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Degradation of branched chain aliphatic and aromatic petroleum hydrocarbons by microorganisms
(2008)
The overall aim of the work was to investigate the ability of several Gram-positive bacteria including Mycocbacterium neoaurum SBUG 109, Nocardia cyriacigeorgica SBUG 1472 and Rhodococcus ruber SBUG 82 and the yeast Trichosporon mucoides SBUG-Y 801 to degrade and transform branched chain hydrocarbons which occur in petroleum and its fraction products such as gasoline or gas oil and which are known as important and recalcitrant environmental pollutants. Pristane, iso-pentylbenzene and sec-octylbenzene were used in this work as model compounds. These compounds represent significant groups of petroleum constituents (branched chain alkanes and aromatic hydrocarbons). Three bacteria and the yeast T. mucoides SBUG-Y 801 were selected in a screen of 16 hydrocarbon-utilizing strains in the SBUG collection and from 21 isolated hydrocarbon-utilizing strains from oil-contaminated habitats of Saudi Arabian Desert and of Vietnam. The bacteria were identified in cooperation with DSZM (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen) as M. neoaurum SBUG 109, N. cyriacigeorgica SBUG 1472, R. ruber SBUG 82. These bacterial and yeast strains were shown to possess high potential for degrading and transforming pristane, iso-pentylbenzene and sec-octylbenzene. The intermediates produced by these bacteria during incubation with pristane were analyzed by GC and GC/MS. The products 4-methyl pentanoic acid; methyl butanedioic acid; 2-methyl pentadioic acid; methyl propanedioic acid; 4-methyl heptanedioic acid and 2,6,10,14–tetramethyl-pentadecan–3–one were detected in M. neoaurum cultures. In R. ruber, methyl butanedioic acid; 2-methyl pentadioic acid; 4,8-dimethylnonanoic acid, 4-methyl heptanedioic acid; 2,6,10–trimethylundecanoic acid; 3,7-dimethyl decanedioic acid and 2,6,10,14–tetramethyl–pentadecan–3-one were identified. In N. cyriacigeorgica, 2-methylpentanedioic acid; 4,8-dimethylnonanedioic acid; 2,6-dimethylheptanedioic acid and pristanic acid were found. The detection of 11 intermediates during pristane degradation by the three Gram-positive bacteria provided sufficient information to elucidate in detail three degradative pathways of pristane involving mono-, di- and sub-terminal oxidations. The sub-terminal oxidation by M. neoaurum and R. ruber was demonstrated for the first time. This occurence of a sub-terminal oxidation in these strains was strengthened by further results of aromatic compounds transformation (see below). During this pathway, ketone mono-oxygenation reactions seem to be involved. Because of this it will be of interest to look more closely at the catalytic processes involved and their possible extension to the bio-degradation of other branched chain hydrocarbons. Since in the present study 59 %, 51 % and 84 % of pristane were degraded in 3 weeks by M. neoaurum, R. ruber and N. cyriacigeorgica, this illustrated that the degradation rates of this isoprenoid alkane were high. The bacteria we studied were not only effective degraders of multiple branched chain alkane but also useful transformers of aromatic hydrocarbons. The intermediates produced were analyzed by comparing the retention times and UV/Vis spectra of the HPLC elution profile as well as the retention times and mass spectra of the GC/MS with those of available standards. Using iso-pentylbenzene as a substrate, 8 metabolites were generated by M. neoaurum transformation including product A (phenylacetic acid), B (acetophenone), D (iso-valerophenone), E (succinic acid), F (benzoic acid), G [(2-hydroxy-phenyl)-acetic acid] and H (2-methyl-4-phenyl-butyric acid). We additionally identified an alkyl hydroxylated iso-pentylbenzene derivative as 2-methyl-4-phenyl-butan-2-ol or 2-methyl-4-phenyl-butan-1-ol. Two metabolites (C and D) were detected by N. cyriacigeorgica transformation and three metabolites (A, D and F) were identified