Optimization of biohydrogen production yields of hot spring microbial communities and their evaluation utilizing metagenomics with nanopore sequencing

Abstract

Hidrojen gazının fermentatif süreçlerle biyoyakıt olarak üretilmesi, yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynakları kullanmak ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak için alternatif bir yeşil yol olarak görülmektedir. Kaplıcalardan izole edilen karboksidotrofik hidrojenojenik mikroorganizmalar, karbon monoksit dihidrojenaz ve hidrojenaz enzimleri aracılığıyla bir elektron ve karbon kaynağı olarak karbon monoksit gazını (CO) kullanarak moleküler hidrojene (H2) dönüştüren su-gaz değişim reaksiyonunu gerçekleştirmektedirler. Karboksidotrofik hidrojenojenik mikroorganizmaları içeren kaplıca mikrobiyal komüniteleri, değişen çevresel koşullara uyarlanabildikleri, sterilizasyon standartlarının daha az hassas olduğu proseslerde rol alabilmeleri, hem ekolojik hem biyoteknolojik süreçlerde CO çevrimi yapabildikleri gözlemlendiğinden endüstriyel uygulamalara değerli bir katkı sağlayabilecekleri düşünülmektedir. Doğal ortamlarında bu komünitelerin yeni nesil sekanslama teknolojileri aracılığıyla araştırmaları ekstrem doğal alanların mikrobiyal dinamiklerini anlamak için hayati önem taşımaktadır. İzmir bölgesinde bulunan 5 kaplıcadan alınan DNA örnekleri ile Oxford Nanopore Technologies MiniION sekanslama cihazı kullanılarak kaplıcaların 16S rRNA dizilemesi yapılmış ve kaplıca izolatları %100 CO ve 1 g/L maya ekstraktı altında kültive edilerek hidrojen üretim kapasiteleri araştırılmış, Gaz Kromatografisi ile H2 üretimi izlenmiştir. H2 üretim verimleri Box Behnken tasarımı ile optimize edilmiş olup, ulaşılan en yüksek H2 verimi Doğanbey kaplıcası karışık kültürü kullanılarak 0.40 mmol H2/mmol CO olarak gözlemlenmiştir.

Hydrogen gas and its utilization as an energy carrier through fermentative processes is an alternative green route for obtaining renewable and environmentally friendly energy sources and decreasing the dependency on fossil fuels. Hot spring microbial communities containing carboxydotrophic hydrogenogenic microorganisms are potential valuable contributors to the industrial applications as they have been observed to be adaptable to changing environmental circumstances, requiring less rigorous sterilizing standards, initiating a CO cycle in ecological processes as well as in biotechnological processes. Carboxydotrophic hydrogenogenic microorganisms isolated from hot springs, utilize carbon monoxide (CO) as an electron and carbon source through carbon monoxide dihydrogenase and hydrogenase enzymes that through water-gas shift reaction, converting CO into molecular hydrogen (H2). Their investigation and screening through high-throughput sequencing tools in their natural environments are vital for understanding the microbial dynamics in extreme terrestrial areas. In this study, 16S rRNA sequencing was performed using Oxford Nanopore Technologies MinION sequencer with DNA samples collected from 5 hot springs located in İzmir region and hot spring isolates were investigated by cultivation under 100% CO and 1 g/L yeast extract. H2 production was monitored using gas chromatography, liquid by-products were monitored through high pressure liquid chromatography. H2 production yields were optimized by Box Behnken design, highest H2 yield reached was 0.40 mmol H2/mmol CO with Doğanbey hot spring mixed culture.