Lignocellulose degradation and humus modification by the fungus Paecilomyces inflatus

Composting is the biological conversion of solid organic waste into usable end products such as fertilizers, substrates for mushroom production and biogas. Although composts are highly variable in their bulk composition, composting material is generally based on lignocellulose compounds derived from agricultural, forestry, fruit and vegetable processing, household and municipal wastes. Lignocellulose is very recalcitrant; however it is rich and abundant source of carbon and energy. Therefore lignocellulose degradation is essential for maintaining the global carbon cycle. In compost, the active component involved in the biodegradation and conversion processes is the resident microbial population, among which microfungi play a very important role. In composting pile the warm, humid, and aerobic environment provides the optimal conditions for their development. Microfungi use many carbon sources, including lignocellulosic polymers and can survive in extreme conditions. Typically microfungi are responsible for compost maturation. In order to improve the composting process, more information is needed about the microbial degradation process. Better knowledge on the lignocellulose degradation by microfungi could be used to optimize the composting process. Thus, this thesis focused on lignocellulose and humic compounds degradation by a microfungus Paecilomyces inflatus, which belongs to a flora of common microbial compost, soil and decaying plant remains. It is a very common species in Europe, North America and Asia. The lignocellulose and humic compounds degradation was studied using several methods including measurements of carbon release from 14C-labelled compounds, such as synthetic lignin (dehydrogenative polymer, DHP) and humic acids, as well as by determination of fibre composition using chemical detergents and sulphuric acid. Spectrophotometric enzyme assays were conducted to detect extracellular lignocellulose-degrading hydrolytic and oxidative enzymes. Paecilomyces inflatus secreted clearly extracellular laccase to the culture media. Laccase was involved in the degradation process of lignin and humic acids. In compost P. inflatus mineralised 6-10% of 14C-labelled DHP into carbon dioxide. About 15% of labelled DHP was converted into water-soluble compounds. Also humic acids were partly mineralised and converted into water-soluble material, such as low-molecular mass fulvic acid-like compounds. Although laccase activity in aromatics-rich compost media clearly is connected with the degradation process of lignin and lignin-like compounds, it may preferentially effect the polymerisation and/or detoxification of such aromatic compounds. P. inflatus can degrade lignin and carbohydrates also while growing in straw and in wood. The cellulolytic enzyme system includes endoglucanase and β-glucosidase. In P. inflatus the secretion of these enzymes was stimulated by low-molecular-weight aromatics, such as soil humic acid and veratric acid. When strains of P. inflatus from different ecophysiological origins were compared, indications were found that specific adaptation strategies needed for lignocellulosics degradation may operate in P. inflatus. The degradative features of these microfungi are on relevance for lignocellulose decomposition in nature, especially in soil and compost environments, where basidiomycetes are not established. The results of this study may help to understand, control and better design the process of plant polymer conversion in compost environment, with a special emphasis on the role of ubiquitous microfungi.

Kompostoitumisella tarkoitetaan kiinteän orgaanisen aineen biologista muuntumista hyödynnettäviksi lopputuotteiksi, kuten vaikkapa lannoitteiksi, ruokasienten kasvatusalustoiksi sekä biokaasuksi. Kompostien koostumus vaihtelee suuresti; kuitenkin useimmiten kompostin perustana ovat kasviperäiset materiaalit sekä talousjätteet. Kasviaines on pääosin rakentunut puuaineesta eli ligniinistä sekä selluloosasta. Kasviainekseen on sitoutunut valtava määrä hiiltä ja energiaa. Kokonaisuutena lignoselluloosan hajotus on välttämätöntä maapallon hiilen kierron kannalta. Kompostissa kompostin mikrobit, erityisesti mikrosienet, muuntavat ja hajottavat lignoselluloosaa. Kompostin lämmin, kostea ilma takaa mikrosienille ihanteelliset olot sienten kasvuun ja kasviaineksen hajotukseen. Monet mikrosienet ovat sopeutuneet selviytymään äärimmäisissäkin olosuhteissa. Kasviaineksen kompostoitumistehokkuutta voidaan lisätä, jos kompostoitumisen mikrobiologia ja erityisesti lignoselluloosan hajotus tunnetaan hyvin. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia kompostissa elävän Paecilomyces inflatus mikrosienen lignoselluloosan sekä humusyhdisteiden hajotusta. Sieni on sangen tavallinen maaperän ja kompostien sieni sekä Euroopassa, Aasiassa että Pohjois-Amerikassa. Sienen on todettu kykenevän kasvamaan myös puussa. Lignoselluloosan ja humusyhdisteiden hajotusta tutkittiin usein eri menetelmin, mm. käyttämällä radioaktiivisella hiilellä leimattuja malliyhdisteitä, analysoimalla kasviaineksen puuaineen määrää sekä tutkimalla sienen puuainetta hajottavien entsyymien erittymistä kasvualustaan. Tutkimuksissa selvisi että kompostista eristetty mikrosieni P. inflatus osoitti selvästi solunulkoisten hapettavien entsyymien kuten lakkaasin tuottoa. Lakkaasin avulla sieni pystyi hajottamaan jonkin verran puuainetta ja humusyhdisteitä, kuten humushappoja, joiden tärkein lähtöaine on puuaine eli ligniini. Kompostissa mikrosieni hajotti 6 -10% radioaktiivisella hiilellä leimatusta puuaineesta hiilidioksidiksi. Leimautuneita vesiliukoisia yhdisteitä muodostui 15%. Sieni tuotti humushaposta hiilidioksidia ja pienimolekyylisiä yhdisteitä kompostiviljemässä. Paitsi kompostissa P. inflatus hajottaa puuainetta ja hiilihydraatteja myös olkialustalla ja puussa. Sieni näyttää olevan hyvin sopeutunut myös näihin olosuhteisiin. Selluloosaa hajottavista entsyymeistä sieni tuotti endoglukanaasia ja β-glukosidaasia. Tulokset osoittavat, että näillä sienillä voi olla merkittävä osuus ligniinin, humuksen ja lignoselluloosan hajotuksessa niin kompostissa kuin maassakin, eli ympäristöissä, missä varsinaisten puuta lahottavien kantasienten elinkyky on rajoittunut. Tutkimustyön tulokset auttavat paremmin ymmärtämään, hallitsemaan ja suunnittelemaan kasviaineksen kompostihajotusta. Tulokset vahvistavat mikrosienten keskeistä osuutta osana hyvän kompostin toimintaa.