by R. ruber transformation which led to the complete biotransformation of this substance. iso-Pentylbenzene transformation by M. neoaurum was initiated by attack on the alkyl side chain followed by ring cleavage. The appearance of iso-valeorophenone confirmed the occurrence of a sub-terminal oxidation mechanism in M. neoaurum and R. ruber. In addition to products A, C, D and G, the identification X-(3–methyl–butyl)-phenol (X means that position of the hydroxy group on the aromatic ring system, such as 2, 3 or 4 remained unclear) in T. mucoides cultivation demonstrated for the first time the capacity of alkyl side chain attack by this organism which was hitherto known only for its ability of ring cleavage. The detection of 15 degradation products of sec-octylbenzene (including 2-phenylpropionic acid, 3-phenylbutyric acid, ß-methylcinnamic acid, 5-phenylhexanoic acid, acetophenone, 2-hydroxy-acetophenone, 2,3-dihydroxy-benzoic acid, succinic acid, 7-phenyloctan-2-one, benzoic acid, phenylacetic acid, 7-phenyl-octan-2-ol, hydroxy-phenylacetic acid and 2-hydroxybenzoic acid), in the studied bacteria pointed to an effective sec-octylbenzene degradation pathway in which dehydrogenation of 3-phenylbutyric acid to form ß-methylcinnamic acid is a newly described option. The identification of 2-phenylpropionic acid and 3-phenylbutyric acid in sec-octylbenzene transformation experiments by T. mucoides confirmed the possibility of alkyl side chain attack by this yeast. Summarizing the results, we describe for the first time in detail the biotransformation of sec-octylbenzene by M. neoaurum, N. cyriacigeorgica, R. ruber and T. mucoides. Our results suggest that these microorganisms may be useful as potential strains for hydrocarbon degradation and it may be of interest to investigate their suitability to solve specific environmental pollutant problems associated with branched chain aliphatic and alkyl-branched compounds which contribute to the persistence of hydrocarbon fractions in the environment.
Against the background of post-socialist transition and nationwide economic growth in Azerbaijan this dissertation analyses the utilisation of rangeland resources by mobile pastoralists in Azerbaijan. The study was motivated by the initially scarce knowledge about pastoralism in Azerbaijan and concerns about declining pasture condition due to growing livestock numbers. The study was guided by three research objectives, which were addressed cumulatively in five publications. The first objective aims at analysing the development of pastoralism in the transition period in comparison to developments in the pastoral sectors of other post-socialist countries. Secondly, the study addresses socio-economic causes of inappropriate pasture management by pastoralists. Finally, in an application-oriented research process recommendations for improving the management of pastoral farms and pasture governance were developed in order to mitigate inappropriate pasture management. For addressing these objectives the study frames the management of rangelands as a complex natural resource management system, in which the environment, users, governance structures, and the socio-political context are closely linked. Within this framework, the study focused especially on pastoral farms using a farm economics approach and on pasture governance with employing institutional economic theories. Regarding the methodology, a case study approach in four study regions was chosen in order to deal with the ex-ante limited information about Azerbaijani pastoralism and the explanatory aim of research.
