Diversity and Function of the Microbial Community on Anodes of Sediment Microbial Fuel Cells fueled by Root Exudates

Anode microbial communities are essential for current production in microbial fuel cells. Anode reducing bacteria are capable of using the anode as final electron acceptor in their respiratory chain. The electrons delivered to the anode travel through a circuit to the cathode where they reduce oxyge...

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Main Author: Cabezas da Rosa, Angela
Contributors: Friedrich Michael W. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2010
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Voraussetzung für einen Stromfluss in Bio-Brennstoffzellen (microbial fuel cell; MFC) ist die Besiedlung der Anode durch mikrobielle Gemeinschaften. Anoden-reduzierende Bakterien sind in der Lage, die Anode als terminalen Elektronenakzeptor in ihrer Atmungskette zu nutzen. Die an der Anode abgegebenen Elektronen fließen in einem Stromkreis zur Kathode, an der Sauerstoff durch Aufnahme der Elektronen zu Wasser reduziert und ein elektrischer Strom erzeugt wird. Ein neuer Typ von mikrobiellen Brennstoffzellen im Sediment (sediment microbial fuel cell; SMFC) nutzt die Energie von photosynthetisch assimilierten Verbindungen, die von Reiswurzeln ausgeschieden werden, wobei die Zusammensetzung der mikrobielle Gemeinschaft auf der Anode bisher nicht bekannt war. Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Analyse der Zusammensetzung bakterieller und archaeeller Gemeinschaften auf der Anode von Boden-basierten mikrobiellen Brennstoffzellen, die durch Reiswurzelexsudate angetrieben werden. Durch Anwendung von terminalem Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (T-RFLP), Klonierung und Sequenzierung der 16S rRNA fanden wir heraus, dass das Trägermaterial für Pflanzen (Vermikulit, Pflanzerde oder Reisfeldboden) ein wichtiger Faktor für die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft ist. Beim Vergleich der mikrobiellen Besiedlung von stromerzeugenden Anoden und nicht-stromerzeugenden Kontrollen fanden wir Desulfobulbus- und Geobacter- verwandte als wahrscheinliche Hauptproduzenten in auf Pflanzerde und Reisfeldboden basierten Biobrennstoffzellen (SMFC). Allerdings waren auch zu den δ-Proteobacteria gehörende Anaeromyxobacter spp., nicht-klassifizierte δ-Proteobacteria und Anaerolineae im Biofilm der Anode von Reisfeldboden basierten Biobrennstoffzellen vertreten und könnten ebenfalls eine Rolle in der Stromerzeugung spielen. Darüber hinaus wurden bestimmte Gruppen von Geobacter and Anaeromyxobacter durch Reiswurzelexsudate stimuliert. Bezüglich der Archaea waren nicht-kultivierbare Euryarchaea auf der Anode von mikrobiellen Brennstoffzellen mit Pflanzerde nachweisbar, was auf eine potentielle Rolle dieser Population in der Stromerzeugung hindeutet. In mikrobiellen Brennstoffzellen basierend auf Reisfeldboden oder Pflanzerde nahm der Anteil von Sequenzen der Methanosaeta, einer Gattung acetotropher methanogener Archaea, an stromerzeugenden Anoden ab. Im zweiten Teil konzentrierten wir unsere Arbeit auf die Identifizierung der Bakterien, die zum Abbau von Reiswurzelexsudaten an der Anode von bepflanzten boden-basierten mikrobiellen Brennstoffzellen befähigt sind. Mittels stabiler Isotopenbeprobung (stable isotope probing; SIP) mit 13C-CO2 kombiniert mit Hochdurchsatzsequenzierung konnten wir 13C-markierte Bakterien zugehörig zu den β-Proteobacteria und Anaerolineae als mögliche relevante Mikroorganismen beim Abbau von Wurzelexsudaten ausmachen. Die hauptsächlich für die Stromerzeugung verantwortlichen Bakterien zugehörig zu den δ-Proteobacteria waren nicht markiert. Diese Daten deuten darauf hin, dass bei der Umsetzung von Wurzelexsudaten eine mikrobielle anaerobe „Nahrungskette“ aktiv war, die sich aus Exsudat-abbauenden und Anoden-reduzierenden Bakterien zusammensetzte; beide trophischen Gruppen scheinen für die Stromerzeugung unerlässlich zu sein. Allerdings können wir nicht ausschließen, dass einige Bakterien möglicherweise Wurzelexsudate direkt zur Stromerzeugung nutzen können. Im letzten Teil der Arbeit fanden wir heraus, dass in geflutetem Reisfeldboden durch die Anwesenheit einer Elektronen-akzeptierenden Anode 50% weniger Methan emittiert wurde als in der Kontrolle (mit offenem Stromkreis). Diese Abnahme konnte jedoch nicht nur durch eine Konkurrenz um gewöhnliche Elektronendonatoren wie Acetat erklärt werden. Wir vermuten vielmehr, dass die Anode, selbst in nicht-stromerzeugenden Kontrollen, als terminaler Elektronenakzeptor genutzt wird um Elektronen einzufangen und diese von einem bestimmten Teil des Sedimentes zu einem räumlich distinkten Bereich zu übertragen. Möglicherweise verbindet die Anode als Elektronenleiter biogeochemische Prozesse, die in räumlich getrennten Bereichen des Sediments auftreten, wodurch eine Unterdrückung der Methanbildung erklärt werden könnte. Unsere Arbeit ist ein erster Ansatz um die mikrobielle Diversität der Anoden-Biofilme von Boden-basierten mikrobiellen Brennstoffzellen, angetriben durch Reiswurzelexsudationen zu verstehen und ihr Potential zur Verringerung der Methanemissionen zu ergründen.