Növényi biotechnológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)
34 %
Hidrobiológia, ökológiai állapotértékelés, alkalmazott ökológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)
33 %
Ortelius tudományág: Hidrobiológia
Mikrobiológia: virológia, bakteriológia, parazitológia, mikológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
33 %
Ortelius tudományág: Algológia
zsűri
Növénytermesztés, állattenyésztés
Kutatóhely
Növénybiológiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Maróti Gergely
projekt kezdete
2017-12-01
projekt vége
2019-11-30
aktuális összeg (MFt)
5.135
FTE (kutatóév egyenérték)
0.00
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Korunk egyik legjelentősebb megoldandó problémáját a fosszilis energiahordozók véges mennyisége és a felhasználásukból adódó globális felmelegedés jelenti. Helyettesítésükre számos más energiahordozó kínálkozik, ezek közöl a hidrogén egy fontos alternatíva lehet a jövőben. Számos európai és nemzetközi kutatócsoport vizsgálja a zöld algával történő biohidrogén termelés lehetőségeit. A csoportunk által tanulmányozott módszer viszont jelentősen eltér a széles körben vizsgált tápanyag megvonáson alapuló megoldástól, a hidrogén termeléshez szükséges anaerob környezetet teljes tápoldatot használva hozza létre. Egy bakteriális partner hozzáadásával az oxygén felhasználás felgyorsul, napok helyett néhány órán belül létrejön egy stabil anaerob környezet és megindul a hidrogéntermelés, valamint ezzel párhuzamosan a biomassza termelés is végbemegy. Kutatásunk célja a megtermelt biohidrogén mennyiségének növelése meghatározott térfogatú alga-baktérium kultúrákban az inkubációs paraméterek változtatásával és kis sejtméretű alga törzsek használatával úgy, hogy a felhasznált ecetsav és a kibocsájtott széndioxid mennyisége csökkenjen. A későbbi ipari szintű alkalmazás lehetőségét szem előtt tartva vizsgáljuk a rendszer hidrogén és biomassza termelésének folyamatossá tételét, valamint a Szegedi Tudományegyetem Biotechnológiai Tanszékével együttműködve a megtermelt biomassza biogáz célú felhasználását. Hosszútávú célunk az ecetsav mint szénforrás részleges, vagy teljes kiváltása széndioxiddal, valamint az ehhez szükséges inkubációs paraméterek optimalizálása. Emellett terveink közt szerepel még tengeri algák alkalmazhatóságának vizsgálata biohidrogén termelés céljából.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A fosszilis energiahordozók felhasználása szennyezi környezetünket és nagyban hozzájárul a globális felmelegedéshez. Erre nyújthat alternatívát a biohidrogén alkalmazása mint környezetbarát és megújuló energiahordozó. Az általunk használt módszer alapját egy alga-baktérium konzorcium alkotja, amely ecetsav felhasználása mellett képes néhány óra alatt létrehozni és stabilan fenntartani anaerob környezetet, amely elengedhetetlenül szükséges a hidrogenázok működéséhez és ezáltal a hidrogéntermeléshez. A módszer számos előnye mellett komoly problémát jelenthet a későbbi ipari szintű megvalósítás szempontjából a folyamatos ecetsav fogyasztás és széndioxid kibocsájtás. Kutatásunk egyik fő kérdése, hogy félfolyamatos hidrogén- és biomasszatermelés mellett csökkenthető e az ecetsav felhasználás és a széndioxid kibocsájtás mértéke a légtér oxigén koncentrációjának redukciójával úgy, hogy a hidrogéntermelés sebessége nem csökken. A másik fő kutatási irányunk az ecetsav részeben vagy egészben széndioxiddal történő helyettesítésének a vizsgálata. Vizsgálatunk tárgyát képezné az eddig elért eredményeink alapján az egyre kisebb sejtmérettel rendelkező algatörzsek vizsgálata, amelyekkel növelhetnénk az adott térfogatú kultúrák sejtsűrűségét ezáltal fokozva a hidrogéntermelés mértékét. Kis méretű algatörzsek alkalmazása mellett kimelt fonotsságúnak tartjuk, hogy az általunk kidolgozott módszert tengeri algák használtával is továbbfejlesszük, ezáltal szélesítve a módszer alkalmazhatósági területét.