Characterization of Actinobacteria Degrading and Tolerating Organic Pollutants

Species of the genera Rhodococcus, Gordonia and Mycobacterium are known as degraders of recalcitrant pollutants. These bacteria are good survivors in harsh environments. Due to such properties these organisms are able to occupy a wide range of environmental niches. The members of these taxa have been suggested as tools for biotechnical applications such as bioremediation and biosynthesis. At the same time several of the species are known as opportunistic human pathogens. Therefore, the detailed characterization of any isolate that has potential for biotechnological applications is very important. This thesis deals with several corynebacterial strains originating from different polluted environments: soil, water-damaged indoor walls, and drinking water distribution systems. A polyphasic taxonomic approach was applied for characterization of the isolates. We found that the strains degrading monoaromatic compounds belonged to Rhodococcus opacus, a species that has not been associated with any health problem. The taxonomic position of strain B293, used for many years in degradation research under different names, was clarified. We assigned it to the species Gordonia polyisoprenivorans. This species is classified under European Biohazard grouping 1, meaning that it is not considered a health hazard for humans. However, there are reports of catheter-associated bacteraemia caused by G. polyisoprenivorans. Our results suggested that the ability of the organism to grow on phthalate esters, used as softeners in medical plastics, may be associated with the colonization of catheters and other devices. In this thesis Mycobacterium lentiflavum, a new emerging opportunistic human pathogen, was isolated from biofilms growing in public drinking water distribution systems. Our report on isolation of M. lentiflavum from water supplies is the second report on this species from drinking water systems, which may thus constitute a reservoir of M. lentiflavum. Automated riboprinting was evaluated for its applicability in rapidly identifying environmental mycobacteria. The technique was found useful in the characterization of several species of rapidly and slowly growing environmental mycobacteria. The second aspect of this thesis refers to characterization of the degradation and tolerance power of several R. opacus, M. murale and G. polyisoprenivorans strains. R. opacus GM-14 utilizes a wide range of aromatic substrates, including benzene, 15 different halobenzenes, 18 phenols and 7 benzoates. This study revealed the high tolerance of R. opacus strains toward toxic hydrophobic compounds. R. opacus GM-14 grew in mineral medium to which benzene or monochlorobenzene was added in amounts of 13 or 3 g l-1, respectively. R. opacus GM-29 utilized toluene and benzene for growth. Strain GM-29 grew in mineral medium with 7 g l-1 of liquid toluene or benzene as the sole carbon source, corresponding to aqueous concentrations of 470 and 650 mg l-1, respectively. Most organic solvents, such as toluene and benzene, due to their high level of hydrophobicity, pass through the bacterial membrane, causing its disintegration. In this thesis the mechanisms of adaptation of rhodococci to toxic hydrophobic compounds were investigated. The rhodococcal strains increased the level of saturation of their cellular fatty acids in response to challenge with phenol, chlorophenol, benzene, chlorobenzene or toluene. The results indicated that increase in the saturation level of cellular fatty acids, particularly that in tuberculostearic acid, is part of the adaptation mechanism of strains GM-14 and GM-29 to the presence of toxic hydrophobic compounds.

Purification of 3,5-Dichlorocatechol 1,2-Dioxygenase, a Nonheme Iron Dioxygenase and a Key Enzyme in the Biodegradation of a Herbicide, 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), from Pseudomonas cepacia CSV90

An enzyme which cleaves the benzene ring of 3,5-dichiorocatechol has been purified to homogeneity from Pseudomonas cepacia CSV90, grown with 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) as the sole carbon source. The enzyme was a nonheme ferric dioxygenase and catalyzed the intradiol cleavage of all the examined catechol derivatives, 3,5-dichlorocatechol having the highest specificity constant of 7.3 μM−1 s−1 in an air-saturated buffer. No extradiol-cleaving activity was observed. Thus, the enzyme was designated as 3,5-dichlorocatechol 1,2-dioxygenase. The molecular weight of the native enzyme was ascertained to be 56,000 by light scattering method, while the Mr value of the enzyme denatured with 6 M guanidine-HCl or sodium dodecyl sulfate was 29,000 or 31,600, respectively, suggesting that the enzyme was a homodimer. The iron content was estimated to be 0.89 mol per mole of enzyme. The enzyme was deep red and exhibited a broad absorption spectrum with a maximum at around 425 nm, which was bleached by sodium dithionite, and shifted to 515 nm upon anaerobic 3,5-dichlorocatechol binding. The catalytic constant and the Km values for 3,5-dichlorocatechol and oxygen were 34.7 s−1 and 4.4 and 652 μM, respectively, at pH 8 and 25°C. Some heavy metal ions, chelating agents and sulfhydryl reagents inhibited the activity. The NH2-terminal sequence was determined up to 44 amino acid residues and compared with those of the other catechol dioxygenases previously reported.

