Characterization of Clostridium muellerianum sp. nov. in biomass fermentation
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-29
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
66
Series
Abstract
With the climate issues we face today, there is a need for a transition towards a biobased economy. Lignocellulosic biomass is an abundant material usually burned for energy production, producing greenhouse gasses since it is considered waste. The CO-dependent O-demethylase enzyme system has been reported to enable the metabolism of lignin-derived monomers (LDMs) in different microorganisms. It is hypothesized that the strain can utilize LDMs under CO headspace, given that it possesses the O-demethylase enzyme system. This thesis aims to address the growth kinetics of C. muellerianum P21 with fructose, xylose, and cellulose. Additionally, screening of different hexose (glucose, fructose, and galactose) and pentose (xylose and arabinose) sugars was conducted. Moreover, the utilization of LDMs was studied. Tests were conducted in 10 mL cultures. Lastly, the experiments were scaled up to 50 mL cultures, where lignocellulosic hydrolysate was simulated to study the growth of the strain with this substrate. The strain utilized fructose and xylose, where fructose supported better growth. The strain produced 2.28 g/L of acetate, 0.49 g/L of butyrate, and 1.03 g/L of ethanol with 10 g/L of fructose. With 10 g/L of xylose, 1.13 g/L acetate, o.07 g/L butyrate, and 0.67 g/L of ethanol was produced. Given that the growth was at similar levels with 10 g/L fructose and xylose, and the product formation was the highest, these concentrations were determined to be the optima. With further screening of substrates, it was found that galactose uptake was hindered, while xylose and arabinose uptake was inhibited in the presence of roughly 1 g/L of glucose. The cellulose was found not to be utilized in these experiments. It was found that P21 utilized vanillic acid, syringic acid, and guaiacol under CO headspace, producing demethylation products catechol and gallate. The strain did not utilize these LDMs under CO2 headspace, confirming the hypothesis. During the simulation of lignocellulosic hydrolysate, the utilization of arabinose and xylose was observed. However, LDMs were not consumed in either CO or CO2 culture. Moreover, it was observed that the presence of CO hindered monosaccharide utilization. These findings make the strain a promising candidate for sustainable waste management. Understanding the metabolic pathways of Clostridium muellerianum P21 will create new applications for biotechnological processes and make advancement toward a more sustainable future.Nykypäivän ilmasto-ongelmien takia siirtyminen biotalouteen on tarpeellista. Lignoselluloosabiomassa on runsaasti tarjolla, mitä hyödynnetään valtaosin energian tuotantoon lisäten ilmastopäästöjä, koska sitä pidetään jätteenä. Hiilimonoksidiriippuvaisen O-demetylaasi-entsyymisysteemin on raportoitu mahdollistavan ligniinimonomeerien hajottamisen eri mikro-organismeissa. Hypoteesina on, että tämä kanta kykenee hajottamaan ligniinimonomeereja, kun kaasufaasi täytetään hiilimonoksidilla, koska tämä kanta omaa kyseisen O-demetylaasientsyymisysteemin. Tämän diplomityö pyrkii käsittelemään Clostridium muellerianum P21 -kannan kasvuki-netiikkaa fruktoosilla, xyloosilla ja selluloosalla. Myös eri heksooseja (glukoosi, fruktoosi ja galaktoosi) sekä pentooseja (xyloosi ja arabinoosi) seulottiin. Lisäksi, ligniinimonomeerien hyödyntämistä tutkittin. Edellä mainitut kokeet toteutettiin 10 millilitran viljelmissä. Lopuksi kokeet skaalatttiin 50 millilitran viljelmiin, joissa simuloitiin lignoselluloosahydrolysaattia kannan kasvun tutkimiseksi tällä substraatilla. Kanta hyödynsi fruktoosia ja xyloosia, ja fruktoosi tuki parempaa kasvua. Kanta tuotti 2.28 g/L asetaattia, 0.49 g/L butyraattia ja 1.03 g/L etanolia, kun fruktoosikonsentraatio oli 10 g/L. Xyloosikonsentraation ollessa 10 g/L, kanta tuotti 1.13 asetaattia, 0.07 g/L butyraattia ja 0.67 g/L etanolia. Kasvutasojen ollessa samoilla tasoilla, sekä lopputuotteiden tuotannot olivat korkeimmat 10 g/L konsentraatioilla, täten todettiin näiden konsentraatioden olevan optimaaliset. Kun seulontakokeita tehtiin lisää, todettiin, että glukoosin ollessa noin 1 g/L kon-sentraatiossa galaktoosin käyttö hidastui ja xyloosin sekä arabinoosin käyttö estyi. Kanta ei hyödyntänyt selluloosaa näissä kokeissa. Kanta kykeni hyödyntämään vanilliinihappoa, syringiinihappoa ja guajakolia hiilimonoksidin läsnäolessa, ja tuotti katekolia sekä gallushappoa. Kanta ei hyödyntänyt näitä ligniinimonomeereja hiilidioksidin läsnäollessa, vahvistaen hypoteesin. Simuloitaessa lignoselluloosahydrolysaattia, arabinoosan ja xyloosin hyödyntämistä havaittiin. Toisaalta, kumpikaan CO tai CO2 kulttuuri ei hyödyntänyt ligniinimonomeereja. Myös hiilimonoksidin läsnäollessa monosakkaridien hyödyntäminen hidastui. Nämä havainnot tekevät Clostridium muellerianum P21 -kannasta lupaavan vaihtoehdon kestävään jätekäsittelyyn. Ymmärtämällä kannan aineenvaihduntateitä voidaan kehittää uusia sovelluksia ja ottaa askelia kohti kestävämpää tulevaisuutta.Description
Supervisor
Mangayil, RahulThesis advisor
Kamravamanesh, DonyaKeywords
Clostridium muellerianum, acetogen, O-demethylase, lignin-derived monomers