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A csoportunk által végzett kutatás célja a félipari és ipari, fotoszintetikus úton végbemenő biohidrogén- és biomasszatermelés előkészítése alapkutatási módszerekkel. Két irányvonalat követünk. Az egyik a szennyvizek és a bennük lévő szerves savak, a másik a hulladékként keletkező széndioxid hasznosítása biomassza és biohidrogén előállítása céljából. Az ecetsav tartalmú TAP tápoldattal végzett kísérleteink a szennyvizek hasznosításához szolgálnak modellként. Az ecetsav nélküli TP tápoldatunkat a hulladék széndioxid hasznosíthatóságának vizsgálatához használjuk. A laboratóriumunkban kapott eredmények, beállítási paraméterek, alkalmazott törzsek mind hasznosíthatóak a későbbi szennyvizekkel végzett tesztek során. Kutatásaink során nagy figyelmet fordítunk arra, hogy gátoljuk vagy csökkentsük a módszerünk széndioxid kibocsájtását, miközben alternatív energiahordozóként biohidrogént állítunk elő, melynek felhasználása során tiszta víz keletkezik. A hidrogéntermelés mellett létrejövő biomasszát biogáztermelésre használjuk fel. A biogáz felhasználása során keletkező széndioxidot pedig további biomassza és hidrogén termelésénél alkalmazzuk. Ezek alapján hosszútávú célunk egy zárt rendszer kidolgozása, melynek működését az alga által hasznosított fényenergia biztosítja. A módszer széleskörű elterjedését a különböző algaltörzsek alkalmazhatósága is tovább erősíti. A különböző algatörzsek számára más-más környezet lehet optimális a hidrogén- és biomasszatermeléshez. A szennyvizek és a hulladék széndioxid felhasználása egyaránt csökkenti az általuk okozott környezeti terhelést és nyújt környezetbarát megoldást egy megújuló energiahordozó előállítására.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A fosszilis energiahordozók felhasználásával drasztikusan nő a légkör széndioxid koncentrációja, amely globális felmelegedést okozva fokozatosan emeli Földünk légkörének átlaghőméréskletét. A globális átlaghőmérséklet intenzív emelkedése gyors környezeti változásokkal jár, amelyek hosszútávon komoly természeti és gazdasági károkat okoznak. Kutatásaink során olyan energiahordozó előállítását vizsgáljuk, amely biológiai úton előállítható, valamint képes helyettesíteni a jelenleg használt fosszilis energiahordozókat úgy, hogy sem előállítás közben sem pedig felhasználás közben nem szennyezi környezetünket. Vizsgálatunk tárgyát a hidrogén biológiai úton algákkal történő előállítása képezi. A biohidrogén előállításához alga-baktérium keverék kultúrát használunk, amelyben a fényenergiát felhasználva az alga termeli a hidrogént, a bakteriális partner pedig intenzív legzésével biztosítja az anaerob környezetet az oxigén jelenlétére érzékeny, hidrogén termelésért felelős hidrogenázok számára. Célunk a hidrogéntermelés mértékének a fokozása és folyamatossá tétele. Ehhez olyan paramétereket vizsgálunk, mint a folyadék és légtér aránya, az oldat sűrűsége vagy a felhasznált algatörzs sejtmérete. Fontosnak tartjuk, hogy az általunk használt alapmódszert minél több fajta algára alkalmazni tudjuk. Jelenleg szárazföldi és édesvízi algákkal dolgozunk, de célunk a módszer tengeri algákra történő kiterjesztése is. A módszerünk kidolgozása és alkalmazás során különös figyelmet szentelünk annak, hogy minimálisra csökkentsük a rendszerünk széndioxid kibocsájtását és energia felhasználását.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The most important problems of our time are the finite amount of the fossil fuels and the global warming up. There are a variety of other energy carrier candidates to replace them. Hydrogen might be a possible alternative energy carrier of the future. The algal biohydrogen production method used by our group is highly different from the widely studied nutrient deprivation method. The anaerobic environment, which is essential for the work of hydrogenases and biohydrogen production, is created by an algal-bacterial co-culture incubated in full TAP media. The oxygen consumption is accelerated by the respiration of an added bacterial partner. The anaerobic environment is established in 1-4 hours, which allows the start of the biohydrogen production right after this phase. Pre-growth of biomass is not essential; algal-bacterial mixed biomass can be grown beside the biohydrogen production. Our research aims to increase the volume of the produced biohydrogen, decrease the yield of the utilized acetic acid yield and reduce the evolution rate of carbon dioxide by the changing of incubation parameters and the using of algal strains with small cell sizes. To advance our solution for an industry-wide application in the future, we would like to design a laboratory level system with simultaneous biohydrogen and biomass production features. The partial or full replacement of acetic acid utilization by carbon dioxide use during hydrogen production is also the crucial part of our plans. We are also planning the implementation of the algal-bacterial hydrogen production method on marine algal strains.