Name: production of chemicals by klebsiella pneumoniae using bamboo hydrolysate as feedstock
Uploaded: 2017-06-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Production of Chemicals by Klebsiella pneumoniae Using Bamboo Hydrolysate as Feedstock at JoVE.com

この研究は、中国国立自然科学財団（助成金21576279、20906076）およびKRIBB研究イニシアチブプログラム（KGM2211531）によって支持された。

1.竹の加水分解物の調製<ol><li> 5gの竹粉を40mLのNaOH溶液に添加して、250mLフラスコ中で最終濃度10％（g / g）にする。 0.05Mから0.50Mの範囲の一連のNaOH溶液を0.05M刻みで使用する。 <ol><li>混合物を水浴中で60℃または100℃で60分間インキュベートする。 121℃でオートクレーブ中でインキュベートする。 </li></ol></li><li> インキュベーション後、混合物を室温で4時間放置する。次に、上清を除去する。 100mLの新鮮な水を加え、混合する。 <ol><li>上清のpHが6.8に達するまで、この洗浄を5〜6回繰り返す。得られた固体を酵素加水分解の次の工程に使用する。 </li></ol></li><li>加水分解のために、98％H 2 SO 4を用いて50mLの上記混合物をpH5.0に調整する。次に、200枚の濾紙活性（FPU）/ mLセルラーゼを0.5mL加える。 注：セルラーゼとバンブーシュウの最終比竹1g当たり20FPUとする。 </li><li>混合物をシェーカーで50℃で36時間インキュベートする。 注：加水分解後、いくらかの固体が混合物中に残る。 </li><li> 7,690×gで5分間遠心分離して透明な加水分解物を得る。 </li><li>屈折率検出器とフォトダイオードアレイ検出器を備えた高圧液体クロマトグラフシステムでグルコース、キシロースなどの化学物質を定量する。 HPX-87Hカラム（300 mm×7.8 mm）および5 mM H 2 SO 4溶液の移動相を0.8 mL / minの流速で使用してください。 </li><li> 大量の加水分解物を調製するには、30Lステンレススチールタンク内で2kgの竹粉と18Lの0.25M NaOHを混合します。 <ol><li>タンクをオートクレーブ内で121℃で60分間インキュベートする。インキュベーション後、混合物を60Lのプラスチックタンク中の40Lの水で洗浄する。この洗浄を5回繰り返す。 </li><li>洗浄した竹の総量を20Lに調整するには水を使用します。98％H 2 SO 4を用いて混合物のpHを5.0に調整する。 </li><li>混合物が十分に分配されることを確実にするために機械的撹拌機を備えた改変振盪水浴中で混合物を酵素的に加水分解する。 200 FPU / mLセルラーゼ200 mLを添加し、混合物を50℃で36時間インキュベートする。 </li><li>加水分解後、混合物を4,700×gで10分間遠心分離する。 </li></ol></li></ol> 2.野生型K.ニューモニエによる2,3-ブタンジオール産生<ol><li>培地調製のための溶媒として3Lの竹加水分解物を使用する。 </li><li> 4g / Lのコーンスティープリカー、2g / L（NH 4 ） 2 SO 4、6g / LK 2 HPO 4,3g / L KH 2 PO 4および0.2g / L MgSO 4を含有する発酵培地を調製する。 2.5M NaOHを用いて培地のpHを中性に調整する。発酵のために3Lのオートクレーブ発酵培地を含む5Lバイオリアクターを使用する。 </li><li> K. pneumoniaeを使用する細胞を-80℃の低温冷蔵庫に保存した。 </li><li>種培養のために、50mLのLuria-Bertani（LB）培地を含む250mLフラスコを200rpmで振とうしながら37℃で一晩インキュベートする。トリプトン10g / L、酵母エキス5g / L、NaCl 10g / Lを含むLB培地を使用する。 注：種培養物の細胞密度はOD 2（600nmでの光学密度）に達するはずです。 </li><li> 50mLの種培養液の1つのフラスコにバイオリアクターを接種する。 pH 6.0および37℃で培養液を維持する。 2L /分の空気補充速度および250rpmの攪拌速度を使用して、微好気性条件を作り出す。 </li><li> 発酵中に2時間ごとに5 mLの試料を採取し、高圧液体クロマトグラフィーで分析して、ブロス中の化学物質濃度を決定する。 <ol><li> MFCS / DAを使用してオンラインでバイオリアクターに加えたアルカリをモニターする。 注：有機酸は発酵プロセスで生成されます。培養物のpHを安定に保つためにNaOHを添加する。添加されるアルカリの量は、生成される酸の量を表す。アルカリ添加ラインが不安定になると、炭素源の枯渇または細胞死のためにプロセスが終了する。 </li></ol></li></ol> 3. K. pneumoniaeの budC変異体によるR-アセトイン生産<ol><li> 4g / Lのコーンスティープリカー、2g / L（NH 4 ） 2 SO 4,3g / L酢酸ナトリウム、0.4g / L KCl、0.1g / L MgSO 4を含有するアセトイン生成用培地を調製する。 </li><li> R-アセトイン産生にはK.pneumoniae-ΔbudCを用いる。ステップ2.4-2.5を繰り返します。 注： budCは2,3-ブタンジオールデヒドロゲナーゼをコードする。 K. pneumoniae-ΔbudCは、2,3-ブタンジオール脱水素酵素活性を失い、2,3-ブタンジオールの代わりにR-アセトインを生成する。 </li><li> pH 6.0および37℃で培養液を維持する。 4L /分の空気補給速度と摂食量好気的条件である450rpmの速度。 注：酸素補給は、2,3-ブタンジオール製造よりも高い。 </li><li>ステップ2.6のようにサンプルをアッセイする。 </li></ol> K. pneumoniaeの budA変異体による2-ケトグルコン酸生産<ol><li> 2-ケトグルコン酸の生産には、 R-アセトイン生産と同じ培地を使用する。 </li><li> 2-ケトグルコン酸の製造にはK. pneumoniae-ΔbudAを使用する。ステップ2.4-2.5を繰り返します。 注： budAはα-アセト乳酸デカルボキシラーゼをコードする。 K. pneumoniae-ΔbudAは、α-アセトラクテート脱炭酸酵素活性を失い、グルコースを基質として2-ケトグルコン酸を生成する。 注：2-ケトグルコン酸合成は、酸性条件依存プロセスである。 2-ケトグルコン酸生産のための2段階発酵が開発されている10 。第1段階では、種培養液をバイオリアクターに接種する。 </li><li&gt; pH 7.0および37℃で培養液を維持する。空気補給速度4L /分および500rpmの攪拌速度を使用する。 注：これらの条件では、細胞は非常に速く増殖する（細胞密度は約4時間でOD 7に達する）。次に、発酵は第2段階に進み、その間、培養pHは5.0に低下する。酸は添加されない。培養物中で産生される有機酸は自然にpHを低下させる。これらの酸性条件では、細胞増殖は停止するが、2-ケトグルコン酸が合成され、ブロス中に蓄積する。 </li><li>ステップ2.6のようにサンプルをアッセイする。炭素源として竹の加水分解物を使用する。 注：培地中のグルコースは2-ケトグルコン酸に変換され、キシロースはキシロン酸に変換されます。こうして、2-ケトグルコン酸とキシロン酸との混合物が得られる。 </li></ol>

