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

Schmitz, Simone; Blank, Lars Mathias; Agler-Rosenbaum, Miriam

doi:HT019962943

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^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Biotechnologie Simone Schmitz

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xi, 128 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor) ; Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-01371
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/754718/files/754718.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
pseudomonas aeruginosa (frei) ; bioelectrochemical systems (frei) ; mediated electron transfer (frei) ; mixed cultures (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

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.

Bioelectrochemical systems (BES) hold great promise for sustainable energy generation as they can convert chemical energy into electrical energy via a microbial catalyst or vice versa. BES most often rely on the utilization of undefined microbial mixed cultures as synergistic effects between different community members enable a most efficient conversion of complex substrates, e.g., wastewater into electrical energy. Within this thesis the co-operation of the phenazine redox mediator producer Pseudomonas aeruginosa with 2,3-butanediol fermenting microbes in general and Enterobacter aerogenes specifically were investigated for their application in BES. To utilize microbial co-operation in BES, the physical and chemical environments provided in the natural habitats of the co-culture play a crucial role. Especially, oxygen was identified as major factor influencing synergistic effects in co-cultures of P. aeruginosa and E. aerogenes and optimization of its supply could enhance electric current production over 400%. Furthermore, operating the co-culture in fed-batch mode enabled us to obtain very high current densities and to boost the coulombic efficiency up to 20%, which is outstanding for mediator-based electron transfer. Phenazine production is subject to a highly complex regulation network effecting the expression of the two redundant phz gene operons and the two specific genes phzM and phzS necessary to convert PCA to pyocyanin. Product and expression analysis of phenazine deletion mutants revealed a tight cross regulation between the genes. A strong dominance of operon phzA2-G2 (phz2) resulting in a 10-fold higher expression than phzA1-G1 (phz1) and an almost exclusive production of PCA from this operon was observed. Furthermore, phzM and phzS seem to act as antagonists keeping phenazine production and speciation in homeostasis. Applied to the BES, the altered and often increased phenazine production in the mutant strains was directly translated into current generation. The role of fermenters in BES is to provide the anode community with easily accessible substrates. However, here also electron transfer with synthetic phenazines could be demonstrated for the 2,3-butanediol fermenters S. marcescens, K. pneumoniae and S. aureus. Even true co-cultures were established with P. aeruginosa, however only S. aureus co-cultures performed synergistically and very similar to E. aerogenes - P. aeruginosa co-cultures. To further investigate this phenomena, spent culture supernatants of E. aerogenes were applied to P. aeruginosa, which resulted independently from 2,3-butanediol in a drastic improved phenazine generation. Thus, another synergistic effector between the fermenter and P. aeruginosa is involved, which demonstrates the importance and scope of synergistic ecological effects in BES. This thesis clearly shows the potential of applying defined microbial co-cultures for current generation in BES. The results deepen the understanding of co-culture behavior and its performance which is an important step for the advancement of BES in order to make it a compatible and flexible source for bioenergy generation.

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