Untersuchungen zur Nutzung von Knallgasbakterien als Biokatalysator in einem aeroben Elektrosyntheseprozess zur stofflichen Nutzung von CO$_{2}$

Bei der sogenannten mikrobiellen Elektrosynthese handelt es sich um eine recht junge Technologie zur direkten Konversion von CO$_{2}$ und elektrischem Strom in organische Verbindungen. Kathodische Elektronen dienen dabei elektroautotrophen Mikroorganismen als alleinige Energie- und Elektronenquelle zur CO$_{2}$-Fixierung. In der Literatur sind nur wenige Mikroorganismen beschrieben, welche als Biokatalysator in einem mikrobiellen Elektrosyntheseprozess verwendet werden konnen. Dabei handelt es sich uberwiegend um acetogene und methanogene Organismen. Dies resultiert in einer geringen Produktpalette dieser vielversprechenden Technologie. Daruber hinaus handelt es bei der genannten Organismengruppen um strikt anaerobe Mikroorganismen. Allerdings enthalten die Abgasstrome groser CO$_{2}$-Emissionsquellen typischerweise Sauerstoff, wodurch eine direkte Nutzung dieser Substratstrome durch anaerobe, elektroautotrophe Organismen nur durch eine kostspielige Aufreinigung des Substrates erwirkt werden konnte. Das Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung eines geeigneten Biokatalysators zur Nutzung von CO$_{2}$ in einem aeroben, mikrobiellen Elektrosyntheseprozess. Dabei wurden verschiedene, im Rahmen einer Isolationskampagne in Reinkultur gebrachte Knallgasbakterien einem initialen Elektroautotrophie-Screening unterzogen. In diesem Screening konnte ein thermoacidophiles Isolat der Gattung Kyrpidia als ein geeigneter Kandidat fur den angestrebten Prozess identifiziert werden. Anschliesend wurde das Genom von Kyrpidia sp. in einem dualen Sequenzierungsansatz als Grundlage weiterer Analysen sequenziert. Anhand genomischer, chemotaxonomischer und physiologischer Untersuchungen konnte das Isolat als eine neue Art der Gattung Kyrpidia beschrieben werden. Mikroskopische Analysen eines kathodischen Kyrpidia spormannii-Biofilms bestatigten dessen Zellvitalitat und Aktivitat. Mittels einer vergleichenden Transkriptomanalyse wurden Hinweise auf eine kathodische CO$_{2}$-Fixierung uber den Calvin-Zyklus, eine elektroautotrophe PHB-Produktion sowie eine hydrogenase-abhangige Elektronenaufnahme von der Kathode erlangt. Durch die Kultivierung von K. spormannii in mit Druck beaufschlagbaren, bioelektrochemischen Flieszellen wurden vergleichsweise hohe Biofilmdichten erreicht. Elektroautotrophes Wachstum konnte Anhand eines 13C-Inkorporationsexperiment und optischer Koharenztomographie nachgewiesen werden. Abschliesend konnte die Nutzung von Rauchgas aus einem Kohlekraftwerk als alleinige Kohlenstoffquelle fur das autotrophe Wachstum von K. spormannii gezeigt werden. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Biokatalysator fur einen aeroben mikrobiellen Elektrosyntheseprozess beschrieben werden.