<ol>
	<li>Zeng, A. P., Biebl, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bulk+chemicals+from+biotechnology:+the+case+of+1,+3-propanediol+production+and+the+new+trends.">Bulk chemicals from biotechnology: the case of 1, 3-propanediol production and the new trends.</a> Adv Biochem Eng Biotechnol. 74, 239-259 (2002).</li><li>Wei, D., Wang, M., Jiang, B., Shi, J., Hao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+dihydroxyacetone+kinases+I+and+II+in+the+dha+regulon+of+Klebsiella+pneumoniae.">Role of dihydroxyacetone kinases I and II in the dha regulon of Klebsiella pneumoniae.</a> J Biotechnol. 177, 13-19 (2014).</li><li>Celi&#324;ska, E., Grajek, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biotechnological+production+of+2,3-butanediol-current+state+and+prospects.">Biotechnological production of 2,3-butanediol-current state and prospects.</a> Biotechnol Adv. 27 (6), 715-725 (2009).</li><li>Chen, C., Wei, D., Shi, J., Wang, M., Hao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+of+2,+3-butanediol+stereoisomer+formation+in+Klebsiella+pneumoniae.">Mechanism of 2, 3-butanediol stereoisomer formation in Klebsiella pneumoniae.</a> Appl Microbiol Biotechnol. 98 (10), 4603-4613 (2014).</li><li>Wei, D., Wang, M., Shi, J., Hao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Red+recombinase+assisted+gene+replacement+in+Klebsiella+pneumoniae.">Red recombinase assisted gene replacement in Klebsiella pneumoniae.</a> J Ind Microbiol Biotechnol. 39 (8), 1219-1226 (2012).</li><li>Wei, D., Sun, J., Shi, J., Liu, P., Hao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+strategy+to+improve+efficiency+for+gene+replacement+in+Klebsiella+pneumoniae.">New strategy to improve efficiency for gene replacement in Klebsiella pneumoniae.</a> J Ind Microbiol Biotechnol. 40 (5), 523-527 (2013).</li><li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibition+of+RecBCD+in+Klebsiella+pneumoniae+by+Gam+and+its+effect+on+the+efficiency+of+gene+replacement.">Inhibition of RecBCD in Klebsiella pneumoniae by Gam and its effect on the efficiency of gene replacement.</a> J Basic Microbiol. 56 (2), 120-126 (2016).</li><li>Wang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=R-acetoin+accumulation+and+dissimilation+in+Klebsiella+pneumoniae.">R-acetoin accumulation and dissimilation in Klebsiella pneumoniae.</a> J Ind Microbiol Biotechnol. 42 (8), 1105-1115 (2015).</li><li>Wei, D., Xu, J., Sun, J., Shi, J., Hao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2-Ketogluconic+acid+production+by+Klebsiella+pneumoniae+CGMCC+1.6366.">2-Ketogluconic acid production by Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366.</a> J Ind Microbiol Biotechnol. 40 (6), 561-570 (2013).</li><li>Sun, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-stage+fermentation+for+2-ketogluconic+acid+production+by+Klebsiella+pneumoniae.">Two-stage fermentation for 2-ketogluconic acid production by Klebsiella pneumoniae.</a> J Microbiol Biotechnol. 24 (6), 781-787 (2014).</li><li>Wang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gluconic+acid+production+by+gad+mutant+of+Klebsiella+pneumoniae.">Gluconic acid production by gad mutant of Klebsiella pneumoniae.</a> World J Microbiol Biotechnol. 32 (8), 1-11 (2016).</li><li>Wang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+xylonic+acid+by+Klebsiella+pneumoniae.">Production of xylonic acid by Klebsiella pneumoniae.</a> Appl Microbiol Biotechnol. 100 (23), 10055-10063 (2016).</li><li>Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+pretreatment+of+lignocellulosic+biomass+for+efficient+hydrolysis+and+biofuel+production.">Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production.</a> Ind Eng Chem Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).</li><li>Brisse, S., Grimont, F., Grimont, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+genus+Klebsiella.">The genus Klebsiella.</a> The Prokaryotes. , 159-196 (2006).</li><li>Hao, J., Lin, R., Zheng, Z., Liu, H., Liu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolation+and+characterization+of+microorganisms+able+to+produce+1,+3-propanediol+under+aerobic+conditions.">Isolation and characterization of microorganisms able to produce 1, 3-propanediol under aerobic conditions.</a> World J Microbiol Biotechnol. 24 (9), 1731-1740 (2008).</li><li>Hong, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+alkaline+pretreatment+on+corn+stover+for+enhanced+production+of+1.3-propanediol+and+2,+3-butanediol+by+Klebsiella+pneumoniae+AJ4.">Optimization of alkaline pretreatment on corn stover for enhanced production of 1.3-propanediol and 2, 3-butanediol by Klebsiella pneumoniae AJ4.</a> Biomass Bioenerg. 77, 177-185 (2015).</li><li>Pienkos, P. T., Zhang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+pretreatment+and+conditioning+processes+on+toxicity+of+lignocellulosic+biomass+hydrolysates.">Role of pretreatment and conditioning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates.</a> Cellulose. 16 (4), 743-762 (2009).</li></ol>

