Ways of Forming Biofilm of Microorganisms with Exoelectrogens Activity

The development and enhancement of bioelectrochemical systems to produce electricity and hydrogen is a promising area of modern bioenergy. Microorganisms are the active component of bioelectrochemical process in bioelectrochemical systems. These microorganisms further the processes of degradation of energy substrate to form compounds and exocell transfer of electrons to a terminal acceptor. We analyze existing methods of biofilm formation of electroactive microorganisms depending on its species diversity and processes of formation. By applying the methods of analysis, synthesis and comparative evaluation, we show that the methods of two step selection and consistent enrichment of the biofilm of electroactive bacteria are the most promising. Also, they do not require sophisticated equipment and procedures for implementing the process. We analyze the formation of molecular genetic biofilm and describe the dynamics of the process for the biofilm bacteria Geobacter sulfurreducens.

Publication year: 
2012
Issue: 
3
УДК: 
577.352.5.628.163
С. 66—73. Іл. 1. Табл. 1. Бібліогр.: 49 назв.
References: 

1. Кузьмінський Є.В., Гвоздяк П.І., Голуб Н.Б. Біопаливні елементи: проблеми і перспективи розвитку. 2. Мікробні паливні елементи // Мікробіол. і біотехнол. — 2009. — № 3. — С. 15—30.
2. Ye. Kuzminskiy, K. Shchurska, I. Samarukha, G. Łagód, “Different types of energy conversion for biohydrogen production”, Soc. of Ecological Chem. and Eng. (SEChE), “Proc. of ECOpole”, vol. 5, no. 2, pp. 389—394, 2011.
3. Самаруха І.А., Кузьмінський Є.В., Щурська К.О. Дослідження процесу безмедіаторного біоелектрогенезу асоціацією анаеробних мікроорганізмів. Електрохімічні показники // Вопросы химии и хим. технол. — 2011. — № 4(2). — С. 163—165.
4. From 1st- to 2nd-Generation Biofuel Technologies - Full Report- An Overview of Current Industry and RD&D Activities, 2008, 128 c.
5. Щурська К.О., Самаруха І.А., Кузьмінський Є.В. Біоелектрохімічне генерування водню в мікробному паливному елементі. 2. Теоретична частина // Відновлювальна енергетика. — 2011. — № 3. — С. 83—93.
6. B. Virdis, F. Harnisch, D.J. Batstone, K. Rabaey and B. Donose, “Non-invasive characterization of electrochemically active microbial biofilms using confocal Raman microscopy”, Energy & Environmental Science, vol. 5, no. 5, pp. 7017—7024, 2012.
7. Самаруха І.А., Голуб Н.Б., Кузьмінський Є.В. Використання мікроорганізмів для генерування електрики в електрохімічних енергоперетворюючих пристроях // Наук. вісн. Чернів. ун-ту. Хімія. — 2008. — № 399-400. — С. 103—105.
8. Fang Qian, Zhen He, M.P. Thelen and Yat Li, “A microfluidic microbial fuel cell fabricated by soft lithography”, Bioresource Technology, vol. 102, pp. 5836— 5840, 2011.
9. Самаруха І.А., Щурська К.О. Підбір та оптимізація методів селекції електрофільних мікроорганізмів-деструкторів стічних вод — біологічних складових мікробного паливного елемента // Конф. НТУУ “КПІ” “Біотехнологія 21 століття” 23 квітня 2009 р. — C. 48.
10. Щурська К.О., Самаруха І.А. Двоступенева селекція анодної біоплівки в мікробному паливному елементі // ХІІІ Міжнар. наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”, Київ, 19—23 травня 2010. — С. 343—344.
11. D.R. Bond, D.E. Holmes, L.M. Tender and D.R. Lovley, “Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments”, Science, vol. 295, pp. 483—485, 2002.
12. D.R. Lovley, M.J. Baedecker, D.J. Lonergan, I.M. Cozzarelli, E.J.P. Phillips & et al., “Oxidation of aromatic contaminants coupled to microbial iron reduction”, Nature, vol. 339, pp. 297—300, 1989.
