Elucidating the role of graphene oxide on the methanogenic activity of anaerobic consortia

Abstract

"Graphene is a nanomaterial of great interest due to its interesting mechanical, optical and electrical properties, ideal for the development of new materials and devices in all fields of technology; however, its large-scale production is still expensive. Therefore, the use of graphene oxide (GO) as a precursor has been used, which is treated to generate a reduced GO (rGO) that is very similar to graphene, but still contains some oxygenated groups. Due to the large amounts of GO and rGO that are used in substances and products, it is expected that effluents from industrial processes, using this material as raw material, will reach wastewater treatment plants, which soon must become central parts of the biorefinery concept to face the environmental problems caused by the dependence on oil. Anaerobic digestion (AD) fits perfectly in the biorefinery model, being a promising technology for the generation of renewable energy and for obtaining building block chemicals; however, the effects of GO and rGO on AD are poorly understood. Therefore, it is of the utmost importance to generate more knowledge that allows the maximum potential of AD. In this sense, the objective of this work was to evaluate the effects of the GO and rGO on an anaerobic consortium to assess the effects of the interactions between these materials and the type of substrate. Experiments were conducted with soluble and easily fermentable substrates, such as glucose, and with a particulate one requiring hydrolysis, such as starch. Moreover, this dissertation is also focused on studying how the presence of these materials affects the acetoclastic, hydrogenotrophic and methylotrophic methanogenic routes. Results revealed that rGO produces an improvement on the methanogenic activity by promoting the direct interspecies electron transfer (DIET) and/or the transport of electrons between exoelectrogens and methanogens, besides to favor the disintegration of particulate matter (starch). On the contrary, GO decreased methanogenesis because it encapsulates starch granules, preventing their hydrolysis, while acetoclastic and hydrogenotrophic routes were specially inhibited because electrons derived from the substrate were used to reduce GO, which was confirmed by XPS. The information in this paper suggests that rGO will predominate in the anaerobic treatment systems and provides knowledge on the effects and mechanisms involved, in addition to offering hint on other applications of AD such as GO modification and obtaining 3D structures of rGO."

"El grafeno es un nanomaterial de gran interés debido a sus interesantes propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas, ideales para el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos en todos los campos de la tecnología; sin embargo, su producción a gran escala aun es costosa. Por lo tanto, se ha recurrido al uso de óxido de grafeno (GO) como precursor, el cual al ser reducido genera un GO reducido (rGO) que es similar al grafeno, pero que aún retiene algunos grupos oxigenados. Debido a las grandes cantidades que ya se están usando de GO y rGO en sustancias y productos, se espera que los efluentes de los procesos industriales que usan estos materiales como materia prima lleguen a las plantas de tratamiento de aguas residuales, que en un futuro deben convertirse en partes centrales de una bio-refinería, donde la biomasa remplace al petróleo y los procesos biotecnológicos altamente eficientes y versátiles como la digestión anaerobia permitan la transformación de las materias primas y de este modo enfrentar los problemas ambientales causados por la dependencia del petróleo. La digestión anaerobia (AD) encaja perfectamente en este concepto al ser una tecnología prometedora para la generación de energía renovable y la obtención de componentes químicos; sin embargo, los efectos del GO y rGO sobre la AD son poco conocidos. Por lo tanto, es de suma importancia generar más conocimiento que permita aprovechar al máximo el potencial de la AD. En este sentido, el objetivo de este trabajo fue evaluar los efectos del GO y rGO sobre un consorcio anaerobio para determinar la existencia y efectos de las interacciones entre estos materiales y el tipo de sustrato, ya sea soluble y fácilmente fermentable, como la glucosa, o con uno particulado que requiere de hidrólisis, como el almidón. Además de estudiar cómo afecta la presencia de estos materiales de forma específica a las rutas metanogénica acetoclástica, hidrogenotrófica y metilotrófica. Los resultados señalan que el rGO produce una mejora al promover la transferencia directa de electrones entre especies (DIET)y/o el transporte de electrones entre exoelectrógenos y metanógenos, así como por favorecer la desintegración de

xviii materia particulada (almidón). Por el contrario, el GO reduce la metanogénesis debido a que encapsula al almidón impidiendo su hidrólisis, mientras que las rutas acetoclástica e hidrogenotrófica son especialmente inhibidas debido a que los electrones derivados del sustrato son empleados para reducir el GO, lo que se comprobó mediante XPS. La información de este trabajo apunta a que el rGO predominará en los sistemas de tratamiento anaerobios y aporta conocimientos sobre los efectos y mecanismos involucrados. Además, ofrece indicios sobre la aplicación de la digestión anaerobia para modificar GO y la obtención de estructuras 3D de rGO."