Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

Prediction of Klason lignin and lignin thermal degradation products by Py-GC/MS in a collection of Lolium and Festuca grasses

A rapid method for the analysis of biomass feedstocks was established to identify the quality of the pyrolysis products likely to impact on bio-oil production. A total of 15 Lolium and Festuca grasses known to exhibit a range of Klason lignin contents were analysed by pyroprobe-GC/MS (Py-GC/MS) to determine the composition of the thermal degradation products of lignin. The identification of key marker compounds which are the derivatives of the three major lignin subunits (G, H, and S) allowed pyroprobe-GC/MS to be statistically correlated to the Klason lignin content of the biomass using the partial least-square method to produce a calibration model. Data from this multivariate modelling procedure was then applied to identify likely "key marker" ions representative of the lignin subunits from the mass spectral data. The combined total abundance of the identified key markers for the lignin subunits exhibited a linear relationship with the Klason lignin content. In addition the effect of alkali metal concentration on optimum pyrolysis characteristics was also examined. Washing of the grass samples removed approximately 70% of the metals and changed the characteristics of the thermal degradation process and products. Overall the data indicate that both the organic and inorganic specification of the biofuel impacts on the pyrolysis process and that pyroprobe-GC/MS is a suitable analytical technique to asses lignin composition. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Monitoring of Fungal Growth and Degradation of Wood

Valko- ja ruskolahosienet tunnetaan luonnossa tehokkaimpina puun ja karikkeen lignoselluloosan lahottajina. Valkolahosienet pystyvät hajottamaan kaikkia puun osia: ligniiniä, selluloosaa ja hemiselluloosaa. Selektiivisesti ligniiniä hajottavat sienet lahottavat puusta suhteessa enemmän vaikeasti hajoavaa ligniiniä kuin selluloosaa tai hemiselluloosaa, jolloin jäljelle jää valkoista ja miltei puhdasta selluloosaa. Bioteknisissä sovelluksissa juuri selektiviiviset valkolahottajat ovat kiinnostavia. Niiden avulla voidaan puuhaketta esikäsitellä esimerkiksi paperinvalmistuksessa haitallisen ligniinin poistamiseksi. Ruskolahosienet ovat huomattavia puun, puutavaran ja puisten rakenteiden lahottajia, kuten tässä työssä käytetty Gloeophyllum trabeum (saunasieni ) ja Poria (Postia) placenta (istukkakääpä). Ruskolahosienet hajottavat puusta hemiselluloosan lisäksi selluloosaa, jolloin jää jäljelle ruskea ja jauhomaiseksi mureneva ligniini. Ruskolahosienet muovaavat ligniiniä jonkin verran. Kahden ruskolahosienen G. trabeumin ja P. placentan lisäksi tutkittiin valkolahosieniä, joista Ceriporiopsis subvermispora (karstakääpä) ja harvinainen Physisporinus rivulosus -sieni (talikääpä) hajottavat ligniiniä erittäin selektiivisesti. Phanerochaete chrysosporium on kaikkialla paljon tutkittu sieni, ja Phlebia radiata valkolahosientä (rusorypykkä) on tutkittu paljon mikrobiologian osastolla. Lisäksi tutkittiin Phlebia tremellosa -sienten (hytyrypykkä) ligninolyyttisten entsyymien tuottoa ja 14C-leimatun synteettisen ligniinin (DHP) hajotusta. P. radiata ja P. tremellosa -sienten on todettu aiemmin hajottavan ligniiniä selektiivisesti. Työssä selvitettiin miten sienten kasvua voi mitata, miten vertailukelpoisia eri mittaamismenetelmillä saadut tulokset ovat ja ilmenevätkö sienten aktiivisimmat kasvuvaiheet samaan aikaan eri menetelmillä mitattuna. Tärkeimmät tulokset olivat seuraavat havainnot: (i) P. radiata ja P. tremellosa -sienikannat tuottivat ligniini- ja mangaaniperoksidaasientsyymejä (LiP ja MnP) sekä lakkaasia, ja sienistä puhdistettiin 2-3 LiP- ja P. radiatasta yksi MnP-entsyymi; (ii) P. tremellosa -sienet hajottivat leimattua synteettistä ligniiniä (DHP) yhtä hyvin kuin paljon tutkitut P. chrysosporium ja P. radiata -sienet; (iii) puu, sienen luonnollinen kasvualusta, lisäsi valkolaho- ja ruskolahosienten demetoksylaatiota [O14CH3]-leimatusta ligniinin malliyhdisteestä 14CO2:ksi ilman puuta olleeseen alustaan verrattuna; (iv) demetoksylaatio (14CO2:n tuotto) oli normaalissa ilma-atmosfäärissä useimmiten parempi happeen verrattuna; (v) hapessa paras 14CO2:n tuotto saatiin puupalakasvatuksissa, joihin oli lisätty ravinnetyppeä tai typen lisäksi glukoosia sekä valkolaho- että ruskolahosienillä; (vi) ilmassa 14CO2:n tuotto oli puulla voimakkainta valkolahosienillä ilman lisäravinteita, kun taas G. trabeum -sienellä se oli yhtä hyvä eri alustoissa; (vii) biomassan muodostuminen rihmastojen ergosterolipitoisuuksista mitattuna oli ruskolahosienillä parempi kuin valkolahosienillä; (viii) ja biomassojen huippupitoisuudet olivat 6:lla sienellä eri suuruisia ja niiden maksimimäärien ajankohdat vaihtelivat viiden viikon kasvatusten kuluessa. Mikrobiologian osastolla Viikissä eristetty ja paljon tutkittu P. radiata -valkolahosieni oli mukana kaikissa tehdyissä kokeissa. Sienen LiP-aktiivisuus ja 14CO2:n tuotto 14C-rengas-leimatusta synteettisestä ligniinistä (DHP) korreloivat erittäin hyvin. Biomassan muodostuminen ergosterolilla määritettynä tuki hyvin entsyymiaktiivisuusmittauksilla ja isotooppikasvatuksilla saatuja tuloksia.

