Bio-hydrogen production by self fermentation of vegetable waste: from screening of microbial diversity to bioaugmentation of indigenous fermentative communities

Abstract

Alternative production chains are called for to reduce the dependence on fossil fuel, to mitigate climate change and to redirect the current production processes towards natural closed ecological cycles. In this context, microbial dark fermentation is a promising way to produce H2 from organic waste contributing to solve two related emergencies: waste disposal and renewable clean energy production. The aim of this study was to asses an innovative approach for fermentative H2 production from common domestic organic waste: the analysis and improvement of the ability to produce H2 of indigenous microbial communities. For this purpose the following objectives were pursued: 1. to explore the feasibility of H2 production by mesophilic self-fermentation of vegetable waste without pretreatment or added nutrients and to improve the process by controlling operative parameters; 2. to screen microbial diversity of the waste in order to isolate and identify potential H2-producers and to characterize the fermentation metabolism of isolates using glucose as nutrient source and optimization parameter; 3. to perform bioaugmentation of the indigenous microbial community in order to improve the H2 production by self-fermentation. To this purpose pure culture and bacterial consortium of three new strains, isolated and enriched from the same waste, were inoculated. The effects of the bioaugmentation in terms of H2 production were investigated, hydrolysis and fermentation pathways were also analyzed. Moreover, the three single strains were characterized for their ability to produce H2 on different sugars, key products of the hydrolysis of cellulose and hemicelluloses.

Nell’ottica di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, di mitigare i cambiamenti climatici e di ridirigere gli attuali processi produttivi verso cicli chiusi simili a quelli naturali è necessario sviluppare filiere produttive sostenibili. La dark fermentation è attualmente considerata il più promettente processo biologico per la produzione di H2 in quanto essa offre un duplice vantaggio: generare un vettore energetico “pulito” e utilizzare biomasse residuali abbattendo i costi economici ed ambientali del loro smaltimento. Nel presente lavoro è stato adottato un approccio innovativo per la produzione di H2 da rifiuti vegetali: l’analisi ed il miglioramento delle capacità di produrre H2 della comunità indigena del rifiuto vegetale. In particolare sono stati perseguiti i seguenti obiettivi: 1. la dimostrazione della fattibilità del processo di produzione di H2 per auto-fermentazione di rifiuti vegetali in assenza di pretrattamenti o aggiunta di nutrienti e il miglioramento del processo tramite il controllo dei parametri operativi; 2. lo screening della diversità microbica della comunità indigena del rifiuto allo scopo di identificare, selezionare e caratterizzare metabolicamente i ceppi batterici H2-produttori utilizzando il glucosio come fonte nutritiva e parametro di ottimizzazione; 3. l’incremento della produzione di H2 dell’auto-fermentazione tramite Bioaugmentation. Tre nuovi H2-produttori sono stati selezionati e testati individualmente sul rifiuto e le performances produttive comparate con quelle ottenute tramite l’utilizzo di un consorzio batterico composto dai tre microorganismi. Un ulteriore obiettivo è stata la caratterizzazione del metabolismo fermentativo e delle rese dei tre ceppi sui principali prodotti di idrolisi dei rifiuti vegetali.