Enhancement of thermophilic dark fermentative hydrogen production and the use of molecular biology methods for bioprocess monitoring ; Amélioration de la production d'hydrogène thermophile à fermentation sombre et utilisation de méthodes de biologie moléculaire pour la surveillance de bioprocédés

Media type: E-Book

Title: Enhancement of thermophilic dark fermentative hydrogen production and the use of molecular biology methods for bioprocess monitoring ; Amélioration de la production d'hydrogène thermophile à fermentation sombre et utilisation de méthodes de biologie moléculaire pour la surveillance de bioprocédés

Contributor: Okonkwo, Onyinye [VerfasserIn]

imprint: [Erscheinungsort nicht ermittelbar]: HAL CCSD, 2019

Language: English

Origination:

University thesis: Dissertation, HAL CCSD, 2019

Footnote:

Description: The aim of this thesis was to enhance thermophilic dark fermentative hydrogen production by using microbial strategies (bioaugmentation and synthetic co-cultures) and by increasing the understanding on the microbial community dynamics especially during stress conditions such as fluctuating temperatures and elevated substrate concentrations. To study the effects of sudden short-term temperature fluctuations, batch cultures initially incubated at 55°C (control) were subjected to downward (from 55°C to 35°C or 45°C) or upward (from 55°C to 65°C or 75°C) temperature shifts for 48 hours after which they were incubated again at 55°C for two consecutive batch cycles. The results showed that sudden, temporal upward and downward temperature fluctuations had a direct impact on the hydrogen yield as well as the microbial community structure. Cultures exposed to downward temperature fluctuation recovered more rapidly enabling almost similar hydrogen yield (92-96%) as the control culture kept at 55 °C. On the contrary, upward temperature shifts from 55 to 65 or 75 °C had more significant negative effect on dark fermentative hydrogen production as the yield remained significantly lower (54-79%) for the exposed cultures compared to the control culture. To improve the stability of hydrogen production during temperature fluctuations and to speed up the recovery, mixed microbial consortium undergoing a period of either downward or upward temperature fluctuation was augmented with a synthetic mix culture containing well-known hydrogen producers. The addition of new species into the native consortium significantly improved hydrogen production both during and after the fluctuations. However, when the bioaugmentation was applied during the temperature fluctuation, hydrogen production was enhanced. This study also investigated the dynamics between pure cultures and co-cultures of highly specialized hydrogen producers, Caldicellulosiruptor saccharolyticus and Thermotoga neapolitana. The highest hydrogen yield (2.8 ± 0.1 mol H2 mol-1 glucose) was obtained with a synthetic co-culture which resulted in a 3.3 or 12% increase in hydrogen yield when compared to pure cultures of C. saccharolyticus or T. neapolitana, respectively. Furthermore, quantitative polymerase chain reaction (qPCR) based method for monitoring the growth and contribution of T. neapolitana in synthetic co-cultures was developed. With this method, it was verified that T. neapolitana was an active member of the synthetic co-culture. The effect of different feed glucose concentrations (from 5.6 to 111.0 mmol L-1) on hydrogen production was investigated with and without augmenting the culture with T. neapolitana. Compared to the control (without T. neapolitana), bioaugmentated culture resulted in higher hydrogen yields in almost all the concentrations studied even though hydrogen yield decreased the feed glucose concentration was increased. The presence of T. neapolitana also had a significant impact on the metabolite distribution when compared to the control.In summary, this study showed that thermophilic dark fermentative hydrogen production can be enhanced by using synthetic co-cultures or bioaugmentation. The highest hydrogen yield in this study was obtained with the synthetic co-culture, although it should be considered that the incubation conditions differed from those used for the mixed cultures in this study. The use of molecular methods such as qPCR and high-throughput sequencing also helped to understand the role of certain species in the microbial consortia and improved the understanding of the microbial community dynamics during stress conditions ; Le but de cette thèse était d'améliorer la production thermophile d'hydrogène noir fermenté en utilisant des stratégies microbiennes (bioaugmentation et co-cultures synthétiques) et en améliorant la compréhension de la dynamique de la communauté microbienne, particulièrement dans des conditions de stress telles que des températures fluctuantes et des concentrations élevées du substrat. Afin d'étudier les effets des fluctuations soudaines et à court terme de la température, des cultures de lots incubées initialement à 55 °C (témoin) ont été soumises à des variations de température vers le bas (de 55 °C à 35 °C ou 45 °C) ou vers le haut (de 55 °C à 65 °C ou 75 °C) pendant 48 heures, puis à nouveau incubées à 55 °C pendant deux cycles consécutifs. Les résultats ont montré que des fluctuations soudaines et temporelles de la température à la hausse et à la baisse avaient un impact direct sur le rendement en hydrogène ainsi que sur la structure de la communauté microbienne. Afin d'améliorer la stabilité de la production d'hydrogène pendant les fluctuations de température et d'accélérer la récupération, le consortium microbien mixte subissant une période de fluctuation de température à la baisse ou à la hausse a été complété par une culture de mélange synthétique contenant des producteurs d'hydrogène bien connus. L'introduction de nouvelles espèces au consortium naturel a considérablement amélioré la production d'hydrogène tant pendant les variations qu'après celles-ci. Cependant, lorsque la bioaugmentation a été appliquée pendant la fluctuation de température, les micro-organismes utilisés pour l'augmentation ont été exposés à un stress thermique, ce qui a augmenté la capacité de production d'hydrogène. Cette étude a également étudié la dynamique entre les cultures pures et les co-cultures de producteurs d'hydrogène hautement spécialisés, Caldicellulosiruptor saccharolyticus et Thermotoga neapolitana. Le rendement en hydrogène le plus élevé (2,8 ± 0,1 mol H2 mol-1 glucose) a été obtenu avec une co-culture synthétique constituée de Caldicellulosiruptor saccharolyticus et Thermotoga neapolitana, qui a entraîné une augmentation de 3,3 ou 12% du rendement en hydrogène par rapport aux cultures pures respectivement de C. saccharolyticus et T. neapolitana. En outre, une méthode quantitative basée sur l'amplification en chaîne par polymérase (qPCR) a été mise au point pour surveiller la croissance et l'apport de T. neapolitana dans les co-cultures synthétiques. Avec cette méthode, il a été vérifié que T. neapolitana était un membre actif de la co-culture synthétique. L'effet de différentes concentrations de glucose alimentaire (de 5,6 à 111,0 mmol L-1) sur la production d'hydrogène a été étudié avec et sans augmentation de la culture avec T. neapolitana. Par rapport au témoin (sans T. neapolitana), la culture bioaugmentée a donné des rendements en hydrogène plus élevés dans presque toutes les concentrations étudiées, même si le rendement en hydrogène a diminué la concentration de glucose alimentaire a augmenté. La présence de T. neapolitana a également eu un impact significatif sur la distribution des métabolites par rapport au contrôle. En résumé, cette étude a montré que la production thermophile d'hydrogène foncé fermenté peut être améliorée en utilisant des co-cultures synthétiques ou la bioaugmentation. Le rendement en hydrogène le plus élevé dans cette étude a été obtenu avec la co-culture synthétique, bien qu'il faille considérer que les conditions d'incubation diffèrent de celles utilisées pour les cultures mixtes dans cette étude. L'utilisation de méthodes moléculaires telles que le qPCR et le séquençage à haut débit a également aidé à comprendre le rôle de certaines espèces dans les consortiums microbiens et a amélioré la compréhension de la dynamique des communautés microbiennes en situation de stress

Access State: Open Access

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