Hydrogen production from the algae Scenedesmus obliquus through the mechanism of dichlorophenol's biodegradation combined with targeted ion depletions in the culture medium

 
Το τεκμήριο παρέχεται από τον φορέα :
Πανεπιστήμιο Κρήτης
Αποθετήριο :
E-Locus Ιδρυματικό Καταθετήριο
δείτε την πρωτότυπη σελίδα τεκμηρίου
στον ιστότοπο του αποθετηρίου του φορέα για περισσότερες πληροφορίες και για να δείτε όλα τα ψηφιακά αρχεία του τεκμηρίου*
κοινοποιήστε το τεκμήριο




2012 (EL)
Παραγωγή υδρογόνου από το χλωροφύκος Scenedesmus obliquus μέσω του μηχανισμού βιοαποικοδόμησης των διχλωροφαινολών σε συνδυασμό με στοχευμένες ελλείψεις ιόντων από το μέσο καλλιέργειας
Hydrogen production from the algae Scenedesmus obliquus through the mechanism of dichlorophenol's biodegradation combined with targeted ion depletions in the culture medium

Ασημακόπουλος, Κωνσταντίνος

Κοτζαμπάσης, Κυριάκος

Η δυνατότητα των χλωροφυκών να παράγουν φωτοχημικά μοριακό υδρογόνο όταν βρεθούν σε αναερόβιες συνθήκες πρωτοανακαλύφθηκε από τον Gaffron (1939). Στο διάστημα των 72 αυτών ετών έως σήμερα, έγιναν πολλές προσπάθειες ώστε να καταστεί η παραγωγή του υδρογόνου από τα μικροφύκη οικονομικά βιώσιμη, δεδομένων των αναγκών της ανθρωπότητας για ενεργειακές λύσεις φιλικότερες προς το περιβάλλον. Οι Melis et al. (2000) ανακάλυψαν πως η απουσία του θρεπτικού στοιχείου θείου (S) από το διάλυμα καλλιέργειας του μικροφύκους Chlamydomonas reinhartii, όταν αυτό καλλιεργείται σε ερμητικά κλειστά δοχεία, παρουσία φωτός, οδηγεί σε αύξηση της παραγωγής υδρογόνου σε σχέση με τον μάρτυρα. Πρόσφατα ανακαλύφθηκε επίσης, πως το μικροφύκος Scenedesmus obliquus κατά την βιοαποικοδόμηση meta-υποκατεστημένων διχλωροφαινολών (dcps), παράγει ιδιαίτερα μεγάλες ποσότητες υδρογόνου. Η ιδιότητα των ανηγμένων διχλωροφαινολών (που δημιουργούνται κατά την βιοαποικοδόμηση) να παίρνουν θέση στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ως ηλεκτρονιοπομποί, πριν το φωτοσύστημα Ι, απενεργοποιώντας ταυτόχρονα το φωτοσύστημα ΙΙ (και την παραγωγή οξυγόνου από την φωτόλυση του νερού), επιτρέπει την συνεχή τροφοδότηση του φωτοσυστήματος Ι με ηλεκτρόνια, τα οποία κατ’ επέκταση τροφοδοτούν την υδρογενάση που παράγει υδρογόνο σε τεράστιες ποσότητες (Papazi, 2009). Με την παρούσα μελέτη, συνδυάζοντας την στρατηγική παραγωγής υδρογόνου μέσω του μηχανισμού βιοαποικοδόμησης των διχλωροφαινολών, μαζί με στοχευμένες ελλείψεις θρεπτικών συστατικών και διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης (αυτότροφες ή μικτότροφες καλλιέργειες με υψηλή συγκέντρωση κυττάρων), επιτεύχθηκε επιπλέον αύξηση της παραγωγής Η2. Οι πειραματικές προσεγγίσεις έδειξαν ότι οι παράγοντες με την εντονότερη επίδραση στην παραγωγή Η2, είναι η παρουσία της 2,3-dcp, ο μικτότροφος τρόπος καλλιέργειας (συνεχής παροχή γλυκόζης από την αρχή της καλλιέργειας) και η έλλειψη αζωτούχας πηγής από το θρεπτικό του χλωροφύκους. Ο συνδυασμός των τριών αυτών παραγόντων [-Ν+glc+dcp] επηρεάζει δραματικά τις βασικές λειτουργίες του χλωροφύκους, με κυρίαρχες αλλαγές την αύξηση της αναπνευστικής λειτουργίας, την εξάλειψη της φωτοσυνθετικής παραγωγής Ο2 (ταχεία εγκαθίδρυση ανοξίας) και την αύξηση της ταχύτητας βιοαποικοδόμησης της διχλωροφαινόλης. Οι καλλιέργειες Scenedesmus obliquus που αναπτύχθηκαν υπό αυτές τις συνθήκες παρήγαγαν σε 5 ημέρες την μέγιστη ποσότητα υδρογόνου, 14 L Η2/ L PCV, σε αντίθεση με τα 2,5 L Η2/ L PCV που παράγουν οι καλλιέργειες που αναπτύχθηκαν μόνο με την παρουσία 2,3 διχλωροφαινόλης [Control+dcp] και τα 0,3 L Η2/ L PCV που παράγουν οι καλλιέργειες μάρτυρες [Control]. Η εντυπωσιακή επιπλέον αύξηση της παραγωγής Η2, επιτεύχθηκε προσεγγίζοντας με έμμεσο τρόπο τον μηχανισμό παραγωγής υδρογόνου, επιδρώντας κυρίως στους ρυθμούς βιοαποικοδόμησης της διχλωροφαινόλης. Η αυξημένη και συνεχής παροχή γλυκόζης από τις προκαλλιέργειες μέχρι και τις κύριες καλλιέργειες, αλλά και η έλλειψη αζώτου από τα θρεπτικά, που επάγει την αύξηση των λιπαρών, αυξάνουν σημαντικά τον ρυθμό βιοαποικοδόμησης των διχλωροφαινολών εξασφαλίζοντας γρηγορότερα αναερόβιες συνθήκες για την ομαλή λειτουργία της υδρογενάσης, παρέχοντας ταυτόχρονα ενεργειακά αποθέματα για το χλωροφύκος. Το γεγονός αυτό αφήνει περιθώρια για περαιτέρω αύξηση της παραγωγής Η2 από τα χλωροφύκη στα πλαίσια μίας πραγματικά πράσινης βιοτεχνολογικής προσέγγισης (EL)
