DIET – Direct lnterspecies Electron Transfer to increase methane production

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501716

Key words (English)

DIET, Anaerobic Digestion, conductive material

Short description (English)

Different microorganisms cooperate in syntrophy to exploit complex organic matter as source of carbon and energy. This occurrence has been observed in Anaérobie Digestion process. Syntrophic microorganisms can transfer Chemical energy in the form of soluble Chemical compounds or by direct exchange of électrons. The use of conductive material in the digester can facilitate the process supporting the électron exchange.

The Project aims to evaluate five materials in different concentrations in a batch lab scale test configuration for the methane production.

Final report (German)

Mittels anaerober Faulung werden Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäuren und Lipide zu Wasserstoff, Formiat, Acetat und Kohlendioxid fermentiert und anschließend in Methan umgewandelt. Traditionell sind dabei vier unabhängige Schritte involviert: Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese, Methanogenese; Verschiedene Mikroorganismen interagieren miteinander, um komplexe organische Substanzen als Kohlenstoff- und Energiequelle zu verwerten wobei diese verschiedene Stoffwechselwegen einschlagen. Um die verminderte Stoffwechseleffizienz anaerober Prozesse zu überwinden, kooperieren die an der anaeroben Faulung beteiligten Mikroorganismen in einer als Syntrophie bezeichneten wechselseitigen Beziehung. Dieses Zusammenarbeiten der Mikroorganismen wurde unteranderem bei anaeroben Gärprozessen beobachtet. Syntrophische Mikroorganismen können, mithilfe von Trägersubstanzen oder über direkten Austausch in Form von Elektronen, chemische Energie übertragen. Im letzteren Fall ist der Prozess als Direct Interspecies Electron Transfer (DIET) definiert. Neuere wissenschaftliche Arbeiten versprechen sich durch die Verwendung von leitfähigen Materialien den Elektronenaustausch zwischen den Mikroorgansimen zu vereinfachen bzw. den Prozess positiv zu Unterstützen. Die synthrophischen Mikroorganismen die sich vom leitfähigen Material einen Vorteil verschaffen haben daher einen Wettbewerbsvorteil gegenüber den anderen Mikroorganismen. Dieser Vorteil führt schlussendlich zu einer höheren Biogas- und Methanausbeute. Die Zugabe von Graphen, Pflanzenkohle und Aktivkohle führten zu einer erhöhten Biogasproduktion im Vergleich zur jeweiligen Kontrolle. Das einzige getestete Material welches zu einer verminderten Biogasproduktion führte war Zeolith. Da Zeolith das Material mit der tiefsten Leitfähigkeit (nicht leitend) ist, stimmt dieses Ergebnis mit der Hypothese eines Elektronentransfervorteils durch die Zugabe von leitfähigen Materialien überein. Die Leitfähigkeit der Materialien ist abnehmend; Graphen, dann PAC, Pflanzenkohle und am Schluss Zeolith. Diese Abfolge entspricht auch der erreichten Steigerung des Biogasertrages.

Final report (English)

By means of Anaerobic Process (AD) polysaccharides, proteins, nucleic acids, and lipids are primarily fermented to hydrogen, formate, acetate, and carbon dioxide, and converted subsequently in methane. Four separate steps are traditionally identified in the process: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis, methanogenesis; different microorganisms interact to exploit complex organic matter as a source of carbon and energy in diverse metabolic pathways that are identified with the four steps above cited. To overcome the reduced metabolic efficiency of anaerobic pathways, the microorganisms involved in anaerobic digestion cooperate in a mutualistic relationship called  syntrophy. This occurrence has been observed in Anaerobic Digestion processes. Syntrophic microorganisms can transfer chemical energy in the form of soluble chemical compounds, by carriers or by direct exchange of electrons. In this case, the process is defined Direct Interspecies Electron Transfer (DIET). Recent scientific papers suggest the possibility to exploit the DIET process by using conductive materials that are supposed to facilitate the electron exchange. The synthrophic microorganisms benefiting from the conductive material presence have therefore a competitive edge against the other microorganisms resulting in higher biogas and methane yields. Graphene, biochar and activated carbon resulted in an increased biogas production compared to their respective control. The only material addition that resulted in a decrease in the biogas production is zeolite. As zeolite is the only material tested with no conductivity, this result is in agreement with the hypothesis of an electron transfer benefit. The conductivity-scale values have graphene, then PAC, biochar and last zeolite: the same sequence is observed for the increase biogas production.

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• Direct Interspecies Electron Transfer (DIET) to increase methane production - Final Report [PDF] 6'062 kB

Final report (Italian)

Tramite il processo di Digestione Anaerobica (DA), polisaccaridi, proteine, acidi nucleici e lipidi vengono fermentati in idrogeno, acido formico, acido acetico ed anidride carbonica, per poi essere convertiti in metano. Quattro passaggi separati sono tradizionalmente identificati nel processo: idrolisi, acidogenesi, acetogenesi, metanogenesi; diversi microrganismi interagiscono per sfruttare complesse matrici organiche come fonte di carbonio ed energia lungo diversi percorsi metabolici identificabili con i passaggi citati precedentemente. Per superare la ridotta efficienza metabolica dei percorsi energetici anaerobici, i microrganismi coinvolti nella digestione anaerobica cooperano in un mutuo rapporto denominato sintrofia. Questo fenomeno è stato osservato nei processi di digestione anaerobica. Microrganismi sintrofici possono trasferire energia chimica sotto forma di composti solubili, tramite carriers o per scambio diretto di elettroni. In quest’ultimo caso, il processo è definito Direct Interspecies Electron Transfer (DIET). Articoli scientifici recenti indicano la possibilità di sfruttare il processo DIET utilizzando materiali conduttivi che dovrebbero facilitare lo scambio di elettroni. I microrganismi sintrofici che beneficiano della presenza di materiale conduttivo hanno pertanto un vantaggio competitivo rispetto ad altri microrganismi, portando a rese di biogas e metano più elevate. L’aggiunta di grafene, biochar e carbone attivo ha mostrato una produzione di biogas maggiore rispetto al loro controllo. L’unico materiale aggiunto che ha mostrato un decremento della produzione di biogas è la zeolite. Essendo la zeolite l’unico materiale testato non conduttivo, questo risultato è in linea con l’ipotesi di un miglioramento dovuto al trasferimento elettronico. I valori di conduttività misurati mostrano il grafene più in alto, poi carbone attivo, biochar e infine zeolite: la stessa sequenza è stata osservata riguardo gli incrementi della produzione di biogas.