A microbiological approach to improve the performance of single-chamber bioelectrochemical systems

Abstract

La necesidad de energía renovable y la constante amenaza del calentamiento global han motivado el desarrollo de nuevas tecnologías más sostenibles que las actuales, como los sistemas bioelectroquímicos, también conocidos con el nombre de celdas electroquímicas microbianas (Microbial Electrochemical Cells, MXCs), que combinan la electroquímica con el metabolismo de un grupo particular de microorganismos llamados exoelectrógenos o ARB (Anode Respiring Bacteria). Entender la actividad metabólica de los ARB y sus condiciones óptimas de crecimiento es de gran importancia para garantizar el máximo rendimiento de las MXCs. Por este motivo, la presente tesis estudia los sistemas bioelectroquímicos y tiene como objetivo desarrollar, estudiar y mejorar la comunidad microbiana de las MXCs para aumentar su rendimiento. Se han aplicado técnicas moleculares avanzadas cuales el estudio metagenómico del gen 16S ribosomal y la PCR en tiempo real (qPCR). Se han diseñado diferentes montajes experimentales para estudiar las condiciones de operación que favorecen a los ARB frente a otros microorganismos que disminuyen la eficiencia de las MXCs, como son los metanógenos o las bacterias homoacetógenas. El enriquecimiento de ARB bajo diferentes resistencias externas en celdas de combustible microbianas (Microbial Fuel Cells, MFC) ha demostrado que el ánodo inoculado en una MFC bajo una resistencia externa baja (12 Ω) tiene un mejor rendimiento cuando es trasladado a una celda de electrólisis microbiana (Microbial Electrolysis Cell, MEC); es decir, proporciona mayor intensidad y mayor tasa de producción de H2 que otras MFC inoculadas con resistencias externas superiores (220 y 1000 Ω). Los análisis de qPCR han confirmado que el uso de una resistencia externa baja en MFC comporta la formación de una biopelícula anódica con mayor contenido de Geobacter. Un estudio se ha llevado a cabo en dos etapas para conocer las limitaciones del uso a largo plazo del inhibidor de la metanogénesis 2-bromoetanosulfonato (BES). En MFCs alimentadas con acetato, se ha observado como el BES se demostraba ineficaz (hasta 200 mM) a largo plazo, ya que no puede evitar el crecimiento de Archaea (concretamente del género que usa hidrógeno como donador de electrones, Methanobrevibacter), lo que parece indicar el desarrollo de resistencia al BES. A concentración 200 mM de BES la actividad metanógenica disminuye, pero resulta en un incremento de la recirculación de hidrógeno por homoacetogénesis. Además, se ha demostrado la degradación de BES en MFC. Se ha obtenido una alta intensidad de corriente (hasta 10 A·m-2) en una MEC inoculada con un cultivo puro de Geoalkalibacter ferrihydriticus a pH básico (9.3). Estos resultados sugieren la posibilidad de que las condiciones alcalinas puedan mejorar el rendimiento de las MXCs mediante la creación de un entorno más selectivo para los ARB. También se ha seleccionado, a partir de lodos anaerobios, una comunidad capaz de trabajar en condiciones de pH básico utilizando medio alcalino y un control del pH en línea. Se han obtenido unos rendimientos muy elevados en MFC y MEC. El estudio de las poblaciones existentes muestra un elevado contenido en el género Alkalibacter en una MFC alcalina (37% de la comunidad bacteriana). El género Geoalkalibacter se ha confirmado a pH alto, particularmente en MEC (43%). Finalmente, se ha desarrollado una estrategia con el propósito de obtener un cultivo sintrófico entre fermentadores y ARB capaz de usar el suero de leche como donador de electrones. Este es fermentado principalmente a acetato por bacterias del ácido láctico (Enterococcus sp. comprendía el 22% de la comunidad bacteriana). La actividad exoelectrogénica se ha demostrado con la presencia de Geobacter sp. (37%), que consume el acetato como donador de electrones. Esta comunidad microbiana ha sido capaz de degradar el suero para producir directamente energía o H2 (0.6 LH2·L-1REACTOR·d-1).