The ability of green algae to produce molecular hydrogen photochemically, when grown under anaerobic conditions, was first discovered by Gaffron (1939). During the past 72 years many efforts were made in order to develop an economically viable way to produce bio-hydrogen from algae, based on the demands for more environment friendly energy solutions. Melis et al. (2000) discovered that sulfur (S) deprived cultures of the microalgae Chlamydomonas reinhartii, show greater hydrogen production, when grown anaerobically under light, compared to the control cultures. Furthermore, it was recently discovered that the unicellular green algae Scenedesmus obliquus was able to produce large amounts of hydrogen, during the biodegradation processes of meta-substituted dichlorophenols (dcps). The capacity of the reduced dichlorophenols (produced during the biodegradation processes) to enter and to take part into the electron transport chain, as electron donors before the photosystem I, deactivating at the same time the photosystem II (as well as the oxygen evolving system), allows a constant electron flow towards the photosystem I, and finally towards hydrogenase which produces huge amounts of hydrogen (Papazi 2009). In this study, combining the microalgae’s ability to produce hydrogen through the dichlorophenol biodegradation mechanism, with a series of targeted nutrition depletions and different growth conditions (autotrophic or mixotrophic cultures with high concentrations of algae cells), a further increase on hydrogen production was achieved. Our experimental data revealed that the factors with the more intense impact on the hydrogen production mechanism were, the depletion of the nitrogen source from the culture medium, the presence of 2,3-dcp, as well as the mixotrofic character of the culture (continuous glucose supply from the mother culture). The combination of all these three factors [-Ν+glc+dcp] affects dramatically the basic algae’s functions, with major alterations being; the increase of respiration, the depletion of the photosynthetically O2 production (anoxia) and finally the increase of the dichlorophenol’s biodegradation rate. The Scenedesmus obliquus cultures, grown under these conditions, led to the greatest H2 production ever reported of 14 L Η2/ L PCV, in contrast to the 2,5 L Η2/ L PCV produced solely by the 2,3-dcp’s action [Control+dcp] and to the 0,3 L Η2/ L PCV produced by the control cultures [Control]. The impressive increase in the hydrogen production was achieved by approaching the hydrogen production mechanism in an indirect way, mainly affecting the dichlorophenol’s removal rate. The continuous glucose supply from the mother cultures, combined with the nitrogen source depletion, which increase the fatty acids in the cell, induce the increase of dichlorophenol’s removal rate, quickly providing anaerobic conditions for the hydrogenase’s proper function and finally extra energy stocks for the microalgae. This fact leaves room for further investigation of the hydrogen production mechanism, having as main target the increase of the production through a real green biotechnology approach. (EN)

text
Τύπος Εργασίας--Μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης

Biodegradation
Nitrogen depletion
Βιοαποικοδόμηση
Dichlorophenol
Διχλωροφαινόλη
Έλλειψη αζώτου

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

Ελληνική γλώσσα

2012-03-16


Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Βιολογίας--Μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης



*Η εύρυθμη και αδιάλειπτη λειτουργία των διαδικτυακών διευθύνσεων των συλλογών (ψηφιακό αρχείο, καρτέλα τεκμηρίου στο αποθετήριο) είναι αποκλειστική ευθύνη των αντίστοιχων Φορέων περιεχομένου.