Functional Analysis of the Genes Encoding Diaminopropionate Ammonia Lyase in Escherichia coli and Salmonella enterica Serovar Typhimurium

Diaminopropionate ammonia lyase (DAPAL) is a pyridoxal-5'phosphate (PLP)-dependent enzyme that catalyzes the conversion of diaminopropionate (DAP) to pyruvate and ammonia and plays an important role in cell metabolism. We have investigated the role of the ygeX gene of Escherichia coli K-12 and its ortholog, STM1002, in Salmonella enterica serovar Typhimurium LT2, presumed to encode DAPAL, in the growth kinetics of the bacteria. While Salmonella Typhimurium LT2 could grow on DL-DAP as a sole carbon source, the wild-type E. coli K-12 strain exhibited only marginal growth on DL-DAP, suggesting that DAPAL is functional in S. Typhimurium. The expression of ygeX in E. coli was low as detected by reverse transcriptase PCR (RT-PCR), consistent with the poor growth of E. coli on DL-DAP. Strains of S. Typhimurium and E. coli with STM1002 and ygeX, respectively, deleted showed loss of growth on DL-DAP, confirming that STM1002 (ygeX) is the locus encoding DAPAL. Interestingly, the presence of DL-DAP caused a growth inhibition of the wild-type E. coli strain as well as the knockout strains of S. Typhimurium and E. coli in minimal glucose/glycerol medium. Inhibition by DL-DAP was rescued by transforming the strains with plasmids containing the STM1002 (ygeX) gene encoding DAPAL or supplementing the medium with Casamino Acids. Growth restoration studies using media lacking specific amino acid supplements suggested that growth inhibition by DL-DAP in the absence of DAPAL is associated with auxotrophy related to the inhibition of the enzymes involved in the biosynthetic pathways of pyruvate and aspartate and the amino acids derived from them.

Aerobic biodegradation of hexachlorobenzene by an acclimated microbial community

The aerobic degradation of hexachlorobenzene (HCB) by an acclimated microbial community which isolated from a contaminated site and acclimated in our laboratory was investigated. The enriched microbial community was capable of biodegrading HCB when cultivated in minimal salts medium and supplied HCB as the sole carbon source. The efficiencies of microbial community in the degradation of HCB under different pH and temperatures were examined. The phylogenetic analysis for the nearly complete sequences of 16S rDNA demonstrated that the bacteria assemblage in the microbial community was dominated by Azospirillum and Alcaligenes groups.

