Produzione di enzimi da scarti agro-alimentari tramite Pleurotus ostreatus

Nel corso del tirocinio di tesi si sono studiate nuove metodologie per la produzione di enzimi idrolitici per matrici lignocellulosiche vegetali di scarto. In primis è stato valutato un nuovo metodo di produzione enzimatica utilizzando il fungo basidiomicete Pleurotus ostreatus all’interno di un fermentatore in stato solido (SSF) movimentando periodicamente il substrato mediante un'estrusione meccanica e confrontando i risultati con esperimenti analoghi ma privi di estrusione. In seguito si è valutata l’attività enzimatica prodotta dal fungo Agaricus bisporus (il comune Champignons) cresciuto tramite una fermentazione in stato solido priva di qualsiasi movimentazione. Infine gli estratti enzimatici ricavati dalle prove precedenti sono stati utilizzati allo scopo di idrolizzare matrici vegetali di scarto provenienti dall’industria cerealicola e viti-vinicola. I risultati del lavoro risultano promettenti e si osserva come sia gli estratti ricavati da fermentazioni su stato solido dinamiche (con Pleurotus) che quelle su stato solido statiche (con Agaricus) sono in grado di favorire l’idrolisi e la degradazione delle matrici vegetali favorendo la fuoriuscita di componenti di interesse come zuccheri riducenti e polifenoli.

Attività catalitica ed espressione genica di enzimi antiossidanti nei mitili, Mytilus galloprovincialis esposti ai farmaci fluoxetina e propranololo ed alla loro miscela.