13. D.R. Bond and D.R. Lovley, “Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes”, Appl. Environ. Microbiol., vol. 69, pp. 1548—1555, 2003.
14. S.K. Chaudhuri and D.R. Lovley, “Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells”, Nat. Biotechnol., vol. 21, pp. 1229—1232, 2003.
15. D.E. Holmes, J.S. Nicoll, D.R. Bond and D.R. Lovley, “Potential role of a novel psychrotolerant Geobacteraceae, Geopsychrobacter electrodiphilus gen. nov., sp. nov., in electricity production by the marine sediment fuel cell”, Appl. Environ. Microbiol., vol. 70, pp. 6023—6030, 2004.
16. D.R. Bond and D.R. Lovley, “Evidence for involvement of an electron shuttle in electricity generation by Geothrix fermentans”, Appl. Environ. Microbiol., vol. 71, pp. 2186—2189, 2005.
17. L.M. Tender, C.E. Reimers, H.A. Stecher, D.E. Holmes, D.R. Bond, D.A. Lowy et al., “Harnessing microbially generated power on the seafloor”, Nat. Biotechnol., vol. 20, pp. 821—825, 2002.
18. D.E. Holmes, D.R. Bond, R.A. O’Neil, C.E. Reimers, L.R. Tender and D.R. Lovley, “Microbial communities associated with electrodes harvesting electricity from a variety of aquatic sediments”, Microb. Ecol., vol. 48, pp. 178—190, 2004.
19. K.B. Gregory, S.A. Sullivan and D.R. Lovley, “Electricity from swine waste coupled with odor reduction using electrodes”, Poster presentation at 105th American Soc. for Microbiol. General Meeting, Atlanta, GA, USA, 2005.
20. M.V. Coppi, C. Leang, S.J. Sandler and D.R. Lovley, “Development of a genetic system for Geobacter sulfurreducens”, Appl. Environ. Microbiol., vol. 67, pp. 3180— 3187, 2001.
21. D.E. Holmes, S.K. Chaudhuri, K.P. Nevin, T. Mehta, B.A. Methé, A. Liu, J.E. Ward, T.L. Woodard 1, J. Webster and D.R. Lovley, “Microarray and genetic analysis of electron transfer to electrodes in Geobacter sulfurreducens”, Environ. Microbiol., vol. 8(10), pp. 1805—1815, 2006.
22. H. Liu, S. Cheng, B.E. Logan, “Production of electricity from acetate or butyrate in a single chamber microbial fuel cell”, Environ. Sci. Technol., vol. 39, pp. 658—662, 2005.
23. K.P. Nevin, B. Kim, R.H. Glaven, J.P. Johnson, T.L. Woodard, B.A. Methe, R.J. DiDonato, S.F. Covalla, A.E. Franks, A. Liu, D.R. Lovley, “Anode biofilm transcriptomics reveals outer surface components essential for high density current production in Geobacter sulfurreducens fuel cells”, PLoS ONE, vol. 4, no. 5, pp. 1—11, 2009.
24. G. Reguera, K.P. Nevin, J.S. Nicoll, S.F. Covalla, “Biofilm and Nanowire Production Leads to Increased Current in Geobacter sulfurreducens Fuel Cells”, Appl. Environ. Microbiol., vol. 72, no. 11, p. 7345—7348, 2006.
25. J.P. Busalmen, A. Esteve-Núnez, A. Berná, J.M. Feliu, “C-Type Cytochromes Wire Electricity-Producing Bacteria to Electrodes”, Angewandte Chemie, vol. 47, pp. 4874 4877, 2008.
26. A. Esteve-Núnez, J. Sosnik, P. Visconti, D.R. Lovley, “Fluorescent properties of c-type cytochromes reveal their potential role as an extracytoplasmic electron sink in Geobacter sulfurreducens”, Environ. Microbiol., vol. 10, pp. 497—505, 2008.
27. H. Richter, K. McCarthy, K.P. Nevin, “Electricity Generation by Geobacter sulfurreducens Attached to Gold Electrodes”, Langmuir, vol. 24, pp. 4376—4379, 2008.
28. K.J. Chae, M. Choi, J. Lee, K. Kim, I.S. Kim, “Effect of different substrates on the performance, bacterial diversity, and bacterial viability in microbial fuel cells”, Bioresour Technol., vol. 100, pp. 3518—3525, 2009.
29. C. Dumas, R. Basseguy, A. Bergel, “DSA to grow electrochemically active biofilms of Geobacter sulfurreducens”, Electrochimica Acta, vol. 53, pp. 3200—3209, 2008.