生物催化的Baeyer-Villiger氧化反应研究

Baeyer-Villiger氧化反应是一种很重要的化学反应，产生的许多中间体或产物可以被用来生产多种化学产品和药物。此反应具有多功能性，可以氧化多种羰基化合物，但是化学方法中的必需反应物——氧化剂在生产、储存、运输、反应的过程中都存在很多的不安全因素，反应的立体选择性也不强，而生物转化则具有底物选择性、立构选择性、化学选择性、对映选择性等一般化学反应中不具备的优点，在精细化工中占有很大的优势。在工业生物催化中有很好的应用前景。 为了研究生物催化的Baeyer-Villiger反应，我们从本实验室保藏菌种中分离筛选出一株能够以环己酮作为唯一碳源的菌株，进行初步研究并对其产物进行GC/MS定性，探讨了pH，装液量，底物浓度，培养时间，温度以及转速等条件对细菌生长的影响，并进一步研究了细菌的底物广谱性。 此菌株经鉴定属于邻单胞菌属Plesiomonas sp.)， 根据正交试验，确定了菌的最佳生长条件：底物浓度为1mL/L，底物浓度过高对菌株生长有抑制作用，转速为150 rpm ，温度为30℃ ，pH为7.0； 此菌株转化环己酮的产物通过GC/MS检测含有内酯，表明此菌株能够催化Baeyer-Villiger氧化反应；此菌株还能够以与环己酮有相似结构的环己烷，环戊酮等作为唯一碳源生长，说明此菌株底物利用范围比较广，用途比较广泛。 Baeyer-Villiger oxidation is an important chemical conversion, its products and intermediates can be used to produce a lot of medicine and fine chemicals. Its success is largely due to its versatility: a variety of carbonyl compounds can be oxidized, a large number of functional groups are tolerated, the regiochemistry is highly predictable and so on, but the oxidants that the traditional chemistry way needs have a number of problem in their production, storage, transportation and reaction, Chemistry way has not a high stereochemistry yet. However, biotransformations have many attractive characters, such as substrate-, stereo-, chemo- and enantioselectivity, so it has a great advantage in the fine chemical industry and has a bright prospect in the industrial biological catalysis. In order to study Baeyer-Villiger oxidation, we isolated a strain which can utilize cyclohexanone as sole carbon source and had a primary research on it. Its product was identified by GC/MS. Effects of pH, volume, concentration of cyclohexanone, cultivating time, temperature and rotate speed on the growth of bacteria were discussed, and the other organic substrates were also studied. The strain was identified as Plesiomonas sp.. The result of orthogonal test made it sure that the best growth condition of the strain is: rotate speed 150 rpm, temperature 30℃, pH7.0, concentration of cyclohexanone1ml/L. There is caprolactone in the product of the fermentation with cyclohexanone as substrate by GC/MS,which indicated that the strain can catalyse Baeyer-Villiger oxidation.In addition,the strain can utilize other organic substrates having the similar structure with cyclohexanone such as cyclohexane, cyclopentanone, Swertiamarin as sole carbon source.So the strain can be applied extentively.

Optimization of conditions for cell cultivation of Porphyra haitanensis conchocelis in a bubble-column bioreactor

Process conditions for cell cultures derived from conchocelis of female red macroalga Porphyra haitanensis were optimized in an illuminated 0.3-l bubble-column photobioreactor, using CO2 in air as the sole carbon source during a 20-day cultivation period. It reached the highest growth rate when the initial cell density was 700 mg l(-1)(dry weight), the optional aeration rate was 1.2 v/v/min, inorganic nitrate concentration was 15 mM and inorganic phosphate concentration was 0.6 mM. This is the first reported bioreactor cultivation study of cell cultures derived from conchocelis of Porphyra haitanensis.

Haloalkane degradation and assimilation by Rhodococcus rhodochrous NCIMB -13064

The bacterium Rhodococcus rhodochrous NCIMB 13064, isolated from an industrial site, could use a wide range of 1-haloalkanes as sole carbon source but apparently utilized several different mechanisms simultaneously for assimilation of substrate. Catabolism of 1-chlorobutane occurred mainly by attack at the C-1 atom by a hydrolytic dehalogenase with the formation of butanol which was metabolized via butyric acid. The detection of small amounts of gamma-butyrolactone in the medium suggested that some oxygenase attack at C-4 also occurred, leading to the formation of 4-chlorobutyric acid which subsequently lactonized chemically to gamma-butyrolactone. Although 1-chlorobutane-grown cells exhibited little dehalogenase activity on 1-chloroalkanes with chain lengths above C-10, the organism utilized such compounds as growth substrates with the release of chloride. Concomitantly, gamma-butyrolactone accumulated to 1 mM in the culture medium with 1-chlorohexadecane as substrate. Traces of 4-hydroxybutyric acid were also detected. It is suggested that attack on the long-chain chloroalkane is initiated by an oxygenase at the non-halogenated end of the molecule leading to the formation of an omega-chlorofatty acid. This is degraded by beta-oxidation to 4-chlorobutyric acid which is chemically lactonized to gamma-butyrolactone which is only slowly further catabolized via 4-hydroxybutyric acid and succinic acid. However, release of chloride into the medium during growth on long-chain chloroalkanes was insufficient to account for all the halogen present in the substrate. Analysis of the fatty acid composition of 1-chlorohexadecane-grown cells indicated that chlorofatty acids comprised 75% of the total fatty acid content with C-14:0, C-16:0, C-16:1, and C-18:1 acids predominating. Thus the incorporation of 16-chlorohexadecanoic acid, the product of oxygenase attack directly into cellular lipid represents a third route of chloroalkane assimilation. This pathway accounts at least in part for the incomplete mineralization of long-chain chloroalkane substrates. This is the first report of the coexistence of a dehalogenase and the ability to incorporate long-chain haloalkanes into the lipid fraction within a single organism and raises important questions regarding the biological treatment of haloalkane containing effluents.

