Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Development of microbial treatment of ret liquor generated in a coir retting bioreactor

School of Environmental Studies, Cochin University of Science and Technology

lncidence of enterotoxigenic Staphylococcus aureus in relation to the microbial safety of seafood

A detailed study was made on the microbial quality, with special reference to food safety, of the fish and fishery products in the retail trade in Cochin and around. Also, farmed molluscan shellfishes like mussels and oysters were investigated for the microbial quality including the presence of pathogenic bacteria. Special stress has been given to monitor the incidence of coagulase positive as well as coagulase negative Staphylococcus in these products and their relative incidence have been recorded.In the next part, the investigation was centered mainly on toxigenic S.aureus. This is because among the Gram positive toxigenic bacteria, the Saureus with potential to produce thermostable enterotoxins are more relavent in food safety conceming seafoods in comparison with the Gram-negative pathogens like Salmonella and V.cholerae.The incidence, toxigenic potential and conditions of toxin production by S.aureus have been investigated in detail. An attempt has also been made to relate the toxigenisis with the presence of the concerned toxigenic genes in the genomes of S. aureus strains.

Bioremediation of petroleum sludge through Phytoremediation.Land farming and Microbial enhanced oil separation

The objective of this research is to study the feasibility of bioremediating the oily sludge from a refinery site. Three different methods of waste treatment were tried i.e. phytoremediation, land farming and microbial enhanced oil separation in laboratory scale treatment systems. A multiprocess approach by combination of phytoremediation, biostimulation and microbial enhanced oil separation is also presented. The methods of analysis, experimental procedure, and results are incorporated into five chapters of this thesis entitled "Bioremediation of petroleum sludge through phytoremediation, land farming and microbial enhanced oil separation.

Haematology of Fenneropenaeus indicus in response to environmental alterations and microbial infections

Aquaculture has developed to become one of the fastest growing food producing sectors in the world.Today India is one among the major shrimp producing countries in the world.There are extensive and intensive shrimp culture practices. In extensive shrimp culture, shrimps are stocked at low densities (< 25 PLs m'2)in large ponds or tidal enclosures in which little or no management is exercised or possible. Farmers depend almost entirely on natural conditions in extensive cultures. Intensive shrimp culture is carried out in high densities (>200 PLs m'2). Much of the world shrimp production still comes from extensive culture.There is a growing demand for fish and marine products for human and animal consumption. This demand has led to rapid growth of aquaculture, which some times has been accompanied by ecological impacts and economic loss due to diseases. The expansion of shrimp culture always accompanies local environmental degradation and occurrence of diseases.Disease out breaks is recognised as a significant constraint to aquaculture production. Environmental factors, water quality, pollution due to effluent discharge and pathogenic invasion due to vertical and horizontal transmission are the main causes of shrimp disease out breaks. Nutritional imbalance, toxicant and other pollutants also account for the onset of diseases. pathogens include viruses, bacteria, fungi and parasites.Viruses are the most economically significant pathogens of the cultured shrimps world wide. Disease control in shrimp aquaculture should focus first on preventive measures for eliminating disease promoting factors.ln order to design prophylactic and proactive measures against shrimp diseases, it is mandatory to understand the immune make up of the cultivable species, its optimum culture conditions and the physico chemical parameters of the rearing environment. It has been proven beyond doubt that disease is an end result of complex interaction of environment, pathogen and the host animal. The aquatic environment is abounded with infectious microbes.The transmission of disease in this environment is extremely easy, especially under dense, culture conditions. Therefore, a better understanding of the immune responses of the cultured animal in relation to its environmental alterations and microbial invasions is essential indevising strategic measures against aquaculture loss due to diseases. This study accentuate the importance of proper and regular health monitoring in shrimps employing the most appropriate haematological biomarkers for application of suitable prophylactic measures in order to avoid serious health hazards in shrimp culture systems.

