The fabrication of biodegradable nanospheres from novel hydroxalkanoates for the delivery of actives of pharmaceutical and agricultural interest

This work describes the fabrication of nanospheres from a range of novel polyhydroxyalkanoates supplied by Monsanto, St Louis, Missouri, USA for the delivery of selected actives of both pharmaceutical and agricultural interest. Initial evaluation of established microsphere and nanosphere fabrication techniques resulted in the adoption and optimisation of a double sonication solvent evaporation method involving the synperonic surfactant F68. Nanospheres could be consistently generated with this method. Studies on the incorporation and release of the surrogate protein Bovine Serum Albumin V demonstrated that BSA could be loaded with between 10-40% w/w BSA without nanosphere destabilisation. BSA release from nanospheres into Hanks Balanced Salts Solution, pH 7.4, could be monitored for up to 28 days at 37°C. The incorporation and release of the Monsanto actives - the insecticide Admire® ({ 1-[(6-chloro-3-pyridinyl)methyIJ-N-nitro-2-imidazolidinimine}) and the plant growth hormone potassium salt Gibberellic acid (GA3K) from physico-chemically characterised polymer nanospheres was monitored for up to 37 days and 28 days respectively, at both 4°C and 23°C. Release data was subsequently fitted to established kinetic models to elaborate the possible mechanisms of release of actives from the nanospheres. The exposure of unloaded nanospheres to a range of physiological media and rural rainwater has been used to investigate the role polymer biodegradation by enzymatic and chemical means might play in the in vivo release of actives and agricultural applications. The potential environmental biodegradation of Monsanto polymers has been investigated using a composting study (International Standard ISO/FDIS 14855) in which the ultimate aerobic biodegradation of the polymers has been monitored by the analysis of evolved carbon dioxide. These studies demonstrated the potential of the polymers for use in the environment, for example as a pesticide delivery system.

Produção de biopolímeros por culturas microbianas mistas selecionadas

Com a realização deste trabalho, pretendeu-se efetuar uma seleção de culturas mistas em reatores semi-descontínuos (SBR) com capacidade de acumulação de polihidroxialcanoatos (PHA). Para a seleção de culturas foram utilizados inóculos provenientes de diferentes Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e ácidos orgânicos voláteis (AOV) como fonte de carbono. Foram testadas diferentes condições como a proveniência do inóculo, as cargas orgânicas aplicadas e a seleção de culturas utilizando soro de queijo. Verificaram-se elevadas remoções da CQO (acima de 90%) em grande parte dos ensaios realizados, apresentando uma acumulação de PHA por parte de algumas espécies de bactérias presentes. Ocorreu o aparecimento de microrganismos filamentosos com capacidade de acumulação de PHA em alguns ensaios, levando a serem testadas como culturas acumuladoras de PHA. A estabilidade das culturas mistas não foi atingida, mesmo havendo ensaios com 80 dias de operação. Efetuaram-se ensaios de acumulação de PHA em reatores descontínuos, utilizando as culturas selecionadas anteriormente em reatores SBR, com AOV provenientes da acidificação anaeróbia de diferentes resíduos (Fração Orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos - FORSU e Soro de Queijo). Verificou-se uma melhor acumulação por parte das culturas selecionadas com soro de queijo, na qual a quantidade de polímero acumulado triplicou.

Production of bioplastics from hydrolysates of paper industry by Haloferax mediterranei

The biorefinery concept has attracted much attention over the last decade due to increasing concerns about the use of fossil resources. In this context emerged the use of bioplastics, namely polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA are biocompatible and biodegradable plastics that can be obtained from renewable raw materials and can constitute an alternative solution to conventional plastics. In this work, hydrolysed cellulose pulp, coming from Eucalyptus globulus wood cooking, was used as substrate to the PHA-storing bacteria Haloferax mediterranei. The hydrolysed pulp is rich in simple sugars, mainly glucose (81.96 g.L-1) and xylose (20.90 g.L-1). Tests were made in defined medium with glucose and xylose and in hydrolysate supplemented with salts and yeast extract. Different concentrations of glucose were tested, namely 10, 15, 20, 30 and 40 g.L-1. The best accumulation results (27.1 % of PHA) were obtained in hydrolysate medium with 10 g.L-1. Using this concentration, assays were performed in fed-batch and sequencing batch reactor conditions in order to determine the best feeding strategy. The strategy that led to the best results was fed-batch assay with 24.7 % of PHA. An assay without sterile conditions was performed, in which was obtained the same growth than in sterilization test. Finally it was performed an assay in a bioreactor and a fast growth (0.14 h-1) with high glucose and xylose consumption rates (0.368 g.L-1.h-1 and 0.0947 g.L-1.h-1, respectively) were obtained. However 1.50 g.L-1 of PHA, corresponding to 16.1 % (92.52 % of 3HB and 3HV of 7.48 %) of % PHA were observed. The polymer was further characterized by DSC with a glass transition temperature of -6.07 °C, a melting temperature of 156.3 °C and a melting enthalpy of 63.07 J.g-1, values that are in accordance with the literature. This work recognizes for the first time the suitability of the pulp paper hydrolysate as a substrate for PHA production by H. mediterranei.

