Identifikace a izolace PHA produkujících bakterií

Abstract

Polyhydroxyalkanoáty (PHA) jsou mikrobiální zásobní polyestery, které mohou představovat obnovitelnou a ekologicky šetrnou alternativu k petrochemickým plastům. Jejich výroba a využití jsou do velké míry znevýhodněny vysokou produkční cenou. Jednou z možností, jak snížit cenu produkce PHA, je využití extrémofilních PHA producentů, které s sebou přináší především výhody vyplývající z vysoké robustnosti procesu vůči mikrobiální kontaminaci. V předložené práci byla pozornost zaměřena na studium produkce PHA pomocí vybraných halofilních a termofilních mikroorganismů. Z halofilních mikroorganismů byly testováni především vybraní sbírkoví zástupci rodu Halomonas, a to vzhledem k jejich možnému využití k produkci PHA z levného odpadního fritovacího oleje. Byli identifikováni dva slibní PHA producenti, a to konkrétně Halomonas hydrothermalis a Halomonas neptunia. Oba kmeny dosahovaly v rámci baňkových experimentů solidních výtěžků PHA a při přídavku vhodných strukturních prekurzorů byly také schopny produkce kopolymerů se zajímavými materiálovými vlastnostmi. Hlavní důraz byl však v práci kladen na studium produkce PHA pomocí termofilních mikroorganismů. V rámci práce byla provedena izolace termofilních PHA producentů z různých termofilních konsorcií (aktivní kal, kompost atd.). V průběhu izolačních experimentů byl navržen originální izolační postup využívající změny osmotického tlaku tzv. osmoselekce. Touto originální cestou bylo získáno několik desítek slibných termofilních producentů PHA, kteří byli taxonomicky zařazeni pomocí sekvenace genu 16S rRNA a byl u nich testován PHA produkční potenciál. Nejslibnějším PHA producentem byl izolát klasifikovaný jako Aneurinibacillus sp. H1. K produkci PHA pomocí Aneurinibacillus sp. H1 lze využít řadu substrátů včetně odpadního glycerolu. Ještě významnější je schopnost syntetizovat kopolymery s vysokým obsahem 4-hydroxybutyrátu. Monomerní složení PHA kopolymeru, a tím i materiálové vlastnosti připraveného kopolymeru, je možné kontrolovat vhodným nastavením kultivačních podmínek. Připravený kopolymer P(3HB-co-4HB) má unikátní vlastnosti a velký aplikační potenciál v řadě high-end aplikací například v oblasti péče o zdraví, potravinářství nebo kosmetice.

Polyhydroxyalkanoates (PHA) are microbial storage polyesters that represent a renewable and environmentally friendly alternative to petrochemical plastics. However, their production and use are severely disadvantaged by the high production cost. The use of extremophilic PHA producers is one of the ways to reduce the cost of PHA production. Extremophiles bring numerous advantages resulting from the high robustness of the process against microbial contamination. In this doctoral thesis, attention was focused on the study of PHA production using selected halophilic and thermophilic microorganisms. Representatives of the genus Halomonas were mainly from public collections of microorganisms. Two promising PHA producers on waste frying oil were identified, namely Halomonas hydrothermalis and Halomonas neptunia. Both strains achieved good PHA yields in flask experiments. With the addition of suitable structural precursors, they were also able to produce copolymers with interesting material properties. However, in the proposed thesis, the main emphasis was placed on the study of PHA production using thermophilic microorganisms. As a part of the work, the isolation of thermophilic PHA producers from various thermophilic consortia (active sludge, compost, etc.) was performed. During isolations experiments, an original isolation procedure was designed using changes in osmotic pressure, the so-called osmoselection. Dozens of promising thermophilic PHA producers were obtained thanks to this original approach. They were taxonomically classified using 16S rRNA and tested for production potential. The most promising PHA producer was the isolate which was classified as Aneurinibacillus sp. H1. This bacterium is able to utilize a variety of substrates, including waste glycerol, to produce PHA. Even more important is the capability of synthesizing copolymers with a high content of 4-hydroxybutyrate. The monomer composition of the PHA copolymer and thus the material properties of the prepared copolymer can be controlled by suitable adjustment of the cultivation conditions. The prepared copolymer P(3HB-co-4HB) has unique properties and the great application potential in numerous high-end applications, for example in the field of health care, food industry or cosmetics.