Original title:
Regulovaná produkce a biodegradace vybraných typů biomateriálů
Translated title:
Controlled Production and Degradation of Selected Biomaterials
Authors:
Obruča, Stanislav ; Demnerová, Kateřina (referee) ; Vávrová, Milada (referee) ; Němec, Miroslav (referee) ; Márová, Ivana (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2010
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[eng][cze]
Předložená disertační práce se zabývá studiem produkce a degradace polymerních materiálů s využitím mikroorganismů. Hlavní pozornost je upřena ke studiu produkce polyesterů bakteriálního původu - polyhydroxyalkanoátů. Tyto materiály jsou akumulovány celou řadou bakterií jako zásobní zdroj uhlíku, energie a redukční síly. Díky svým mechanickým vlastnostem, kterými silně připomínají tradiční syntetické polymery jako jsou polyetylén nebo polypropylén, a také díky své snadné odbouratelnosti v přírodním prostředí, jsou polyhydroxyalkanoáty považovány za ekologickou alternativu k tradičním plastům vyráběným z ropy. Polyhydroxyalkanoáty mají potenciál najít řadu aplikací v průmyslu, zemědělství ale také v medicíně. Významná část předložené práce je zaměřena na produkci polyhydroxyalkanoátů z odpadních substrátů pocházejících především z potravinářských výrob. Testována byla odpadní syrovátka nebo odpadní oleje z různých zdrojů. Právě využití levných odpadních substrátů je strategií, která by mohla přispět ke snížení ceny polyhydroxyalkanoátů a tím usnadnit jejich masové rozšíření. Podle výsledků dosažených v této práci jsou právě odpadní olejové substráty velice perspektivní cestou k ekonomicky rentabilní biotechnologické produkci polyhydroxyalkanoátů. Další část předložené práce se zabývá studiu spojení metabolické role polyhydroxyalkanoátů a stresové odpovědi bakterií. V této práci bylo zjištěno, že expozice bakteriální kultury řízené dávce etanolu nebo peroxidu vodíku významně navýší dosažené výtěžky a to o přibližně 30 %. Po aplikaci výše zmíněných stresových faktorů došlo k aktivaci metabolických drah vedoucí k odbourání stresového faktoru z média. Výsledkem bylo navýšení poměru NAD(P)H/NAD(P)+, což vedlo k částečné inhibici Krebsova cyklu a naopak aktivaci biosyntetické dráhy polyhydroxyalkanoátů. Mimoto došlo k významnému navýšení molekulové hmotnosti výsledných materiálů. Podle těchto výsledků se regulovaná aplikace vhodně zvolených stresových podmínek zdá být zajímavou strategií, která vede nejen k navýšení celkových výtěžků, ale také významnému zlepšení vlastností polymeru. Poslední část disertační práce se zabývala studiem procesu biodegradace polyuretanových materiálů. Polyuretanové eleastomery byly modifikovány rozličnými biopolymery za účelem navýšení jejich biodegradability. Tyto materiály byly posléze vystaveny působení směsné termofilní kultury jako modelového systému, který simuluje přirozené konsorcium bakterií. Přítomnost testovaných materiálů v kultivačním médiu vedla k neobvyklým růstovým charakteristikám bakteriální kultury. V průběhu prvních několika dní byl růst kultury silně inhibován, nicméně po překonání této neobvykle dlouhé lag-fáze došlo k intenzivnímu nárůstu kultury. Hlavní podíl na hmotnostním úbytku testovaných materiálů během experimentů měl samovolný rozpad materiálů, nicméně byl pozorován i vliv bakteriální kultury, kdy míra biotické degradace závisela na použitém modifikačním činidle. Nejvyšší míra biotické degradace byla pozorována u polyuretanového materiálu modifikovaného acetylovanou celulózou. Lag-fáze byla způsobena uvolněním nezreagovaného katalyzátoru (dibutylcínlaurát) a polyolu do kultivačního média. Bakteriální kultura se však po čase dokázala na přítomnost toxických látek v médiu adaptovat nebo je dokázala eliminovat.
Proposed dissertation thesis is aimed at the study of production and degradation of polymeric materials using microorganisms. The main attention is given to polyesters of bacterial origin - polyhydroxyalkanoates. These materials are accumulated by a wide variety of bacterial strains which use polyhydroxyalkanoates as a storage of carbon, energy and reducing power. Thanks to their mechanical properties, that are similar to those of traditional synthetic plastics such as polyethelene or polypropylene, and thanks to their biodegradability, polyhydroxyalkanoates are considered to be environmental-friendly alternative to traditional plastics of petrochemical origin. Thus, polyhydroxyalkanoates have many potential applications in industry, agriculture as well as in medicine. Important part of this thesis is focused on production of polyhydroxyalknotes from waste substrates coming from food industry. Among tested substrates was waste cheese whey or waste plant edible oils of different origin. Utilization of cheap waste substrates for polyhydroxyalkanoates production could facilitate economically feasible process of large scale production of polyhydroxyalkanoates. According to the results presented in this thesis, waste oils are very promising substrates for biotechnological production of polyhydroxyalkanoates. Next part of the thesis deals with involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria. It was observed, that exposition of bacterial culture to controlled dose of ethanol or hydrogen peroxide resulted in significantly enhanced yields (abut 30 %). After stress factors application, particular metabolic pathways involved in stress response were activated in order to endure stress conditions. Subsequently, NAD(P)H/NAD(P)+ ratio increased and, thus, Krebs cycle was partially inhibited whereas polyhydroxyalkanoates synthetic pathway was activated. Moreover, application of stress factors increased molecular weights of polymers. Therefore, strategy based on application of controlled dose of stress not only enhanced polymer yields, but, moreover, improved properties of materials. The last part of thesis describes the investigation of biodegradation of polyurethane elastomeric films modified by various biopolymers in presence of mixed thermophillic culture as a model of natural bacterial consortium. The presence of materials in cultivation medium resulted in delayed but intensive growth of bacterial culture. The unusually long lag-phase was caused by release of un-reacted polyether polyol and tin catalyst from materials. The main part of material degradation was caused by abiotic degradation of elastomeric films, nevertheless, also bacterial culture slightly contributed to material decomposition. The measure of biotic degradation strongly depended on type of used modification agent. The highest tendency to undergo biotic degradation was observed for elastomeric film modified by acetylated cellulose.
Keywords:
Bacillus megaterium; biodegradace; Cupriavidus necator H16; Polyhydroxyalkanoáty; polyurethany; stressová odpověď bakterií; Bacillus megaterium; biodegradation; Cupriavidus necator H16; Polyhydroxyalkanoates; polyurethanes; stress response of bacteria
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/11012/8314
guest ::
