Op zoek naar acetogene bacteriën die ijzer corroderen en hun toepassing in microbiële electrosynthese

Eva Monballyu
Op zoek naar acetogene bacteriën die ijzer corroderen en hun toepassing in microbiële electrosynthese.
Het gebruik van acetogene bacteriën voor de productie van acetaat met Fe(0) als elektrondonor.

Roest? Roest!

Roest? Roest!

 

Figuur  SEQ Figuur \*
ARABIC 1: Vorming van roest op
metalen.

Image removed.Image removed.Corrosie is het fenomeen waarbij metalen chemisch oxideren door elementen uit de omgeving. De best gekende vorm van corrosie is de aantasting van ijzer in een waterig milieu in de aanwezigheid van zuurstof. Dit zorgt voor de veelvoorkomende roestplekken die te zien zijn op het metaal (Figuur 1). Een andere vorm van corrosie is biocorrosie. Hierbij gaan micro-organismen, zoals bacteriën het corrosieproces versnellen.

De jaarlijkse wereldwijde kosten van door corrosie lopen op tot zo’n 3% van de BBP van de wereld. Dit komt neer op een slordige € 1 930 177 miljoen. Ongeveer 10% van de schade aangebracht door corrosie is afkomstig van microbiële activiteit.

Zoals je kan merken lopen de kosten door corrosie hoog op. Het is dus nodig om dit proces beter te verstaan en op deze manier de impact van corrosie te verkleinen. Een ander mogelijkheid bestaat erin om dit proces te gebruiken voor het welzijn van de mensen. Een mogelijke toepassing van biocorrosie is het gebruik van de micro-organismen in de omzetting van elektrische naar chemische energie. Maar waarom is dat nu net een voordeel?

Door de groeiende wereldbevolking en de stijgende levensstandaard is er een almaar groter wordende behoefte aan energie. De olievoorraden beginnen te slinken, kerncentrales krijgen meer tegenkanting en de opwarming van de aarde kan al een tijdje niet meer genegeerd worden. Naast het gebruik van alternatieve energiebronnen zoals wind- , water- en zonne-energie wordt ook gezocht naar efficiëntere manieren om de opgewekte energie op te slaan. De bestaande batterijen bieden tot op de dag van vandaag onvoldoende opslagruimte om de energieoverschotten op te slaan om energietekorten te overbruggen. De productie van biobrandstoffen maakt het mogelijk om energie op een eenvoudige manier te transporteren. Een andere mogelijkheid bestaat erin om elektrische energie om te zetten naar chemische energie in de vorm van biobrandstof en andere organische componenten. Dit kan gedaan worden met behulp van micro-organismen, vooral acetogene bacteriën zijn interessant. Hierbij wordt koolstofdioxide (CO2) omgezet tot acetaat of een andere organische molecule door acetogene bacteriën. De omzetting van koolstofdioxide naar acetaat is een natuurlijk fenomeen dat voorkomt onder anaerobe (zuurstofarme) condities. Deze acetogene bacteriën leven voornamelijk op corroderende oppervlakken. De grote hoeveelheden koolstofdioxide die geproduceerd worden in de industrie, zouden op deze manier hergebruikt kunnen worden. Naast het rechtstreekse gebruik van acetaat wordt acetaat ook gebruikt als grondstof voor de productie van andere organische moleculen zoals melkzuur.

Deze omzetting van elektrische energie naar chemische energie zou niet alleen stroomtekorten helpen overbruggen, het is ook een ecologisch en ethisch verantwoorde manier om biobrandstof te maken. Tegenwoordig gaat de productie van biobrandstof  gepaard met de productie van voedingsgewassen die op hun beurt niet kunnen gebruikt worden voor menselijke consumptie. Microbiële electrosynthese biedt de mogelijkheid om biobrandstof te produceren zonder gebruik te maken van landbouwgronden en voeding. Deze vorm van energie omzeilt de schadelijke milieueffecten die gepaard gaan met intensieve landbouw en het energieverlies die nodig is voor de productie van tussenproducten.

Figuur  SEQ Figuur \*
ARABIC 2: Wood-Ljungdahl pathway als
metabolisch systeem van acetogene bacteriën.

Image removed.Image removed.De omzetting van elektrische energie naar chemische energie kan zoals eerder vermeld, gebeuren met behulp van acetogene bacteriën. De bacteriën worden opgekweekt in de aanwezigheid van Fe(0) als enige elektrondonor. Hierdoor wordt Fe(0) omgezet naar Fe(II) waarbij 2 elektronen kunnen gebruikt worden door het micro-organisme. Het gebruik van deze 2 elektronen, afkomstig van Fe, is de elektrische energie. Acetogene bacteriën maken gebruik van de Wood-Ljungdahl pathway als metabolisch systeem. Aan de hand van deze pathway wordt acetaat gevormd (Figuur 2).