Production of chitin-glucan complex by Pichia pastoris

Dissertation for the Degree of Master in Biotechnology

Production and characterization of Chitin-Glucan Complex by Komagataella pastoris

This thesis was focused on the production, extraction and characterization of chitin:β-glucan complex (CGC). In this process, glycerol byproduct from the biodiesel industry was used as carbon source. The selected CGC producing yeast was Komagataella pastoris (formerly known as Pichia pastoris), due the fact that to achieved high cell densities using as carbon source glycerol from the biodiesel industry. Firstly, a screening of K. pastoris strains was performed in shake flask assays, in order to select the strain of K. pastoris with better performance, in terms of growth, using glycerol as a carbon source. K. pastoris strain DSM 70877 achieved higher final cell densities (92-97 g/l), using pure glycerol (99%, w/v) and in glycerol from the biodiesel industry (86%, w/v), respectively, compared to DSM 70382 strain (74-82 g/l). Based on these shake flask assays results, the wild type DSM 70877 strain was selected to proceed for cultivation in a 2 l bioreactor, using glycerol byproduct (40 g/l), as sole carbon source. Biomass production by K. pastoris was performed under controlled temperature and pH (30.0 ºC and 5.0, respectively). More than 100 g/l biomass was obtained in less than 48 h. The yield of biomass on a glycerol basis was 0.55 g/g during the batch phase and 0.63 g/g during the fed-batch phase. In order to optimize the downstream process, by increasing extraction and purification efficiency of CGC from K. pastoris biomass, several assays were performed. It was found that extraction with 5 M NaOH at 65 ºC, during 2 hours, associated to neutralization with HCl, followed by successive washing steps with deionised water until conductivity of ≤20μS/cm, increased CGC purity. The obtained copolymer, CGCpure, had a chitin:glucan molar ratio of 25:75 mol% close to commercial CGC samples extracted from A. niger mycelium, kiOsmetine from Kitozyme (30:70 mol%). CGCpure was characterized by solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry (DCS), revealing a CGC with higher purity than a CGC commercial (kiOsmetine). In order to optimize CGC production, a set of batch cultivation experiments was performed to evaluate the effect of pH (3.5–6.5) and temperature (20–40 ºC) on the specific cell growth rate, CGC production and polymer composition. Statistical tools (response surface methodology and central composite design) were used. The CGC content in the biomass and the volumetric productivity (rp) were not significantly affected within the tested pH and temperature ranges. In contrast, the effect of pH and temperature on the CGC molar ratio was more pronounced. The highest chitin: β-glucan molar ratio (> 14:86) was obtained for the mid-range pH (4.5-5.8) and temperatures (26–33 ºC). The ability of K. pastoris to synthesize CGC with different molar ratios as a function of pH and temperature is a feature that can be exploited to obtain tailored polymer compositions.(...)

Isolation and characterization of a chitinase-secreting mutant of mortierella pusilla with altered interaction with the mycoparasite piptocephalis virginiana

