ACME – Anaerobic digestion with Conductive Material and Electrogenic microorganisms

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502026

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Projekt untersucht den Einsatz von elektrogenen Mikroorganismen, die an leitfähigen Trägern haften, zur Optimierung des anaeroben Vergärungsprozesses. Dabei werden die Kultivierbarkeit auf leitfähigen Trägern (Elektroden) in Reinkultur (z. B. Shewanella spp. und Methanothrix spp.), die Biogasproduktion unter Laborbedingungen sowie die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung des Biofilm-Modus in einem realen Fermenter untersucht. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft wird überwacht, um die Veränderungen während der verschiedenen Projektphasen zu bewerten.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project evaluates the use of electrogenic microorganisms attached to conductive carriers to optimize the anaerobic digestion process. The culturability on conductive support (electrodes) in pure culture (e.g. Shewanella spp. and Methanothrix spp.), the biogas production in lab scale conditions, and the ability to maintain the biofilm mode in a real condition digester are evaluated. The microbial community composition is monitored to evaluate the changes during the different phases of the project.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet évalue l'utilisation de micro-organismes électrogènes fixés sur des supports conducteurs afin d'optimiser le processus de digestion anaérobie. La capacité de culture sur des supports conducteurs (électrodes) en culture pure (par exemple, Shewanella spp. et Methanothrix spp.), la production de biogaz dans des conditions de laboratoire, ainsi que la capacité à maintenir le mode biofilm dans un digesteur en conditions réelles sont évaluées. La composition de la communauté microbienne est surveillée afin d'évaluer les changements au cours des différentes phases du projet.

Schlussbericht (Deutsch)

Bei der anaeroben Vergärung interagieren Mikroorganismen metabolisch, um organische Stoffe in Biogas umzuwandeln eine Gas-mischung aus Methan, Kohlendioxid und Spurenstoffen. Ein Schlüsselfaktor zur Prozessoptimierung ist die Menge des produzierten Methans sowie dessen Produktionsrate pro eingesetzter Substratmenge. Die mikrobiellen Interaktionen im Prozess können über den Elektronenaustausch zwischen verschiedenen mikrobiellen Taxa erfolgen. Unter den verschiedenen beschriebenen Mechanismen kann der DIET (Direct Interspecies Electron Transfer) durch das Vorhandensein leitfähiger Materialien im Reaktor unterstützt werden. Zahlreiche Studien haben dieses Thema untersucht, und das frühere FOEN-Projekt DIET SI/501716 -01 hat es spezifisch adressiert. Im ACME-Projekt möchten wir den tatsächlichen Vorteil des Elektronenaustauschmechanismus über längere Zeiträume und mit dem für den Vergärer üblichen Substrat bewerten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei in der Literatur als elektroaktiv bekannte syntrophe elektrogene Mikroorganismen Methanosarcina barkerii und Shewanella oneidensis als Inokulum in Laborvergärern eingesetzt. Die Mikroorganismen wurden auf leitfähigen Trägern kultiviert und sowohl einzeln als auch in Kombination mit der indigenen mikrobiellen Gemeinschaft eines realen Vergärers (Vergärer der ARA Chiasso) inoculiert. Die zeitliche Überwachung der Biogas und Methanentwicklung ermöglichte die Bewertung des tatsächlichen Nutzens der Zugabe eines DIET-fähigen Inokulums mit leitfähigem Material. Unter denselben Bedingungen wie in der realen Anlage brachte die Zugabe von leitfähigem Material zusammen mit syntrophen Mikroorganismen keine eindeutigen Ergebnisse: Der in einigen Experimenten bei den ersten Fütterungen beobachtete positive Effekt wird von der im Vergärer natürlicherweise vorkommenden mikrobiellen Gemeinschaft überlagert. Im Testvergärer jedoch also bei gleichzeitiger Anwesenheit von leitfähigem Material und syntrophen Mikroorganismen wurde eine frühere Methanproduktion beobachtet. Die mikrobielle Gemeinschaft unterscheidet sich vom Kontrollansatz und zeigt eine erhöhte relative Häufigkeit methanogener Mikroorganismen, die zum Taxon Methanosarcinae gehören. Zudem wurde eine weitere interessante Differenz festgestellt: Die Produktion von Schwefelwasserstoff war in den ersten Fütterungen des Testvergärers höher.

