Production of glucose and fructose syrups from cassava (Manihot esculenta Crantz) starch using enzymes produced by microorganisms isolated from Brazilian Cerrado soil

The high demands for sugars and the development of enzymatic technology have increased the production of sweeteners, especially for glucose and fructose syrups. This work describe a technology for glucose and fructose syrups from Brazilian cassava starch using enzymes produced by soil microrganisms isolated from the Brazilian Cerrado soil. Firstly, Aspergillus niger and Streptomyces sp. were isolated from the soil and used as glucoamylase (GA) and glucose isomerase (GI) producer sources. After characterization, GA and GI exhibited optimum pH 4.5 and 8.0, respectively. GA showed maximum activity at 60 ºC and GI at 85 ºC. GA and GI retained 65 and 80%, respectively, of initial activity after 180 minutes of incubation at 60 ºC. The kinetic parameters Km and Vmáx were 0.476 (mg.mL-1) and 8.58 (µmol/minute) for GA and 0.082 (M) and 48.20 (µmol/minute) for GI. The maximum glucose syrups production occurred after 24 hours of reaction with a 98% yield. The production of fructose syrups with 42% (w/v) was reached after 96 hours of reaction.

Simultaneous α-amylase and protease production by the soil bacterium Bacillus sp. SMIA-2 under submerged culture using whey protein concentrate and corn steep liquor: compatibility of enzymes with commercial detergents

Protease and α-amylase production by a thermophilic Bacillus sp. SMIA-2 cultivated in liquid cultures containing 0.25% (w/v) starch as a carbon source reached a maximum at 18 hours (47 U.mg-1 Protein) and 36 hours (325 U.mg-1 Protein), respectively. Culture medium supplementation with whey protein concentrate (0.1%, w/v) and corn steep liquor (0.3%, w/v) not only improved the production of both enzymes but also enabled them to be produced simultaneously. Under these conditions, α-amylase and protease production reached a maximum in 18 hours with levels of 401 U.mg-1 protein and 78 U.mg-1 protein, respectively. The compatibility of the enzymes produced with commercial laundry detergent was investigated. In the presence of Campeiro® detergent, α-amylase activity increased while protease activity decreased by about 27%. These enzymes improved the cleaning power of Campeiro® detergent since they were able to remove egg yolk and tomato sauce stains when used in this detergent.

Influence of carbon source, pH, and temperature on the polygalacturonase activity of Kluyveromyces marxianus CCMB 322

Microbial pectinolytic enzymes are known to play a commercially important role in a number of industrial processes. Two kinds of yeast can be discerned regarding the production of enzymes. One group includes those which can produce enzymes in the absence of an inducer, and the other group comprises the yeasts that produce enzymes in the presence of an inducer. The objective of this study was to investigate the influence of pectic substances, glucose, pH, and temperature on the polygalacturonase activity by Kluyveromyces marxianus CCMB 322. The yeast was grown in a fermentation broth containing different concentrations of glucose and pectic substances. The polygalacturonase activity was determined by the DNS method, and the pH and temperature were optimized using a central composite experimental design. The polygalacturonase secreted by K. marxianus CCMB 322 was partially constitutive showing optimum pH and temperature of 7.36 and 70 °C, respectively, and maintained approximately 93% of its original activity for 50 minutes at 50 °C. Thermal stability of the polygalacturonase enzyme was studied at different temperatures (50, 60, 70, and 80 °C) and different incubation times (0, 10, 20, 30, 40, and 50 minutes). This study showed that glucose can influence the regulation of the synthesis of polygalacturonase.

Oxidative enzymes activity in sugarcane juice as a function of the planting system

In Brazil, the largest producer of sugarcane in the world, the industrial process transforms this crop into ethanol and/or granulated sugar. Some cultivars exhibit enzymatic browning in the extracted sugarcane juice at levels harmful to the manufacturing process of white granulated sugar. The objective of this study was to assess the effect of sugarcane straw used as soil coverage, the use of different planting systems, and treatments with hydrogel polymer on enzymatic activity. The cultivar RB 86 7515 was sampled for 8 months; the first sample was obtained by cutting the upper portion of the stalk at the internode, which was taken to the laboratory for determination of the enzymatic activity of polyphenoloxidase (PPO) and peroxidase (POD). The soil coverage with different forms of straw as well as the planting systems did not change the enzymatic activity of polyphenoloxidase (PPO) and peroxidase (POD). The polyphenoloxidase (PPO) activity increased with the use of a polymer due to increased polyphenoloxidase (PPO) activity in the groove system. The enzymes studied showed changes in activity during the experimental period. The production of sugar at the end of the season (August to November) avoids the periods of highest enzymatic activity.

