Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Pentitol phosphate dehydrogenases: Discovery, characterization and use in D-arabitol and xylitol production by metabolically engineered Bacillus subtilis

The ultimate goal of this study has been to construct metabolically engineered microbial strains capable of fermenting glucose into pentitols D-arabitol and, especially, xylitol. The path that was chosen to achieve this goal required discovery, isolation and sequencing of at least two pentitol phosphate dehydrogenases of different specificity, followed by cloning and expression of their genes and characterization of recombinant arabitol and xylitol phosphate dehydrogenases. An enzyme of a previously unknown specificity, D-arabitol phosphate dehydrogenase (APDH), was discovered in Enterococcus avium. The enzyme was purified to homogenity from E. avium strain ATCC 33665. SDS/PAGE revealed that the enzyme has a molecular mass of 41 ± 2 kDa, whereas a molecular mass of 160 ± 5 kDa was observed under non-denaturing conditions implying that the APDH may exist as a tetramer with identical subunits. Purified APDH was found to have narrow substrate specificity, converting only D-arabitol 1-phosphate and D-arabitol 5-phosphate into D-xylulose 5-phosphate and D-ribulose 5-phosphate, respectively, in the oxidative reaction. Both NAD+ and NADP+ were accepted as co-factors. Based on the partial protein sequences, the gene encoding APDH was cloned. Homology comparisons place APDH within the medium chain dehydrogenase family. Unlike most members of this family, APDH requires Mn2+ but no Zn2+ for enzymatic activity. The DNA sequence surrounding the gene suggests that it belongs to an operon that also contains several components of phosphotransferase system (PTS). The apparent role of the enzyme is to participate in arabitol catabolism via the arabitol phosphate route similar to the ribitol and xylitol catabolic routes described previously. Xylitol phosphate dehydrogenase (XPDH) was isolated from Lactobacillus rhamnosus strain ATCC 15820. The enzyme was partially sequenced. Amino acid sequences were used to isolate the gene encoding the enzyme. The homology comparisons of the deduced amino acid sequence of L. rhamnosus XPDH revealed several similar enzymes in genomes of various species of Gram-positive bacteria. Two enzymes of Clostridium difficile and an enzyme of Bacillus halodurans were cloned and their substrate specificities together with the substrate specificity of L. rhamnosus XPDH were compared. It was found that one of the XPDH enzymes of C. difficile and the XPDH of L. rhamnosus had the highest selectivity towards D-xylulose 5-phosphate. A known transketolase-deficient and D-ribose-producing mutant of Bacillus subtilis (ATCC 31094) was further modified by disrupting its rpi (D-ribose phosphate isomerase) gene to create D-ribulose- and D-xylulose-producing strain. Expression of APDH of E. avium and XPDH of L. rhamnosus and C. difficile in D-ribulose- and D-xylulose-producing strain of B. subtilis resulted in strains capable of converting D-glucose into D-arabitol and xylitol, respectively. The D-arabitol yield on D-glucose was 38 % (w/w). Xylitol production was accompanied by co-production of ribitol limiting xylitol yield to 23 %.