Využití odpadních surovin k produkci obohacené kvasinkové biomasy

Abstract

Kvasinky jsou stejně jako ostatní organismy neustále vystavovány vlivům okolního prostředí. Jejich přežití závisí na dovednosti přizpůsobit se environmentálním změnám včetně schopnosti využívat různé alternativní zdroje živin. V předložené disertační práci byly karotenogenní kvasinky patřící mezi rody Rhodotorula, Sporobolomyces a Cystofilobasidium testovány z hlediska využitelnosti vybraných odpadních substrátů a rovněž podrobeny souběžně účinkům několika typů exogenního stresu a mutacím za účelem zvýšení produkce mikrobiální biomasy obohacené specifickými metabolity. Jako alternativní nutriční zdroje pocházející z odpadních substrátů ze zemědělské a hospodářské výroby byly testovány jablečné slupky, vláknina, kukuřičné klíčky a další. Kvasinky byly dále vystaveny působení osmotického, oxidačního a kombinovaného stresu (přídavky NaCl a H2O2 o různých koncentracích do kultivačních médií), dále iontů kovů selenu a chromu v koncentracích 0,01 mM, 0,1 mM a 1 mM. Testoval se také vliv mutagenu ethylesteru kyseliny metansulfonové. Při provedených experimentech se sledovala schopnost adaptace buněk, morfologické změny, zabarvení médií produkovanými pigmenty, tvorba některých významných kvasinkových metabolitů a změny ve fragmentaci chromozomální DNA. Za účelem vyhodnocení potenciálních změn v kvasinkovém genomu po působení mutagenu a stresových faktorů se optimalizovaly metody izolace intaktní chromozomální DNA a následná analýza pulsní gelovou elektroforézou. Množství produkovaných metabolitů se analyzovalo zejména pomocí RP-HPLC s UV/VIS a MS detekcí. V práci bylo prokázáno, že většina kmenů je schopna využívat studované odpadní substráty a produkovat na nich vybrané cílové metabolity. Biomasa se např. u R. aurantiaca na jablečné vláknině pohybovala kolem 7 g/l a u C. capitatum při kultivaci na neupravené syrovátce dosahovala 9 g/l. Vyprodukované množství karotenoidů činilo u R. aurantiaca při kultivacích na pšeničné kaši a kukuřičných klíčcích s enzymatickou hydrolýzou F. solani 1,01 mg/g, u S. roseus na těstovinách až 4,3 mg/g. Hodnoty syntézy ergosterolu se u R. aurantiaca pohybovaly na jablečných slupkách kolem 4,8 mg/g, u S. roseus při kultivaci na těstovinách s enzymatickou hydrolýzou P. chrysosporium 8,9 mg/g. Nejvhodnějším substrátem pro produkci biomasy a indukci karotenoidů jsou odpady obsahující směs jednodušších a složených sacharidů obohacená o přídavek dusíkatých látek. Potenciální cytotoxický účinek stresových faktorů o nízkých koncentracích nebyl prokázán. Genom karotenogenních kvasinek se podařilo rozdělit optimalizovanou metodou PFGE, karyotypy jednotlivých zástupců obsahují 11 a více chromosomů s viditelnými odlišnostmi mezi jednotlivými druhy i rody. V rámci zahraniční stáže se testovala schopnost rekombinantní kvasinky S. cerevisiae přeměňovat xylózu na xylitol, čímž by se dosáhlo zvýšení produkce bioethanolu jakožto náhradního zdroje paliv. Ukázalo se, že jak využitím ligninocelulózových materiálů k produkci biolihu, tak i různých odpadních substrátů k mikrobiální syntéze karotenoidů by vedlo ke snížení průmyslových výrobních nákladů na produkci kvasinkových metabolitů, jakož i ke snížení negativní zátěže na životní prostředí.

Yeasts are like other organisms constantly exposed to environmental influences. Their survival depends on the skills to adapt to environmental changes, including the ability to use various alternative sources of nutrients. In presented PhD thesis carotenogenic yeast belonging to the genera Rhodotorula, Sporobolomyces and Cystofilobasidium were tested for ability to use of selected waste substrates, and also subjected to several types of exogenous stress effects and mutations in order to increase the production of microbial biomass enriched with specific metabolites. As alternative nutrient sources derived from waste substrates from agricultural and farm production apple peel, pulp, corn germ and more were tested. Yeasts were also exposed to osmotic, oxidative and combined stress (benefits of various concentrations of NaCl and H2O2 to the culture media), followed by metal ions of selenium and chromium in concentrations of 0.01 mM, 0.1 mM and 1 mM. The effect of mutagen methanesulfonic acid ethyl ester was tested too. In all experiments the adaptivity of cells, morphological changes, color pigments produced by the media while some important fungal metabolites production and changes in chromosomal DNA fragmentation were analyzed. In order to evaluate potential changes in the yeast genome after treatment with mutagen and stress factors methods for isolation of intact chromosomal DNA and DNA analysis by pulsed field gel electrophoresis was optimized. The amount of produced metabolites was mainly analyzed by RP-HPLC with UV/VIS and MS detection. The work has been shown that most strains are able to use waste substrates and produced selected target metabolites. Biomass, for example, in R. aurantiaca on apple fiber was about 7 g/l and in C. capitatum cultivated on modified whey reached to 9 g/l. Amount of produced carotenoids by R. aurantiaca cultivated on wheat germ and maize after enzymatic hydrolysis by F. solani was 1.01 mg/g and S. roseus on pasta 4.3 mg/g. The values of ergosterol synthesis in R. aurantiaca are on the apple shells around 4.8 mg/g, in S. roseus on pasta with the enzymatic hydrolysis of P. chrysosporium 8.9 mg/g. The best substrate for biomass production and induction of carotenoids are waste substartes containing a mixture of simple and complex carbohydrates enriched with the addition of nitrogen compounds. Potential cytotoxic effect of stress factors of low concentrations was demonstrated. Red yeast genome was able to distribute by optimized PFGE, the karyotype of tested yeasts contain 11 or more chromosomes with visible differences between yeast species and genera. During exchange internship the ability of recombinant yeast S. cerevisiae to convert xylose to xylitol, which would be achieved by increasing the production of bioethanol as alternative fuel sources was studied. It turned out that both ligninocellulose materials to bioethanol production, as well as various waste substrates for microbial synthesis of carotenoids would reduce costs for industrial production of yeast metabolites, as well as to reduce the negative burden on the environment.