Die nicht-konventionelle, dimorphe, asexuelle und hemiascomycetale Hefe Blastobotrys (Arxula) adeninivorans wurde in den letzten Jahren in vielfältiger Weise eingesetzt und zahlreichen interessanten biotechnologischen Anwendungen unterzogen. Ein herausragendes Merkmal dieser Hefe ist das breite Substratspektrum, welches eine Vielzahl an Zuckern, Alkoholen sowie Purinen und Alkanen umfasst. In Folge der Genomsequenzierung des Stammes A. adeninivorans LS3 wurden drei putative Cutinase-Gene identifiziert. Cutinasen sind Serinhydrolasen, die in der Lage sind, Cutin der pflanzlichen Cuticula abzubauen. Dies ermöglicht es beispielsweise pflanzenpathogenen Pilzen wie Fusarium solani f. sp. pisi, die durch Cutin geschützten Bereiche zu penetrieren, um in die Wirtspflanze einzudringen. Trotz der Isolation von A. adeninivorans Stämmen aus Holzhydrolysat in Sibirien sowie humusreichen Böden wurde diese Hefe bisher nicht als pflanzenpathogen beschrieben. Auch das Vorhandensein von Cutinasen oder Cutinase-ähnlichen Enzymen blieb bisher gänzlich unbemerkt. Cutinasen sind für ein breites Spektrum an technischen Anwendungen zum Beispiel im Bereich des Abbaus und des Recyclings von bioabbaubaren Kunststoffen interessant. Aus diesem Grund wurden die drei Gene ACUT1, ACUT2 und ACUT3 aus dem Genom von A. adeninivorans LS3 isoliert. Mittels Homologie-Modellierung und Sequenzvergleich mit bekannten und charakterisierten Cutinasen konnten die α/β-Hydrolase Struktur, die katalytisch aktive S-D-H Triade mit dem in das G-Y-S-Q-G Motiv eingebetteten nucleophilen Serin, die Substratbindeschleife sowie die sogenannte „Flap-Helix“ identifiziert werden. Außerdem wies Acut3p eine einzigartige C-terminale Glycin-Threonin-Serin reiche Sequenz (GTS-Sequenz) auf, die unabhängig von der katalytisch aktiven Domäne gefaltet ist. Unter Verwendung des Xplor®2 Transformations/Expressionssystems wurden rekombinante Varianten der drei putativen Cutinasen Acut1-6hp, Acut2-6hp und Acut3-6hp mit A. adeninivorans G1212 synthetisiert, im Kulturüberstand lokalisiert sowie über den 6xHistidin-Tag gereinigt. Die anschließende biochemische Charakterisierung ergab ein nahezu uniformes Verhalten bezüglich pH-Optimum (pH 5,0 – 5,5) und Temperatur-Optimum (20 – 30 °C). Darüber hinaus wurde eine Instabilität der drei Cutinasen unter optimalen pH Bedingungen festgestellt. Diese konnte jedoch durch Zugabe von Osmolyten wie PEG200 vollständig behoben werden. Das Substratspektrum wurde als entscheidender Parameter für die Einordnung der putativen Arxula-Cutinasen untersucht. Die höchste Aktivität bei Substraten mit vier bis acht C-Atomen in der Acylkette entsprach dem Verhalten bereits bekannter Cutinasen. Weiterhin konnte der Abbau des Modellpolyesters Polycaprolacton sowie die Degradation von Apfelcutin erfolgreich durchgeführt werden, womit A. adeninivorans LS3 die erste ascomycetale Hefe mit nachgewiesenen cutinolytischen Enzymen ist. Zusätzlich konnte die im Vergleich zu Acut1-6hp und Acut2-6hp erhöhte Temperaturstabilität von Acut3-6hp auf die GTS-Sequenz zurückgeführt werden. Als mögliche Ursache für diesen Effekt wurde eine starke Glykosylierung der GTS-Sequenz angenommen. Durch Übertragung der GTS-Sequenz auf Acut1-6hp konnte die Temperaturstabilität dieses Enzyms erhöht werden. Eine Übertragung auf die bereits stark glykosylierte Tannase 1 führte dagegen nicht zu einer Erhöhung der Stabilität gegenüber der Temperatur. Weiterhin wurden in zwei verschiedenen Fermentationsverfahren mit Fed-Batch-Betriebsweise bis zu 1.000.000 U L-1 (Acut2-6hp) im Medium akkumuliert. Dies stellte bereits einen ersten Hinweis auf das Potenzial für eine Anwendung im technischen Bereich dar. Dieses Potenzial konnte durch den erfolgreichen Abbau von Polyestern wie Polycaprolacton, Polybutylensuccinat, Polylactid, Poly[3-Hydroxybutyrat] sowie Poly[3-Hydroxybutyrat-Co-3-Hydroxyvalerat] verstärkt werden. In weiteren Schritten müssen nun konkrete Anwendungsfelder für die in dieser Arbeit untersuchten Arxula-Cutinasen erschlossen werden. Der Abbau von real anfallenden Kunststoffabfällen aus bioabbaubaren und nicht-abbaubaren Folien oder Behältern sowie die Rückgewinnung der aus der Hydrolyse erhaltenen Monomere sollten dabei überprüft werden. Auf der anderen Seite wäre eine Anpassung der Kultivierungsmedien für die Gewinnung der Cutinasen im Pilot-Maßstab angebracht, um eine Produktionskostenreduktion zu erreichen.