Mortierella pusilla is a susceptible host and supports good growth of the mycoparasite, Piptocephalis virginiana. Uninucleate spores of M. pusilla were sUbjected to N-methyl-N'-nitro-nitrosoguanidine (MNNG). To attain a high mutation frequency , a 1o-minute exposure to 10 mg/ml MNNG was used and lead to the survival of about 10 % of the spores. The exposed spores then were plated on chitin or milk plates. Approximately 30,000 colonies were examined after mutagenesis on the screening media. A strain, MUT23 , with abnormal slow growth morphology was found to delay parasitism by £. virginiana. The particular morphology was not due to auxotrophy, because this strain displayed normal hyphae when glucose was used as the sole carbon source. One interesting phenomenon was that MUT23 showed an extensive clearing zone around the colony on colloidal chitin agar after 20-25 d. On the same conditions, wild type strain did not show this phenotype. In addition, the MUT23 strain produced the same normal hypha as the wild type strain when it was grown on colloidal chitin agar. The MUT23 was also able to produce more spores on colloidal chitin agar than on malt-yeast extract and minimal media. The parasite germ tubes formed appressoria at the point of contact on the cell surface of wild type and MUT23 grown for 6 days cell surface but not on the cel surface of MUT23 grown for 2 days. Thus, interaction between MUT23 strain and the mycoparasite was dependent on MUT23 age. The effect of MUT23 filtrate on germination of the parasite was tested. Lysis of germinated spores of the parasite were observed in concentrated MUT23 filtered solution. MUT23 was compared to the wild type strain for their chitinase production in sUbmerged culture. The chitinase isozymes of both wild type and MUT23 were shown by immunoblotting. Eight distinct chitinase molecules were detected. MUT23 showed markedly higher chitinase activity than the wild type cultured in chitin-containing medium. Maximum chitinase activities of MUT23 were 13.5 fold higher at 20 day of the culture then that of wild type.

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.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Carbohydrate preferences of Bifidobacterium species isolated from the human gut

The growth of nine species of Bifidobacterium on media containing glucose, xylose, xylooligosaccharides (XOS), xylan or fructooligosaccharides (FOS) as the sole carbon source were compared in pure culture. The bifidobacteria differed in fermentation profiles when tested on different carbohydrates. All species grew to their highest final optical density (OD) on a glucose containing medium, with the exception of B. catenulatum which demonstrated a preference for xylose over glucose, and XOS over FOS. B. bifidum grew to the highest OD on XOS compared to xylose suggesting a specific transport system for the oligosaccharide over the monomer. This is consistent with a lack of β-xylosidase activity present in the culture medium. Lactate, formate and acetate levels were determined and the ratios of these metabolites altered between and within species growing on different carbohydrates. In general, high lactate production correlated with low formate production and low lactate concentrations were obtained at higher levels of formate. Bifidobacteria may alter their metabolic pathways based upon the carbohydrates that are available for their use.

Influence of the Photorhabdus luminescens phosphomannose isomerase gene, manA, on mannose utilization, exopolysaccharide structure, and biofilm formation

Extracellular polysaccharide (EPS) is produced by diverse bacterial pathogens and fulfills assorted roles, including providing a structural matrix for biofilm formation and more specific functions in virulence, such as protection against immune defenses. We report here the first investigation of some of the genes important for biofilm formation in Photorhabdus luminescens and demonstrate the key role of the phosphomannose isomerase gene, manA, in the structure of functional EPS. Phenotypic analyses of a manA-deficient mutant showed the importance of EPS in motility, insect virulence, and biofilm formation on abiotic surfaces as well as the requirement of this gene for the use of mannose as the sole carbon source. Conversely, this defect had no apparent impact on symbiosis with the heterorhabditid nematode vector. A more detailed analysis of biofilm formation revealed that the manA mutant was able to attach to surfaces with the same efficiency as that of the wild-type strain but could not develop the more extended biofilm matrix structures. A compositional analysis of P. luminescens EPS reveals how the manA mutation has a major effect on the formation of a complete, branched EPS.

Biosynthesis and characterization of biodegradable Poly(3-hydroxybutyrate) from renewable sources

Poly(3-hydroxybutyrate) was produced in fed-batch cultures of Ralstonia eutropha DSM 428 and Alcaligenes latus ATCC 29712 on a mineral medium with different carbon sources such as sucrose, sodium lactate, lactic acid, soybean oil and fatty acid. The bacteria converted the different carbon sources supplied into P3HB. The best results were obtained when lactate or soybean oil were supplied as the sole carbon source. The range of number average molar mass (Mn) for the polymers, analyzed by Gel Permeation Chromatography was 1.65 to 0.79 x 10(5) g mol(-1). FTIR spectroscopy revealed a characteristic absorbance associated with polyester structures. The crystallinity degree, determinate from X-ray diffractograms, was about 69% in all synthesized polymers. The thermal properties associated to semicrystalline polymers indicated a glass transition at 0.1 degrees C and a melting point at about 175 degrees C and enthalpy of 63-89 J g(-1). The (1)H-NMR and (13)C-NMR spectra of the polymers were in agreement with the calculated chemical shifts associated with P3HB structures.