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.

Growth, dye degradation and ligninolytic activity studies on Zimbabwean white rot fungi

White rot fungi were collected from Chirinda and Chimanimani hardwood forests in Zimbabwe and studied with respect to growth temperature optima and dye decolorization. Temperature optima were found to vary (between 25-37 degreesC) amongst the isolates. The isolates were screened for their ability to degrade the polymeric dyes; blue dextran and Poly R478 and the triphenylmethane dyes; cresol red, crystal violet and bromophenol blue. Semi-quantitative determination of the hydrolytic enzyme activities possessed by the white rot fungi was determined using the API ZYM system. Lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP) and laccase activities in the fungi were also determined. No LiP was detected in any of the isolates but all isolates showed manganese peroxidase and laccase activities. Time related decolorization studies and optimum pH determinations for Poly R478 degradation by the isolates were carried out in liquid cultures. The most significant rates of Poly R478 decolorization in liquid cultures were found with the following isolates: Trametes cingulata, Trametes versicolor, Trametes pocas, DSPM95 (a species to be identified), Datronia concentrica and Pyenoporus sanguineus. (C) 2001 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Magnitude differences in bioactive compounds, chemical functional groups, fatty acid profiles, nutrient degradation and digestion, molecular structure and metabolic characteristics of protein in newly developed yellow-seeded and black-seeded canola lines.

Recently, new lines of yellow-seeded (CS-Y) and black-seeded canola (CS-B) have been developed with chemical and structural alteration through modern breeding technology. However, no systematic study was found on the bioactive compounds, chemical functional groups, fatty acid profiles, inherent structure, nutrient degradation and absorption, or metabolic characteristics between the newly developed yellow- and black-seeded canola lines. This study aimed to systematically characterize chemical, structural, and nutritional features in these canola lines. The parameters accessed include bioactive compounds and antinutrition factors, chemical functional groups, detailed chemical and nutrient profiles, energy value, nutrient fractions, protein structure, degradation kinetics, intestinal digestion, true intestinal protein supply, and feed milk value. The results showed that the CS-Y line was lower (P ≤ 0.05) in neutral detergent fiber (122 vs 154 g/kg DM), acid detergent fiber (61 vs 99 g/kg DM), lignin (58 vs 77 g/kg DM), nonprotein nitrogen (56 vs 68 g/kg DM), and acid detergent insoluble protein (11 vs 35 g/kg DM) than the CS-B line. There was no difference in fatty acid profiles except C20:1 eicosenoic acid content (omega-9) which was in lower in the CS-Y line (P < 0.05) compared to the CS-B line. The glucosinolate compounds differed (P < 0.05) in terms of 4-pentenyl, phenylethyl, 3-CH3-indolyl, and 3-butenyl glucosinolates (2.9 vs 1.0 μmol/g) between the CS-Y and CS-B lines. For bioactive compounds, total polyphenols tended to be different (6.3 vs 7.2 g/kg DM), but there were no differences in erucic acid and condensed tannins with averages of 0.3 and 3.1 g/kg DM, respectively. When protein was portioned into five subfractions, significant differences were found in PA, PB1 (65 vs 79 g/kg CP), PB2, and PC fractions (10 vs 33 g/kg CP), indicating protein degradation and supply to small intestine differed between two new lines. In terms of protein structure spectral profile, there were no significant differences in functional groups of amides I and II, α helix, and β-sheet structure as well as their ratio between the two new lines, indicating no difference in protein structure makeup and conformation between the two lines. In terms of energy values, there were significant differences in total digestible nutrient (TDN; 149 vs 133 g/kg DM), metabolizable energy (ME; 58 vs 52 MJ/kg DM), and net energy for lactation (NEL; 42 vs 37 MJ/kg DM) between CS-Y and CS-B lines. For in situ rumen degradation kinetics, the two lines differed in soluble fraction (S; 284 vs 341 g/kg CP), potential degradation fraction (D; 672 vs 590 g/kg CP), and effective degraded organic matter (EDOM; 710 vs 684 g/kg OM), but no difference in degradation rate. CS-Y had higher digestibility of rumen bypass protein in the intestine than CS-B (566 vs 446 g/kg of RUP, P < 0.05). Modeling nutrient supply results showed that microbial protein synthesis (MCP; 148 vs 171 g/kg DM) and rumen protein degraded balance (DPB; 108 vs 127 g/kg DM) were lower in the CS-Y line, but there were no differences in total truly digested protein in small intestine (DVE) and feed milk value (FMV) between the two lines. In conclusion, the new yellow line had different nutritional, chemical, and structural features compared to the black line. CS-Y provided better nutrient utilization and availability.

