Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Sustainable Energy Production in the United States: Life Cycle Assessment of Biofuels and Bioenergy

The United States of America is making great efforts to transform the renewable and abundant biomass resources into cost-competitive, high-performance biofuels, bioproducts, and biopower. This is the key to increase domestic production of transportation fuels and renewable energy, and reduce greenhouse gas and other pollutant emissions. This dissertation focuses specifically on assessing the life cycle environmental impacts of biofuels and bioenergy produced from renewable feedstocks, such as lignocellulosic biomass, renewable oils and fats. The first part of the dissertation presents the life cycle greenhouse gas (GHG) emissions and energy demands of renewable diesel (RD) and hydroprocessed jet fuels (HRJ). The feedstocks include soybean, camelina, field pennycress, jatropha, algae, tallow and etc. Results show that RD and HRJ produced from these feedstocks reduce GHG emissions by over 50% compared to comparably performing petroleum fuels. Fossil energy requirements are also significantly reduced. The second part of this dissertation discusses the life cycle GHG emissions, energy demands and other environmental aspects of pyrolysis oil as well as pyrolysis oil derived biofuels and bioenergy. The feedstocks include waste materials such as sawmill residues, logging residues, sugarcane bagasse and corn stover, and short rotation forestry feedstocks such as hybrid poplar and willow. These LCA results show that as much as 98% GHG emission savings is possible relative to a petroleum heavy fuel oil. Life cycle GHG savings of 77 to 99% were estimated for power generation from pyrolysis oil combustion relative to fossil fuels combustion for electricity, depending on the biomass feedstock and combustion technologies used. Transportation fuels hydroprocessed from pyrolysis oil show over 60% of GHG reductions compared to petroleum gasoline and diesel. The energy required to produce pyrolysis oil and pyrolysis oil derived biofuels and bioelectricity are mainly from renewable biomass, as opposed to fossil energy. Other environmental benefits include human health, ecosystem quality and fossil resources. The third part of the dissertation addresses the direct land use change (dLUC) impact of forest based biofuels and bioenergy. An intensive harvest of aspen in Michigan is investigated to understand the GHG mitigation with biofuels and bioenergy production. The study shows that the intensive harvest of aspen in MI compared to business as usual (BAU) harvesting can produce 18.5 billion gallons of ethanol to blend with gasoline for the transport sector over the next 250 years, or 32.2 billion gallons of bio-oil by the fast pyrolysis process, which can be combusted to generate electricity or upgraded to gasoline and diesel. Intensive harvesting of these forests can result in carbon loss initially in the aspen forest, but eventually accumulates more carbon in the ecosystem, which translates to a CO2 credit from the dLUC impact. Time required for the forest-based biofuels to reach carbon neutrality is approximately 60 years. The last part of the dissertation describes the use of depolymerization model as a tool to understand the kinetic behavior of hemicellulose hydrolysis under dilute acid conditions. Experiments are carried out to measure the concentrations of xylose and xylooligomers during dilute acid hydrolysis of aspen. The experiment data are used to fine tune the parameters of the depolymerization model. The results show that the depolymerization model successfully predicts the xylose monomer profile in the reaction, however, it overestimates the concentrations of xylooligomers.

Value-adding to cellulosic ethanol: Lignin polymers

Lignocellulosic waste materials are the most promising feedstock for generation of a renewable, carbon-neutral substitute for existing liquid fuels. The development of value-added products from lignin will greatly improve the economics of producing liquid fuels from biomass. This review gives an outline of lignin chemistry, describes the current processes of lignocellulosic biomass fractionation and the lignin products obtained through these processes, then outlines current and potential value-added applications of these products, in particular as components of polymer composites. Research highlights The use of lignocellulosic biomass to produce platform chemicals and industrial products enhances the sustainability of natural resources and improves environmental quality by reducing greenhouse and toxic emissions. In addition, the development of lignin based products improves the economics producing liquid transportation fuel from lignocellulosic feedstock. Value adding can be achieved by converting lignin to functionally equivalent products that rely in its intrinsic properties. This review outlines lignin chemistry and some potential high value products that can be made from lignin. Keywords: Lignocellulose materials; Lignin chemistry; Application

Inhibition of orexin-1/hypocretin-1 receptors inhibits yohimbine-induced reinstatement of ethanol and sucrose seeking in Long-Evans rats

