攻读生物工程方面的生物高聚物生产藻青菌gydF4y2Ba螺旋藻gydF4y2Ba菌株1 18gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

微生物生物聚合物可以替代危害环境的塑料来自石化。我们研究了藻青菌生物聚合物的合成gydF4y2Ba螺旋藻gydF4y2Ba菌株1 18。自养培养使用修改的Zarrouk介质或修改Zarrouk NaNO的媒介gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba内容是减少到0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba含量减少到8.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}或增加到25.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}。异养培养使用修改Zarrouk介质包含0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba与NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba取而代之的是0.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},0.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},或0.6 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}葡萄糖(CgydF4y2Ba_6gydF4y2BaHgydF4y2Ba_12gydF4y2BaOgydF4y2Ba_6gydF4y2Ba)或醋酸钠(CHgydF4y2Ba_3gydF4y2BaCOONa)。混合营养的文化使用修改Zarrouk介质包含0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba+ 16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba的0.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},0.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},或0.6 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}葡萄糖和乙酸钠。最高的生物聚合物产量增长44% 1时18 autotrophically媒体包含0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba和8.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

国际石油和天然气价格的不稳定,再加上地缘政治因素和环境问题,导致需要与那些基于可再生资源替代不可再生的石油产品。聚合物的生产石化后的第二个主要使用石油作为能源利用率(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。生物聚合物可以使用biofixation产生二氧化碳的藻青菌,可以减少对石油的依赖和二氧化碳排放(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

选择塑料抗退化和大多数最终在卫生填埋,他们经常妥协的循环气体和液体的分解,因此网站内的其他材料,甚至可能使其不稳定。因为垃圾填埋场日益稀少,一个解决方案是替代顽固的选择与生物高分子塑料,不会引起这样的问题(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

Polyhydroxyalkanoates (pha),包括polyhydroxybutyrate (PHB), polyhydroxypropionate (PHP)和polyhydroxyvalerate (PHV),细菌和蓝藻植物脂肪族聚酯热塑性塑料,机械,物理性质类似于聚丙烯。pha是生物相容性,可回收,可生物降解和生成零有毒废物因为他们通过微生物降解成二氧化碳和水攻击在大约三个月至一年(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。这些聚合物具有高聚合度和结晶,旋光性,等规,不溶于水gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

蓝藻有潜在的生物聚合物的生产及其产量可以增加了强调文化通过营养限制或其他手段,使用重组菌株(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba),控制的代谢通量,并使用不同的生物反应器类型(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。一些蓝藻可以适应它们的新陈代谢在营养限制(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba),生物聚合物的合成通常发生在碳和能源存在在正常水平或在至少一个其他营养过剩限制,氮、磷、镁和铁是最常见的限制营养(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。不同于农作物,蓝细菌的培养不需要使用大面积的地面,可以占领地区不适合农业,因此不会与粮食生产(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

我们调查的方法来刺激由蓝藻植物生物聚合物的合成gydF4y2Ba螺旋藻gydF4y2Ba菌株1 18种植不同的碳源和氮水平降低。gydF4y2Ba

2。材料和方法gydF4y2Ba

2.1。微生物和文化传媒gydF4y2Ba

藻青菌的gydF4y2Ba螺旋藻gydF4y2Ba应变18 [1gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)是维护修改的Zarrouk液体矿产盐介质、含有矿物盐(KgydF4y2Ba_2gydF4y2BaHPOgydF4y2Ba_4gydF4y2BaKgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba氯化钠,MgSOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,CaClgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,FeSOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和EDTA)和16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}碳酸氢钠(NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)作为碳源和2.5 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}硝酸钠(NaNOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)作为氮源(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

自养培养使用修改的Zarrouk介质或修改Zarrouk NaNO的媒介gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba内容是减少到0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba内容是减少到8.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}或增加到25.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}。异养培养使用修改Zarrouk介质包含0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba与NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba取而代之的是0.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},0.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},或0.6 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}葡萄糖(CgydF4y2Ba_6gydF4y2BaHgydF4y2Ba_12gydF4y2BaOgydF4y2Ba_6gydF4y2Ba)或醋酸钠(CHgydF4y2Ba_3gydF4y2BaCOONa)。混合营养的文化使用修改Zarrouk介质包含0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba+ 16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba的0.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},0.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},或0.6 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}葡萄糖和乙酸钠。总结在表增长媒体组件gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

2.2。实验条件gydF4y2Ba

文化是生长在2 L收生物反应器工作容积的1.5 L和连续注入无菌空气提供的风潮。接种物被用于20天在各自文化媒体。初始生物量浓度为0.15 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和最初的体积是1.5 L。文化是维持在30°C下15天12 h提供的光周期和3200勒克斯40 W daylight-type荧光灯。gydF4y2Ba

2.3。分析化验gydF4y2Ba

收集样本(10毫升)无菌同时每24 h和pH值测量同时使用Q400H数字酸度计(Quimis、巴西)的方法分析社区协会(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。增长1 18估计通过测量光密度在670 nm Q798DRM分光光度计(Quimis、巴西)和比较阅读相关的校准曲线光密度生物质(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