Effets des nanoparticules d'argent sur les processus enzymatiques des sols

Les nanomatériaux sont de plus en plus présents dans les produits consommables du quotidien. L’argent est le métal le plus utilisé en nanotechnologie pour ses propriétés antimicrobiennes. Par différentes voies d’entrée, les nanoparticules d’argent (nAg) se retrouvent dans l’environnement en quantité significative, notamment dans les sols suite à la valorisation agricole des biosolides municipaux. Il est prévu qu’une interaction négative sur la communauté microbienne terrestre ait des répercussions sur la fertilité du sol et les processus biogéochimiques. Les mesures de l’activité enzymatique ont déjà montré leur efficacité et leur sensibilité dans la détection d’une perturbation physique et chimique du sol. Les effets potentiels des nAg sur l’écosystème terrestre ont été évalués en mesurant l’activité des enzymes β-D-glucosidase (EC 3.2.1.21), leucine-aminopeptidase (EC 3.4.11.1), phosphomonoesterase (EC 3.1.3) et arylsulfatase (EC 3.1.6.1) intervenant dans les cycles des éléments essentiels C, N, P et S, respectivement. L’activité enzymatique est mesurée à l’aide d’une technique basée sur la fluorescence qui requière des substrats synthétiques liés à un fluorophore. Un sol de type sableux a été échantillonné au Campus Macdonald de l’Université McGill (Sainte-Anne-de-Bellevue, Qc) puis exposé aux nAg (taille ~20 nm) ou à la forme ionique Ag+ (Ag-acetate) à des concentrations nominales de 1,25 × 10-3, 1,25 × 10-2, 0,125, 1,25, 6,25 et 31,25 mg Ag kg-1 sol. De plus, le rôle de la matière organique (MO) a été évalué en effectuant un amendement du sol avec un compost de feuilles. Pour mieux comprendre les effets observés, des analyses de spéciation de l’Ag ont été réalisées. Les concentrations en Ag dissous ont été déterminées après filtration à travers des membranes de 0,45 µm ou de 3 kDa (~1 nm, ultrafiltration) pour séparer la phase particulaire des ions dissous. De façon générale, une inhibition de l’activité enzymatique a été observée pour les 4 enzymes en fonction de l’augmentation de la concentration en Ag (totale et dissoute) mais elle est significativement moins importante avec l’ajout de la MO. Les résultats suggèrent que l’inhibition de l’activité des enzymes aux faibles expositions aux nAg est due aux nanoparticules puisqu’une très faible fraction des nAg est réellement dissoute et aucun effet significatif n’a été observé pour les sols traités à des concentrations similaires en Ag+. Par contre, les effets mesurés aux concentrations plus élevées en nAg sont semblables aux expositions à l’Ag+ et suggèrent un rôle de l’Ag colloïdale dans l’inhibition du processus enzymatique des sols.

New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

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.

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.

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.

Distribution and bioactive potential of soil actinomycetes from different ecological habitats

Emergence of drug resistance among pathogenic bacteria to currently available antibiotics has intensified the search for novel bioactive compounds from unexplored habitats. In the present study actinomycetes were isolated from two relatively unexplored and widely differing habitats such as mountain and wetlands and their ability to produce antibacterial substances were analyzed. Pure cultures of actinomycetes were identified by morphological and biochemical tests. Various genera of actinomycetes encountered included Nocardia, Pseudonocardia, Streptomyces, Nocardiopsis, Streptosporangium, Micromonospora, Rhodococcus, Actinosynnema, Nocardiodes, Kitasatosporia, Gordona, Intrasporangium and Streptoalloteichus. The frequency of occurrence of each genus was found to vary with sample. About 47% of wetland isolates and 33% of mountain isolates were identified as various species of Nocardia. The isolated strains differed among themselves in their ability to decompose proteins and amino acids and also in enzyme production potential. Antibiotic activities of these actinomycetes were evaluated against 12 test pathogenic bacteria by well diffusion method using agar wells in glycerol-yeast extract agar. About 95% of actinomycete isolates from wetland ecosystem and 75% of highland isolates suppressed in different degrees the growth of test pathogens. Relatively high antibacterial activity among these isolates underlined their potential as a source of novel antibiotics.

