Original title:
Biotechnologická produkce polyhydroxyalkanoátů pomocí termofilních bakterií
Translated title:
Biotechnological production of polyhydroxyalkanoates by thermophiles
Authors:
Kouřilová, Xenie ; Patáková, Petra (referee) ; Koutný, Marek (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2024
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
Polyhydroxyalkanoáty (PHA) jsou mikrobiální biopolymery, které mohou představovat částečnou alternativu k petrochemicky vyráběným plastům. Jejich hlavní předností je biodegradabilita, biokompatibilita a možnost produkce z obnovitelných zdrojů. Nicméně náklady na jejich produkci jsou stále vyšší než cena polymerů původem z ropy. Pro zvýšení konkurenceschopnosti biotechnologických procesů byl představen koncept Next generation industrial biotechnology (NGIB), který se mimo jiné opírá o využití extremofilních mikroorganismů. Při implementaci extremofilů do fermentačních procesů dochází ke zvýšení robustnosti těchto technologií a zároveň mohou být sníženy nároky na sterilitu. V souvislosti s produkcí PHA pomocí extremofilů je poměrně dobře zmapovaná podskupina halofilních mikroorganismů. Výrazně méně informací je dostupných o další zajímavé kategorii, a to termofilech. V souladu s myšlenkou NGIB se v disertační práci zabýváme produkcí PHA právě pomocí termofilních bakterií. Pozornost je věnována především rodům Caldimonas, Rubrobacter a Tepidimonas. U řady testovaných zástupců těchto rodů byly sledovanými parametry optimální kultivační teplota, vhodný uhlíkatý substrát a schopnost produkce kopolymerů. Na základě tohoto základního screeningu byly vybráni nejslibnější producenti, kteří byli podrobeni dalším experimentům. Předností zástupců rodu Rubrobacter je, že se jedná o gram-pozitivní nesporulující bakterie, jelikož odpadá riziko kontaminace izolovaného polymeru pyrogenními lipopolysacharidy, které jsou přítomné v buněčné stěně gram-negativních mikroorganismů. Bakteriální kmen Tepidimonas taiwanensis LMG 22826T byl schopen produkovat vysoké výtěžky biomasy a PHA na směsi sacharidů glukózy a fruktózy. Při využití extraktu z vinných výlisků bylo dosaženo téměř totožných hodnot jako na čistých substrátech. Termofil Caldimonas thermodepolymerans DSM 15344, původním názvem Schlegelella thermodepolymerans, je velice slibným PHA producentem na substrátech bohatých na xylózu. Těmito substráty mohou být například hydrolyzáty lignocelulózových materiálů, které představují levný zdroj uhlíku. Zda jsou vhodné pro kultivaci C. thermodepolymerans bylo testováno na modelových hydrolyzátech složených z čistých sacharidů. Pro přiblížení reálných vzorků byl také zkoumán vliv potenciálních mikrobiálních inhibitorů vyskytujících se v lignocelulózových hydrolyzátech. V rámci disertační práce byl také vyvinut inovativní izolační protokol k zisku PHA založený na osmotickém namáhání termofilních a halofilních mikroorganismů za zvýšené teploty s přídavkem roztoku povrchově aktivní látky o nízké koncentraci.
Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are microbial biopolymers that may provide a partial alternative to petrochemically produced plastics. Their main advantages are biodegradability, biocompatibility, and the possibility of production from renewable sources. However, the cost of their production is still higher than that of petroleum-based polymers. To increase the competitiveness of biotechnological processes, the concept of Next Generation Industrial Biotechnology (NGIB) has been introduced by other authors. This concept relies on the use of extremophilic microorganisms. When extremophiles are implemented in fermentation processes, the robustness of these technologies is increased and at the same time sterility requirements can be reduced. In the context of PHA production using extremophiles, a subset of halophilic microorganisms is relatively well mapped. Significantly less information is available on another interesting category, namely thermophiles. In line with the idea of NGIB, it is the production of PHAs by thermophilic bacteria that is the focus of this thesis. Attention is paid mainly to the genera Caldimonas, Rubrobacter, and Tepidimonas. For several tested representatives of these genera, the parameters investigated were the optimal cultivation temperature, suitable carbon substrate and the ability to produce copolymers. Based on this basic screening parameters, the most promising producers were selected and subjected to further experiments. Representatives of the genus Rubrobacter have the advantage of being gram-positive non-sporulating bacteria, as the risk of contamination of the isolated polymer by pyrogenic lipopolysaccharides present in the cell wall of gram-negative microorganisms is eliminated. The bacterial strain Tepidimonas taiwanensis LMG 22826T was able to produce high yields of biomass and PHA on a mixture of glucose and fructose substrate. Using grape pomace extract, almost identical values to those obtained on pure substrates were achieved. The thermophile Caldimonas thermodepolymerans DSM 15344, originally named Schlegelella thermodepolymerans, is a very promising PHA producer on xylose-based substrates. These substrates can be, for example, hydrolysates of lignocellulosic materials, which represent a sustainable source of carbon. Their suitability for the cultivation of C. thermodepolymerans was tested on model hydrolysates composed of pure carbohydrates. To approximate real samples, the effect of potential microbial inhibitors present in lignocellulosic hydrolysates was also investigated. An innovative isolation protocol for the recovery of PHAs based on osmotic stressing of thermophilic and halophilic microorganisms under elevated temperature with the addition of a low concentration surfactant solution was also developed as part of the thesis.
Keywords:
food waste valorisation; Polyhydroxyalkanoates; biopolymers; extremophiles; thermophiles; Next Generation Industrial Biotechnology; biopolymery; extremofily; Polyhydroxyalkanoáty; průmyslové biotechnologie nové generace; termofily; valorizace potravinářských odpadů
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/246055
guest ::
