Preliminary analysis of the functionality of Microbial Fuel Cell (MFC) designed for microcystinase (MlrA) production in Synechocystis sp. PCC6803 growing in municipal wastewater

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC) oparte są na metabolizmie mikroorganizmów oddychających beztlenowo, które uwalniają elektrony na anodę. Z kolej urządzenia aMFC (algae MFC) to klasa systemów MFC wykorzystujących dodatkowo jednokomórkowe organizmy autotroficzne do generowania tlenu niezbędnego podczas utylizacji elektronów na powierzchni katody. Celem konstruowania tego typu systemów jest produkcja energii elektrycznej, jednakże generowane natężenia są stosunkowo niskie, z czego wynika konieczność sprzężenia produkcji energii elektrycznej z innymi procesami, takimi jak oczyszczanie ścieków, czy produkcja wartościowych substancji. W niniejszej pracy testowano wstępnie możliwość wykorzystania w aMFC szczepów R. sphaeroides oraz Synechocystis sp. PCC 6803 (z heterologową ekspresją mikrocystynazy MlrA) rosnących na pożywkach zawierających ścieki komunalne (WW). Analiza wzrostu R. sphaeroides wykazała, że komórki tego szczepu dobrze funkcjonują przy wysokich zawartościach ścieków w pożywce. Wzrost został zahamowany dopiero przy stężeniach WW ok. 80 %, niezależnie od rodzaju stosowanych WW. Z kolei aktywność MlrA w hodowli Synechocystis sp. PCC 6803 była nawet wyższa dla próbek z WW względem próby kontrolnej, co mogło być spowodowane zawartością związków organicznych oraz metabolitów wtórnych indukujących produkcję białek i samego MlrA. Wyniki pomiarów napięcia w zaprojektowanym aMFC wskazują, że optymalna gęstość zawiesiny R. sphaeroides względem zastosowanej anody powinna mieścić się w zakresie OD600 0.2-0.5. Dalszy wzrost gęstości zawiesiny prowadzi najprawdopodobniej do wzrostu oporu wewnętrznego i spadków napięcia. W dalszej perspektywie będą prowadzone analizy funkcjonowania zaprojektowanego aMFC pod kątem poziomu generowania energii elektrycznej, produkcji MlrA oraz bioremediacji nutrientów zawartych w ściekach.

Microbial fuel cells (MFC) are based on metabolism of anoxic microorganisms that use anode as a final electrone acceptor. In turn, aMFC (algae MFC) is a class of MFC systems additionally utilizing autotrophic microorganisms to generate molecular oxygen vital for electrone disposal on the cathode surface. The goal of constructing this kind of systems is mainly the generation of electrical energy, however the power output is rather low. Therefore, such an electricity production should be coupled with other processes such as a wastewater treatment or a production of valuable substances. In this thesis the possibility of emloyment (in aMFC) of R. sphaeroides and Synechocystis sp. PCC 6803 (with heterologous expression of microcystinase MlrA) growing on media containing municipal wastewater (WW) was tested. Growth analysis of R. Sphaeroides showed that cells of this strain are thriving and functioning quite well at high concentrations of wastewater in medium. Growth would only be inhibited at concentrations of WW about 80 %, independent of wastewater type. Furthermore, MlrA activity in Synechocystis sp. PCC 6803 McCormick 7 culture was even higher in media with WW than in a control sample which may be related to the presence of organic compounds and secondary metabolites inducing the production of proteins and MlrA specifically. The voltage measurrment in the designed aMFC indicates that optimal density of R. sphaeroides suspension toward applied anode should be in range of OD600 0.2-0.5. Further increase of cell density most likely leads to the increased internal resistance and deacresed voltage. Future prospects are to analyse functionality of the designed aMFC in terms of generated power outputs, MlrA production and bioremediation of nutrients from wastewater.