著者は何も開示することはない。

K. pneumoniaeは、 Enterobacteriaceae科のKlebsiella属に属する。 K. pneumoniaeは土壌、植生、水などの自然環境に広く分布している14 。本研究で用いた野生型K. pneumoniae株は土壌から分離され、1,3-プロパンジオール生産に用いられた15 。 K. pneumoniaeおよびこの種の突然変異体は、異なる条件下で多くの化学物質を産生する。 <p c...

Klebsiella pneumoniaeは、好気性および嫌気性条件下で良好に生育する細菌である。 K. pneumoniaeは、多くの化学物質を生産するために使用される重要な産業微生物です。 1,3-プロパンジオールは、ポリトリメチレンテレフタレートを合成するためのモノマーとして主に使用される貴重な化学物質である。ポリトリメチレンテレフタレートは、1,2-プロパンジオール、ブタンジオールまたはエチレングリコール1よりも優れた特性を示す生分解性ポリエステルです。 1,3-プロパンジオールは、酸素制限条件下で基質としてグリセロールを用いて肺炎桿菌によって産生される2 。 2,3-ブタンジオールおよびその誘導体は、プラスチック、溶剤製造および合成ゴムの分野で用途があり、バイオ燃料として使用される可能性がある3 。グルコースを基質とすると、2,3-ブタンジオールは野生型株4の主要代謝産物である。 2,3-ブタンジオールはシンセシスピルビン酸から得た。まず、ピルビン酸の2分子が凝縮してα-アセト乳酸を産生する。この反応はα-アセト乳酸シンターゼによって触媒される。 α-アセトラクテートは、α-アセトラクテート脱炭酸酵素によってアセトインに変換される。ブタンジオール脱水素酵素によって触媒されると、 R-アセトインはさらに2,3-ブタンジオールに還元され得る。 K. pneumoniaeに適した効率的な遺伝子置換法が検討されており、多くの変異体が構築されている5,6,7。その2,3-ブタンジオール脱水素酵素活性を失ったbudC変異体は、培養液中に高レベルのアセトインを蓄積する。アセトインは、食品の風味を向上させるための添加剤として使用されます8 。 α-アセト乳酸デカルボキシラーゼをコードするbudAが変異すると、2-ケトグルコン酸がブロス中に蓄積する。 2-ケトグルコン酸は、エリソルビン酸（イソアスコルビン酸）の合成に使用され、食品業界で使用される酸化防止剤9 。 2-ケトグルコン酸はグルコース酸化経路の中間体であり;ペリプラズム空間に位置するこの経路では、グルコースはグルコン酸に酸化され、さらに酸化されて2-ケトグルコン酸になる。ペリプラズムで産生されたグルコン酸および2-ケトグルコン酸は、さらなる代謝のために細胞質に輸送することができる。 2-ケトグルコン酸の蓄積は酸性条件に依存し、より高い空気補給は2-ケトグルコン酸産生に有利である10 。 gadによってコードされるグルコン酸脱水素酵素は、 グルコン酸の2-ケトグルコン酸への変換を触媒する。 K. pneumoniaeのgad突然変異体は、2-ケトグルコン酸の代わりに高レベルのグルコン酸を産生し、このプロセスもまた酸性条件に依存する。グルコン酸はバルク有機酸であり、セメント1の性質を高める添加剤として使用される1。グルコン酸へのグルコース酸化は、グルコース脱水素酵素によって触媒される。キシロースは、グルコースデヒドロゲナーゼの適切な基質でもある。キシロースが基質として使用される場合、 肺炎桿菌はキシロン酸12を産生する。 バイオマスを原料とした化学生産は、バイオテクノロジーの重要なテーマです13 。バイオマスの主成分は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンである。しかしながら、これらの巨大分子化合物は、ほとんどの微生物（ K. pneumoniaeを含む）によって直接的に異化されることはできない。バイオマス中のセルロースおよびヘミセルロースは、グルコースおよびキシロースに加水分解されなければならず、微生物によって使用されなければならない。リグノセルロース中のリグニンの存在は、酵素によるバイオマス加水分解を防止する保護バリアを作り出す。したがって、リグニンおよびヘミセルロースを除去し、セルロースの結晶化度を低下させる前処理工程は、常にマイクによるバイオマス利用中に行われるルーニズム。多くの前処理方法が開発されている：酸性、アルカリ性、アンモニアおよび蒸気の前処理が一般的である。 竹は熱帯および亜熱帯地域で豊富であり、重要なバイオマス資源です。ここでは、竹の加水分解物の調製と竹の加水分解物を用いた化学生産が提示されている

<table><tbody><tr><td>autoclave</td><td>SANYO</td><td>3780</td><td></td></tr><tr><td>bioreactor</td><td>Sartorius stedim biotech</td><td>Bostat Aplus</td><td></td></tr><tr><td>agitator</td><td>IKA</td><td>RW 20</td><td></td></tr><tr><td>water bath shaker</td><td>Zhicheng</td><td>ZWY-110X50</td><td></td></tr><tr><td>high performance liquid chromatograph system</td><td>Shimadzu Corp</td><td>20AVP</td><td></td></tr><tr><td>centrifuge</td><td>Hitachi</td><td>CR22G III</td><td></td></tr><tr><td>Bamboo powder</td><td>purchased from Zhejiang Province, China</td><td></td><td>mesh number, 50</td></tr><tr><td>cellulase</td><td>Youtell Biochemical, Shandong, China</td><td></td><td>200 PFU/mL</td></tr></tbody></table>

production of chemicals by klebsiella pneumoniae using bamboo hydrolysate as feedstock

