Proizvodnja biovodika u mikrobnom električnom članku s pomoću umjetno stvorene zajednice denitrificirajućih bakterija

Research background. This study provides insight into the use of a designed microbial community to produce biohydrogen in simple, single-chamber microbial electrolysis cells (MECs). The ability of MECs to stably produce biohydrogen relies heavily on the setup and microorganisms working inside the system. Despite having the most straightforward configuration and effectively avoiding costly membranes, single-chamber MECs are prone to competing metabolic pathways. We present in this study one possible way of avoiding this problem using characteristically defined, designed microbial consortium. Here, we compare the performance of MECs inoculated with a designed consortium to MECs operating with a naturally occurring soil consortium. Experimental approach. We adapted a cost-effective and simple single-chamber MEC design. The MEC was gastight, 100 mL in volume, and equipped with continuous monitoring for electrical output using a digital multimeter. Microorganisms were sourced from Indonesian environmental samples, either as denitrifying bacterial isolates grouped as a designed consortium or natural soil microbiome used in its entirety. The designed consortium consisted of five species from the Pseudomonas and Acinetobacter genera. The headspace gas profile was monitored periodically with a gas chromatograph. At the end of the culture, the composition of the natural soil consortium was characterized by next generation sequencing and the growth of the bacteria on the surface of the anodes by field emission scanning electron microscopy. Results and conclusions. We found that MEC using a designed consortium presented a better H2 production profile, with the ability of the system to maintain headspace H2 concentration relatively stable for a long time after reaching stationary growth period. In contrast, MECs inoculated with soil microbiome exhibited a strong decline in headspace H2 profile within the same time frame. Novelty and scientific contribution. This work utilizes a designed, denitrifying bacterial consortium isolated from Indonesian environmental samples that can survive in a nitrate-rich environment. Here we propose using a designed consortium as a biological approach to avoid methanogenesis in MECs, as a simple and environmentally friendly alternative to current chemical/physical methods. Our findings offer an alternative solution to avoid the problem of H2 loss in single-chamber MECs along with optimizing biohydrogen production through bioelectrochemical routes.Pozadina istraživanja. Ovo istraživanje pruža uvid u moguću primjenu umjetno stvorene mikrobne zajednice za proizvodnju biovodika u jednostavnom električnom članku bez membrane. Stabilna proizvodnja biovodika u električnom članku uvelike ovisi o dizajnu sustava i odabiru mikroorganizama. Iako se koristi jednostavan dizajn mikrobnog električnog članka bez skupih membrana, često dolazi do kompeticije mikroorganizama uključenih u metaboličke puteve. U ovome radu je predstavljen jedan od mogućih načina rješavanja tog problema s pomoću specifične, umjetno stvorene zajednice bakterija. Uspoređen je učinak mikrobnog električnog članka inokuliranog s umjetno stvorenom zajednicom mikroorganizama s onim mikrobnog električnog članka koji sadržava prirodnu zajednicu mikroorganizama prisutnih u tlu. Eksperimentalni pristup. Prilagodili smo jeftini i jednostavni mikrobni električni članak bez membrane, koji je nepropusan za plinove, volumena 100 mL i opremljen digitalnim multimetrom koji neprekidno prati električni izlaz. Mikroorganizmi su izolirani iz uzoraka tla u Indoneziji, i korišteni ili kao umjetno stvorena zajednica izoliranih denitrificirajućih bakterija, ili kao ukupan mikrobiom tla. Umjetno stvorena mikrobna zajednica sadržavala je pet vrsta iz rodova Pseudomonas i Acinetobacter. Periodički je praćen sastav oslobođenih plinova pomoću plinskog kromatografa. Pri završetku uzgoja je okarakteriziran sastav prirodne zajednice bakterija sekvenciranjem nove generacije, dok je njihov rast na površini anoda praćen pomoću pretražnog elektronskog mikroskopa s emisijom polja elektrona. Rezultati i zaključci. Utvrdili smo da se s pomoću umjetno stvorene zajednice bakterija u mikrobnom električnom članku proizvede više vodika, te da je njegova koncentracija relativno stabilna dulje vrijeme nakon što je dosegnuta stacionarna faza rasta bakterija. Suprotno tome, u električnom članku inokuliranom mikrobiomom iz tla je opažen znatan pad proizvodnje vodika u istom vremenskom razdoblju. Novina i znanstveni doprinos. U ovom je radu korištena umjetno stvorena zajednica denitrificirajućih bakterija izoliranih ih uzoraka tla iz Indonezije, koje imaju sposobnost preživljavanja u okolišu bogatom nitratom. Predlažemo primjenu umjetno stvorene zajednice, radi izbjegavanja pojave metanogeneze u mikrobnom električnom članku, kao jednostavnu i ekološki prihvatljivu alternativu proizvodnji vodika pomoću fizikalno-kemijskih metoda. Dobiveni rezultati nude rješenje problema gubitka vodika u mikrobnom električnom članku bez membrane, te optimiraju proizvodnju biovodika bioelektrokemijskim putem