Maar waar vind je die micro-organismen nu? De acetogene bacteriën die nuttig kunnen zijn voor dit experiment leven onder anaerobe (geen contact met zuurstof) omstandigheden op ijzeren oppervlakten. Een mogelijkheid waar de bacteriën zich zouden verschuilen, is bijvoorbeeld op het oppervlak van een fiets dat al enkele jaren in het water ligt. Er werden stalen genomen van een spaak, de bodem dicht bij de fiets en schraapsel van de fiets. De stalen worden opgegroeid in de aanwezigheid van ijzerpartikels. Van hieruit kan via een abiotische weg (door invloeden die niet afhankelijk zijn van levende organismen) H2 worden geproduceerd. Via een biotische (door organismen) manier kan H2, CH4 (door methanogenen), H2S (door sulfaatreducerende bacteriën) of acetaat (door acetogene bacteriën) gevormd worden (Figuur 3). Aangezien deze milieustalen niet enkel acetogene bacteriën bevat worden enkele componenten toegevoegd aan het medium om de groei van

Figuur  SEQ Figuur \*
ARABIC 3: Biotische en abiotische
productvorming door milieustalen.

Image removed.Image removed.andere micro-organismen (zoals methanogenen en sulfaatreducerende bacteriën) te verstoren.

Er bestaat een mogelijkheid dat H2 productie een voordeel kan zijn voor de productie van acetaat.

De meeste studies maken gebruik van waterstof als elektrondonor voor de aanrijking of isolatie van acetogene culturen. Indien deze bacteriën later gebruikt worden voor microbiële electrosynthese (MES) kan de overgang naar een vaste elektrondonor moeilijkheden met zich meebrengen. Hierom wordt in dit onderzoek gebruik gemaakt van Fe(0) als enige elektrondonor waardoor de overgang naar MES vlotter zou kunnen verlopen.

 

Bibliografie

Referentielijst

Aulenta, F., Reale, P., Catervi, A.,  Panero, S., Majone, M., 2008. Kinetics of trichlorethene dechlorination and methane formation by a mixed anaerobic culture in a bio-electrochemical system. Electrochimica Acta 53, 5300 –5305.

Bengelsdorf, F.R., Straub, M., Durre, P., 2013. Bacterial synthesis gas (syngas) fermentation. Environmental Technology 34, 1639-1651.

Bond, D., Lovley, D.R., 2003. Electricity Production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. Applied Environmental Microbiology 69, 1548-1555.

Bretschger, O., Gorby Y.A.,  Nealson K.H., 2010. Bioelectrochemical Systems: From Extracellular Electron Transfer to Biotechnological Application, hoofdstuk 5, pag. 81–100. Integrated Environmental Technology Series. IWA Publishing.

Busalmen, J.P., Esteve-Nunez, A., Berna, A., Feliu, J.M., 2008. C-type cytochromes wire electricity-producing bacteria to electrodes. Angewandte Chemie International Edition 47, 4874–77.

Callbeck, C. M., Agrawa,l A., Voordouw, G., 2013. Acetate production from oil under sulfate-reducing conditions in bioreactors injected with sulfate and nitrate. Applied Environmental Microbiology. 79, 5059–5068.

Cheng, I.F., Muftikian, R., Fernando, Q., Korte, N., 1997. Reduction of nitrate to ammonia by zero-valent iron. Chemosphere 35, 2689–2695.

Daniels, L., Belay, N., Rajagopal, B.S., Weimer, P.J., 1987. Bacterial methonogenesis and growth from CO2 with elemental iron as the sole source of electrons. Science 237, 509-511.

Deutzmann, J.S., Sahin, M., Spormann, A.M., 2015. Extracellular enzymes Facilitate Electron Uptake in Biocorrosion and Bioelectrosynthesis. MBio 2, 1-8.

Dinh, H.T., Kuever, j., Mussmann, M., Hssel, A.W., Stratmann, M., Widdel, F., 2004. Iron corrosion by novel anaerobic microorganisms. Nature 427, 829-832.

Drake, H.L., Gossner, A.S., Daniel, S.L., 2008. Old acetogens, new light. In: Wiegel, J., Maier, R.J., Adams, M.W.W. (Eds.). Incredible Anaerobes: From Physiology to Genomics to Fuels. Blackwell Publishing, Oxford, pp. 100-128.

Dumas, C., Basseguy, R., Bergel, A., 2008. Microbial elctrocatalysis with Geobacter sulfurreducens biofilm on stainless steel cathodes. Electrochimica Acta 53, 2494-2500.