Síntese, extração e caracterização de biopolímeros de origem microalgal para desenvolvimento de nanofibras

Pesquisas com microalgas estão crescendo devido aos possíveis bioprodutos oriundos de sua biomassa, bem como as suas diferentes aplicabilidades. Microalgas podem ser cultivadas para a produção de biopolímeros com características de biocompatibilidade e biodegradabilidade. Nanofibras produzidas por electrospinning a partir de poli-β-hidroxibutirato (PHB) geram produtos com aplicabilidade na área de alimentos e médica. O objetivo deste trabalho foi selecionar microalgas com maior potencial para síntese de biopolímeros, em diferentes meios de cultivo, bem como purificar poli-β-hidroxibutirato e desenvolver nanofibras. Este trabalho foi dividido em cinco artigos: (1) Seleção de microalgas produtoras de biopolímeros; (2) Produção de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivo com diferentes fontes de carbono e redução de nitrogênio; (3) Síntese de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivos autotróficos e mixotróficos; (4) Purificação de poli-β- hidroxibutirato extraído da microalga Spirulina sp. LEB 18; e (5) Produção de nanofibras a partir de poli-β-hidroxibutirato de origem microalgal. Foram estudadas as microalgas Cyanobium sp., Nostoc ellipsosporum, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Os biopolímeros foram extraídos nos tempos de 5, 10, 15, 20 e 25 d de cultivo a partir de digestão diferencial. Para os experimentos com diferentes nutrientes, foi utilizado como fonte de carbono, bicarbonato de sódio, acetato de sódio, glicose e glicerina modificando-se as concentrações de nitrogênio e fósforo. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores fechados de 2 L. A concentração inicial de inóculo foi 0,15 g.L-1 e os ensaios foram mantidos em estufa termostatizada a 30 ºC com iluminância de 41,6 µmolfótons.m -2 .s -1 e fotoperíodo 12 h claro/escuro. Para a purificação de PHB, foi utilizada a biomassa da cianobactéria Spirulina sp. LEB 18, cultivada em meio Zarrouk. Após a extração do biopolímero bruto, a amostra foi desengordurada com hexano e purificada com 1,2-carbonato de propileno. Foram determinadas as purezas e as propriedades térmicas no PHB purificado. O biopolímero utilizado para produzir as nanofibras apresentava 70 % de pureza. A técnica para produção de nanofibras foi o electrospinning. As microalgas que apresentaram máxima produtividade foram Nostoc ellipsosporum e Spirulina sp. LEB 18 com rendimento de biopolímero 19,27 e 20,62 % em 10 e 15 d, respectivamente, na fase de máximo crescimento celular. O maior rendimento de biopolímeros (54,48 %) foi obtido quando se utilizou 8,4 g.L-1 de NaHCO3, 0,05 g.L-1 de NaNO3 e 0,1 g.L-1 de K2HPO4. A condição que proporcionou maior pureza do PHB foi a 130 ºC e 5 min de contato entre o solvente (1,2-carbonato de propileno) e o PHB. As análises térmicas para todas as amostras foram semelhantes em relação ao PHB padrão (Sigma-Aldrich). A purificação com 1,2-carbonato de propileno foi eficiente para o PHB extraído de microalga, alcançando pureza acima de 90 %. A condição que apresentou menores diâmetros de nanofibras foi ao utilizar solução contendo 20 % de biopolímero solubilizado em clorofórmio. As condições do electrospinning que apresentou nanofibras com diâmetros de 470 e 537 nm foram, vazão 150 µL.h-1 , diâmetro do capilar 0,45 mm e voltagens entre 24,1 e 29,6 kV, respectivamente. A microalga Spirulina sp. LEB 18 produz PHB ao utilizar menores concentrações de nutrientes no meio de cultivo, que pode ser purificado com 1,2-carbonato de propileno. Este biopolímero possui aplicabilidade para produção de nanofibras.