竹は重要なバイオマスであり、竹の加水分解物は化学生産の原料としてクレブシエラ・ニューモニエ（Klebsiella pneumoniae）によって使用される。ここでは、竹粉をNaOHで前処理し、中性pHになるまで洗浄した。前処理した竹粉にセルラーゼを添加して30g / Lのグルコースと15g / Lのキシロースを含む加水分解物を生成させ、炭素源として化学製造用の培地を調製した。微好気条件で培養すると、12.7g / Lの2,3-ブタンジオールが野生型K.ニューモニエによって産生された。好気的条件では、 K. pneumoniaeの budC突然変異体により13.0g / LのR-アセトインが生成された。 25.5g / Lの2-ケトグルコン酸と13.6g / Lのキシロン酸との混合物を、高空気補給を伴う2段階pH制御発酵におけるK.pneumoniaeのbudA突然変異体によって産生させた。発酵の第1段階では、培養物を中性pHに維持した。細胞増殖後、発酵nは第2段階に進み、その間に培養物は酸性になった。

このプロトコールでは、竹をアルカリで前処理した。 121℃および0.25M NaOHの最適インキュベーションパラメータを図1および2で決定した。前処理された竹を酵素的に加水分解し、加水分解物中で得られたグルコースおよびキシロース濃度を測定した。より高い温度が砂糖生産を好んだので、121℃が最適温度として選択された。加水分解物中で?...

Watch this Scientific Journal Video about Production of Chemicals by Klebsiella pneumoniae Using Bamboo Hydrolysate as Feedstock at JoVE.com

Production of Chemicals by Klebsiella pneumoniae Using Bamboo Hydrolysate as Feedstock

竹粉をNaOHで前処理し、酵素加水分解した。竹の加水分解物は、 Klebsiella pneumoniaeによる2,3-ブタンジオール、 R-アセトイン、2-ケトグルコン酸およびキシロン酸生産のための原料として用いられた。

化学薬品の製造<em&gt;クレブシエラ・ニューモニエ</em&gt; Bamboo加水分解物を原料として使用する

Bamboo is an important biomass, and bamboo hydrolysate is used by Klebsiella pneumoniae as a feedstock for chemical production. Here, bamboo powder was ...

production-chemicals-klebsiella-pneumoniae-using-bamboo-hydrolysate

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Production of Chemicals by Klebsiella pneumoniae Using Bamboo Hydrolysate as Feedstock

8.9K ビュー.  Chinese Academy of Sciences. 竹粉をNaOHで前処理し、酵素加水分解した。竹の加水分解物は、 Klebsiella pneumoniaeによる2,3-ブタンジオール、 R-アセトイン、2-ケトグルコン酸およびキシロン酸生産のための原料として用いられた。 

ビデオ: Production of Chemicals by Klebsiella pneumoniae Using Bamboo Hydrolysate as Feedstock

Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes

The kraft process is applied to wood chips for separation of lignin from the polysaccharides within lignocellulose for pulp that will produce a high quality paper. Black liquor is a pulping waste generated by the kraft process that has potential for downstream bioconversion. However, the recalcitrant nature of the lignocellulose resources, its chemical derivatives that constitute the majority of available organic carbon within black liquor, and its basic pH present challenges to microbial biodegradation of this waste material. Methods for the collection and modification of black liquor for microbial growth are aimed at utilization of this pulp waste to convert the lignin, organic acids, and polysaccharide degradation byproducts into valuable chemicals. The lignocellulose extraction techniques presented provide a reproducible method for preparation of lignocellulose growth substrates for understanding metabolic capacities of cultured microorganisms. Use of gas chromatography-mass spectrometry enables the identification and quantification of the fermentation products resulting from the growth of microorganisms on pulping waste. These methods when used together can facilitate the determination of the metabolic activity of microorganisms with potential to produce fermentation products that would provide greater value to the pulping system and reduce effluent waste, thereby increasing potential paper milling profits and offering additional uses for black liquor.

Industrial wastes can be collected and modified to analyze microbial growth. Lignocellulose extraction techniques provide components to analyze specific biodegradation ability. Gas chromatography-mass spectrometry identifies fermentation products of microorganisms grown on pulping waste. These methods determine the metabolic capacity of microorganisms to degrade pulping waste.

The kraft process is applied to wood chips for separation of lignin from the polysaccharides within lignocellulose for pulp that will produce a high ...