Dobrindt, U., Blaut, M., 1996. Purification and characterization of a membrane-bound hydrogenase from Sporomusa sphaeroides involved in energy-transducing electron transport. Archives of Microbiology 165, 141-147.

Enning, D., Garrelfs, J., 2014. Corrosion of iron by sulfate-reducing bacteria: New views of an old problem. Applied and Environmental Microbiology 80, 1226-1236.

Enning, D., Venzlaff, H., Garrelfs, J., Dinh, H.T., Meyer, V., Mayrhofer, K., Hassel, A.W., Stratmann, M., Widdel, F., 2012. Marine sulfate-reducing bacteria cause serious corrosion of iron under electroconductive biogenic mineral crust. Environmental Microbiology 14, 1772-1787.

Ganigue, R., Puig, S., Battle-Vilanova, P., Balaguer, M.D., Colprim, J., 2015. Microbial electrosynthesis of butyrate from carbon dioxide. Chemical communications 51, 15, 3235-3238.

Gellings, P.J., Ijsseling, F.P., 1985. Corrosie en corrosiebestrijding. Nederlands Corrosie Centrum (NCC).

George, R., 2012. Current understanding and future approaches for controlling

microbially influenced concrete corrosion: A review. Concrete Research Letters, 3(3).

Gregory, K.B., Bond, D.R., Lovley, D.R., 2004. Graphite electrodes as electron donors for anaerobic respiration. Environmental Microbiology 6, 596-604.

Gregory, K.B., Lovley, D.R., 2005. Remediation and recovery of uranium from contaminated subsurface environments with electrodes. Environ. Sci. Technol. 39, 8943–47.

Gildemyn, S. , Verbeeck, K. , Slabbinck, R. ,  Andersen, S.J., Prévoteau, A., Rabaey, K. , 2015. Integrated Production, Extraction, and Concentration of Acetic Acid from CO2 through Microbial Electrosynthesis, Environmental Science & Technology Letters.

Hugenholtz, J., Ljungdahl, L.G., 1989. Electron-transport and electrochemical proton gradient in membrane-vesicles of Clostridium thermoautotrophicum. Journal of Bacteriology 171, 2873-2875.

Iino, T., Ito, K., Wakai, S., Tsurumaru, H., Ohkuma, M., Harayama, S., 2015. Iron Corrosion Induced by Nonhydrogenotrophic Nitrate-Reducing Prolixibacter sp. Strain MIC1-1. Applied and Environmental Microbiology 81, 1839-1846.

Kato, S., Yumoto, I., Kamagata, Y., 2015. Isolation of acetogenic bacteria that induce biocorrosion by utilizing metallic iron as the sole electron donor. Applied and Environmental Microbiology 81, 67-73.

Koch, G., Brongers, M., Thompson, N., Virmani, Y., Payer, J., 2002. Corrosion cost and preventive strategies in the united states. Technical report, Turner-Fairbank Highway Research Center.

Kopke, M., Mihalcea, C., Liew, F.M., Tizard, J.H., Ali, M.S., Conolly, J.J., ls-Sinawi, B., Simpson, S.D., 2011. 2,3-Butanediol Production by Acetogenic Bacteria, an Alternative Route to Chemical Synthesis, Using Industrial waste Gas. Applied Environmental Microbiology 77, 5467-5475.

Lee, A.K., Newman, D.K., 2003. Microbial iron respiration: impact on corrosion processes. Applied Microbial Biotechnology 62, 134-139.

Liang, R., grizzle, R.S., Duncan, K.E., McInerney, M.J., Suflita, J.M., 2014. Roles of thermophilic thiosulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea in the biocorrosion of oil pipelines. Frontiers in Microbiology 5, 89.

Lohner, S.T., Deutzmann, J.S., Logan, B.E., Leigh, J., Spormann, A.M., 2014. Hydrogenase-independent uptake and metabolism of electrons by the archaeon Methanococcus maripaludis. Isme Journal 8, 1673-1681.

Lovley, D.R., 2008. The microbe electric: conversion of organic matter to electricity. Current opinion in Biotechnology 19, 564-571.

Lovley, D.R., 2011. Powering microbes with electricity: direct electron transfer from electrodes to microbes. Environmental Microbiology Reports 3, 27-35.

Lovley, D.R., Philips, E.J., 1987. Rapid assay for microbially reducible ferric iron in aqutic sediments. Applied Environmental Microbiology 53, 1536-1540.

