Produção de Biohidrogénio pela cianobactéria Anabaena sp. PCC 7120 e mutantes Efeito do ciclo de luz (dia/noite) e da intensidade luminosa Orientada por:

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1 Produção de Biohidrogénio pela cianobactéria Anabaena sp. PCC 7120 e mutantes Efeito do ciclo de luz (dia/noite) e da intensidade luminosa Orientada por: Doutora Luísa Gouveia Co-orientada por: Prof.ª Doutora Benilde Mendes Mestrado de Energia e Bioenergia Ana Teresa Perdigão Barbosa Outubro 2009

2 Introdução Dependência de combustíveis fósseis Aumento dos gases de efeito de estufa Alterações climáticas HIDROGÉNIO Desenvolvimento das energias renováveis

3 Introdução Schindler et al., 2006

4 Produção de Hidrogénio Projectos em Portugal e ao nível internacional para produção de (bio)hidrogénio Combustíveis fósseis e biomassa Água através de métodos não biológicos Via biológica Fermentação FOTOBIOLÓGICO

5 Anabaena sp. PCC 7120 Cianobactérias http://www.keweenawalgae.mtu.edu/ALGAL_PAGES/cyanobacteria.htm; http://tolweb.org/Cyanobacteria/2290 Anabaena sp. PCC 7120 Moslavac, 2007

6 Produção de biohidrogénio Produção de biohidrogénio por biofotólise (directa ou indirecta) H 2 O → H 2 + ½ O 2 Yu e Takahashi, 2007

7 Produção de biohidrogénio NITROGENASE N 2 + 8H + + 8 e - + 16 ATP → 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 Pi Principal função: fixar N 2 atmosférico Sensibilidade ao O 2 ( heterocistos) Consumidora de ATP ( 16 ATP / 1 H 2 ) Yu e Takahashi, 2007 Golden e Yoon, 2003

8 Produção de biohidrogénio HIDROGENASE H 2 2H + + 2e - Sensibilidade ao O 2 Não consumidora de ATP Inibida por baixas pressões H 2 Hidrogenase de ASSIMILAÇÃO Hidrogenase BIDIRECCIONAL hupL hupS hoxYH hoxFU

9 Estratégia Nitrogenase N2N2 NH 4 + Hidrogenase de Assimilação 2H + + 2e - H2H2 Hidrogenase Bi-direccional H2H2 2H + + 2e -

10 Desafios Limitações bioquímicas Eficiência energética Meta de 10% (mais provável 1%) Efeito de saturação da luz Soluções: Efeito de flash Atenuação luminosa Mutantes com menos pigmentos antena Schenk et al., 2008 Amos, 2004 Culturas mais diluídas

11 Desafios Sensibilidade ao O 2 Soluções: Hidrogenase tolerante ao O 2 Hidrogenases em heterocistos Biofotólise indirecta Fotofermentação Fermentação na ausência de luz Consumo de H 2 Soluções: Mutantes sem capacidade de assimilação Balanço energético e de electrões Soluções: Dissipação do potencial electrónico Formação de ATP Remoção contínua do H 2 produzido

12 Desafios Área e volume do reactor Soluções: Reactores verticais Reactores de fibra óptica Custo do reactor Soluções: Crescimento em lagoas abertas ($10/m 2 ) e posterior produção de H 2 em bioreactores fechados ($100/m 2 ) Limitações tecnológicas Características do reactor Soluções: Superfície limpa, controle dos microorganismos e dos restantes parâmetros de cultura Separação dos gases Soluções: Separadores de partículas (scrubbers), secador

13 Metodologia Os organismos Estirpe selvagem e mutantes: hupL - 2H + + 2e - Hidrogenase de Assimilação H2H2 hoxH - 2H + + 2e - Hidrogenase bi- direccional H2H2 hupL - /hoxH -

14 Metodologia Ensaios do crescimento Meio BG11 (com fonte de azoto) e BG11 0 (sem fonte de azoto) Determinação do pH, densidade óptica e peso seco Cálculo das taxas de crescimento Ensaios do hidrogénio Meio BG11 0, 25ºC, atmosfera de árgon Efeito da intensidade luminosa contínua (54 e 152 μEm -2 s -1 ) Efeito do ciclo de luz a 54 μEm -2 s -1 (ciclos de 16h luz / 8h escuro) Medição H 2 num cromatógrafo gasoso Medição DO correspondente

15 Análise dos resultados Crescimento Destaque para a estirpe selvagem e o inverso para a mutante hoxH - Densidade óptica (ln) vs tempo BG11BG11 0

16 Análise dos resultados Crescimento A taxa específica de crescimento foi superior em meio BG11 Peso seco (ln) vs tempo BG11BG11 0

17 Análise dos resultados Produção de hidrogénio Luz contínua vs Luz descontínua (54 μEm -2 s -1 ) É favorável um regime de luz descontínua; elevada produção nos 5 primeiros dias hupL - é a melhor produtora, seguida da dupla mutante, da hoxH - e por fim a estirpe selvagem

18 Análise dos resultados Produção de hidrogénio Luz contínua a 54 μEm -2 s -1 vs Luz contínua a 152 μEm -2 s -1 Maior intensidade luminosa, maior produção de H 2 ; elevada produção nos primeiros 10 dias hupL - é a melhor produtora, seguida da dupla mutante, da hoxH - e por fim a estirpe selvagem

19 Conclusões É fundamental o papel da engenharia genética Estratégia de produção de biohidrogénio: Crescimento em meio BG11 Tranferência para Fotobioreactores Luz descontínua (16h luz / 8h escuro) Intensidade luminosa máxima (152 μEm -2 s -1 ) É necessário desenvolver a investigação nesta área, nomeadamente: fotobioreactores, manipulações genéticas, parâmetros de cultura e estudo de outras espécies produtoras de H 2

20 "If we knew what it was we were doing, it would not be called research, would it?" Albert Einstein