環境学

Utilizing the Ethylene-releasing Compound, 2-Chloroethylphosphonic Acid, as a Tool to Study Ethylene Response in Bacteria

Ethylene (C2H4) is a gaseous phytohormone that is involved in numerous aspects of plant development, playing a dominant role in senescence and fruit ripening. Exogenous ethylene applied during early plant development triggers the triple response phenotype; a shorter and thicker hypocotyl with an exaggerated apical hook. Despite the intimate relationship between plants and bacteria, the effect of exogenous ethylene on bacteria has been greatly overlooked. This is partly due to the difficulty of controlling gaseous ethylene within the laboratory without specialized equipment. 2-Chloroethylphosphonic acid (CEPA) is a compound that decomposes into ethylene, chlorine, and phosphate in a 1:1:1:1 molar ratio when dissolved in an aqueous medium of pH 3.5 or greater. Here we describe the use of CEPA to produce in situ ethylene for the investigation of ethylene response in bacteria using the fruit-associated, cellulose-producing bacterium Komagataeibacter xylinus as a model organism. The protocols described herein include both the verification of ethylene production from CEPA via the Arabidopsis thaliana triple response assay and the effects of exogenous ethylene on K. xylinus cellulose production, pellicle properties and colonial morphology. These protocols can be adapted to examine the effect of ethylene on other microbes using appropriate growth media and phenotype analyses. The use of CEPA provides researchers with a simple and efficient alternative to pure ethylene gas for the routine determination of bacterial ethylene response.

The protocols outlined herein facilitate the convenient investigation of bacterial ethylene responses by utilizing 2-chloroethylphosphonic acid (CEPA). Ethylene is produced in situ through the decomposition of CEPA in an aqueous bacterial growth medium, circumventing the requirement for pure ethylene gas.

細菌でエチレン応答を研究するためのツールとして、エチレン放出化合物、2-クロロエチルホスホン酸を利用します

Ethylene (C2H4) is a gaseous phytohormone that is involved in numerous aspects of plant development, playing a dominant role in senescence and fruit ...

生化学

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal carbonization (HTC) are promising technologies for bioenergy production from biomass in terms of biogas and HTC biochar, respectively. In this study, the combination of AD and HTC is proposed to increase overall bioenergy production. Wheat straw was anaerobically digested in a novel upflow anaerobic solid state reactor (UASS) in both mesophilic (37 &#176;C) and thermophilic (55 &#176;C) conditions. Wet digested from thermophilic AD was hydrothermally carbonized at 230 &#176;C for 6 hr for HTC biochar production. At thermophilic temperature, the UASS system yields an average of 165 LCH4/kgVS&#160;(VS: volatile solids) and 121 L CH4/kgVS&#160;at mesophilic AD over the continuous operation of 200 days. Meanwhile, 43.4 g of HTC biochar with 29.6 MJ/kgdry_biochar was obtained from HTC of 1 kg digestate (dry basis) from mesophilic AD. The combination of AD and HTC, in this particular set of experiment yield 13.2 MJ of energy per 1 kg of dry wheat straw, which is at least 20% higher than HTC alone and 60.2% higher than AD only.

A novel Upflow Anaerobic Solid State (UASS) reactor was used for biogas production from fibrous feedstock. Digestate from UASS reactor was hydrothermally carbonized into HTC biochar in a pressurized batch reactor. The integration of the two bioenergy concepts was applied in this study to increase overall bioenergy production.

バイオエネルギー生産のための統合された嫌気性消化と水熱炭化の評価

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

A Toolkit to Enable Hydrocarbon Conversion in Aqueous Environments

This work puts forward a toolkit that enables the conversion of alkanes by Escherichia coli and presents a proof of principle of its applicability. The toolkit consists of multiple standard interchangeable parts (BioBricks)9 addressing the conversion of alkanes, regulation of gene expression and survival in toxic hydrocarbon-rich environments.
A three-step pathway for alkane degradation was implemented in E. coli to enable the conversion of medium- and long-chain alkanes to their respective alkanols, alkanals and ultimately alkanoic-acids. The latter were metabolized via the native &beta;-oxidation pathway. To facilitate the oxidation of medium-chain alkanes (C5-C13) and cycloalkanes (C5-C8), four genes (alkB2, rubA3, rubA4and rubB) of the alkane hydroxylase system from Gordonia sp. TF68,21 were transformed into E. coli. For the conversion of long-chain alkanes (C15-C36), theladA gene from Geobacillus thermodenitrificans was implemented. For the required further steps of the degradation process, ADH and ALDH (originating from G. thermodenitrificans) were introduced10,11. The activity was measured by resting cell assays. For each oxidative step, enzyme activity was observed.
To optimize the process efficiency, the expression was only induced under low glucose conditions: a substrate-regulated promoter, pCaiF, was used. pCaiF is present in E. coli K12 and regulates the expression of the genes involved in the degradation of non-glucose carbon sources.
The last part of the toolkit - targeting survival - was implemented using solvent tolerance genes, PhPFD&alpha; and &beta;, both from Pyrococcus horikoshii OT3. Organic solvents can induce cell stress and decreased survivability by negatively affecting protein folding. As chaperones, PhPFD&alpha; and &beta; improve the protein folding process e.g. under the presence of alkanes. The expression of these genes led to an improved hydrocarbon tolerance shown by an increased growth rate (up to 50%) in the presences of 10% n-hexane in the culture medium were observed.
Summarizing, the results indicate that the toolkit enables E. coli to convert and tolerate hydrocarbons in aqueous environments. As such, it represents an initial step towards a sustainable solution for oil-remediation using a synthetic biology approach.