Abstract RATIONALE: Previous studies have shown that orexin-1/hypocretin-1 receptors play a role in self-administration and cue-induced reinstatement of food, drug, and ethanol seeking. In the current study, we examined the role of orexin-1/hypocretin-1 receptors in operant self-administration of ethanol and sucrose and in yohimbine-induced reinstatement of ethanol and sucrose seeking. MATERIALS AND METHODS: Rats were trained to self-administer either 10% ethanol or 5% sucrose (30 min/day). The orexin-1 receptor antagonist SB334867 (0, 5, 10, 15, 20 mg/kg, i.p.) was administered 30 min before the operant self-administration sessions. After these experiments, the operant self-administration behaviors were extinguished in both the ethanol and sucrose-trained rats. Upon reaching extinction criteria, SB334867 (0, 5, 10 mg/kg, i.p.) was administered 30 min before yohimbine (0 or 2 mg/kg, i.p.). In a separate experiment, the effect of SB334867 (0, 15, or 20 mg/kg, i.p.) on general locomotor activity was determined using the open-field test. RESULTS: The orexin-1 receptor antagonist, SB334867 (10, 15 and 20 mg/kg) decreased operant self-administration of 10% ethanol but not 5% sucrose self-administration. Furthermore, SB334867 (5 and 10 mg/kg) significantly decreased yohimbine-induced reinstatement of both ethanol and sucrose seeking. SB334867 did not significantly affect locomotor activity measured using the open-field test. CONCLUSIONS: The results suggest that inhibition of OX-1/Hcrt-1 receptors modulates operant ethanol self-administration and also plays a significant role in yohimbine-induced reinstatement of both ethanol and sucrose seeking in rats.

Development of a high-level gene expression system for the production of bioplastics in sugarcane

Despite various approaches, the production of biodegradable plastics such as polyhydroxybutyrate (PHB) in transgenic plants has met with limited success due largely to low expression levels. Even in the few instances where high levels of protein expression have been reported, the transgenic plants have been stunted indicating PHB is phytotoxic (Poirier 2002). This PhD describes the application of a novel virus-based gene expression technology, termed InPAct („In Plant Activation.), for the production of PHB in tobacco and sugarcane. InPAct is based on the rolling circle replication mechanism by which circular ssDNA viruses replicate and provides a system for controlled, high-level gene expression. Based on these features, InPAct was thought to represent an ideal system to enable the controlled, high-level expression of the three phb genes (phbA, phbB and phbC) required for PHB production in sugarcane at a preferred stage of plant growth. A Tobacco yellow dwarf virus (TbYDV)-based InPAct-phbA vector, as well as linear vectors constitutively expressing phbB and phbC were constructed and different combinations were used to transform tobacco leaf discs. A total of four, eight, three and three phenotypically normal tobacco lines were generated from discs transformed with InPAct-phbA, InPAct-phbA + p1300-TaBV P-phbB/phbC- 35S T, p1300-35S P-phbA-NOS T + p1300-TaBV P-phbB/phbC-35S T and InPAct-GUS, respectively. To determine whether the InPAct cassette could be activated in the presence of the TbYDV Rep, leaf samples from the eight InPActphbA + p1300-TaBV P-phbB/phbC-35S T plants were agroinfiltrated with p1300- TbYDV-Rep/RepA. Three days later, successful activation was indicated by the detection of episomes using both PCR and Southern analysis. Leaf discs from the eight InPAct-phbA + p1300-TaBV P-phbB/phbC-35S T transgenic plant lines were agroinfiltrated with p1300-TbYDV-Rep/RepA and leaf tissue was collected ten days post-infiltration and examined for the presence of PHB granules. Confocal microscopy and TEM revealed the presence of typical PHB granules in five of the eight lines, thus demonstrating the functionality of InPActbased PHB production in tobacco. However, analysis of leaf extracts by HPLC failed to detect the presence of PHB suggesting only very low level expression levels. Subsequent molecular analysis of three lines revealed low levels of correctly processed mRNA from the catalase intron contained within the InPAct cassette and also the presence of cryptic splice sites within the intron. In an attempt to increase expression levels, new InPAct-phb cassettes were generated in which the castorbean catalase intron was replaced with a synthetic intron (syntron). Further, in an attempt to both increase and better control Rep/RepA-mediated activation of InPAct cassettes, Rep/RepA expression was placed under the control of a stably integrated alc switch. Leaf discs from a transgenic tobacco line (Alc ML) containing 35S P-AlcR-AlcA P-Rep/RepA were supertransformed with InPAct-phbAsyn or InPAct-GUSsyn using Agrobacterium and three plants (lines) were regenerated for each construct. Analysis of the RNA processing of the InPAct-phbAsyn cassette revealed highly efficient and correct splicing of the syntron, thus supporting its inclusion within the InPAct system. To determine the efficiency of the alc switch to activate InPAct, leaf material from the three Alc ML + InPAct-phbAsyn lines was either agroinfiltrated with 35S P-Rep/RepA or treated with ethanol. Unexpectedly, episomes were detected not only in the infiltrated and ethanol treated samples, but also in non-treated samples. Subsequent analysis of transgenic Alc ML + InPAct-GUS lines, confirmed that the alc switch was leaky in tissue culture. Although this was shown to be reversible once plants were removed from the tissue culture environment, it made the regeneration of Alc ML + InPAct-phbsyn plant lines extremely difficult, due to unintentional Rep expression and therefore high levels of phb expression and phytotoxic PHB production. Two Alc ML + InPAct-phbAsyn + p1300-TaBV P-phbB/phbC-35S T transgenic lines were able to be regenerated, and these were acclimatised, alcohol-treated and analysed. Although episome formation was detected as late as 21 days post activation, no PHB was detected in the leaves of any plants using either microscopy or HPLC, suggesting the presence of a corrupt InPAct-phbA cassette in both lines. The final component of this thesis involved the application of both the alc switch and the InPAct systems to sugarcane in an attempt to produce PHB. Initial experiments using transgenic Alc ML + InPAct-GUS lines indicated that the alc system was not functional in sugarcane under the conditions tested. The functionality of the InPAct system, independent of the alc gene switch, was subsequently examined by bombarding the 35S Rep/RepA cassette into leaf and immature leaf whorl cells derived from InPAct-GUS transgenic sugarcane plants. No GUS expression was observed in leaf tissue, whereas weak and irregular GUS expression was observed in immature leaf whorl tissue derived from two InPAct- GUS lines and two InPAct-GUS + 35S P-AlcR-AlcA P-GUS lines. The most plausible reason to explain the inconsistent and low levels of GUS expression in leaf whorls is a combination of low numbers of sugarcane cells in the DNA replication-conducive S-phase and the irregular and random nature of sugarcane cells bombarded with Rep/RepA. This study details the first report to develop a TbYDV-based InPAct system under control of the alc switch to produce PHB in tobacco and sugarcane. Despite the inability to detect quantifiable levels of PHB levels in either tobacco or sugarcane, the findings of this study should nevertheless assist in the further development of both the InPAct system and the alc system, particularly for sugarcane and ultimately lead to an ethanol-inducible InPAct gene expression system for the production of bioplastics and other proteins of commercial value in plants.