Schlussbericht (Englisch)

In anaerobic digestion, microorganisms interact metabolically to convert organic matter into biogas—a mixture of methane, carbon dioxide, and trace substances. A key factor in process optimization is the amount of methane produced, as well as its production rate per unit of substrate input. The microbial interactions in the process can occur via electron transfer between different microbial taxa. Among the various mechanisms described, DIET (Direct Interspecies Electron Transfer) can be facilitated by the presence of conductive materials in the reactor. Numerous studies have investigated this topic, and the earlier FOEN project DIET SI/501716-01 specifically addressed it. In the ACME project, we aim to evaluate the actual benefit of the electron transfer mechanism over extended periods and using the substrate typically employed in the digester. To achieve this goal, two syntrophic electrogenic microorganisms known in the literature as electroactive—Methanosarcina barkerii and Shewanella oneidensis—were used as inoculum in laboratory digesters. The microorganisms were cultured on conductive carriers and inoculated both individually and in combination with the indigenous microbial community of a real digester (the Chiasso WWTP digester). Monitoring biogas and methane production over time allowed for the evaluation of the actual benefit of adding a DIET-capable inoculum containing conductive material. Under the same conditions as in the actual plant, the addition of conductive material together with syntrophic microorganisms did not yield clear results: the positive effect observed in some experiments during the initial feedings is masked by the microbial community naturally present in the digester. In the test digester, however—i.e., with the simultaneous presence of conductive material and syntrophic microorganisms—earlier methane production was observed. The microbial community differs from the control batch and shows an increased relative abundance of methanogenic microorganisms belonging to the taxon Methanosarcinae. In addition, another interesting difference was noted: hydrogen sulfide production was higher during the first feedings of the test digester.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 3'346 kB

Schlussbericht (Französisch)

Lors de la fermentation anaérobie, les micro-organismes interagissent au niveau métabolique pour transformer les matières organiques en biogaz, un mélange gazeux composé de méthane, de dioxyde de carbone et de traces d'autres substances. La quantité de méthane produite ainsi que son taux de production par quantité de substrat utilisée constituent un facteur clé pour l'optimisation du processus. Les interactions microbiennes au sein du processus peuvent se produire par le biais d'un transfert d'électrons entre différents taxons microbiens. Parmi les différents mécanismes décrits, le DIET (Direct Interspecies Electron Transfer) peut être favorisé par la présence de matériaux conducteurs dans le réacteur. De nombreuses études ont exploré ce sujet, et l'ancien projet OFEV DIET SI/501716-01 l'a spécifiquement abordé. Dans le cadre du projet ACME, nous souhaitons évaluer l'avantage réel du mécanisme d'échange d'électrons sur des périodes prolongées et avec le substrat habituellement utilisé dans le digesteur. Pour atteindre cet objectif, deux micro-organismes électrogènes syntrophes connus dans la littérature pour leur activité électrochimique, Methanosarcina barkerii et Shewanella oneidensis, ont été utilisés comme inoculum dans des digesteurs de laboratoire. Les micro-organismes ont été cultivés sur des supports conducteurs et inoculés aussi bien individuellement qu'en combinaison avec la communauté microbienne indigène d'un digesteur réel (digesteur de la station d'épuration de Chiasso). La surveillance dans le temps de la production de biogaz et de méthane a permis d'évaluer l'avantage réel de l'ajout d'un inoculum compatible avec le DIET et contenant un matériau conducteur. Dans les mêmes conditions que dans l'installation réelle, l'ajout de matériau conducteur associé à des micro-organismes syntrophes n'a pas donné de résultats clairs : l'effet positif observé lors des premiers apports dans certaines expériences est masqué par la communauté microbienne naturellement présente dans le digesteur. Dans le digesteur d'essai, cependant, c'est-à-dire en présence simultanée de matériau conducteur et de micro-organismes syntrophes, une production de méthane plus précoce a été observée. La communauté microbienne diffère de celle du groupe témoin et présente une fréquence relative accrue de micro-organismes méthanogènes appartenant au taxon Methanosarcinae. De plus, une autre différence intéressante a été constatée : la production d'hydrogène sulfuré était plus élevée lors des premiers alimentations du digesteur d'essai.