Das Pankreasadenokarzinom (PDAC) ist aufgrund seiner hohen Letalität die vierthäufigste Todesursache unter den Krebserkrankungen in der westlichen Welt. PDAC ist durch eine erhebliche desmoplastische Stromareaktion mit geringer Vaskularisierung gekennzeichnet, so dass die Karzinomzellen ständigem Nährstoffmangel und Hypoxie ausgesetzt sind. In gesunden Zellen wird die Autophagie, welche konstitutiv auf einem basalen Niveau aktiv ist, als Reaktion auf umweltbedingte Stressfaktoren als Recyclingmechanismus aktiviert, um die Zellen mit Nährstoffen zu versorgen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Basalautophagie in den Karzinomzellen so hoch war, dass eine zusätzliche Aktivierung durch Mangelzustände nur schwach oder überhaupt nicht möglich war. Als Ursache hierfür ist die fehlende Sensitivität von mTOR zu nennen, wodurch eine verminderte Reaktion auf Nährstoffmangel oder Hypoxie bedingt ist. Ebenso sind Mutationen im KRAS-Gen, welche den RAS-Signalweg konstitutiv aktivieren, dafür verantwortlich, die Autophagie auch unter normalen Bedingungen zu steigern, so dass eine zusätzliche Induktion kaum möglich ist. Diese erhöhte Basalautophagie ist für die gesteigerte Proliferationsrate der Karzinomzellen sowie für die Versorgung der Zellen mit Aminosäuren notwendig. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich Karzinomzellen durch einen uneinheitlichen oxidativen/ glykolytischen Stoffwechsel auszeichnen, wobei die oxidative Phosphorylierung eine größere Bedeutung innehat. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Proliferation der Karzinomzellen unter OXPHOS-Inhibitoren unterdrückt wurde. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der oxidativen Phosphorylierung der Schlüsselmechanismus ist, über den Autophagie und Nährstoffversorgung zum Zellwachstum beitragen. Dies stellt einen Widerspruch zur Warburg-Hypothese dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auf, dass der Mechanismus der Autophagie ein therapeutisches Target für eine unterstützende Therapie im Pankreaskarzinom darstellt, welches in nachfolgenden Arbeiten weiterführend evaluiert werden muss.
In recent years, negative impact of pharmaceutical products on natural environment became an issue of high public interest. Pharmaceutical residues are detected in various ecosystems worldwide. Due to increasing production and consumption of medicines this problem is intensified. Therefore, an efficient way to restrain release into the world’s water system is required.
This work presents an enzymatic approach for the degradation of pharmaceuticals in wastewater treatment plants, using laccase and cytochrome P450 — two enzymes of high biotechnological and industrial potential. Laccase genes from fungi Trametes versicolor and Pycnoporus cinnabarinus were isolated and overexpressed in the non-conventional yeast Arxula adeninivorans. This organism served also as cytochrome P450 gene donor.
Recombinant laccase Tvlcc5 was purified by immobilized-metal ion affinity chromatography and biochemically characterized using 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) as substrate for enzyme activity assays. The optimal temperature and pH were found to be 50 °C and 4.5–5.5, respectively. The half-life of Tvlcc5 at 60 °C was around 20 min. It was demonstrated that the presence of copper ions is essential for the synthesis of active protein. Moreover, negative impact of chloride anions on laccase activity was shown.
Cultivation conditions for the Tvlcc5 producing strain A. adeninivorans G1212/YRC102-TEF1-TVLCC5-6H were optimized. It was found that maintaining the pH at a constant level between pH 6.0 and 7.0 is essential for the production of active enzyme. Optimal cell growth and laccase accumulation were reached at 20 °C and in medium supplemented with 0.5 mM CuSO4. Performed fed-batch cultivation resulted in a laccase activity of 4986.3 U L-1.
Factors influencing the synthesis of Tvlcc5 leading to increased production of this protein were investigated. It was found that using three non-native signal peptides (cutinase 2 from A. adeninivorans (ACut2), α-mating factor from S. cerevisiae (MFα), and acid phosphatase from P. pastoris (PHO1) signal peptides) enhances the secretion of active enzyme by 20–80%. Besides that, additional overexpression of copper transporters positively affects laccase production.
Finally, it was proven that recombinant Tvlcc5 is a promising agent for the degradation of certain pharmaceuticals. After 24 h of incubation, the concentration of diclofenac and sulfamethoxazole decreased to 46.8% and 51.1%, respectively. Furthermore, it was shown that the addition of the redox mediator ABTS significantly shortens the degradation time of these substances.
Poly(vinyl alcohol) (PVA) is a water‐soluble synthetic vinyl polymer with remarkable physical properties including thermostability and viscosity. Its biodegradability, however, is low even though a large amount of PVA is released into the environment. Established physical‐chemical degradation methods for PVA have several disadvantages such as high price, low efficiency, and secondary pollution. Biodegradation of PVA by microorganisms is slow and frequently involves pyrroloquinoline quinone (PQQ)‐dependent enzymes, making it expensive due to the costly cofactor and hence unattractive for industrial applications. In this study, we present a modified PVA film with improved properties as well as a PQQ‐independent novel enzymatic cascade for the degradation of modified and unmodified PVA. The cascade consists of four steps catalyzed by three enzymes with in situ cofactor recycling technology making this cascade suitable for industrial applications.