E’ stimato che circa 4.000 sostanze diverse vengano utilizzate nella medicina umana, fra cui soprattutto analgesici, antinfiammatori, contraccettivi, antibiotici, beta-bloccanti, regolatori lipidici, composti neuroattivi e molti altri. Inoltre un elevato numero di farmaci, spesso simili a quelli umani tra cui antibiotici e antinfiammatori, viene usato nella medicina veterinaria. L’uso può essere diverso nei diversi Paesi ma farmaci quali l’ibuprofene, la carbamazepina, o i beta-bloccanti vengono consumati in quantità di tonnellate per anno. Le analisi chimiche hanno riscontrato la presenza dei residui dei farmaci nelle acque reflue dai depuratori, nei fiumi e nei laghi in maniera ubiquitaria a concentrazioni nell’intervallo di 10-1000 ng/L. Come ci si aspetta, i farmaci sono molto concentrati nelle acque reflue degli ospedali, tuttavia la percentuale di farmaci provenienti dagli ospedali è stata valutata complessivamente non oltre il 20% del quantitativo totale. L’origine preponderante dei farmaci proviene dall’uso domiciliare, per cui gli impianti municipali di raccolta delle acqua di rifiuto sono la maggiore via di ingresso in ambiente. Una volta ingeriti e metabolizzati, i farmaci vengono escreti via urine o feci e introdotti nella rete fognaria fino alle sedi di trattamento delle acque. Altra sorgente è rappresentata dalle manifatture dei farmaci, dalle quali possono derivare scarichi illegali o accidentali. Una sorgente importante di farmaci, soprattutto di antibiotici, è rappresentata dagli allevamenti animali, sia in ambienti interni che al pascolo, e dall’acquacoltura. Nel primo caso in particolare vengono prodotti e raccolti una grande quantità di rifiuti, che di solito sono accumulati temporaneamente e poi dispersi sui suoli agricoli. I farmaci presenti nei suoli possono essere trasportati alle acque sotterranee, o dilavati a livello superficiale contribuendo ad aumentare il livello di farmaci nei corsi d’acqua oppure una volta sciolti nell’acqua interstiziale possono essere assunti dai vegetali. Gli impianti di depurazione attuali non sono pianificati per eliminare microinquinanti altamente polari come i farmaci, e in relazione alle differenti molecole la eliminazione può essere in percentuale diversa, spesso anche molto bassa. I test ecotossicologici di tipo acuto utilizzati per molto tempo per valutare la tossicità dei farmaci ambientali hanno riportato effetti soltanto a concentrazioni superiori a quelle ambientali; nei 2-3 anni più recenti tuttavia è stato messo in luce come, già a basse concentrazioni, alcuni farmaci modifichino le attività riproduttive o il metabolismo di pesci e molluschi. Da qui è nata l’esigenza di studiare quale sia la possibile interazione dei residui dei farmaci con la fauna acquatica a concentrazioni compatibili con quelle ambientali, e valutare il meccanismo d’azione sfruttando per quanto possibile le conoscenze disponibili per i farmaci messi in commercio. I farmaci infatti sono composti disegnati per avere effetti terapeutici attraverso specifici meccanismi d’azione. Negli organismi non bersaglio che risultano esposti ai residui dei farmaci in ambiente, queste sostanze potrebbero però indurre effetti simili a quelli specifici nel caso i bersagli molecolari siano stati conservati durante l’evoluzione. Inoltre, i farmaci manifestano effetti collaterali, in genere se usati a dosi elevate o per lungo tempo, e molto spesso si tratta di effetti ossidanti. E’ possibile che tali effetti siano indotti dai farmaci ambientali nei molluschi o nei pesci, magari a basse dosi se questi animali sono più sensibili dell’uomo. Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare nei mitili Mytilus galloprovincialis i potenziali effetti indotti dalla fluoxetina (farmaco antidepressivo), dal propranololo (farmaco β-bloccante), o dalla loro miscela con riferimento a quelli classificati come collaterali nell’uomo. In particolare, è stata studiata l’espressione di geni che codificano per gli enzimi antiossidanti catalasi (CAT), glutatione S transferasi (GST) e superossido dismutasi (SOD), mediatori della risposta allo stress ossidativo. I possibili effetti dei farmaci sono stati valutati dopo esposizione dei mitili Mytilus galloprovincialis per 7 giorni a fluoxetina (FX) e propranololo (PROP) ad un range di concentrazioni che comprendono quelle misurate in ambiente, e alla loro miscela alla concentrazione di 0,3 ng/l, scelta perché rappresentativa delle dosi inferiori dei due farmaci riscontrate in ambiente acquatico. I risultati hanno dimostrato che FX causa una generale diminuzione dell’espressione dei geni CAT, mentre per i geni codificanti per GST e SOD si osservano variazioni significative soltanto ad una concentrazione di FX, 300 e 3 ng/L rispettivamente. La riduzione dei livelli di espressione di CAT non sempre accompagnata dalla significativa variazione dei livelli di espressione di SOD e GST, può indicare che il sistema anti-ossidante non è in grado di adattarsi in modo efficiente all’alterazione indotta dall’esposizione a FX, portando ad un progressivo aumento dei livelli di stress. Per quanto riguarda gli effetti del PROP, i risultati ottenuti mostrano che nei mitili esposti a concentrazioni crescenti del farmaco i geni CAT e SOD risultano progressivamente sovra-espressi rispetto al controllo, anche se in maniera non significativa mentre i livelli di espressione di GST non sono significativamente alterati. I dati ottenuti esponendo i mitili alla miscela dei due farmaci, indicano che FX e PROP possono avere effetti interattivi sulla regolazione dei tre geni coinvolti nella risposta antiossidante. In presenza della miscela si osserva infatti una riduzione significativa dell’espressione del gene CAT, del gene GST mentre non ci sono effetti sul gene SOD. In conclusione, concentrazioni di PROP e FX nell’intervallo di quelle misurate in ambiente possono generare significativi effetti sui geni CAT, GST, e SOD. Come riscontrato nella precedente letteratura, l’attività o l’espressione degli enzimi antiossidanti risente molto dello stato fisiologico dei mitili e della stagionalità, quindi il ruolo degli enzimi antiossidanti come biomarker deve essere interpretato all’interno di batterie più ampie di risposte subletali degli organismi sentinella. Nel laboratorio questi dati sono stati ottenuti in precedenti lavoro di Tesi (Tosarelli, Tesi Magistrale in Biologia Marina, A.A. 2011; Inzolia, Tesi Magistrale in Biologia Marina, A.A. 2011). Le alterazioni ottenute a concentrazioni circa 1.000 volte inferiori rispetto a quelle efficaci nei test ecotossicologici acuti, dimostrano comunque che i farmaci possono avere effetti sugli organismi anche a concentrazioni molto basse come quelle ambientali. In particolare, poiché gli effetti ossidativi sono i più comuni effetti collaterali dei farmaci nell’Uomo che ne assuma elevate quantità o somministrazioni prolungate nel tempo, possiamo affermare che questi hanno luogo anche negli organismi non-target, a concentrazioni basse e dopo soli 7 giorni di esposizione. I dati della tesi non dimostrano che propranololo e fluoxetina hanno effetti deleteri sulle popolazioni o le comunità dei molluschi, ma debbono essere considerati come indicatori della vulnerabilità degli animali a questi composti.