Process Improvement of Coir Pith Degradation Involving White Rot Fungi By Substitution of Urea With Nitrogen Fixing Bacteria and Application of Biodegraded Coir Pith as Plant Growth Medium

In this study, a novel improved technology could be developed to convert the recalcitrant coir pith into environmental friendly organic manure. The standard method of composting involves the substitution of urea with nitrogen fixing bacteria viz. Azotobacter vinelandii and Azospirillum brasilense leading to the development of an improved method of coir pith. The combined action of the microorganisms could enhance the biodegradation of coir pith. In the present study, Pleurotus sajor caju, an edible mushroom which has the ability to degrade coir pith, and the addition of nitrogen fixing bacteria like Azotobacter vinelandii and Azospirillum brasilense could accelerate the action of the fungi on coir pith. The use of these microorganisms brings about definite changes in the NPK, Ammonia, Organic Carbon and Lignin contents in coir pith. This study will encourage the use of biodegraded coir pith as organic manure for agri/horti purpose to get better yields and can serve as a better technology to solve the problem of accumulated coir pith in coir based industries

Microscopic evidence supports the hypothesis of high cellulose degradation capacity by the symbiotic fungus of leaf-cutting ants

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Thermal and photochemical stability of poly(vinyl alcohol)/modified lignin blends

A kraft lignin derivative (KLD) obtained by reaction with p-aminobenzoic acid/phthalic anhydride was blended with poly(vinyl alcohol) (PVA) by solution casting from DMSO. PVA and PVA/KLD films were exposed to ultraviolet radiation (24, 48, and 96 h) and analyzed by thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), infrared spectroscopy (FTIR), hydrogen nuclear magnetic resonance (H-1 NMR) spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM). PVA films show a loss of thermal stability due to irradiation. PVA/KLD reveals greater thermal stability than PVA and an increase in thermal stability after irradiation. These results suggest that the incorporation of KLD into PVA provides a gain in thermal and photochemical stability. FTIR, H-1 NMR, DSC, and TG results obtained for the blends suggest that intermolecular interactions between PVA and KLD chains are present. SEM micrographs revealed blend miscibility for a KLD blend content of up to 15 wt%, as observed at magnification of 1000 times. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Thermal Characteristics of Lignin Residue from Industrial Processes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Bioremediation with White-Rot Fungi at Fisherville Mill: Analyses of Gene Expression and Number 6 Fuel Oil Degradation

Extracellular enzymes that white-rot fungi secrete during lignin decay have been proposed as promising agents for oxidizing pollutants. We investigated the abilities of the white-rot fungi Punctularia strigosozonata, Irpex lacteus, Trichaptum biforme, Phlebia radiata, Trametes versicolor, and Pleurotus ostreatus to degrade Number 6 fuel oil in wood sawdust cultures. Our goals are to advise bioremediation efforts at a brownfield redevelopment site on the Blackstone River in Grafton, Massachusetts and to contribute to the understanding of decay mechanisms in white-rot fungi. All species tested degraded a C10 alkane. When cultivated for 6 months, Irpex lacteus, T. biforme, P. radiata, T. versicolor and P. ostreatus also degraded a C14 alkane and the polycyclic aromatic hydrocarbon phenanthrene. Gene expression analyses of P. strigosozonata indicate differential gene expression in the presence of Number 6 oil and on pine and aspen sawdust.