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The use of fossil fuels pollutes our environment and greatly contributes to global warming up. The use of biohydrogen as an environmentally friendly and renewable energy carrier may provide an alternative solution instead of fossil fuels. An algal-bacterial consortium used by our research group can establish and maintain anaerobic environment by using acetic acid. Anaerobic environment is essential for the functioning of hydrogenases and thus hydrogen evolution. Beside the many advantages of this method, the continuous and fast acetic acid consumption and the carbon dioxide evolution can be a serious barrier of the implementation of this solution on industrial scale. Major issues are the reduction of acetic acid consumption and carbon dioxide evolution beside semi-continuous biohydrogen and mixed biomass production by the decreasing of oxygen level in the headspace. Our other main research direction is the partial or full substitution of acetic acid utilization by carbon dioxide addition. Previous results of our group showed the elevation of hydrogen production rate by the use of a Chlorella strain with small cell size. Our aim is to test our solution on the smallest algal strains. We also plan to broaden our algal culture collection with marine algae and apply our method on them. One of our final goals is the design of a laboratory scale semi-continuous hydrogen and biomass producing system capable of allowing a large number of small tests with various parameters, thereby providing basic knowledge for the later semi-industrial or industrial applications.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The research conducted by our group aims the preparation of semi-industrial and industrial photosynthetic biohydrogen and biomass production by basic research experiments. Our research contains two different approaches. One of them is the utilization of wastewaters and their organic acid contents, the other one is the application of carbon dioxide for biomass and biohydrogen production. The TAP media (containing acetic acid) serves as a model for wastewater utilization, while TP media (without organic acid) serves as a model for carbon dioxide utilization. The obtained results, the experimental settings, and used strains can be utilized later during the testing of real wastewaters. In our research, we pay great attention to prevent or reduce the emission of carbon dioxide during biohydrogen and biomass production. The biomass generated beside the biohydrogen is used for further biogas production as well. The carbon dioxide originated from biogas utilization can be used for biohydrogen and biomass production again. Our long-term goal is designing a closed system whose operation depends on the light energy utilization of the algal partner.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The use of fossil fuels drastically increases the atmospheric carbon dioxide concentration, which gradually raises the average temperature of the Earth's atmosphere thereby causes global warming up. The global average temperature elevation involves rapid environmental alterations which causes severe environmental and economic damage in long term. In our research we investigate the production of an energy carrier, which can be generate on biological way and capable of replacing the currently used fossil fuels without the contamination of our environment during its production or utilization. We analyze biological hydrogen production by using green algal strains. We use algal-bacterial co-culture for biohydrogen production, in which the algal partner produces hydrogen during light energy utilization, while the bacterial partner establishes and maintains the anaerobic environment by its intense respiration. Our goal is to increase the rate of hydrogen production and make it continuous. To obtain this purpose, we analyze parameters such as the volume rates of the liquid and gas phases, optical densities of the cultures and the cell sizes of the used algal strains. The implementation of our method on different algal strains is also crucial for our group. Currently, we are working with soil and freshwater algae, but we aim to extend our culture collection with marine algae strains as well. We also pay attention to minimize the carbon dioxide emission and energy consumption of our system during the designing and applying of our method.
Projekt eseményei
2018-01-23 10:44:36
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Genomikai kutatócsoport (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont), Új kutatóhely: Növénybiológiai Intézet (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont).