Microbial Biosurfactants – Review

Biosurfactants are surface active compounds released by microorganisms. They are biodegradable non-toxic and eco-friendly materials. In this review we have updated the information about different microbial surfactants. The biosurfactant production depends on the fermentation conditions, environmental factors and nutrient availability. The extraction of the biosurfactants from the cell-free supernatant using the solvent extraction procedure and the qualitative and quantitative analysis has been discussed with appropriate equipment details. The application of the biosurfactant includes biomedical, cosmetic and bioremediation. The type of microbial biosurfactants include trehalose lipids, rhamnolipids, sophorolipids, glycolipids, cellobiose lipids, polyol lipids, diglycosyl diglycerides, lipoloysaccharides, arthrofactin, lichensyn A and B, surfactin, viscosin, phospholipids, sulphonyl lipids and fatty acids. Rhamnolipid biosurfactants produced by Pseudomonas aeruginosa DS10-129 showed significant applications in the bioremediation of hydrocarbons in gasoline spilled soil and petroleum oily sludge. Rhamnolipid biosurfactant enhanced the bioremediation process by releasing the weathered oil from the soil matrices and enhanced the bioavailability of hydrocarbons for microbial degradation. It is having potential applications in the remediation of hydrocarbon contaminated sites. Biosurfactants from marine microorganisms also offer great potential in bioremediation of oil contaminated oceanic environments

“Effect of spice oleoresins in microbial decontamination and their potential application in quality stabilization of Tuna (Euthynnus affinis) during storage”

Unprocessed seafood harbor high number of bacteria, hence are more prone to spoilage. In this circumstance, the use of spice in fish for reduction of microorganism can play an important role in seafood processing. Many essential oils from herbs and spices are used widely in the food, health and personal care industries and are classified as GRAS (Generally regarded as safe) substances or are permitted food additives. A large number of these compounds have been the subject of extensive toxicological scrutiny. However, their principal function is to impart desirable flavours and aromas and not necessarily to act as antimicrobial agents. Given the high flavour and aroma impact to plant essential oils, the future for using these compound as food preservatives lies in the careful selection and evaluation of their efficacy at low concentrations but in combination with other chemical preservatives or preservation processes. For this reason they are worth of study alone or in combination with processing methods in order to establish if they could extend the shelf-life of foods. In this study, the effect of the spices, clove, turmeric, cardamom, oregano, rosemary and garlic in controlling the spoilage and pathogenic bacteria is investigated. Their effect on biogenic amine formation in tuna especially, histamine, as a result of bacterial control is also studied in detail. The contribution of spice oleoresin in the sensory and textural parameters is investigated using textural profile analysis and sensory panel. Finally, the potential of spices in quality stabilization and in increasing the shelf–life of tuna during frozen storage is analysed

Trypsin Inhibitor from Edible Mushroom Pleurotus floridanus Active against Proteases of Microbial Origin

Protease inhibitors can be versatile tools mainly in the fields of medicine, agriculture and food preservative applications. Fungi have been recognized as sources of protease inhibitors, although there are only few such reports on mushrooms. This work reports the purification and characterization of a trypsin inhibitor from the fruiting body of edible mushroom Pleurotus floridanus (PfTI) and its effect on the activity of microbial proteases. The protease inhibitor was purified up to 35-fold by DEAE-Sepharose ion exchange column, trypsin-Sepharose column and Sephadex G100 column. The isoelectric point of the inhibitor was 4.4, and its molecular mass was calculated as 37 kDa by SDS-PAGE and 38.3 kDa by MALDI-TOF. Inhibitory activity confirmation was by dot-blot analysis and zymographic activity staining. The specificity of the inhibitor toward trypsin was with Ki of 1.043×10−10 M. The inhibitor was thermostable up to 90 °C with maximal stability at 30 °C, active over a pH range of 4–10 against proteases from Aspergillus oryzae, Bacillus licheniformis, Bacillus sp. and Bacillus amyloliquefaciens. Results indicate the possibility of utilization of protease inhibitor from P. floridanus against serine proteases

