Original title:
Studium mikrobiální degradace materiálů na bázi polykaprolaktonu
Translated title:
Microbial Degradation of Polycaprolactone-based Materials
Authors:
Damborský, Pavel ; Stratilová, Eva (referee) ; Hermanová, Soňa (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2013
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[eng][cze]
Diplomová práce se zabývá vlivem nutričních a aeračních faktorů na produkci lipáz bakterií Bacillus subtilis (CCM 1999). Produkce lipáz byla studována zejména z hlediska katalytického působení lipáz při degradaci polyesterových řetězců. Mezi studované parametry patřily: růst bakterií, lipolytická aktivita, pH optimum, teplotní optimum, tepelná stabilita, proteolytická aktivita, množství bílkovin, atd. a to v různých typech živných medií zaočkovaných Bacillus subtilis. Jedna série vzorků kultivačních médií pro BS na bázi: pepton a kvasničný extrakt (NB), pepton, kvasničný extrakt s 2% přídavkem (w/v) glukózy (NBG) a minerální médium s kvasničným extraktem (MS-YE) obsahovala jeden PCL vzorek o definovaných rozměrech (Mn = 10 kDa, = 1.4). Experimenty probíhaly po dobu 21 dnů pří rychlosti třepání 160 a 200 rpm. Přítomnost PCL způsobila v obou typech médií (NB, NBG) inokulovaných BS zvýšení lipolytické aktivity, což naznačuje, uvolnění a následné uplatnění se nízko-molekulekulárních řetězců PCL jako substrátů pro BS. BS kultivovaný v MS-YE medium vykazoval ve srovnání s NB a NBG médii nízké hodnoty lipolytické aktivity a to i v přítomnost PCL. Během experimentů se hodnota pH posunula z neutrální (pH 7.0) do alkalické (pH 8.5-9.3) oblasti a to ve všech typech médií s i bez přítomnosti PCL vzorku v důsledku metabolických pochodů BS využívajících různé substráty. Lipolytické enzymy stanovené v supernatanech bez bakteriálních buněk vykazují dvě pH optima v přítomnosti PCL, pH 7 a 9. V nepřítomnosti polymeru vykazují pouze jedno pH optimum při pH 7. Na základě měření tepelné stability bylo prokázáno, že extracelulární lipázy jsou relativně termostabilní enzymy, zejména v nepřítomnosti polymeru. Dále byla provedena základní proteomická analýza lipáz produkovaných bakterií Bacillus subtilis v NBG médiu pomocí metody peptidového mapování (PMF). Byla ověřena přítomnost proteinů s molární hmotnosti (19.3 kDa) pomocí FPLC. SDS-PAGE a IEF-PAGE prokázaly přítomnost těchto proteinů v obou studovaných mediích inokulovaných BS (NBG vs. NBG/PCL). Zásadní rozdíly proteinového složení v přítomnosti PCL nebyly potvrzeny a identifikace pomoci MALDI-TOF hmotnostní spektrometrie nestanovila žádnou lipázu. Proces degradace v PCL vzorcích byl vyhodnocen také na základě hmotnostních úbytků, které byly zjištěny ve všech typech médií inokulovaných BS pravděpodobně v důsledku synergického účinku enzymaticky-katalyzované a biotické hydrolýzy v alkalickém prostředí. . Modelová degradační studie PCL a jeho kompozitu s oxidem grafenu (2.7 hm.%, GO) byla provedena v přítomnosti bakterie Bacillus subtilis v NBG při 30 °C a počátečním pH 7 po dobu tří týdnů. Hmotností úbytky PCL filmů se postupně zvyšovaly během celého degradačního testu až ke 12 hm%. Degradace PLC/GO kompozitu probíhala pomaleji, což je prokázáno maximální hmotnostním úbytkem 5 hm%. Podobný charakter elučních křivek PCL a jeho kompozitu stanovený pomocí SEC potvrzoval snížení molární hmotnosti po degradaci.
The thesis deals with the issue of the effect of nutritious factors and aeration on Bacillus subtilis (CCM 1999) lipase production, which was studied from the viewpoint of the crucial action of lipases on polyester chains degradation. The parameters such as bacterial growth, lipolytic activity, pH optimum, temperature optimum, thermal stability, proteolytic activity, the amount of proteins, etc. were determined in three types of media inoculated by Bacillus subtilis. One sample set of media: peptone and yeast extract (NB), medium consisted in peptone and yeast extract with the addition of 2% (w/v) glucose (NBG) and mineral solution with yeast extract (MS-YE) contained poly(-caprolactone), PCL film (Mn = 10 kDa, = 1.4). Experiments were performed for 21 days under shaking at 160 and 200 rpm. The presence of PCL caused in both types of media (NB, NBG) higher values of lipolytic activity of Bacillus subtilis indicating the participation of released low-molecular weight species as the products of PCL biodegradation. In BS-inoculated MS-YE medium low lipolytic activity of Bacillus subtilis as compared with those measured in NB and NBG media was determined even in the presence of PCL. During experiment pH value shifted from neutral (pH 7.0) to alkaline (pH 8.5 – 9.3) region for all types of media with and without PCL specimens. This fact indicates negligible pH changes in microenvironment due to the degradation products and/or metabolites. Lipolytic enzymes determined in supernatants free of bacterial cells have shown two pH optima in the presence of PCL, at pH 7 and 9. Lipase in the absence of polymer displayed optimum pH of 7. Measurement of thermal stability demonstrated that extracellular lipases as relative thermostable enzyme especially in the absence of polymer. The basic proteomic analysis by peptide mass fingerprint (PMF) of lipases produced by Bacillus subtilis at NBG medium after one week of cultivation was performed. The presence of proteins with molecular weight (19.3 kDa) close to that reported for lipases was verified through FPLC. Both SDS-PAGE and IEF-PAGE indicated presence of these proteins in both studied media (NBG vs. NBG/PCL). However, no differences have been found in the presence of PCL and no lipase was truly identified through MALDI-TOF mass spectrometry. The occurrence of degradation process in PCL samples was also documented by their gradual weight loss, which was seen in all media types as the synergic effect of lipase- and base-catalyzed ester bond scission. Model degradation study of PCL and its composite with graphene oxide (2.7 wt% GO) was performed in the presence of Bacillus subtilis in NBG medium at 30 °C and initial pH 7 for three weeks. The weight loss of PCL films gradually increased during whole degradation test up to 12 wt%. Degradation of PCL/GO composite proceeds slower as documented by maximum weight loss of 5.0 wt%. The similar character of elution curves of both PCL and its composite, determined by SEC analysis, indicated shifting to lower molecular region.
Keywords:
Bacillus subtilis; biodegradace; enzym; lipázy; PCL; Bacillus subtilis; biodegradation; enzyme; lipases; PCL
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/25627
guest ::