2.4。动力学参数的确定gydF4y2Ba

增长曲线1 18生物量与时间策划和以下参数计算:最大生物量浓度(gydF4y2Bag LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba});劳动生产率(gydF4y2Bag LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}),计算gydF4y2Ba(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba),gydF4y2Ba生物质(g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})时间gydF4y2Ba(d)和gydF4y2Ba生物质(g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})时间gydF4y2Ba(d)、最大生产率(gydF4y2Bag LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})的生产力gydF4y2Ba,比生长速率(gydF4y2BadgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})计算gydF4y2Ba0.693,2和的自然对数gydF4y2Ba是生物质倍增时间(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),最大比生长速率gydF4y2Ba(dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})。gydF4y2Ba

2.5。提取生物聚合物gydF4y2Ba

经过15天的培养,从每个photobioreactor由离心法提取生物聚合物沉淀的文化媒体1 18生物量,增加了10%到12% v / v hypochloride钠溶液和recentrifuged混合物。浮在表面的丢弃,沉淀用蒸馏水洗净,然后recentrifuging再次丢弃上层清液和添加丙酮沉淀生物高聚物。然后,它是在烤箱干35°C 48 h。gydF4y2Ba

收益率(gydF4y2Ba)计算克生物聚合物(bp)每克生物质(bm)方程gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba是最终的生物聚合物18克从1gydF4y2Ba1的数量是18的克生物质提取生物聚合物。gydF4y2Ba

2.6。统计分析gydF4y2Ba

在适当情况下,数据受到了方差分析(方差分析)和图基测试吗gydF4y2Ba%。至少所有试剂都是分析级。在适当的地方,体重干体重百分比干燥(w / w),除非另有指示。gydF4y2Ba

3所示。结果与讨论gydF4y2Ba

在表1 18数据gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和生长曲线给出了数据gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,从这可以看出,不同的文化媒体关于各种碳源(表大体相似gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。曲线显示没有停滞阶段(数字gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),因为每个培养基的接种物是preadapted,从而允许1 18直接进入到指数增长阶段。增长,衡量gydF4y2Ba不局限在指数阶段,甚至在实验包含的最大碳浓度(16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}葡萄糖和乙酸钠,25.2 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}的NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

获得最高的文化gydF4y2Ba值(0.86 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})使用NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(8.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})作为碳源和0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba作为氮源(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。最高的gydF4y2Ba值(0.12 dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}与未改性的Zarrouk)发生中(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。然而,没有任何文化的媒体关于统计区别gydF4y2Ba值(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。以来重碳酸盐的碳源是修改的Zarrouk介质,1 18已经表示所需的酶的碳同化碳源,使更多的增长比葡萄糖和乙酸。gydF4y2Ba

实验结束后15天,当文化进入固定相。一般来说,细胞内的生产biocompounds通常发生在固定相在微生物生长停止。然而,生物高分子如pha作为细胞间能源储备,因为他们的生产通常发生在指数期与其他因素是用来测量细胞生长,在我们的案例中是1生物量的增加。这有助于生产微生物的生存,可以用pha生存在以后的成长阶段营养成为限制。gydF4y2Ba

我们进行了初步测试,提取生物聚合物每5天30天(数据没有显示)和观察到的指数阶段和固定相的开始发生在接种后大约15天,生物聚合物产量最高。研究生物聚合物生产的其他工人蓝藻在固定相显示更高的收益率,蓝藻植物gydF4y2Ba念珠藻属muscorumgydF4y2Ba生产8.6%gydF4y2Ba17gydF4y2Ba)和蓝藻植物gydF4y2Ba集胞藻属gydF4y2Ba在这一阶段sp.应变PCC 6803口生产45%。gydF4y2Ba

氮的数量可以被直接影响生物聚合物合成和在我们的实验生物聚合物产量增加了四倍从10.26%增加到40%时,硝酸钠含量从2.5 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},10%的原始值(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

修改的Zarrouk介质包含16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba+ 2.5 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba和当量(gydF4y2Ba)为10.26%,可能由于高水平的氮(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。然而,在修改Zarrouk NaHCO包含相同数量的媒体gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba但只有0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba生物聚合物的收益率为40%。此外,在修改Zarrouk介质时减少氮、gydF4y2BadgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}与未改性的Zarrouk介质是一半的速度发生,在哪里gydF4y2BadgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。众所周知,gydF4y2Ba值更高的积极增长细胞,在修改的Zarrouk介质,当能量转移存储化合物的合成,包括生物聚合物,低的值gydF4y2Ba发生。有趣的是,尽管没有统计上的显著差异(gydF4y2Ba)之间的gydF4y2Ba三个版本的值修改Zarrouk媒介,有统计上的显著差异(gydF4y2Ba之间)和修改的Zarrouk介质(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

据报道,真核藻类gydF4y2BaNannochloropsisgydF4y2Ba生长在污水补充gydF4y2Ba/ 2中显示gydF4y2BadgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}但是,当和脂质含量的30%gydF4y2BadgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}脂质含量只有23% (gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。其他工人说gydF4y2BadgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}在半连续培养蓝藻植物gydF4y2BaCyanobiumgydF4y2Ba在BG-11介质的0.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}的NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

