Better together: electron-directed synergistic interactions in Clostridium co-cultures for improved alcohol production

Abstract

ENG- The need for sustainable alternatives to fossil fuels powers up science in the study of new energy sources. One of these alternatives is anaerobic fermentation, a process in which bacteria transform organic carbon into ethanol or butanol, two examples of carbon-zero fuels. In this thesis, we focus on studying and improving alcohol fermentation in three species of Clostridium. Clostridium spp. have been known for more than a century due to their ability for acetone, butanol and ethanol fermentation. Our goal is to improve fermentation capacities using tandem cultures of two or three species, thus gaining the most valuable properties of each one. Species combination is known as synthetic co-cultures, and focuses on exploiting complementary functions of the two consortium members. For example, the hydrolysis of cellulose into simple sugars by a cellulolytic species (C. cellulovorans) can be combined with an alcohol producer (C. acetobutylicum) and a CO2 fixing organism (C. carboxidivorans) to take the most of the energy contained in cellulose material. The use of synthetic consortia improves substrate spectrum (e.g. by using cheaper and abundant sources) and increases production yield (e.g. minimizing carbon waste as gaseous products). We also explored whether the addition of electroactive compounds – such as magnetite – can enhance the cooperation between the species in the synthetic consortium. Cooperative capacity is measured in terms of butanol production. This doctoral thesis presents new insights into the functioning of synthetic consortia and opens up new possibilities for developing efficient and flexible biotechnological systems for more sustainable energy production

CAT- La recerca de fonts d’energia més sostenibles i respectuoses amb el medi ambient ha portat a la ciència a estudiar noves alternatives als combustibles fòssils. Una d’aquestes alternatives és la fermentació microbiana, un procés en què les bacteris transformen els sucres en alcohols, com el butanol i l’etanol, dos exemples de bio-combustibles. En aquesta tesi doctoral ens centrem en estudiar i millorar aquest procés utilitzant tres espècies de Clostridium diferents. Els clostridis són coneguts des de fa més d’un segle per la seva capacitat de produir diversos solvents com l’acetona, el butanol, i l’etanol, durant la fermentació. Concretament, el nostre objectiu és el d’estudiar com millorar aquest procés cultivant conjuntament dues o tres espècies. De manera que, enlloc de fer servir una única espècie com es feia tradicionalment, es posen a treballar conjuntament espècies que desenvolupen funcions complementàries. Aquesta combinació es coneix com a co-cultiu, i permet explorar, per exemple, el resultat de la combinació de la hidròlisi de la cel·lulosa en sucres simples per una espècie cel·lulolítica (C. cellulovorans) amb una productora d’alcohols (C. acetobutylicum) i una capaç de fixar el CO2 (C. carboxidivorans), per tal de treure el màxim d’energia de la cel·lulosa. Utilitzar co-cultius sintètics permet ampliar els substrats utilitzables (i utilitzar, per exemple, substrats més econòmics i abundants) i millorar el rendiment de producció (reduint, per exemple, la pèrdua de carboni en forma de productes gasosos). A més, també hem explorat si, a l’afegir certs materials electro-actius (com la magnetita), es millora la cooperació entre les espècies dels co-cultius i s’afavoreix la producció de butanol com a producte final de la fermentació. En conjunt, aquesta tesi doctoral aporta nous coneixements sobre el funcionament d’aquests co-cultius, i mostra noves possibilitats per desenvolupar tecnologies més eficients que ajudin a produir energia de manera més sostenible