2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16606Ziel des beantragten Projektes ist es, übertragbare Regeln für die Anwendung elektroaktiver Biofilme in Anoden-assistierten Prozessen zu etablieren. Dafür soll die Biofilmbildung bzw. Effizienz der Biokatalyse gemessen als Stromdichte mit dem Einfluss äußerer Faktoren korreliert werden. Zu den Einflussfaktoren, die untersucht werden sollen, gehört die Oberflächenchemie der Elektrode, das Elektrodenpotential, das elektrische Feld an der Elektrode sowie der Einfluss der Zugabe leitfähiger Elektronenshuttle und Partikel in die Biofilmmatrix. Dabei soll nicht nur die maximale Stromdichte, sondern auch die Langzeitaktivität und Homogenität des Biofilm-Biokatalysators untersucht werden. Die Fähigkeit einiger Mikroorganismen eine Elektrode als terminalen Elektronenakzeptor ihrer Atmungskette zu verwenden kann für eine Vielfalt von Prozessen benutzt werden, zu denen die Abwasserreinigung und die Elektroden-assistierte Fermentation gehören. Für alle Systeme gilt, dass die Prozesseffizienz mit der erreichten Stromdichte steigt. Nichtsdestotrotz fehlt es bis dato an breit anwendbaren Regeln dazu, wie elektroaktoaktive Biofilme durch die Prozessbedingungen oder die Zugabe leitfähiger Substanzen nachhaltig in ihrer Aktivität optimiert werden können. Daher sollen im Rahmen des hier beantragten Projektes Prozess- und Design-Regeln für den Aufbau von Anoden-Biofilmen formuliert werden. Prof. Stom und seine Arbeitsgruppe werden den Einfluss der Elektrodenoberflächenchemie, der Polarisation der Elektrode und des elektrischen Feldes an der Elektrode auf die Biofilmbildung und Elektronentransferrate untersuchen. Prof. Gescher und sein Team werden Methoden zur nachhaltigen Integration leitfähiger Substanzen in die Biofilmmatrix etablieren. Darüber hinaus sollen Einflussfaktoren für eine potentielle Heterogenität des Biofilmkatalysators über die Zeit hinweg evaluiert werden. Beide Aktivitäten werden in den Arbeitsgruppen integriert werden, um die Leistung mikrobieller Brennstoffzellen in der Abwasserreinigung bzw. die Produktion von Plattformchemikalien in Anoden-assistierten Fermentationen zu steigern. Schlussendlich werden beide Arbeitsgruppen daran arbeiten einen skalierbaren Reaktor so weiterzuentwickeln, dass er die Anwendung der Designregeln unterstützt und werden mit diesem Reaktor die Skalierbarkeit der Technologien untersuchen.This proposal aims at identifying generic process and design rules that allow for the development and application of optimized electroactive biofilms in anode reactions. Hence, we will study the correlation between surface chemistry, biofilm formation and architecture as well as current production in bioelectrochemical systems. Moreover, the effect of electron shuttles on the development and activity of anode biofilms as well as their long-term stability will be studied. The ability of microbes in these electroactive biofilms to use electrodes as the terminal electron acceptor of their respiratory chain can be used in wastewater treatment plants for the sustainable removal of organic carbon or in anode-assisted fermentations. The effectiveness of both systems depends on the achievable current density. However, there is still a lack of fundamental knowledge regarding the effect of electrode-materials and their surface chemistry on electroactive biofilm formation. Moreover, we do not know the architecture of an efficient electroactive biofilm and whether the integration of sustainable electron shuttles in these biofilms can lead to higher current densities over longer periods of time. We suggest that it is possible to identify, study and define general design rules for efficient anode-based processes that are congruent to a wide range of applications. Therefore, we will strive to understand the limitations of anode-based processes and formulate design rules for the evolution of anode biofilms.Professor Stom and his research group (Russia) will study the effects of surface chemistry, surfactants, the degree of hydrophilicity and hydrophobicity, polarization of electrodes and electric field on the kinetics, stability and physiology of biofilm formation on the anode electrodes. The group of Professor Gescher (Germany) will develop methods for integrating mediator molecules into a biofilm matrix in order to obtain higher current densities through thicker active biofilms. Moreover, the group will study the long-term activity of anodic biofilm-catalysts and reasons for process heterogeneities. Both tasks will be evaluated in terms of current production, as well as in by assessing biological activity in various areas of the biofilm. The results will be combined in both groups and will be evaluated by application in wastewater treatment systems (Professor Stom's group), as well as in anode fermentation processes (Professor Gescher's group). Compared to control biofilms, long-term stability and functional activity will be evaluated using anoxic fluorescent markers, transcriptomic and metagenomic analysis, as well as, by the rate of elimination of carbon and the formation of metabolites products. Finally, based on the results achieved during the first 28 months, both research groups will jointly design a scalable reactor to study the applicability of the developed design rules under real(istic) conditions.