Date of Award

4-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Environmental Sciences and Sustainability

Department

Biology

First Advisor

Ashraf Aly Hassan

Second Advisor

Khaled El-Tarabily

Abstract

Various studies have proved the ability of different types of cyanobacteria and algae to produce hydrogen (H2) by splitting water molecules into H2 and oxygen (O2) using specialized enzymes (hydrogenase and nitrogenase enzymes) through the biophotolysis process. However, the production of O2 acts as the main process inhibitor. Several researchers studied this O2 sensitivity and proposed effective solutions to regulate O2 concentration. By co-culturing algae with aerobic bacteria, the consumption of the resulting oxygen could be attained and thus reducing the sensitivity of the enzyme to the evolved O2. In this study, a microbial consortium (co-culture) consisting of cyanobacteria Phormidium keutzingianum and activated sludge bacteria ASB was established to regulate O2 concentration and enhance H2 production. Different co-culturing ratios (algae: bacteria) such as 2:1,1:1, and 1:2 were tested to find the optimum ratio for H2 production. The effects of different exogenous carbon substrates (simple sugars) such as glucose, sorbitol, and mannitol were analyzed by supplementing the co-cultures with 10 g/L of sugar. In addition to study the effect of salt (NaCl) on H2 production, different salt concentrations of 0, 10, and 20 g/L were tested. Results indicated that the amount of cumulative H2 produced changed significantly by varying the carbon substrate. Glucose-supplemented co-culture produced the lowest amount of H2 (278 ml L-1) as compared to sorbitol-supplemented co-culture which produced the maximum amount of H2 (980 ml L-1). On the other hand, mannitol-supplemented coculture produced (562 ml L-1) of H2. The results also showed that the addition of salt (NaCl) negatively affected H2 production. By increasing the salinity level from 0-2%, the amount of total gas produced by glucose-supplemented co-culture was reduced from 2275 ml L-1 l to 734 ml L-1, whereas cumulative H2 reduced from 980 ml L-1 to 176.8 ml L-1 and 562 ml L-1 to 333 ml L-1 in sorbitol and mannitol-supplemented co-culture, respectively. This study proved the possibility of biohydrogen production by utilizing simple sugars and it can cause significant variations in the amount of the produced H2 due to the differences in the metabolic pathways of different sugars by the involved cyanobacteria and bacterial cells. This study also shows that physical factors (such as the effect of salt) affected the H2 production process due to variations in the tolerances of the involved cyanobacterial and bacterial cells toward different salt concentrations.

Arabic Abstract


انتاج الهيدروجين الحيوي في مزرعة ميكروبية مشتركة تتكون من البكتيريا الملحية الخضراء المزرقة Phormidium kuetzigianum وبكتيريا الحمأة النشطة باستخدام ركائز كربون خارجية و تركيزات ملح مختلفة

اثبتت دراسات عديدة قدرة أنواع مختلفة من الخضراء المزرقة على إنتاج الهيدروجين عن طريق تفكيك جزيئات الماء إلى الهيدروجين والاكسجين باستخدام إنزيمات متخصصة (hydrogenase و nitrogenase) من خلال عملية التحلل الحيوي الاكسجين الناتج يعمل كمثبط رئيسي للعملية وأبلغت العديد من الدراسات عن حساسية الانزيمات للأكسجين واقترحت حلاً فعالاً لتنظيم تركيز الاكسجين من خلال الاستزراع المشترك للطحالب مع البكتيريا الهوائية والتي تساهم في استهلاك الأكسجين الناتج عن عملية التحلل الحيوي وبالتالي يقلل من حساسية الإنزيمات تجاه الاكسجين. في هذه الدراسة تم إنشاء اتحاد ميكروبي (مزرعة مشتركة) يتكون من البكتيريا الخضراء المزرقة ‎Phormidium Keutzingianum ‏ وبكتيريا الحمأة النشطة بهدف تنظيم تركيز الاكسجين وتعزيز إنتاج الهيدروجين. تم اختبار نسب الاستزراع المشترك المختلفة (الطحالب: البكتيريا) مثل 1:2 و ‎1:1‏ و 2:1 لإيجاد النسبة المثلى لإنتاج الهيدروجين. تم تحليل تأثيرات ركائز الكربون الخارجية المختلفة (سكريات بسيطة) كالجلوكوز و السوربيتول والمانيتول من خلال تكميل المزرعة المشتركة المحضرة ب ‎10‏ جم / لتر من الركيزة الكربونية. بالإضافة إلى دراسة تأثير ملح كلوريد الصوديوم على إنتاج الهيدروجين تم اختبار تركيزات ملح مختلفة مثل 0 و‏ 10 و 20 جم/ لتر. أشارت النتائج إلى أن كمية الهيدروجين التراكمية المنتجة تغيرت بشكل كبير بتغيير الركيزة الكربونية. على سبيل المثال أنتج الاستزراع المشترك المضاف إليه الجلوكوز أقل كمية من الهيدروجين (138 مل) مقارنة بالمزرعة المشتركة المكملة بالسوربيتول والتي أنتجت أكبر كمية الهيدروجين (490 مل). من ناحية أخرى، أنتجت المزرعة المشتركة المضاف إليها مانيتول (280 مل) من الهيدروجين. كما أظهرت النتائج أن إضافة ملح أثرت سلبا على إنتاج الهيدروجين. فبزيادة مستوى الملوحة من 0-2% انخفضت كمية الغاز الكلية الناتجة عن الزراعة المشتركة المكملة بالجلوكوز من 1270 مل إلى 367 مل، بينما انخفضت كمية الهيدروجين الكلية الناتجة من 490 مل إلى 88 مل ومن 280 مل إلى 166مل في المزرعة المشتركة المكملة بالسوربيتول والمانيتول على التوالي. اثبتت هذه الدراسة إمكانية إنتاج الهيدروجين الحيوي من خلال استخدام السكريات البسيطة ويمكن أن تسبب اختلافات كبيرة في كمية الهيدروجين الناتجة بسبب الاختلافات في مسارات التمثيل الغذائي للسكريات المختلفة من قبل الخلايا الطحلبية والبكتيرية المعنية. تظهر هذه الدراسة أيضاً أن العوامل الفيزيائية (مثل تأثير الملح) أثرت على عملية إنتاج الهيدروجين بسبب الاختلافات في تحمل الخلايا الطحلبية والبكتيرية المعنية تجاه تركيزات الملح المختلفة.

Download
COinS