Spatial and Temporal Variation of Microbial Community Structure In Surficial Sediments of Cochin Estuary

This thesis entitled spatial and temporal variarion of microbial community structure in surficial sediments of cochin estuary.In the estuarine and coastal systems, organic matter (OM) is derived not only from autochthonous primary production, but also from allochthonous (terrestrial) organic matter (OM) delivered by river discharge and runoff. A significant portion of the OM sinks through the water column and is ultimately stored in carbon pool in the sediments.Analysis of spatial and temporal variation in benthic microbial community of a tropical estuary was conducted for the first time using non selective measures that affirms that PLFA approach is a sensitive and reliable method in determining microbial community structures of surficial sediments of estuary.The close relationship between the concentrations of the microbial fatty acids and total biomass indicates that bacteria could account for the largest proportion of the biomass in the sediments.This is first study that has documented the changes in microbial community composition linkage to biotic and abiotic variables in benthic estuarine ecosystem. This contemporaneous community will be the backdrop for understanding the response of autochthonous community to increasing anthropogenic stress.

Microbial production of antibiotics from mangrove ecosystem

The present study on "Microbial production of antibiotics from mangrove ecosystem” was carried out for a period of one year in four selected Stations, Mangalavana, Narakkal, Puthuvyppu and light house area of Puthuvyppu (9°55' — 10°10'N and 76°10‘ - 76°20'E) from January to December 1991. Though much emphasis has been given to occurrence and distribution of actinomycetes, an attempt was also made to understand the distribution patterns of other micro flora in the sediments. Data on physico-chemical parameters were also collected to find out their relationship if any with the microflora. The principle interest of the present investigation is to determineseasonal variations of antagonistic actinomycetes in selected mangrove ecosystem. The microbial interrelationship in mangrove sediments was found out by constructing the ratio between bacteria and actinomycetes, bacteria and fungi, fungi and actinomycetes. In addition temperature, pH, salinity, dissolved oxygen and organic carbon were determined seasonally and their possible relationship was statistically analyzed and the results are presented. Isolated actinomycetes were subjected to cross streak assay to know their nature of antibiotic activity against test fish pathogens and crude antibiotics were extracted from selected isolates and their inhibitory activity is studied and the results are discussed.

Studies on the Microbial spoilage of Penaeus indicus

The aim of the present investigation is to build up the knowledge on the role of commensal bacteria present on the prawns during storage at various temperatures. The study Evaluates the nature of spoilage of prawns during storage at three different temperatures (28:2OC, 4°C and -18°C) by organoleptic assessment, accumulation of trim ethylamine, ammonia content, changes in the flesh pH and total heterotrophic bacterial population at various time intervals and to find out the changes in the proximate composition (protein, carbohydrate, lipid, ash and moisture) of the prawns during storage at various temperatures by estimating the contents at different time intervals along with spoilage assessment. The researcher studies the occurrence and role of various bacterial genera which form the component of spoilage flora during storage and determines the distribution of various hydrolytic enzyme producing bacteria by evaluating their ability to produce enzymes such as caseinase, gelatinase, amylase, lipase and urease. to assess the spoilage potential of the bacteria by testing their ability to reduce trimethylamine oxide (TMAO) to trimethylamine (TMA) and to produce odour in flesh broth and halos in flesh agar media.The researcher also gives stress on the growth kinetics of selected potential spoilers by growing_them in different media and to assess the effect of sodium chloride concentrations, temperature and pH on their growth, survival and. generation time.

Microbial flora of selected species o crustaceans

The thesis deals with the bacterial flora of the Cochin backwaters. Sediment and the prawns caught from these backwaters in quantitative and qualitative terms, their growth in relation to temperature, their susceptibility to various antibiotics, their role in terms of food for juvenile prawns and the presence of bacteria of public health significance. According to the researcher such a comprehensive study would be of some relevance to shell-fish processing industries apart from its academic value. The effect of antibiotics on the bacteria and the utility of bacteria as food for the juvenile prawns are studied and presented in different chapters.