Degradación bacteriana de cianuro y compuestos nitrogenados tóxicos

La ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcaligenes CECT5344 transcurre a través de un nitrilo formado por la reacción química del cianuro con el oxalacetato, siendo este último acumulado como consecuencia de la acción conjunta de una malato:quinona oxidoreductasa (MQO) y la oxidasa terminal resistente a cianuro (CioAB) (Luque-Almagro et al., 2011b). Los nitrilos pueden ser convertidos en amonio por la acción de una nitrilasa o un sistema nitrilo hidratasa/amidasa. Con el objetivo de elucidar la ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcalígenes CECT5344, se ha analizado el proteoma de este microorganismo en condiciones cianotróficas frente a nitrato como fuente de nitrógeno como control. En este estudio se identificaron proteínas relacionadas con la ruta de asimilación de cianuro en la estirpe CECT5344, que aparecían inducidas por cianuro, como NitB y NitG, cuyos genes se encuentran localizados en la agrupación génica nit1C. Además de NitB y NitG, de función desconocida, la agrupación génica nit1C codifica un regulador transcripcional del tipo Fis dependiente de σ54 (NitA), una nitrilasa (NitC), una proteína que pertenece a la superfamilia S-adenosilmetionina (NitD), un miembro de la superfamilia N-aciltransferasa (NitE), un polipéptido de la familia AIRS/GARS (NitF) y una oxidorreductasa dependiente de NADH (NitH). Un análisis transcripcional mediante RT-PCR determinó que los genes nitBCDEFGH se cotranscriben, mientras que el gen regulador nitA se transcribe de forma divergente. Además, resultados obtenidos por RT-PCR confirman que la expresión de los genes nitBCDEFGH está inducida por cianuro y reprimida por amonio. La relación entre el cianuro y el grupo de genes nit1C queda patente por el fenotipo de los mutantes deficientes nitA, nitB y nitC, incapaces de usar complejos cianuro-metálicos o 2-hidroxinitrilos como única fuente de nitrógeno. Todos estos datos indican que la nitrilasa NitC, junto con la proteína NitB, utilizan de forma específica determinados nitrilos alifáticos como sustrato, entre los que se encuentran el formado durante la asimilación de cianuro (Estepa et al., 2012). Además, entre las proteínas inducidas por cianuro se identificaron una dihidropicolinato sintasa (DapA), una fosfoserina transaminasa (SerC) y una proteína de función desconocida (Orf1), las tres codificadas por genes del operón cio, una cianasa (CynS), la proteína S6 de la subunidad ribosomal 30S (RpsF), una superóxido dismutasa (SodB), la ferritina (Dps), una oxidorreductasa (Fpr) y un factor de elongación P (EF-P). Una vez identificadas, estas proteínas se han analizado funcionalmente y se han localizado en el genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 los genes correspondientes, así como los genes adyacentes. La inducción de estas proteínas en condiciones cianotróficas sugiere que el metabolismo del cianuro incluye, además de la resistencia y asimilación de este tóxico, otros procesos biológicos relacionados con el metabolismo del cianato y de algunos aminoácidos, el estrés oxidativo y la homeostasis de hierro, entre otros. Por otra parte, el conocimiento en profundidad y la interpretación de la secuencia génica de P. pseudoalcaligenes CECT5344, así como el análisis comparativo frente a organismos no cianotrofos ha permitido entender algunos de los mecanismos implicados en la resistencia y asimilación de cianuro, lo que permitiría conducir a la posterior mejora del proceso de biodegradación de cianuro. Además, el estudio del genoma de la estirpe CECT5344 permitirá explorar la capacidad de este organismo para ser utilizado en procesos de biorremediación de residuos cianurados en los que se encuentran metales y otros tóxicos (Luque-Almagro et al., 2013; Wibberg et al., 2014). En este trabajo se muestran y discuten los resultados de la secuenciación del genoma de P. pseudoalcaligenes, así como el estudio del análisis filogenético y evolutivo de la cepa, estableciéndose de esta manera relaciones con otras especies en base a los genomas secuenciados de las mismas, entre las que destaca P. mendocina ymp relacionada con P. pseudoalcaligenes CECT5344. El estudio de las características del genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 ha sido completado con un análisis comparativo frente a los genomas de otras especies de Pseudomonas, encontrándose así semejanzas y diferencias en cuanto a la distribución génica funcional. Por último, se muestra un análisis del genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 en relación con los genes implicados probablemente en los procesos de asimilación de cianuro y residuos cianurados, tales como los codificantes de nitrilasas y aquellos implicados en la resistencia a cianuro como los constituyentes del operón cio que codifican la oxidasa terminal insensible a cianuro. Finalmente, se discute la presencia de genes implicados posiblemente en otros procesos con una alto potencial biotecnológico, tales como la producción de bioplásticos y la biodegradación de diversos contaminantes.