Sistemi per la produzione di enzimi industriali finalizzati alla valorizzazione di scarti agroalimentari

La demolizione idrolitica delle pareti cellulari delle piante tramite enzimi lignocellulosici è quindi uno degli approcci più studiati della valorizzazione di scarti agricoli per il recupero di fitochimici di valore come secondary chemical building block per la chimica industriale. White rot fungi come il Pleurotus ostreatus producono una vasta gamma di enzimi extracellulari che degradano substrati lignocellulosici complessi in sostanze solubili per essere utilizzati come nutrienti. In questo lavoro abbiamo studiato la produzione di diversi tipi di enzimi lignocellulosici quali cellulase, xilanase, pectinase, laccase, perossidase e arylesterase (caffeoilesterase e feruloilesterase), indotte dalla crescita di Pleurotus ostreatus in fermentazione allo stato solido (SSF) di sottoprodotti agroalimentari (graspi d’uva, vinaccioli, lolla di riso, paglia di grano e crusca di grano) come substrati. Negli ultimi anni, SSF ha ricevuto sempre più interesse da parte dei ricercatori, dal momento che diversi studi per produzioni di enzimi, aromi, coloranti e altre sostanze di interesse per l' industria alimentare hanno dimostrato che SSF può dare rendimenti più elevati o migliorare le caratteristiche del prodotto rispetto alla fermentazione sommersa. L’utilizzo dei sottoprodotti agroalimentari come substrati nei processi SSF, fornisce una via alternativa e di valore, alternativa a questi residui altrimenti sotto/o non utilizzati. L'efficienza del processo di fermentazione è stato ulteriormente studiato attraverso trattamenti meccanici di estrusione del substrato , in grado di promuovere il recupero dell’enzima e di aumentare l'attività prodotta. Le attività enzimatiche prodotte dalla fermentazione sono strettamente dipendente della rimozione periodica degli enzimi prodotti. Le diverse matrici vegetali utilizzate hanno presentato diversi fenomeni induttivi delle specifiche attività enzimatiche. I processi SSF hanno dimostrato una buona capacità di produrre enzimi extracellulari in grado di essere utilizzati successivamente nei processi idrolitici di bioraffinazione per la valorizzazione dei prodotti agroalimentari.

Cultivation of Pleurotus spp. on a combination of anaerobically digested plant material and various agro-residues

Two species of Pleurotus, Pleurotus florida and Pleurotus flabellatus were cultivated on two agro-residues (paddy straw; PS and coir pith; CP) singly as well as in combination with biogas digester residue (BDR, main feed leaf biomass). The biological efficiency, nutritional value, composition and nutrient balance (C, N and P) achieved with these substrates were studied. The most suitable substrate that produced higher yields and biological efficiency was PS mixed with BDR followed by coir pith with BDR. Addition of BDR with agro-residues could increase mushroom yield by 20-30%. The biological efficiency achieved was high for PS + BDR (231.93% for P. florida and 209.92% for P. flabellatus) and for CP + BDR (14831% for P. florida and 188.46% for P. flabellatus). The OC (organic carbon), TKN (nitrogen) and TP (phosphate) removal of the Pleurotus spp. under investigation suggests that PS with BDR is the best substrate for growing mushroom. (C) 2015 Published by Elsevier Inc. on behalf of International Energy Initiative.

Phenotypic diversity amongst strains of Pleurotus sajor-caju: implications for cultivation in and environments

In arid regions, biodiversity and biomass are limited by water availability, and this problem has been compounded by desertification associated with global climate change. The saprotrophic macrofungi that are indigenous to hot subtropical and tropical regions, such as Pleurotus spp., can play key roles in water sequestration, nutrient cycling, human nutrition, and bioremediation of waste materials. We studied 15 strains of Pleurotus sajor-caju, a widespread and phenotypically-diverse species, to establish variability in growth response and primordium development over a range of stress parameters: osmotic potential (-0.5 to -5 MPa), temperature (5-40 degrees C) and pH (2-12). The initiation of primordia precedes basidiome production and therefore represents a key stage in bioremediation strategies and fungi-driven nutrient cycles. Primordia were produced at low pH (4-6), at suboptimal growth temperatures (<or =25 degrees C), and under moderate water stress (-0.5 to -3.5 MPa). Although the growth windows for different strains were similar, their maximum growth rates and the optimum conditions for growth varied. We discuss the phenotypic diversity of Pleurotus strains and discuss their potential for cultivation, bioremediation and ecological regeneration.