Root effects on the turnover of grain legume residues in soil

Das Ziel dieser Arbeit war, die Einflüsse von Wurzeln und Rhizodeposition auf den Umsatz von Körnerleguminosenresiduen und damit verknüpfte mikrobielle Prozesse zu untersuchen. In einem integrierten Versuch wurden Ackerbohne (Vicia faba L.), Erbse (Pisum sativum L.) und Weiße Lupine (Lupinus albus L.) untersucht. Der Versuch bestand aus drei Teilen, zwei Gefäß-Experimenten und einem Inkubationsexperiment, in denen ausgehend von einem Gefäß-Experiment derselbe Boden und dasselbe Pflanzenmaterial verwendet wurden. In Experiment I wurde die Stickstoff-Rhizodeposition der Körnerleguminosenarten, definiert als wurzelbürtiger N nach dem Entfernen aller sichtbaren Wurzeln im Boden, gemessen und der Verbleib des Rhizodepositions-N in verschiednenen Bodenpools untersucht. Dazu wurden die Leguminosen in einem Gefäßversuch unter Verwendung einer in situ 15N-Docht-Methode mit einer 15N Harnstofflösung pulsmarkiert. In Experiment II wurde der Umsatz der N-Rhizodeposition der Körnerleguminosen und der Einfluss der Rhizodeposition auf den anschließenden C- und N-Umsatz der Körnerleguminosenresiduen in einem Inkubationsexperiment untersucht. In Experiment III wurde der N-Transfer aus den Körnerleguminosenresiduen einschließlich N-Rhizodeposition in die mikrobielle Biomasse und die Folgefrüchte Weizen (Triticum aestivum L.) und Raps (Brassica napus L.) in einem Gewächshaus-Gefäßversuch ermittelt. Die in situ 15N Docht-Markierungs-Methode wies hohe 15N Wiederfindungsraten von ungefähr 84 Prozent für alle drei Leguminosenarten auf und zeigte eine vergleichsweise homogene 15N Verteilung zwischen verschiedenen Pflanzenteilen zur Reife. Die Wurzeln zeigten deutliche Effekte auf die N-Dynamik nach dem Anbau von Körnerleguminosen. Die Effekte konnten auf die N-Rhizodeposition und deren anschließenden Umsatz, Einflüsse der Rhizodeposition von Körnerleguminosen auf den anschließenden Umsatz ihrer Residuen (Stängel, Blätter, erfassbare Wurzeln) und die Wirkungen nachfolgender Nichtleguminosen auf den Umsatzprozess der Residuen zurückgeführt werden: Die N-Rhizodeposition betrug zur Reife der Pflanzen bezogen auf die Gesamt-N- Aufnahme 13 Prozent bei Ackerbohne und Erbse und 16 Prozent bei Weißer Lupine. Bezogen auf den Residual N nach Ernte der Körner erhöhte sich der relative Anteil auf 35 - 44 Prozent. Die N-Rhizodeposition ist daher ein wesentlicher Pool für die N-Bilanz von Körnerleguminosen und trägt wesentlich zur Erklärung positiver Fruchtfolgeeffekte nach Körnerleguminosen bei. 7 - 21 Prozent des Rhizodepositions-N wurden als Feinwurzeln nach Nasssiebung (200 µm) wiedergefunden. Nur 14 - 18 Prozent des Rhizodepositions-N wurde in der mikrobiellen Biomasse und ein sehr kleiner Anteil von 3 - 7 Prozent in der mineralischen N Fraktion gefunden. 48 bis 72 Prozent der N-Rhizodeposition konnte in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden. Dieser Teil dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein. Nach 168 Tagen Inkubation wurden 21 bis 27 Prozent des Rhizodepositions-N in den mineralisiert. Der mineralisierte N stammte im wesentlichen aus zwei Pools: Zwischen 30 Prozent und 55 Prozent wurde aus der mikrobiellen Residualmasse mineralisiert und eine kleinere Menge stammte aus der mikrobielle Biomasse. Der Einfluss der Rhizodeposition auf den Umsatz der Residuen war indifferent. Durch Rhizodeposition wurde die C Mineralisierung der Leguminosenresiduen nur in der Lupinenvariante erhöht, wobei der mikrobielle N und die Bildung von mikrobieller Residualmasse aus den Leguminosenresiduen in allen Varianten durch Rhizodepositionseinflüsse erhöht waren. Das Potential des residualen Körnerleguminosen-N für die N Ernährung von Folgefrüchten war gering. Nur 8 - 12 Prozent des residualen N wurden in den Folgenfrüchten Weizen und Raps wiedergefunden. Durch die Berücksichtigung des Rhizodepositions-N war der relative Anteil des Residual-N bezogen auf die Gesamt-N-Aufnahme der Folgefrucht hoch und betrug zwischen 18 und 46 Prozent. Dies lässt auf einen höheren N-Beitrag der Körnerleguminosen schließen als bisher angenommen wurde. Die residuale N-Aufnahme von Weizen von der Blüte bis zur Reife wurde durch den Residual-N gespeist, der zur Blüte in der mikrobiellen Biomasse immobilisiert worden war. Die gesamte Poolgröße, Residual-N in der mikrobiellen Biomasse und in Weizen, veränderte sich von der Blüte bis zur Reife nicht. Jedoch konnte ein Rest von 80 Prozent des Residual-N in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden und dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein oder ist noch nicht abgebaut worden. Die zwei unterschiedlichen Folgefrüchte - Weizen und Raps - zeigten sehr ähnliche Muster bei der N-Aufnahme, der Residual-N Wiederfindung und bei mikrobiellen Parametern für die Residuen der drei Körnerleguminosenarten. Ein differenzierender Effekt auf den Umsatz der Residuen bzw. auf das Residual-N-Aneignungsvermögen der Folgefrüchte konnte nicht beobachtet werden.

