstand nicht eindeutig geklärt werden konnten.

Zur Aufklärung der möglichen Ursachen der beschriebenen Phänomene wurde die Reinkultur Geobacter sulfurreducens auf dem Elektrodenmaterial Graphit kultiviert. An der Reinkultur konnten alle mit der Mischkultur aufgetretenen Phänomene (unterschiedliche Formalpotentiale, reduktiver Peak bei hohen Kultivierungspotentialen, negatives faradaysches Widerstands-Verhalten, reduktive Ströme unter Acetat-Limitierung) reproduziert werden. Biofilme in einem frühen im Vergleich zu einem stationären Biofilmstadium zeigten unterschiedliches Verhalten bei unterschiedlichen Kultivierungspotentialen. Eine mögliche Erklärung könnte eine unterschiedliche Biofilmentwicklung bei unterschiedlichen Kultivierungspotentialen geben. Bei niedrigen Kultivierungspotentialen ist das Aktivitätsmaximum des Biofilms direkt an der Elektrode lokalisiert und nimmt von da ab. Bei hohen Kultivierungspotentialen hingegen liegt das Aktivitätsmaximum einige Mikrometer von der Elektrode entfernt und nimmt von da an ab. Eine mögliche Ursache dafür könnte das effektive lokale Potential sein. Damit lassen sich auch die Unterschiede in den CVs erklären.

Neben den elektrochemischen Untersuchungen wurde auch eine Proteomanalyse von verschieden kultivierten Biofilmen durchgeführt. Es wurden jeweils drei Replikate bei einem niedrigen (- 0,2 V) und hohen (+ 0,2 V) Kultivierungspotential untersucht. Es konnte erfolgreich Membranproteine angereichert und mittels LC-MS/MS analysiert werden. Der Vergleich des Proteoms bei den unterschiedlichen Kultivierungspotentialen ergab, dass vor allem β-Fass Proteine unter den beiden verglichenen Potentialen im Membranproteom hoch abundant sind. Diese Proteine können Porine innerhalb der Außenmembran bilden und somit den Transfer von Molekülen durch die Membran gewährleisten. Weiter zeigen Cytochrome hohe Abundanzen, aber vor allem eine deutlich höhere bei einem hohen Kultivierungspotential, die in der Lage sind zu polymerisieren und ein Nanodraht zu bilden. Diese Nanodrähte sind aufgrund gestaffelter Häm-Zentren sehr leitfähig. Mit diesen Nanodrähten könnten somit weitere Strecken des Elektronentransfers in einem Biofilm überwunden werden. Bei niedrigen Kultivierungspotentialen werden vor allem Cytochrome gebildet, die Lipoproteine sind.

Die Ergebnisse der Proteomanalyse gehen einher mit der anhand der elektrochemischen Ergebnisse aufgestellten Erklärung der unterschiedlicher Biofilmentwicklungen bei hohem und niedrigen Kultivierungspotentialen.

In this work, wastewater-based mixed biofilms were successfully cultivated on the electrode material ITO. Due to the slower growth on this electrode material, it was possible, among other things, to measure CVs in a young biofilm stage. Various phenomena occurred during the investigations of the mixed culture, which could not be clarified according to the current state of research.

For eludiacation possible causes of the phenomena described, the pure culture of Geobacter sulfurreducens was cultivated on the electrode material graphite. All phenomena that occurred with the mixed culture (different formal potentials, reductive peak at high cultivation potentials, negative faradaic resistance behavior, reductive currents under acetate limitation) could be reproduced in the pure culture. Biofilms in an early compared to a stationary biofilm stage showed different behavior at different cultivation potentials. A possible explanation could be a different biofilm development at different cultivation potentials. At low cultivation potentials, the maximum activity of the biofilm is localized directly at the electrode and decreases starting at that point. At high cultivation potentials, on the other hand, the maximum activity is a few micrometers away from the electrode and decreases starting at that point. A possible reason for this could be the effective local potential. This also explains the differences in the CV shapes.

In addition to the electrochemical investigations, a proteomic analysis of various cultured biofilms was also carried out. Three replicates each were examined at a low (- 0.2 V) and a high (+ 0.2 V) cultivation potential. Membrane proteins were successfully enriched and analyzed using LC-MS/MS. The comparison of the proteome at different cultivation potentials showed that especially β-barrel proteins are highly abundant under the two compared potentials in the membrane proteome. These proteins can form porins within the outer membrane and thus ensure the transfer of molecules across the membrane. Furthermore, cytochromes show high abundances, but above all a significantly higher abundance with a high cultivation potential, which are able to polymerize and form a nanowire. These nanowires are highly conductive due to staggered heme centers. With these nanowires, further distances of electron transfer in a biofilm could be overcome. At low cultivation potentials, primarily cytochromes, which are lipoproteins, are formed.

The results of the proteome analysis go hand in hand with the explanation of the electrochemical results based on different biofilm developments at high and low cultivation potentials.