Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-25T20:38:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 294452.pdf: 1296153 bytes, checksum: bb7c50a252ee725fd002bf3f3168bb75 (MD5) / Poli(3-hidroxibutirato) P(3HB) é um produto intracelular produzido por inúmeros micro-organismos, como reserva energética. Cupriavidus necator é a bactéria mais estudada para a produção deste polímero devido à sua capacidade de acumular até 80 % de sua massa seca em P(3HB). Devido aos altos custos de produção, melhorias no processo produtivo são necessárias para que este polímero seja comercialmente competitivo. Estudos já mostraram que a utilização de suplementos ou indutores da produção de P(3HB), como os óleos vegetais, é uma alternativa interessante para aumento de produtividade em polímero.Diversos óleos vegetais in natura já foram testados e apresentaram bons resultados, porém uma alternativa que pode potencializar estes resultados é a suplementação do meio com óleos miniemulsionados, que apresentam maior área de contato entre o óleo e a água. Neste contexto, o presente trabalho objetivou comparar o efeito da suplementação do meio de cultivo com óleo de soja in natura e miniemulsionado, com lecitina de soja, na produção de P(3HB) por C. necator. Os resultados mostraram que a concentração equivalente a 0,3 g.L-1 de ácido oléico promoveu maior aumento de produtividade de polímero do que a concentração equivalente a 0,6 g.L-1. O momento para a suplementação do meio de cultivo foi determinado a partir da análise de atividade enzimática, que mostrou que a adição do suplemento deve ser realizada quando a concentração de nitrogênio no meio é igual a 0,4 g.L-1, pois adicionando o suplemento neste momento, a atividade enzimática alcança valores máximos. Nos cultivos em biorreator, houve aumento de produtividade em ambos os cultivos suplementados, sendo que para a suplementação com o óleo in natura o aumento foi de 0,23 g.h-1, e para a miniemulsão foi de 0,29 g.h-1, ou seja, a miniemulsão não proporcionou melhores resultados. Este comportamento ocorreu provavelmente pelo fato de que a estabilidade das partículas de óleo na miniemulsão dificultaram o consumo deste substrato pelo microorganismo. Os dados de transferência de oxigênio mostraram um comportamento análogo, para os cultivos controle e suplementados com óleo de soja in natura e miniemulsionado, entre a velocidade de respiração microbiana (QO2X) e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa). Primeiramente houve um crescimento em ambas as curvas até o início da fase estacionária de crescimento microbiano e posteriormente as curvas decresceram, pois o oxigênio é utilizado em sua maioria, para a manutenção celular, uma vez que o crescimento microbiano é mínimo nesta etapa. O modelo de Zabriskie e Humphrey (1978) pode ser utilizado como uma ferramenta na predição da biomassa celular ao longo do cultivo. O modelo se ajustou bem aos dados experimentais quando o fator de conversão (YX/O) e a velocidade específica de consumo de oxigênio dissolvido para manutenção celular (mo) foram calculados em duas fases distintas, uma de crescimento e outra de produção. No caso do cultivo considerado inteiro os valores de MSE, para os ajustes do modelo aos dados experimentais, dos cultivos controle e suplementados com óleo de soja in natura e miniemulsionado foram respectivamente de 1,41, 6,54 e 5,95, enquanto os valores para o cultivo considerado em duas fases distintas foram de 2,14, 0,58 e 1,12, respectivamente, para os cultivos controle e suplementados com óleo de soja in natura e miniemulsionado. Esta separação promoveu melhores resultados na predição da biomassa, pois a respiração microbiana é diferente nas duas fases. Os resultados deste trabalho mostraram que as suplementações do meio de cultivo com óleo de soja in natura e miniemulsionado, com lecitina de soja, nas condições estudadas, promoveram resultados semelhantes em termos de aumento de produtividade em polímero. Assim, a suplementação com óleo de soja in natura é preferível, pois o óleo não precisa passar por uma etapa de preparação antes da suplementação, o que acarreta custos ao processo. / Poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB)) is an intracellular product produced by several microrganisms as energy source. Cupriavidus necator is the most studied bacterium for the production of this polymer due to its ability to accumulate up to 80 % of its dry weight in P(3HB). Due to high production costs, improving the production process is necessary to allow this polymer to be commercially competitive. Studies have shown that the use of supplements or inductors the production of P(3HB), like soybean oil, is an interesting alternative to increase the productivity on polymer. Several vegetable oils in natura have been tested and showed good results, but an alternative that can influence these results is the supplementation of the culture medium with miniemulsion oils, which have a larger contact area between oil and water. In this context, this study compares the effect of culture medium supplementation with in natura and miniemulsioned soybean oil, with soy lecithin, on