最大生产率(gydF4y2Ba、表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)发生在第二个和第八天的文化,有可能是因为在这个阶段的营养在更大的浓度和1 18 preadapted文化传媒(图gydF4y2Ba1(一)gydF4y2Ba)。此外,在这个初始阶段,小PHB和文化产生的能源可能是主要针对生物质生产。在试验与无机碳,gydF4y2Ba发生在第五和第八天的文化。我们的gydF4y2Ba值的范围从0.04 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}0.17 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),类似于gydF4y2Bag LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}报告gydF4y2BaCyanobiumgydF4y2Ba生长在BG-11媒体(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba),gydF4y2Bag LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}dgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}1 18生长介质包含10 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

中提出了生物聚合物产量最高(gydF4y2Ba)包含8.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba和0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}氮,似乎NaHCO产量的减少gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba氮浓度的增加减少了媒体,尽管没有显著差异(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。然而,众所周知,尽管需要高水平的碳来刺激生物聚合物的合成也可以抑制生产过剩,因为虽然乙酰辅酶a的PHB可以进入自由乙酰辅酶a抑制酶的生物合成途径gydF4y2BaPHB -ketothiolase负责合成。gydF4y2Ba

添加的有机碳源,葡萄糖和乙酸钠并没有刺激或生物质生产生物聚合物的合成。此外,没有显著差异(gydF4y2Ba)生物聚合物产量当添加碳酸氢钠文化包含葡萄糖或醋酸钠。众所周知,当两个内源碳源可用微生物通常给其中一个偏好。自1 8日通常是保持修改的Zarrouk中含有碳酸氢钠它已经有必要的途径,利用这种营养素,使多余的两个来源的碳。据报道,gydF4y2Ba螺旋藻platensisgydF4y2BaUMACC 161可以产生10%的PHB在使用中包含9个g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}的NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba加0.5%醋酸钠无氮的存在但当媒体包含NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba+有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba的PHB收益率约为3% (gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。收益率为47%的PHB蓝藻植物已报告gydF4y2Ba念珠藻属muscorumgydF4y2Ba生长在BG-11介质含有葡萄糖和乙酸钠但没有氮源(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

生物聚合物聚(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)已经产生gydF4y2Ba念珠藻属muscorumgydF4y2Ba使用各种碳源(醋酸、果糖、葡萄糖、丙酸和戊酸酯)与PHBV收益率是28%在使用0.4%醋酸w / v和26%在使用w / v葡萄糖0.4%,收益率升至60% 0.4%醋酸或戊酸酯碳源时,氮源限制(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。9.5%的低收益率为蓝藻植物已报告gydF4y2Ba集胞藻属gydF4y2Basp.应变PCC 6803增长BG-11媒介。然而,当培养与醋酸钠,收益率在氮限制的条件下增加到14.6%和25.7%在磷限制的条件下(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

微生物生物聚合物的产量是非常变量,取决于所使用的介质的组成。当我们成长1 18碳酸氢钠、葡萄糖、乙酸钠与不同浓度的氮我们获得生物高聚物收益率从7.64%到44.19%(表不同gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。的蓝藻植物gydF4y2BaAulosira fertilissimagydF4y2Ba已经调查了PHB生产使用媒体包含0.2% w / v 0.4%醋酸w / v或柠檬酸+从0到20毫克LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}KgydF4y2Ba_2gydF4y2BaHPOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba与2天到14天的潜伏期,PHB收益率从17%到85.5% (gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

在短时间内细菌产生大量的生物聚合物;然而,蓝藻营养使用少量的优势由于光合作用,利用太阳能,将二氧化碳转换为氧气,这对人类是至关重要的。gydF4y2Ba

降低培养基的氮量增加导致了聚合物生产1 18。自养生长在修改Zarrouk介质包含16.8 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}的NaHCOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba和0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}纳米gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba导致约74%生物高聚物生产超过修改的Zarrouk中(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。指出,蓝藻植物gydF4y2Ba螺旋藻gydF4y2Ba富含蛋白质(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba),这意味着一个大型氮增长要求。众所周知,在氮限制蓝藻可以转移碳到其他代谢途径和生产生物聚合物(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)作为碳和能源存储化合物时可以重用变得更加有利的条件。环境的含氮量增加和细胞生长的微生物可以产生蛋白质而不是存储PHB派生的脂质。gydF4y2Ba

4所示。结论gydF4y2Ba

在我们的实验中我们发现最大生物聚合物产量为44.19% 1 18栽培时修改Zarrouk中包含8.4 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}碳酸氢钠和0.25 g LgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}硝酸钠。蓝藻产生的生物聚合物,因为他们现在有许多用途与哺乳动物细胞和组织的生物相容性和生物降解性。生物聚合物的主要应用在食品和医药领域,但他们也可以帮助减少塑料中提取的石化产品所产生的环境污染。gydF4y2Ba

这项研究表明,蓝藻生物聚合物的潜在来源,因为他们可以使用少量的营养,帮助减少环境污染。gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突有关的出版。gydF4y2Ba

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