Electroactive microbes in the production of carbon-based molecules

Abstract

Mikrobielektrosynteesillä hyödynnetään mikrobien aineenvaihduntaa erilaisten hiiliyhdisteiden tuotannossa syöttämällä niille elektroneja katodin kautta. Tämä opinnäytetyö keskittyy metanogeenisiin ja asetogeenisiin mikrobeihin, jotka tuottavat metaania ja asetaattia pelkistämällä hiilidioksidia ja hyväksymällä katodilta elektroneja. Tämä on erityisen kiinnostavaa energian varastoinnissa, jossa elektronien lähteenä hyödynnetään uusiutuvia energianlähteitä, kuten aurinko- ja tuulivoimaa. Esimerkiksi metanogeenit pystyisivät tuottamaan varastoitavaa metaania uusiutuvan energialähteen energiaylijäämästä. Metanogeenejä ja asetogeenejä ei voida kuitenkaan vielä hyödyntää energian varastoinnin kaltaisissa sovelluksissa, sillä metaanin ja asetaatin saannot ovat hyvin pieniä. Opinnäytetyön tavoitteena on selvittää, miten metano- ja asetogeeniset mikrobit hyväksyvät elektroneita katodilta. Lisäksi työ esittelee, mitkä metano- ja asetogeenien solukomponentit osallistuvat elektroninsiirtoon katodilla ja mitkä niistä soveltuisi jatkotutkimuksille.

Metano- ja asetogeenien on oltava sähköisesti aktiivisia, jotta ne pystyvät osallistumaan hapetus ja pelkistysreaktioihin katodin kanssa. Metano- ja asetogeenien sähköinen aktiivisuus todennäköisesti kehittyi niiden alkuperäisessä elinympäristössään, jossa ne vastaanottivat elektroneja mineraaleista, kuten raudasta ja mangaanista. Todisteita siitä, miten metano- ja asetogeenien sähköinen aktiivisuus kehittyi, ei kuitenkaan löydetty.

Metano- ja asetogeeneille esitettiin kolme tapaa vastaanottaa katodilta elektroneja. Ensimmäinen tapa oli suoralla elektroninsiirrolla, jossa mikrobit kasvavat katodin pinnalla ja vastaanottavat elektroneja niiden sähköisesti aktiivisten solunosien kautta. Toinen tapa oli epäsuoralla elektroninsiirrolla, jossa välittäjäaineet välittävät elektroneja katodilta mikrobille. Kolmas tapa oli mikrobilajien välisellä elektroninsiirrolla, jossa sähköisesti aktiivinen mikrobi vastaanottaa elektroneja katodilta ja välittää elektroneja metano- ja asetogeeneille.

Jatkotutkimuksille soveltuvia solukomponentteja löydettiin muutama. Sytokromi-c:ksi kutsutun hemiproteiinin arvioitiin olevan todennäköisin solukomponentti metano- ja asetogeenien katodin välisessä suorassa elektroninsiirrossa. Sytokromi-c:tä tutkitaan huomattavasti enemmän metano ja asetogeenien yhteydessä, jotka luovuttavat elektroneja anodille, mutta käänteisiä reaktioita kuitenkin havaittiin, sillä sytokromi-c toimii laajalla pelkistyspotentiaalivälillä. Sytokromi-c:n havaittiin siis sekä luovuttavan elektroneja, että vastaanottavan niitä. Epäsuorassa elektroninsiirrossa havaittiin myös, että elektronin kantaja, flaviini, toimii laajalla pelkistyspotentiaalivälillä.

Työssä keskusteltiin myös mikrobien välisestä suorasta elektroninsiirrosta. Korkeampia metaanin ja asetaatin saantoja voidaan mahdollisesti tuottaa hyödyntämällä sähköisesti aktiivisia mikrobeja, jotka luovuttavat katodilta vastaanotettuja elektroneja suoraan metano- tai asetogeeneille sekaviljelmässä. Tehokkaiden sekaviljelmien löytäminen voisi tulevaisuudessa mahdollistaa mikrobielektrosynteesin hyödyntämisen.

Microbial electrosynthesis (MES) exploits a microbe’s metabolism to produce carbon-based molecules by feeding it electrons through a cathode. This thesis focuses on electroactive methanogenic and acetogenic microbes that produce methane and acetate, respectively, by reducing carbon dioxide and accepting electrons from a cathode. This is relevant in applications such as energy storage paired with electricity produced from renewable energy sources where methanogens would use leftover energy to produce methane gas. However, methane and acetate production rates in a MES system are very low, making applications such as energy storage unviable in its current state. The aim of this thesis is to find out how methanogenic and acetogenic microbes accept electrons from a cathode. Additionally, this study aims to pinpoint which microbial cell components are electroactive and in need of further research.

Methanogens and acetogens need to be electroactive to have reduction and oxidation reactions with inorganic material such as a cathode. Methanogens and acetogens most likely developed electroactivity due to their environment having electrons trapped inside of solid minerals like iron and manganese but no definitive proof for this theory was found.

Three main mechanisms for the electron transfer between methanogenic and acetogenic microbes and the cathode were found. Firstly, through direct electron transfer where microbes attach to the surface of the cathode and accept electrons directly with their electroactive cell components. Secondly, through indirect electron transfer where electron shuttles carry electrons from the cathode to the microbe. Lastly, through direct interspecies electron transfer where an electroactive microbe accepts electrons from a cathode and donates electrons to a non electroactive methanogen or acetogen.

Some cell components that have potential for further research were discussed. A heme protein called cytochrome-c was observed to be the most likely cell component in the direct electron transfer between methanogens and acetogens at the cathode. Cytochrome-c is well studied in the context of microbes donating electrons to an anode. However, reverse reactions were also observed due to cytochrome-c working in a vast array of reduction potentials meaning it can donate electrons but also accept them. Unfortunately, no concluding evidence was found for cytochrome-c being the main electron acceptor of methanogens and acetogens. Similarly, in indirect electron transfer electron carriers called flavins were found to work in a wide reduction potential range.

A potential solution for the low production of methane and acetate by pure cultures of methanogenic and acetogenic microbes was also discussed. By coupling a microbe that is great at accepting electrons from the cathode with another microbe that excels at producing methane or acetate, it could be possible to reach higher production rates than ever before.