New strategies for improving the conversion of waste organic matter to methane

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Serpa, Ricardo Fontes
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/44781
Resumo: Dissertação de mestrado em Bioengenharia
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spelling New strategies for improving the conversion of waste organic matter to methaneNovas estratégias para melhorar a conversão de resíduos orgânicos em metanoMethaneCarbon nanotubesPure culturesSyntrophyInterspecies electron transferMetanoNanotubos de carvãoCulturas purasSintrofiaTransferência de eletrões entre espéciesEngenharia e Tecnologia::Biotecnologia IndustrialDissertação de mestrado em BioengenhariaBiogas is an alternative to substitute fossil fuels and is mostly composed by methane, a gas component that is produced by microorganisms called methanogens that use compounds such as acetate, hydrogen and carbon dioxide as substrates. In syntrophic communities, methanogens and bacteria exchange electrons for energetic purposes, normally through the use of soluble small chemical compounds that act as shuttles, such as hydrogen or formate. However, it has been recently suggested that in some cases this electron exchange can be performed directly or with the aid of conductive materials, which can potentially be a more energy conserving approach, thus improving the efficiency of methanogenesis. This project addressed the study of the effect of carbon nanotubes (CNT) in methane production by methanogenic communities, in two distinct studies. In the first study, assays were performed in batch with pure cultures of hydrogenotrophic, Methanobacterium formicicum and Methanospirillum hungatei, and acetoclastic methanogens, Methanosaeta concilii and Methanosarcina mazei, in the presence of CNT. Also, growth of pure cultures of M. formicicum was tested in the absence of a reducing agent. The results showed that CNT presence in pure cultures of the hydrogenotrophic methanogens resulted in an increased methane production and reduced lag phases. Although CNT also accelerated methane production by the acetoclastic pure cultures at 1 g/L CNT, a higher concentration of 5 g/L CNT, inhibited the methane production and induced longer lag phases. In the second study, co-cultures of butyrate-degrading bacteria Syntrophomonas wolfei and M. hungatei were grown with and without CNT, in order to determine the effect of CNT in butyrate-oxidizing syntrophic communities. The presence of CNT accelerated methane production by this co-culture, with methane production rate reaching a value of 1.03±0.03 mM/d for co-cultures incubated with 5 g/L CNT, while co-cultures in the absence of CNT only registered a rate of 0.72±0.01 mM/d. Adaptation of sludge in anaerobic bioreactors was also performed with the long-term objective of adding CNT, in order to assess its effect in complex microbial communities. By analysing the results obtained in this work, it was concluded that CNT improved hydrogen and acetate conversion to methane by pure cultures of methanogens and by syntrophic co-cultures of S. wolfei and M. hungatei. However, future studies with CNT are encouraged in order to understand the mechanisms by which CNT influences the methanogenic activity and in which cases it can be involved in interspecies electron transfer, since with the results obtained it remains unclear if they have a role in electron exchange between different species.O biogás, que é composto maioritariamente por metano, é um componente gasoso produzido por microorganismos que usam como substrato moléculas simples, como o acetato, o hidrogénio ou o dióxido carbono, é uma conhecida alternativa aos combustíveis fósseis como fonte de energia. Em comunidades sintróficas, os organismos metanogénicos e as bactérias presentes trocam eletrões entre si com o objetivo de obtenção de energia para o seu crescimento, através de pequenos compostos químicos solúveis que servem de transporte, como o hidrogénio e o formato. Estudos recentes indicam que em alguns casos, estas trocas de eletrões podem ser realizadas diretamente ou por meio de materiais condutores, sendo esta uma abordagem que poderá ser mais favorável de um ponto de visto energético, aumentando assim a eficiência da metanogénese. Este projeto visou o estudo do efeito de nanotubos de carvão (NTC) nos mecanismos que envolvem a produção de metano em comunidades metanogénicas, através de dois diferentes estudos. No primeiro estudo, foram realizados ensaios em batch com culturas puras dos organismos metanogénicos hidrogenotróficos, Methanobacterium formicicum e Methanospirillum hungatei, e acetoclásticos, Methanosaeta concilii e Methanosarcina mazei, na presença de NTC. Além disso, também foram testadas culturas puras de M. formicicum na presença de NTC, mas sem adição de um agente redutor. Pelos resultados obtidos, verificou-se que os NTC provocaram um aumento na produção de metano e redução da fase de latência nas culturas puras dos metanogénicos hidrogenotróficos. Apesar de a presença dos NTC também ter acelerado a produção de metano nas culturas dos acetoclásticos com 1 g/L de NTC, numa maior concentração de 5 g/L de NTC, foi registada uma inibição na produção de metano e um aumento na duração das fases de latência. Num segundo estudo foram inoculadas culturas mistas contendo Syntrophomonas wolfei, uma bactéria que metaboliza butirato, e M. hungatei. Os resultados obtidos mostraram que a produção de metano também foi acelerada nas culturas mistas inoculadas com NTC, atingindo uma taxa de produção de metano de 1.03 ± 0.03 mM/d para as culturas incubadas com 5 g/L NTC, enquanto que na ausência de NTC, a taxa obtida foi de apenas 0.72 ± 0.01 mM/d. No âmbito deste trabalho, também foi realizada uma adaptação de biomassa em reatores anaeróbios, com o objetivo a longo prazo de adicionar os NTC para estudar o seu efeito em comunidades microbianas complexas. Por último, a análise dos resultados obtidos neste trabalho permitiu concluir que os NTC têm um efeito benéfico na conversão dos substratos a metano pelos microorganismos metanogénicos e pelas co-culturas sintróficas de S. wolfei e M. hungatei. Contudo, serão necessários mais estudos com os NTC para compreender melhor de que forma estes poderão estar envolvidos nos mecanismos de transferência de eletrões entre espécies, pois a sua influência neste processo continua por determinar.Martins, GilbertoSalvador, Andreia Filipa FerreiraUniversidade do MinhoSerpa, Ricardo Fontes20162016-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/44781eng201547198info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:43:31Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/44781Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:41:00.846100Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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