Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Molecular Networks Created by Charge-Assisted Hydrogen Bonds Between Bis(aminidinium) Cations and Carboxylates, Sulfonates, Phosphonates and Phosphates

L'objectif de cette étude est d'apprendre à créer de nouveaux matériaux moléculaires par design. À l'heure actuelle, il n'existe aucune méthode générale pour la prédiction des structures et des propriétés, mais des progrès importants ont été accomplis, en particulier dans la fabrication de matériaux moléculaires ordonnés tels que des cristaux. En ces matériaux, l'organisation peut être contrôlée efficacement par la stratégie de la tectonique moléculaire. Cette approche utilise des molécules appelées “tectons”, qui peuvent s’associer de manière dirigée par des interactions non covalentes prévisibles. De cette façon, la position de chaque molécule par rapport à ses voisins peut être programmée avec un degré élevé de fiabilité pour créer des cristaux et d'autres matériaux organisés avec des caractéristiques et des propriétés structurelles souhaitables. Le travail que nous allons décrire est axé sur l'utilisation de l'association des cations bis(aminidinium) avec des carboxylates, sulfonates, phosphonates et phosphates, afin de créer des réseaux moléculaires prévisibles. Ces réseaux promettent d'être particulièrement robuste, car ils sont maintenus ensemble par de multiples liaisons hydrogène assistées par des interactions électrostatiques.

Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

Electrical conductivity, dielectric constant and phase transitions in pure and doped diammonium hydrogen phosphate

DC and AC electrical conductivity measurements in single crystals of diammonium hydrogen phosphate along the c axis show anomalous variations at 174, 246 and 416 K. The low-frequency dielectric constant also exhibits peaks exactly at these temperatures with a thermal hysteresis of 13 degrees C for the peak at 416 K. These specific features of the electrical properties are in agreement with earlier NMR second-moment data and can be identified with three distinct phase transitions that occur in the crystal. The electrical conductivity values have been found to increase linearly with impurity concentration in specimens doped with a specific amount of SO42- ions. The mechanisms of the phase transition and of the electrical conduction process are discussed in detail.

Studies on Non-Resonant Multiphoton Processes in Atomic Hydrogen

In the present thesis we have formulated the Dalgarno-Lewis procedure for two-and three-photon processes and an elegant alternate expressions are derived. Starting from a brief review on various multiphoton processes we have discussed the difficulties coming in the perturbative treatment of multiphoton processes. A small discussion on various available methods for studying multiphoton processes are presented in chapter 2. These theoretical treatments mainly concentrate on the evaluation of the higher order matrix elements coming in the perturbation theory. In chapter 3 we have described the use of Dalgarno-Lewis procedure and its implimentation on second order matrix elements. The analytical expressions for twophoton transition amplitude, two-photon ionization cross section, dipole dynamic polarizability and Kramers-Heiseberg are obtained in a unified manner. Fourth chapter is an extension of the implicit summation technique presented in chapter 3. We have clearly mentioned the advantage of our method, especially the analytical continuation of the relevant expressions suited for various values of radiation frequency which is also used for efficient numerical analysis. A possible extension of the work is to study various multiphoton processcs from the stark shifted first excited states of hydrogen atom. We can also extend this procedure for studying multiphoton processes in alkali atoms as well as Rydberg atoms. Also, instead of going for analytical expressions, one can try a complete numerical evaluation of the higher order matrix elements using this procedure.

Development of nitrifying and photosynthetic sulfur bacteria based bioaugmentation systems for the bioremediation of ammonia and hydrogen sulphide in shrimp culture

This thesis entitled Development of nitrifying ans photosynthetic sulfur bacteria based bioaugmentation systems for the bioremediation of ammonia and hydregen sulphide in shrimp culture. the thesis is to propose a sustainable, low cost option for the mitigation of toxic ammonia and hydrogen sulphide in shrimp culture systems. Use of ‘bioaugmentors’ as pond additives is an emerging field in aquaculture. Understanding the role of organisms involved in the ‘bioaugmentor’ will obviously help to optimize conditions for their activity.The thesis describes the use of wood powder immobilization of nitrifying consortia.Shrimp grow out systems are specialized and highly dynamic aquaculture production units which when operated under zero exchange mode require bioremediation of ammonia, nitrite nitrogen and hydrogen sulphide to protect the crop. The research conducted here is to develop an economically viable and user friendly technology for addressing the above problem. The nitrifying bacterial consortia (NBC) generated earlier (Achuthan et al., 2006) were used for developing the technology.Clear demonstration of better quality of immobilized nitrifiers generated in this study for field application.