Composition and stability of organic matter fractions in soils under different land use regimes

Soil organic matter (SOM) vitally impacts all soil functions and plays a key role in the global carbon (C) cycle. More than 70% of the terrestric C stocks that participate in the active C cycle are stored in the soil. Therefore, quantitative knowledge of the rates of C incorporation into SOM fractions of different residence time is crucial to understand and predict the sequestration and stabilization of soil organic carbon (SOC). Consequently, there is a need of fractionation procedures that are capable of isolating functionally SOM fractions, i.e. fractions that are defined by their stability. The literature generally refers to three main mechanisms of SOM stabilization: protection of SOM from decomposition by (i) its structural composition, i.e. recalcitrance, (ii) spatial inaccessibility and/or (iii) interaction with soil minerals and metal ions. One of the difficulties in developing fractionation procedures for the isolation of functional SOM fractions is the marked heterogeneity of the soil environment with its various stabilization mechanisms – often several mechanisms operating simultaneously – in soils and soil horizons of different texture and mineralogy. The overall objective of the present thesis was to evaluate present fractionation techniques and to get a better understanding of the factors of SOM sequestration and stabilization. The first part of this study is attended to the structural composition of SOM. Using 13C cross-polarization magic-angle spinning (CPMAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, (i) the effect of land use on SOM composition was investigated and (ii) examined whether SOM composition contributes to the different stability of SOM in density and aggregate fractions. The second part of the present work deals with the mineral-associated SOM fraction. The aim was (iii) to evaluate the suitability of chemical fractionation procedures used in the literature for the isolation of stable SOM pools (stepwise hydrolysis, treatments using oxidizing agents like Na2S2O8, H2O2, and NaOCl as well as demineralization of the residue obtained by the NaOCl treatment using HF (NaOCl+HF)) by pool sizes, 13C and 14C data. Further, (iv) the isolated SOM fractions were compared to the inert organic matter (IOM) pool obtained for the investigated soils using the Rothamsted Carbon Model and isotope data in order to see whether the tested chemical fractionation methods produce SOM fractions capable to represent this pool. Besides chemical fractionation, (v) the suitability of thermal oxidation at different temperatures for obtaining stable SOC pools was evaluated. Finally, (vi) the short-term aggregate dynamics and the factors that impact macroaggregate formation and C stabilization were investigated by means of an incubation study using treatments with and without application of 15N labeled maize straw of different degradability (leaves and coarse roots). All treatments were conducted with and without the addition of fungicide. Two study sites with different soil properties and land managements were chosen for these investigations. The first one, located at Rotthalmünster, is a Stagnic Luvisol (silty loam) under different land use regimes. The Ah horizons of a spruce forest and continuous grassland and the Ap and E horizons of two plots with arable crops (continuous maize and wheat cropping) were examined. The soil of the second study site, located at Halle, is a Haplic Phaeozem (loamy sand) where the Ap horizons of two plots with arable crops (continuous maize and rye cropping) were investigated. Both study sites had a C3-/C4-vegetational change on the maize plot for the purpose of tracing the incorporation of the younger, maize-derived C into different SOM fractions and the calculation of apparent C turnover times of these. The Halle site is located near a train station and industrial areas, which caused a contamination with high amounts of fossil C. The investigation of aggregate and density fractions by 13C CPMAS NMR spectroscopy revealed that density fractionation isolated SOM fractions of different composition. The consumption of a considerable part (10–20%) of the easily available O-alkyl-C and the selective preservation of the more recalcitrant alkyl-C when passing from litter to the different particulate organic matter (POM) fractions suggest that density fractionation was able to isolate SOM fractions with different degrees of decomposition. The spectra of the aggregate fractions resembled