Assessing the impact of ammonia content in VFA-rich streams on the PHA-storing MMC acclimatization and the PHA production stage

The use of environmentally friendly products increased the interest in renewable resources as alternatives to petrochemical products. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are examples of such promising products, as they are biodegradable polymers with numerous potential applications. PHA production approach consists of using an open mixed microbial culture (MMC) and inexpensive feedstocks (waste or industry byproducts feedstock). The PHA process generally comprises three stages: (1) acidogenic fermentation (AF) stage (conversion of organic carbon into fermentation products); (2) culture selection stage (enrichment in PHA-storing organisms by applying Feast and Famine regime); and (3) PHA production stage (PHA accumulation up to the culture’s maximum capacity). AF of protein-rich residues results in ammonia-rich fermented streams, which can be presented as a challenge for the PHA production stage. The presence of ammonia during this stage may induce organisms to grow instead of producing PHAs. For this reason, the assessment of the effect of a high content of ammonia on PHA production it is the utmost importance. The main goal of the current project is to select a MMC enriched in PHA-accumulating organisms in conditions of high ammonia content and to evaluate the effects of ammonia presence during PHA accumulation. The culture was selected applying the Feast & Famine strategy, and fed, firstly, using a synthetic mixture of VFAs and later using a fermented stream obtained from the fermentation of protein-rich raw materials. The selected culture could accumulate up to 24% PHA per VSS with the synthetic mixture of VFAs and up to 29% for the real fermented stream. The PHA accumulation resulted in different production in the presence and absence of ammonia. Regarding to the synthetic feed, 59%wt. PHA (VSS basis) in the absence of ammonia, and 55%wt. (VSS basis) in the presence, were obtained. For the real feed, the PHA content was about 40%wt. (VSS basis) in both reactors.

A novel hybrid thermochemical-biological refinery integrated with power-to-X approach for obtaining biopolymers

In this study, a novel hybrid thermochemical-biological refinery integrated with power-to-x approach was developed for obtaining biopolymers (namely polyhydroxyalkanoates, PHA). Within this concept, a trilogy process schema comprising of, (i) thermochemical conversion via integrated pyrolysis-gasification technologies, (ii) anaerobic fermentation of the bioavailable products obtained through either thermochemistry or water-electrolysis for volatile fatty acids (VFA) production, (iii) and VFA-to-PHA bioconversion via an original microaerophilic-aerobic process was developed. During the first stage of proposed biorefinery where lignocellulosic (wooden) biomass was converted into, theoretically fermentable products (i.e. bioavailables) which were defined as syngas and water-soluble fraction of pyrolytic liquid (WS); biochar as a biocatalyst material; and a dense-oil as a liquid fuel. Within integrated pyrolysis - gasification process, biomass was efficiently converted into fermentable intermediates representing up to 66% of biomass chemical energy content in chemical oxygen demand (COD) basis. In the secondary stage, namely anaerobic fermentation for obtaining VFA rich streams, three different downstream process were investigated. First fermentation test was acidogenic bioconversion of WS materials obtained through pyrolysis of biomass within an original biochar-packed bioreactor, it was sustained up to 0.6 gCOD/L-day volumetric productivity (VP). Second, C1 rich syngas materials as the gaseous fraction of pyrolysis-gasification stage, was fermented within a novel char-based biofilm sparger reactor (CBSR), where up to 9.8 gCOD/L-day VP was detected. Third was homoacetogenic bioconversion within the innovative power-to-x pathway for obtaining commodities via renewable energy sources. More specifically, water-electrolysis derived H2 and CO2 as a primary greenhouse gas was successfully bio-utilized by anaerobic mixed cultures into VFA within CBSR system (VP: 18.2 gCOD/L-day). In the last stage of the developed biorefinery schema, VFA is converted into biopolymers within a new continuous microaerophilic-aerobic microplant, where up to 60% of PHA containing sludges was obtained.