The need of renewable energy and the constant threat of global warming have motivated the development of emerging sustainable technologies. Among them, bioelectrochemical systems envisage a future where energy and other added value products, such as hydrogen, can be obtained from organic waste streams. Thus, bioelectrochemical systems, also known with the name of microbial electrochemical systems (MXCs), fit perfectly in the new paradigm with respect to wastes, which should be valorized rather than treated. MXCs combine the electrochemistry with the metabolism of a particular group of microorganisms called exoelectrogens or anode respiring bacteria (ARB). The need of understanding the metabolic activity of ARB and their optimal growth conditions are of high importance to ensure the maximal performance of MXCs. In this frame, this thesis aimed to develop, to study and to upgrade the microbial community of MXCs in view of increasing their performance. For this purpose, ribosomal 16S gene targeted metagenomics study and quantitative real-time PCR (qPCR) techniques were implemented in this thesis. qPCR curves were built to study the evolution of ARB and methanogen microbial communities. Further, 454 pyrosequencing analysis were conducted in order to deepen the composition of microbial electrodes communities. Different experimental setups were designed to study operational conditions under which ARB could outcompete other microorganisms that can undermine MXCs performance, such as methanogens and homoacetogenic bacteria. The first step was the ARB enrichment at different external resistances in Microbial Fuel Cells (MFCs). This study showed that the anode inoculated under low external resistance (12 Ω) in MFC mode showed better performance in the posterior Microbial Electrolysis Cell (MEC) mode (i.e. gave higher current intensity and showed higher H2 production rate) than other MFCs inoculated under higher resistances (220 and 1000 Ω). Moreover, qPCR confirmed that the use of a low external resistance provides an MFC anodic biofilm with the highest content of Geobacter (the most usual ARB). A long term study of the most common methanogens chemical inhibitor: 2-bromoethanesulfonate (BES) was performed in two steps to underline its limitations. A long term acetate-fed MXCs showed BES ineffectiveness caused by Archaea (hydrogen-oxidizing genus Methanobrevibacter) resistance to high BES concentration (up to 200 mM) in MEC. In addition, BES degradation was demonstrated in MFC. Moreover, at higher BES concentration (200 mM), methanogenesis activity decreased but resulted in an increase of H2 recycling by homoacetogenesis. A MEC inoculated with Geoalkalibacter ferrihydriticus pure culture at high pH revealed high current intensity production (up to 10 A·m-2). These results suggested the possibility to use alkaline conditions with the objective to improve MXCs performance by creating a more selective environment. Then, a high pH community was selected from anaerobic sludge using alkaline medium and an online pH control. High performances were obtained in both MFC and MEC (around 50 mA·m-2 of current density and 2.6 LH2·L-1REACTOR·d -1). Alkalibacter genus was highly detected in an alkaline MFC (37% of the bacterial community) and it was identified as a potential ARB. The presence of Geoalkalibacter genus was confirmed at high pH (9.3) conditions and especially in MEC (43 %). Finally, a successful strategy was developed with the purpose of obtaining a cheese-whey fermentative-ARB syntrophic community. Cheese-whey was fermented to acetate mainly by lactic acid bacteria (Enterococcus genus was 22% of the total bacterial community) and other fermenting bacteria as Sphaerochaeta and Dysgonomonas genera. Exoelectrogenic activity was performed by Geobacter sp. (37%), that used the acetate as electron donor. This microbial community was able to degrade cheese whey to produce directly energy or H2 (0.6 LH2·L-1REACTOR·d-1). Moreover, cheese whey MXCs demonstrated the intrinsic ability to inhibit methanogenic activity without using other external inhibition strategies.