Influence of mixtures of acenaphthylene and benzo[a] anthracene on their degradation by Pleurotus ostreatus in sandy soil

Purpose Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a class of organic compounds commonly found as soil contaminants. Fungal degradation is considered as an environmentally friendly and cost-effective approach to remove PAHs from soil. Acenaphthylene (Ace) and Benzo[a]anthracene (BaA) are two PAHs that can coexist in soils; however, the influence of the presence of each other on their biodegradation has not been studied. The biodegradation of Ace and BaA, alone and in mixtures, by the white rot fungus Pleurotus ostreatus was studied in a sandy soil. Materials and methods Experimental microcosms containing soil spiked with different concentrations of Ace and BaAwere inoculated with P. ostreatus. Initial (t 0) and final (after 15 days of incubation) soil concentrations of Ace and BaA were determined after extraction of the PAHs. Results and discussion P. ostreatus was able to degrade 57.7% of the Ace in soil spiked at 30 mg kg−1 dry soil and 65.8% of Ace in soil spiked at 60 mg kg−1 dry soil. The degradation efficiency of BaA by P. ostreatus was 86.7 and 77.4% in soil spiked with Ace at 30 and 60 mg kg−1 dry soil, respectively. After 15 days of incubation, there were no significant differences in Ace concentration between soil spiked with Ace and soil spiked with Ace + BaA, irrespective of the initial soil concentration of both PAHs. There were also no differences in BaA concentration between soil spiked with BaA and soil spiked with BaA + Ace. Conclusions The results indicate that the fungal degradation of Ace and BaA was not influenced by the presence of each other’s PAH in sandy soil. Bioremediation of soils contaminated with Ace and BaA using P. ostreatus is a promising approach to eliminate these PAHs from the environment.

Caracterización de cepas del hongo comestible Pleurotus spp. en medios de cultivo y su evaluación en substratos lignocelulósicos forrajeros para la producción de carpóforos.

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Producción Agrícola) UANL

Valor nutricio de tres cepas mexicanas de Pleurotus ostreatus [por] Mayela Bautista Justo

Tesis (Doctor en Ciencias con Especialidad en Alimentos) U.A.N.L.

Studies on physicochemical and biological properties of protease inhibitor from edible mushroom Pleurotus floridanus

Protease inhibitors are found abundantly in numerous plants, animals and microorganisms, owing their significance to their application in the study of enzyme structures, reaction mechanisms and also their utilization in pharmacology and agriculture. They are (synthetic/natural) substances that act directly on proteases to lower the catalytic rate. Although most of these inhibitory proteins are directed against serine proteases, some target cysteine, aspartyl or metalloproteases (Bode and Huber, 1992). Protease inhibitors are essential for regulating the activity of their corresponding proteases and play key regulatory roles in many biological processes. Applications of protease inhibitors are intimately connected to the proteases they inhibit; an overview of proteases with the modes of regulation of their proteolytic activity is discussed

“Studies on extracellular enzyme production during growth of Pleurotus sp. on lignocellulosic agriwaste and the utilization of spent mushroom substrate”

Commercially, Pleurotus spp. of mushroom are cultivated in bags. After mushroom cultivation, spent substrate remains as residual material. Proper recycling of spent substrate is beneficial for our economy. Spent substrate can be utilized for various other value added purposes through the proper knowledge of its components. Composition of various components depends on the activity of extracellular enzymes in the spent substrate. The present study was conducted to know the enzyme profile of some major extracellular enzymes - cellulase, hemicellulase (xylanase), pectinase and ligninase (lignin peroxidase and laccase) and to estimate cellulose, hemicellulose, pectin and lignin in the substrate. The use of spent substrate as a source of fibre and ethanol, and in the biodegradation of phenol by Pleurotus spp. was also investigated

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

Biopulping of Paddy Straw by Pleurotus eous

Biopulping being less energy intensive, inexpensive and causing lesser pollution, can be a viable alternative to chemical and mechanical pulping in paper and pulp industry. In view of shrinking forest reserves, agricultural residues are considered as an alternative raw material for making paper and board. By suitable treatment agriwaste can be converted into substrate for mushroom cultivation. Mushrooms of Pleurotus sp. can preferentially remove lignin from agriwaste with limited degradation to cellulose. The present study examines utilization of Pleurotus eous for biopulping of paddy straw by solid substrate fermentation. SMS, the mushroom growing medium that results from cultivation process, is a good source of fibre and can be pulped easily. Ligninases present in SMS were able to reduce lignin content to nearly half the initial amount by 21st day of cultivation. Highest cellulose content (% dry weight) was observed on 21st day, while cellulase production commenced from 28th day of cultivation. SEM images revealed that SMS fibres are still associated with non-cellulosic materials when compared to chemically (20% w/v NaOH) extracted fibres.