those of the mineral-associated SOM fraction obtained by density fractionation and no considerable differences were observed between aggregate size classes. Comparison of plant litter, density and aggregate size fractions from soil under different land use showed that the type of land use markedly influenced the composition of SOM. While SOM of the acid forest soil was characterized by a large content (> 50%) of POM, which contained high amounts of spruce-litter derived alkyl-C, the organic matter in the biologically more active grassland and arable soils was dominated by mineral-associated SOM (> 95%). This SOM fraction comprised greater proportions of aryl- and carbonyl-C and is considered to contain a higher amount of microbially-derived organic substances. Land use can alter both, structure and stability of SOM fractions. All applied chemical treatments induced considerable SOC losses (> 70–95% of mineral-associated SOM) in the investigated soils. The proportion of residual C after chemical fractionation was largest in the arable Ap and E horizons and increased with decreasing C content in the initial SOC after stepwise hydrolysis as well as after the oxidative treatments with H2O2 and Na2S2O8. This can be expected for a functional stable pool of SOM, because it is assumed that the more easily available part of SOC is consumed first if C inputs decrease. All chemical treatments led to a preferential loss of the younger, maize-derived SOC, but this was most pronounced after the treatments with Na2S2O8 and H2O2. After all chemical fractionations, the mean 14C ages of SOC were higher than in the mineral-associated SOM fraction for both study sites and increased in the order: NaOCl < NaOCl+HF ≤ stepwise hydrolysis << H2O2 ≈ Na2S2O8. The results suggest that all treatments were capable of isolating a more stable SOM fraction, but the treatments with H2O2 and Na2S2O8 were the most efficient ones. However, none of the chemical fractionation methods was able to fit the IOM pool calculated using the Rothamsted Carbon Model and isotope data. In the evaluation of thermal oxidation for obtaining stable C fractions, SOC losses increased with temperature from 24–48% (200°C) to 100% (500°C). In the Halle maize Ap horizon, losses of the young, maize-derived C were considerably higher than losses of the older C3-derived C, leading to an increase in the apparent C turnover time from 220 years in mineral-associated SOC to 1158 years after thermal oxidation at 300°C. Most likely, the preferential loss of maize-derived C in the Halle soil was caused by the presence of the high amounts of fossil C mentioned above, which make up a relatively large thermally stable C3-C pool in this soil. This agrees with lower overall SOC losses for the Halle Ap horizon compared to the Rotthalmünster Ap horizon. In the Rotthalmünster soil only slightly more maize-derived than C3-derived SOC was removed by thermal oxidation. Apparent C turnover times increased slightly from 58 years in mineral-associated SOC to 77 years after thermal oxidation at 300°C in the Rotthalmünster Ap and from 151 to 247 years in the Rotthalmünster E horizon. This led to the conclusion that thermal oxidation of SOM was not capable of isolating SOM fractions of considerably higher stability. The incubation experiment showed that macroaggregates develop rapidly after the addition of easily available plant residues. Within the first four weeks of incubation, the maximum aggregation was reached in all treatments without addition of fungicide. The formation of water-stable macroaggregates was related to the size of the microbial biomass pool and its activity. Furthermore, fungi were found to be crucial for the development of soil macroaggregates as the formation of water-stable macroaggregates was significantly delayed in the fungicide treated soils. The C concentration in the obtained aggregate fractions decreased with decreasing aggregate size class, which is in line with the aggregate hierarchy postulated by several authors for soils with SOM as the major binding agent. Macroaggregation involved incorporation of large amounts maize-derived organic matter, but macroaggregates did not play the most important role in the stabilization of maize-derived SOM, because of their relatively low amount (less than 10% of the soil mass). Furthermore, the maize-derived organic matter was quickly incorporated into all aggregate size classes. The microaggregate fraction stored the largest quantities of maize-derived C and N – up to 70% of the residual maize-C and -N were stored in this fraction.