Universität zu Köln

Li, Tong (2015). Dynamic interactions in an artificial phototrophic biofilm for biotechnological applications. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In the present study, a comprehensive investigation of the dynamic processes in an artificial algal biofilm immobilized on a porous substrate has been conducted. Experimental investigations including microsensor measurements were carried out. For this purpose, the microsensor setup used for profiling submerged biofilms was modified to enable measurement on the investigated biofilms. To achieve an accurate evaluation of the data acquired through microsensor measurements, a new mathematical method was developed, and a 20 μm depth resolution has been suggested for future photosynthetic activity measurements. After the establishment of the microsensor methods, a systematic microsenser investigation was carried out: the distribution of dissolved oxygen, pH value and photosynthetic productivity profiles of algal biofilms in a porous substrate biofilm photobioreactor (Twin-Layer photobioreactor) exposed to different surface irradiance and/or exposed to different gas phase CO2 concentrations were measured. The results acquired from these experiments offered important insights into the processes in such biofilms: E.g. light penetration depth, maximal dissolved oxygen concentration and pH distribution. The results show, as expected, photosynthesis in the biofilms occurs only near the biofilms surface (i.e. in the illuminated zones), and dark respiration in the inner part of the biofilm could be the reason of the observed biomass productivity decrease with prolonged cultivation. Also, increases in surface irradiance and/or gas phase CO2 concentrations led to an increase in photosynthetic productivity of the investigated biofilm. No photoinhibition was observed in the studied biofilms, although exceptionally high dissolved oxygen concentrations (12 times of that in normal atmosphere) have been recorded. The model (as described in the 3rd manuscript, Li et al. 2015d) developed in the study has proven to be very effective in predicting experimental observations. The results show clearly the importance of taking into account not only adsorption and scattering, but also the adaptation of the pigment content of the biomass for investigating radiative transfer in PSBR biofilms. Also, through the development of the model, important insights into the dynamic processes in the investigated biofilm were acquired: E.g., it is very likely that the facilitated CO2 transfer plays an important role in inorganic carbon transport in the studied biofilms when the CO2 concentration supplied in the gas phase is low; macronutrients (N and P) do not limit growth even at high surface irradiance and high gas phase CO2 concentrations as long as they are sufficiently supplied in the medium; and the buffering of the medium with a strong buffer will have significant effects on the inorganic carbon availability in the studied biofilm. Through this study, a solid basis has been established for future investigation on PSBR biofilms. The methods and model developed in this study are established specifically for investigating biofilms grown in the Twin-Layer porous substrate biofilm photobioreactor. However, with minor modifications and/or additional experimental measurements, they can be easily applied to other phototrophic biofilm systems or for investigation and/or optimization of commercial scale systems.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In der vorgelegten Studie wurden die dynamischen Prozesse in einem auf porösem Substrate künstlich gezüchteten Algenbiofilm umfassend untersucht. Experimentelle Untersuchungen, u.a. Mikrosensormessungen, wurden durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Versuchsaufbau, sowie eine neue mathematische Berechnungsmethode zur Auswertung der durch Mikrosensormessungen aufgenommenen Daten entwickelt. Die Untersuchungen zeigten, dass um die Daten sinnvoll auswerten zu können, zukünftige Mikrosensormesungen am untersuchten Biofilm mit einer Tiefenauflösung von 20 μm durchgeführt werden sollten. In nachfolgende systematische Mikrosensormessungen wurden die Profile von gelöstem Sauerstoff, pH und photosyntetischer Produktivität an Biofilmen gemessen. Die Messungen wurden an bei vieschiedenen Lichtintensitäten gezüchtet und/oder verschiedenen CO2 Konzentrationen ausgesetzt Biofilmen durchgeführt. Die Ergebnisse ermöglichen wichtige Einsichten in den obengenannten Biofilm, wie: z.B. Lichtverfügbarkeit, maximale Konzentration von gelöstem Sauerstoff und pH Werte. Die Ergebnisse zeigen, dass die Photosynthese wie erwartet nur nahe der Biofilm-Oberfläche, beziehungsweise in der beleuchteten Region des Biofilms, stattfindet. Außerdem trägt die Dunkelresipration in der tieferen Schicht, beziehungsweise der nicht oder nur schwach beleuchteten Region des Biofilms zu der beobachteten Abnahme von Biomassewachstum bei längerer Kutivierungszeit bei. Die Daten zeigen ebenfalls, dass die photosynthetische Produktivität im untersuchten Biofilm mit erhöhter Lichtintensität und/oder erhöhter CO2 Konzentration ansteigt. Photoinhibition der Algenzellen wurden trotz der gemessenen außgewöhnlich hohen gelöste Sauerstoffkonzentration (12 fach der Konzentration in normaler Luft) nicht beobachtet. Die Ergebnisse beweisen, dass das in dieser Studie vorgelegte Model die experimentellen Beobachtungen mit angemessener Präzision vorhersagen kann. Um das Transferverhältnis des Lichts in dem untersuchten Biofilm präzise modellieren oder untersuchen zu können, sind nicht nur die Absorption des Lichts sondern auch dessen Streuung, sowie die Anpassung der Algenzellen an verschiedene Lichtstärken zu berücksichtigen. Das Model offenbart weiterhin wichtige Einsichten in die dynamischen Prozesse des untersuchten Biofilms: z.B. 1) Es wurde festgestellt, dass der sogenannte “Facilitated CO2 Transfer” eine sehr wichtige Rolle für den Transport des gelösten anorganischen Kohlenstoffs in dem untersuchten Biofilm, insbesondere bei geringem CO2 Gehalt in der Gasphase spielt; 2) Wenn ausreichend Makro-Nährstoffe (Stickstoff und Phosphor) im Kuturemedium vorhanden sind, stellt der Transport (z.B. Diffusion) der Makro-Nährstoffe kein Hindernis für das Wachstum dar, d.h. Makro-Nährstoffe werden durch die Transportprozesse ausreichend bereitgestellt; 3) Die Pufferung des Mediums kann die Verfügbarkeit des gelösten anorganischen Kohlenstoff in deutlichem Maße beeinflussen. Die vorgelegte Studie hat eine solide Basis für zukünftige Untersuchungen am PSBR Biofilm geschaffen. Die im Rahmen dieser Studie entwickelten Methoden eignen sich für die Untersuchungen des obengenannten Biofilms. Allerdings können mit geringfügigen Modifikationen und ggf. mit zusätzlichen experimentellen Untersuchungen die hier vorgelegten Methoden auch für andere phototrophische Biofilme und/oder für die Optimierung kommerzieller Systeme, die auf die untersuchten Biofilm basieren, verwendet werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Li, Tong lit2@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-66428
Date:	16 November 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Biotechnology, Photobioreactor, Biofilm, Microsensor, Modeling English
Date of oral exam:	29 January 2016
Referee:	Name Academic Title Melkonian, Michael Prof. Dr. Flügge, Ulf-Ingo Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6642