Lovley, D.R., Ueki, T., Malvankar, N.S., Shrestha, P.M. Flanagan, K.A., Aklujkar, M., Butler, J.E., Giloteaux, L., Rotaru, A.E., Holmes, D.E., Franks, A.E., Orellana, R., Risso, C., Nevin, K.P., 2011. Geobacter: the microbe electric’s physiology, ecology and practical applications. Advances in Microbial physiology 59, 1-100.

Malvankar, N.S., Vargas, M., Nevin, K.P., Franks, A.E., Leang, C., et al. 2011. Tunable metallic-like conductivity in nanostructured biofilms comprised of microbial nanowires. National Nanotechnology. 6, 573–79.

McBeth, J.M., Little, B.J., Ray, R.I., Farrar, K.M., Emerson, D., 2011. Neutrophilic iron-oxidizing “Zetaproteobacteria” and mild steel corrosion in nearshore marine environments. Applied Environmental Microbiology 77, 1405–1412.

Mehanna, M., Basseguy, R., Delia, M.-L., Bergel, A., 2009. Effect of Geobacter sulfurreducens on the microbial corrosion of mild steel, ferritic and austenitic stainless steels. Corrosion Science 51, 2596-2604.

Mehanna, M., Basseguy, R., Delia, M.-L., Bergel, A., 2009. Role of direct microbial electron transfer in corrosion of steels. Electrochemistry Communications 11, 568-571.

Mori, K., Tsurumaru, H., Harayama, S., 2010. Iron corrosion activity of anaerobic hydrogen-consuming microorganisms isolated from oil facilities. Journal of Bioscience and Bioengineering 110, 426-430.

Nevin, K.P., Hensley, S.A., Franks, A.E., Summers, Z.M., Ou, J., Woodard, T.L., Sneoyenbos-West, O.L., Lovley, D.R., 2011. Electrosynthesis of organic compounds from carbon dioxide is catalyzed by a diversity of acetogenic microorganisms. Applied and Environmental Microbiology 77, 2882-2886.

Nevin, K.P., Woodard, T.L., Franks, A.E., Summers, Z.M., Lovley, D.R., 2010. Microbial electrosynthesis: Feeding microbes electricity to convert carbon dioxide and water to multicarbon extracellular organic compounds. Mbio1.

Nielsen, P.H., 1991. Sulfur sources for hydrogen-sulfide production in biofilms from sewer systems. Water Science and Technology 23, 1265-1274.

Rakshit, S., Matocha, C.J., Haszler, G.R., 2005. Nitrate reduction in the presence of wüstite. Journal of Environmental Quality 34,1286–1292.

Rabaey, K., Rozendal, R.A., 2010. Microbial electrosynthesis – revisiting the electrical route for microbial production. Nature Reviews Microbiology 8, 706-716.

Ragsdale, S.W., Pierce, E., 2008. Acetogenesis and the Wood-Ljungdahl pathway of CO2 fixation. Biochimica et Biophysica Acta 1784(12), 1873-1898.

Rao, T., 2012. Microbial Fouling and Corrosion: Fundamentals and Mechanisms, chapter 6, pages 95–126. Springer US.

 

Strycharz, S.M., Gannon, S.M., Boles, A.R., Nevin, K.P., Franks, A.E., Lovley, D.R., 2010. Anaeromyxobacter dehalogenans interacts with a poised graphite electrode for reductive dechlorination of 2-chlorophenol. Environmental Microbiology. Rep. , 289–294.

Thrash, J.C., Coates, J.D., 2008. Review: Direct and indirect electrical stimulation of microbial metabolism. Environmental Science & Technology 42, 3921-3931.

Uchiyama, T., Ito, K., Mori, K., Tsurumaru, H., Harayama, S., 2010. Iron-corroding methanogene isolated from crude-oil storage tank. Applied and Environmental Microbiology 76, 1783-1788.

Ueki, T., Nevin, K.P., Woodard, T.L., Lovley, D.R., 2014. Converting carbon dioxide to butyrate with an engineered strain of Clostridium ljungdahlii. Mbio 5,10.

Veloza, A. M., 2013. Determination by ferrozine assay.  Cohen Geochemistry Research Group, University of Leeds. (https://www.youtube.com/watch?v=m3T6PTfVtx0)

Venzlaff, H., Enning, D., Srinivasan, J., Mayrhofer, K.J.J., Hassel, A.W., Widdel, F., Stratmann, M., 2013. Accelerated cathodic reaction in microbial corrosion of iron due to direct electron uptake by sulfate-reducing bacteria. Corrosion science 66, 88-96.

Universiteit of Hogeschool
Master of Scinece in de industriële wetenschappen: Biochemie
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Prof. dr. ir. Korneel Rabaey
Kernwoorden
Deel deze scriptie