Re-engaging marginalized youth through digital music production: performance, audience and evaluation

This paper presents two case studies of marginalised youth experimenting with digital music production in flexible education settings. The cases were drawn from a three-year study of alternative assessment in flexible learning centres that enrol 650+ students who have left formal schooling in Queensland, Australia. The cases are framed in reference to the literature on cultural studies approaches to education and the digital arts. Each case describes the student’s histories, cultural background and experiences, music productions, evidence of learning and re-engagement with education. Findings document how digital music production can re-engage and extend participation among students who have left formal education. They do so by theorising the online judgements and blog comments about the digital music production as a social field of exchange. It also raises critical questions about the adequacy of current approaches to evaluating and accounting for the learning and development of such youth, especially where this has occurred through creative arts and digital production.

The composition of sugarcane juices dervied from burnt cane and whole green cane crop

There has been substantial interest within the Australian sugar industry in product diversification as a means to reduce its exposure to fluctuating raw sugar prices and in order to increase its commercial viability. In particular, the industry is looking at fibrous residues from sugarcane harvesting (trash) and from sugarcane milling (bagasse) for cogeneration and the production of biocommodities, as these are complementary to the core process of sugar production. A means of producing surplus residue (biomass) is to process whole sugarcane crop. In this paper, the composition of different juices derived from different harvesting methods, viz. burnt cane with all trash extracted (BE), green cane with half of the trash extracted (GE), and green cane (whole sugarcane crop) with trash unextracted (GU), were investigated and the results and comparison presented. The determination of electrical conductivity, inorganic composition, and organic acids indicate that both GU and GE cane juice contain a higher proportion of soluble inorganic ions and ionisable organic acids, compared to BE cane juice. It is important to note that there are considerably higher levels of Na ions and citric acid, but relatively low P levels in the GU samples. A higher level of reducing sugars was analysed in the GU samples than the BE samples due to the higher proportion of impurities found naturally in sugarcane tops and leaves. The purity of the first expressed juice (FEJ) of GU cane was on average higher than that of FEJ of BE cane. Results also show that GU juices appear to contain higher levels of proteins and polysaccharides, with no significant difference in starch levels.

An update on the Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant : preliminary trial results

THE Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant is a pilot scale facility owned and operated by QUT for research and demonstration of the conversion of lignocellulosic biomass such as sugarcane bagasse into biofuels. The pilot plant accommodates unique state-of-the-art equipment to process a wide range of feedstocks and is strategically located on the site of the Mackay Sugar Ltd Racecourse Mill. Major facilities include a biomass handling system, pre-treatment reactor, saccharification reactor, fermentors, distillation column and bioseparations equipment. This paper provides an update on the design, construction, commissioning and start-up of the facility. In addition, the paper provides results from preliminary facility trials on the pre-treatment of sugarcane bagasse for cellulosic ethanol production.