30. G. Reguera, K.D. McCarthy, T. Mehta, J.S. Nicoll, M.T. Tuominen, D.R. Lovley, “Extracellular electron transfer via microbial nanowires”, Nature, vol. 435, pp. 1098—1101, 2005.
31. D.R. Lovley, “Extracellular electron transfer: wires, capacitors, iron lungs, and more”, Geobiology, vol. 6, pp. 225—231, 2008.
32. G. Reguera, R.B. Pollina, J.S. Nicoll, D.R. Lovley, “Possible Nonconductive Role of Geobacter sulfurreducens Pilus Nanowires in Biofilm Formation”, J. Bacteriol., vl. 189, pp. 2125—2127, 2007.
33. H. Yi, K.P. Nevin, B. Kim, A.E. Franks, A. Klimes, L.M. Tender, D.R. Lovley, “Selection of a variant of Geobacter sulfurreducens with enhanced capacity for current production in microbial fuel cells”, Biosens. Bioelectron., vol. 24, pp. 3498—3503, 2009.
34. D.R. Lovley, J.L. Fraga, J.D. Coates, E.L. Blunt-Harris, “Humics as an electron donor for anaerobic respiration”, Environ. Microbiol., vol. 1, pp. 89—98, 1999.
35. D.R. Lovley, R.C. Greening, J.G. Ferry, “Rapidly growing rumen methanogenic organism that synthesizes coenzyme M and has a high affinity for formate”, Appl. Environ. Microbiol., vol. 48, pp. 81—87, 1984.
36. C. Picioreanu, J.-U. Kreft, M.C.M. van Loosdrecht, “Particle-based multidimensional multispecies biofilm model”, Appl. Environ. Microb., vol. 70 (5), pp. 3024—3040, 2004.
37. J.B. Xavier, C. Picioreanu, M.C.M. Van Loosdrecht, “A general description of detachment for multidimensional modelling of biofilms”, Biotechnol. Bioeng., vol. 91 (6), pp. 651—669, 2005.
38. J. Nießen, F. Harnisch, M. Rosenbaum, U. Schröder, F. Scholz, “Heat treated soil as convenient and versatile source of bacterial communities for microbial electricity generation”, Electrochem. Commun., vol. 8, pp. 869—873, 2006.
39. H. Rismani-Yazdi, A.D. Christy, B.A. Dehority, M. Morrison, Z. Yu, O.H. Tuovinen, “Electricity generation from cellulose by rumen microorganisms in microbial fuel cells”, Biotechnol. Bioeng., vol. 97, pp. 1398—1407, 2007.
40. J. Heilmann, B.E. Logan, Water Environ. Res., 2006, 78 p.
41. M. Rosenbaum, F. Zhao, U. Schröder, F. Scholz, “Interfacing Electrocatalysis and Biocatalysis with Tungsten Carbide: A High-Performance, Noble-Metal-Free Microbial Fuel Cell”, Angew. Chem. Int. Ed., vol. 45, pp. 6658— 6661, 2006.
42. B.H. Kim, H.S. Park, H.J. Kim, G.T. Kim, I.S. Chang, J. Lee, N.T. Phung, “Enrichment of microbial community generating electricity using a fuel-cell-type electrochemical cell”, Appl. Microbiol. Biotechnol., vol. 63, pp. 672—681, 2004.
43. K. Rabaey, G. Lissens, S.D. Siciliano, W. Verstraete, “A microbial fuel cell capable of converting glucose to electricity at high rate and efficiency”, Biotechnol. Lett., vol. 25, pp. 1531—1535, 2003.
44. B.E. Logan, Microbial Fuel Cells, John Wiley & Sons, 2008.
45. K.P. Nevin, H. Richter, S.F. Covalla, J.P. Johnson, T.L. Woodard, A.L. Orloff, H. Jia, M. Zhang, D.R. Lovley, “Power output and columbic efficiencies from biofilms of Geobacter sulfurreducens comparable to mixed community microbial fuel cells”, Environ. Microbiol., vol. 10, pp. 2505—2514, 2008.
46. A. Wang, D. Sun, N. Ren, C. Liu, W. Liu, B.E. Logan and W.-M. Wu, “A rapid selection strategy for an anodophilic consortium for microbial fuel cells”, Bioresour. Technol., vol. 101, pp. 5733—5735, 2010.
47. D.R. Nelson, J.G. Zeikus, “Rapid method for the radioisotopic analysis of gaseous end products of anaerobic metabolism”, Appl. Microbiol., vol. 28, pp. 258—261, 1974.
48. D.R. Lovley, E.J.P. Phillips, “Manganese inhibition of microbial iron reduction in anaerobic sediments”, Geomicrobiol., vol. 6, pp. 145—150, 1988.

AttachmentSize
2012-3-11.pdf301.48 KB

Тематичні розділи журналу

,