Studies in the effects of hydrogen sulphide on the penaeid prawns of Kayamkulam lake, Southwest coast of India

The work presented in this thesis is centered mainly around delineating the toxic effect of hydrogen sulphide on penaeid prawns and understand its influence on the ecology of estuary. The present investigation also involved characterization of the effects of hydrogen sulphide on the growth and behavioural responses of Penaeus indicus. The test animals employed during the present study namely indicus and Metapenaeus dobsoni are both ecologically and economically relevant. The thesis embodying the details of the investigation has been organized into three chapters comprising Acute toxicity, influence of hydrogen sulphide on the ecology of estuary and effect of hydrogen sulphide on growth and substratum selectivity of penaeid prawn. Each chapter has been partioned into various sections as Introduction, Material and Methods, Results and Discussion for a lucid presentation of the subject matter.

Calorimetry of hydrogen desorption from a-Si nanoparticles

The process of hydrogen desorption from amorphous silicon (a-Si) nanoparticles grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) has been analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), mass spectrometry, and infrared spectroscopy, with the aim of quantifying the energy exchanged. Two exothermic peaks centered at 330 and 410 C have been detected with energies per H atom of about 50 meV. This value has been compared with the results of theoretical calculations and is found to agree with the dissociation energy of Si-H groups of about 3.25 eV per H atom, provided that the formation energy per dangling bond in a-Si is about 1.15 eV. It is shown that this result is valid for a-Si:H films, too.

Growth And Characterization Of Diammonium Hydrogen Citrate And Citric Acid Monohydrate Single Crystals

Over the past years there has been considerable interest in the growth of single crystals both from the point of view of basic research and technological application. With the revolutionary emergence of solid state electronics which is based on single crystal technolo8Ys basic and applied studies on crystal growth and characterization _have gained a-more significant role in material science. These studies are being carried out for single crystals not only of semiconductor and other electronic materials but also of metals and insulators. Many organic crystals belonging to the orthorhombic class exhibit ferroelectric, electrooptic, triboluminescent and piezoelectric properties. Diammonium Hydrogen Citrate (DAHC) crystals are reported to be piezoelectric and triboluminescent /1/. Koptsik et al. /2/ have reported the piezoelectric nature of Citric Acid Monohydrate (CA) crystals. And since not much work has been done on these crystals, it has been thought useful to grow and characterize these crystals. This thesis presents a study of the growth of these crystals from solution and their defect structures. The results of the microindentation and thermal analysis are presented. Dielectric, fractographic, infrared (IR) and ultraviolet (UV) studies of DAHC crystals are also reported

Non-Born-Oppenheimer Dynamics of Hydrogen Molecules in Strong Laser-Fields

Die Arbeit behandelt die numerische Untersuchung von Wasserstoff-Moleküldynamik in starken Laserfeldern. Im Speziellen wird die Struktur von Ionisationsspektren bei Einfach-Photoionisation betrachtet. Korrelationen zwischen Elektron- und Kernbewegung werden identifiziert und mit Effekten in den Energiespektren in Verbindung gebracht. Dabei wird stets auf die Integration der zeitabhängigen Schrödingergleichung zurückgegriffen.

Surface Functionalization of Monodisperse Magnetic Nanoparticles

We present a systematic methodology to functionalize magnetic nanoparticles through surface-initiated atom-transfer radical polymerization (ATRP). The magnetite nanoparticles are prepared according to the method proposed by Sun et al. (2004), which leads to a monodisperse population of ~ 6 nm particles stabilized by oleic acid. The functionalization of the nanoparticles has been performed by transforming particles into macro-initiators for the ATRP, and to achieve this two different routes have been explored. The first one is the ligand-exchange method, which consists of replacing some oleic acid molecules adsorbed on the particle surface with molecules that act as an initiator for ATRP. The second method consists in using the addition reaction of bromine to the oleic acid double bond, which turns the oleic acid itself into an initiator for the ATRP. We have then grown polymer brushes of a variety of acrylic polymers on the particles, including polyisopropylacrylamide and polyacrylic acid. The nanoparticles so functionalized are water soluble and show responsive behavior: either temperature responsive behavior when polyisopropylacrylamide is grown from the surface or PH responsive in the case of polyacrylic acid. This methodology has potential applications in the control of clustering of magnetic nanoparticles.