A sustainable auto regulating bacterial system for the remediation of oil pollutions was designed using standard interchangeable DNA parts (BioBricks). An engineered E. coli strain was used to degrade alkanes via &beta;-oxidation in toxic aqueous environments. The respective enzymes from different species showed alkane degradation activity. Additionally, an increased tolerance to n-hexane was achieved by introducing genes from alkane-tolerant bacteria.

水性環境で炭化水素の変換を有効にするツールキット

This work puts forward a toolkit that enables the conversion of alkanes by Escherichia coli and presents a proof of principle of its applicability. The ...

生物工学

Immobilization of Multi-biocatalysts in Alginate Beads for Cofactor Regeneration and Improved Reusability

We have recently developed a simple, reusable and coupled whole-cell biocatalytic system with the capability of cofactor regeneration and biocatalyst immobilization for improved production yield and sustained synthesis. Described herewith is the experimental procedure for the development of such a system consisting of two E. coli strains that express functionally complementary enzymes. Together, these two enzymes can function co-operatively to mediate the regeneration of expensive cofactors for improving the product yield of the bioreaction. In addition, the method of synthesizing an immobilized form of the coupled biocatalytic system by encapsulation of whole cells in calcium alginate beads is reported. As an example, we present the improved biosynthesis of L-xylulose from L-arabinitol by coupling E. coli cells expressing the enzymes L-arabinitol dehydrogenase or NADH oxidase. Under optimal conditions and using an initial concentration of 150 mM L-arabinitol, the maximal L-xylulose yield reached 96%, which is higher than those reported in the literature. The immobilized form of the coupled whole-cell biocatalysts demonstrated good operational stability, maintaining 65% of the yield obtained in the first cycle after 7 cycles of successive re-use, while the free cell system almost completely lost the catalytic activity. Therefore, the methods reported here provides two strategies that could help improve the industrial production of L-xylulose, as well as other value-added compounds requiring the use of cofactors in general.

Presented is the protocol for co-immobilizing whole-cell biocatalysts for cofactor regeneration and improved reusability, using the production of L-xylulose as an example. The cofactor regeneration is achieved by coupling two Escherichia coli strains expressing functionally complementary enzymes; the whole-cell biocatalyst immobilization is achieved by cell encapsulation in calcium alginate beads.

補因子再生と改善された再利用のためのアルギン酸ビーズでマルチ生体触媒の固定化

We have recently developed a simple, reusable and coupled whole-cell biocatalytic system with the capability of cofactor regeneration and biocatalyst ...

化学

A Novel Method for the Pentosan Analysis Present in Jute Biomass and Its Conversion into Sugar Monomers Using Acidic Ionic Liquid

Recently, ionic liquids (ILs) are used for biomass valorization into valuable chemicals because of their remarkable properties such as thermal stability, lower vapor pressure, non-flammability, higher heat capacity, and tunable solubility and acidity. Here, we demonstrate a method for the synthesis of C5 sugars (xylose and arabinose) from the pentosan present in jute biomass in a one-pot process by utilizing a catalytic amount of Br&#248;nsted acidic 1-methyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium hydrogen sulfate IL. The acidic IL is synthesized in the lab and characterized using NMR spectroscopic techniques for understanding its purity. The various properties of BAIL are measured such as acid strength, thermal and hydrothermal stability, which showed that the catalyst is stable at a higher temperature (250 &#176;C) and possesses very high acid strength (Ho 1.57). The acidic IL converts over 90% of pentosan into sugars and furfural. Hence, the presenting method in this study can also be employed for the evaluation of pentosan concentration in other kinds of lignocellulosic biomass.

We present a protocol for the synthesis of C5 sugars (xylose and arabinose) from a renewable non-edible lignocellulosic biomass (i.e., jute) with the presence of Br&#248;nsted acidic ionic liquids (BAILs) as the catalyst in water. The BAILs catalyst exhibited better catalytic performance than conventional mineral acid catalysts (H2SO4 and HCl).

ペントサン解析手法ジュート バイオマスと酸性イオン液体を用いた糖モノマーへの変換に存在

Recently, ionic liquids (ILs) are used for biomass valorization into valuable chemicals because of their remarkable properties such as thermal stability, ...