Ethanol Production From Spent Substrate Of Pleurotus Eous

Spent substrate, the residual material of mushroom cultivation, causes disposal problems for cultivators. Currently the spent substrate of different mushrooms is used mainly for composting. Edible mushrooms of Pleurotus sp. can grow on a wide range of lignocellulosic substrates. In the present study, Pleurotus eous was grown on paddy straw and the spent substrate was used for the production of ethanol. Lignocellulosic biomass cannot be saccharified by enzymes to high yield of ethanol without pretreatment. The root cause for the recalcitrance of lignocellulosic biomass such as paddy straw is the presence of lignin and hemicelluloses on the surface of cellulose. They form a barrier and prevent cellulase from accessing the cellulose in the substrate. In the untreated paddy straw, the amount of hemicelluloses and lignin (in % dry weight) were 20.30 and 20.34 respectively and the total reducing sugar was estimated to be 5.40 mg/g. Extracellular xylanase and ligninases of P. eous could reduce the amount of hemicelluloses and lignin to 16 and 11(% dry weight) respectively, by 21st day of cultivation. Growth of mushroom brought a seven fold increase in the total reducing sugar yield (39.20 mg/g) and six fold increase in the production of ethanol (6.48 g/L) after 48hrs of fermentation, when compared to untreated paddy straw

Pretreatment Of Agricultural Waste With Pleurotus Sp. For Ethanol Production

Bioethanol is a liquid fuel obtained from fermentation of sugar/starch crops. Lignocellulosic biomass being less expensive is considered a future alternative for the food crops. One of the main challenges for the use of lignocellulosics is the development of an efficient pre-treatment process. Pretreatments are classified into three - physical, chemical, and biological pretreatment. Chemical process has not been proven suitable so far, due to high costs and production of undesired by-products. Biologically, hydrolysis can be enhanced by microbial or enzymatic pretreatment. Studies show that the edible mushrooms of Pleurotus sp. produce several extracellular enzymes which reduce the structural and chemical complexity of fibre. In the present study, P. ostreatus and P. eous were cultivated on paddy straw. Spent substrate left after mushroom cultivation was powdered and used for ethanol production. Saccharomyces sp. was used for fermentation studies. Untreated paddy straw was used as control. Production of ethanol from P. ostreatus substrate was 5.5 times more when compared to untreated paddy straw, while the spent substrate of P. eous gave 5 times increase in ethanol yield. Assays showed the presence of several extracellular enzymes in the spent substrate of both species, which together contributed to the increase in ethanol yield

Biodegradation Of Phenol Using Spent Substrate Of Pleurotus Sp.

Phenol is an aromatic hydrocarbon which exists as a colorless or white solid in its pure state. Over the past several decades, there is growing concern about wide spread contamination of surface and ground water by phenol, due to rapid development of chemical and petrochemical industries. Phenol affects aquatic life even at relatively low concentration (5-25mg/L). Treatment for removal of phenol includes chemical as well as biological processes. Studies show that ligninases such as Lignin Peroxidase and Laccase, produced by Pleurotus sp., can degrade phenol. Spent substrate of Pleurotus mushrooms consists of ligninases. Present work was to investigate the potential of spent substrate of edible mushroom P. ostreatus for biodegradation of phenol. P. ostreatus was cultivated on paddy straw. After harvest, spent substrate was utilized for phenol degradation. According to the enzyme profile of two ligninases present in the spent substrate of P. ostreatus, maximum specific activity for Laccase was observed in 35 day old spent substrate and LiP activity was maximum in 56 day old spent substrate, which together contributed significantly for removal of phenol. Spent substrate of 35th and 56th day were each incubated with phenol sample (1:1w/v) for one day, which resulted in degradation of phenol by 48% and 45% respectively. From these results it appears that, spent substrate of P. ostreatus can be used effectively to remove phenol from industrial effluents