Enhanced Oil Recovery using a Combination of Biosurfactants

Biosurfactants are surface-active compounds capable of reducing the surface tension between two phases of different polarities. Biosurfactants have been emerging as promising alternatives to chemical surfactants due to less toxicity, high biodegradability, environmental compatibility and tolerance to extreme environmental conditions. Here, we illustrate the methods used for screening of microbes capable of producing biosurfactants. The biosurfactant producing microbes were identified using drop collapse, oil spreading, and emulsion index assays. Biosurfactant production was validated by determining the reduction in surface tension of the media due to growth of the microbial members. We also describe the methods involved in characterization and identification of biosurfactants. Thin layer chromatography of the extracted biosurfactant followed by differential staining of the plates was performed to determine the nature of the biosurfactant. LCMS, 1H NMR, and FT-IR were used to chemically identify the biosurfactant. We further illustrate the methods to evaluate the application of the combination of produced biosurfactants for enhancing residual oil recovery in a simulated sand pack column.

We illustrate the methods involved in screening and identification of the biosurfactant producing microbes. Methods for chromatographic characterization and chemical identification of the biosurfactants, determining the industrial applicability of the biosurfactant&#160;in enhancing residual oil recovery are also presented.

バイオサーファクタントの組み合わせを使用したオイル回収の強化

Biosurfactants are surface-active compounds capable of reducing the surface tension between two phases of different polarities. Biosurfactants have been ...

豚排泄物バイオガスからのバイオメタン取得のための微細藻類培養

Biogas Purification through the use of a Microalgae-Bacterial System in Semi-Industrial High Rate Algal Ponds

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of polluting gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide to increase the content of methane. In this study, we used a microalgal cultivation technology to treat and purify biogas produced from organic waste from the swine industry to obtain ready-to-use biomethane. For cultivation and purification, two 22.2 m3 open-pond photobioreactors coupled with an absorption-desorption column system were set up in San Juan de los Lagos, Mexico. Several recirculation liquid/biogas ratios (L/G) were tested to obtain the highest removal efficiencies; other parameters, such as pH, dissolved oxygen (DO), temperature, and biomass growth, were measured. The most efficient L/Gs were 1.6 and 2.5, resulting in a treated biogas effluent with a composition of 6.8%vol and 6.6%vol in CO2, respectively, and removal efficiencies for H2S up to 98.9%, as well as maintaining O2 contamination values of less than 2%vol. We found that pH greatly determines CO2 removal, more so than L/G, during cultivation because of its participation in the photosynthetic process of microalgae and its ability to vary pH when solubilized due to its acidic nature. DO, and temperature oscillated as expected from the light-dark natural cycles of photosynthesis and the time of day, respectively. Biomass growth varied with CO2 and nutrient feeding as well as reactor harvesting; however, the trend remained primed for growth.

著者スポットライト:バイオメタン生産を強化するための微細藻類バイオテクノロジーのスケーリング 

Air pollution impacts the quality of life of all organisms. Here, we describe the use of microalgae biotechnology for the treatment of biogas (simultaneous removal of carbon dioxide and hydrogen sulfide) and the production of biomethane through semi-industrial open high-rate algal ponds and subsequent analysis of treatment efficiency, pH, dissolved oxygen, and microalgae growth.

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of ...

化学薬品の製造

要約

さらに動画を探す

この動画の章

Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes

細菌でエチレン応答を研究するためのツールとして、エチレン放出化合物、2-クロロエチルホスホン酸を利用します

バイオエネルギー生産のための統合された嫌気性消化と水熱炭化の評価

水性環境で炭化水素の変換を有効にするツールキット

補因子再生と改善された再利用のためのアルギン酸ビーズでマルチ生体触媒の固定化

ペントサン解析手法ジュートバイオマスと酸性イオン液体を用いた糖モノマーへの変換に存在

バイオサーファクタントの組み合わせを使用したオイル回収の強化

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

化学薬品の製造

要約

さらに動画を探す

この動画の章

Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes

細菌でエチレン応答を研究するためのツールとして、エチレン放出化合物、2-クロロエチルホスホン酸を利用します

バイオエネルギー生産のための統合された嫌気性消化と水熱炭化の評価

水性環境で炭化水素の変換を有効にするツールキット

補因子再生と改善された再利用のためのアルギン酸ビーズでマルチ生体触媒の固定化

ペントサン解析手法ジュート バイオマスと酸性イオン液体を用いた糖モノマーへの変換に存在

バイオサーファクタントの組み合わせを使用したオイル回収の強化

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

ペントサン解析手法ジュートバイオマスと酸性イオン液体を用いた糖モノマーへの変換に存在