P(3HB) production by C. necator. The results showed that the equivalent concentration of 0.3 g.L-1 in oleic acid promoted higher polymer productivity than the equivalent concentration of 0.6 g.L-1. The best moment for culture supplementation medium was determined from the analysis of enzymatic activity, which showed that the addition of the supplement should be made when the concentration of nitrogen in the culture medium was 0.4 g.L-1, since adding the supplement at this time, the enzyme activity achieves maximum values. Experiments in bioreactor increased the productivity in both cultures supplemented, for the in natura and miniemulsion soybean oil supplementation the increase of productivity was 0.23 g.h-1 and 0.29 g.h-1, respectively, in other words, the miniemulsion did not provide better results. This behavior occured probably because the stability of oil particles in miniemulsion, making difficult the consumption of substrate by the microorganism. The data of oxygen transfer showed a behavior similar, for the cultures without supplementation and supplemented with soybean oil in natura and miniemulsioned, to the oxygen uptake rate (QO2X) and the volumetric oxygen transfer coefficient (KLa). First there was an increase in both curves until the early stationary phase of bacterial growth and subsequently decreased, because oxygen is used mostly for cellular maintenance, since bacterial growth is minimal at this step. The model proposed by Zabriskie and Humphrey (1978) could be used as a tool for predicting the cellular biomass during the cultivation. The model fits well the experimental data when the yield (YX/O) and the maintenance coefficient for oxygen (mo) were calculated in two distinct phases, one of growth and other of production. When the cultivations were not separate, the MSE values for model fitting to experimental data, for control, in natura and miniemulsioned soybean oil supplementation cultivations were respectively 1.41, 6.54 and 5.95, while the MSE values for cultivations separated in two distinct phases were 2.14, 0.58 and 1.12, respectively, for control, in natura and miniemulsioned soybean oil supplementation cultivations. This separation promoted better results in the prediction of cellular biomass because the bacterial respiration is different in these two phases. The results of this study showed that supplementation of culture medium with soybean oil in natura and miniemulsion soybean oil, with soy lecithin, under the studied conditions, promoted similar productivity increase in polymer. Therefore, supplementation with soybean oil in natura is preferable, because the oil does not need any preparation before supplementation.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-16T03:03:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337514.pdf: 3562491 bytes, checksum: 171ae47ad0c0497bc60ce3ef9488738e (MD5) Previous issue date: 2015 / O objetivo deste trabalho é contribuir para o avanço do processo tecnológico de extração de P(3HB), obtido a partir de Cupriavidus necator DSM 545, com o desenvolvimento de um processo que combina a aplicação de método mecânico com o solvente carbonato de propileno. Este estudo está dividido em quatro partes. A primeira parte consiste no estudo da influência das variáveis de processo dos métodos mecânicos, ultrassom e homogeneizador à alta pressão, na recuperação e pureza do polímero extraído com carbonato de propileno (150 °C e tempo de contato células solvente de 45 min). Neste estudo as variáveis para aplicação de ultrassonificação foram potência e tempo do ciclo de aplicação e, na homogeneização à alta pressão foram pressão de operação e número de passagens da suspensão celular pelo equipamento. Os resultados demonstraram que, no método de extração que combina aplicação de homogeneizador à alta pressão e solvente, a melhor condição foi obtida com a pressão de 1300 bar e duas passagens pelo equipamento, pois foram obtidos os melhores resultados de recuperação de P(3HB) (97,7 %) com elevada pureza (97,8 %) e menor degradação da massa molar em relação às outras condições testadas. A extração com ultrassom e solvente também mostrou-se eficaz pois, na melhor condição de tratamento da biomassa com ultrassom, potência de 200 W e três ciclos de aplicação de 59 s, foi possível obter elevada recuperação polimérica (92,0 %) com pureza de 99,0 %. Com base nas condições de aplicação de ultrassom e homogeneização à alta pressão definidas anteriormente, na segunda parte deste estudo foi realizada a avaliação cinética da influência de variáveis do processo de extração: tratamento da biomassa (homogeneizador à alta pressão e ultrassom) para efeito comparativo realizaram-se também ensaios a partir de biomassas sem tratamento e tratadas termicamente, temperatura de extração (130 e 150 °C) e tempo de contato células/solvente (5, 15, 30 e 45 min) sobre a porcentagem de recuperação e porcentagem de pureza do polímero extraído. Uma vez definido o melhor tratamento da biomassa a ser aplicado em conjunto com carbonato de propileno como método de extração de P(3HB) e, foi verificada a influência deste processo na massa molar do polímero extraído. O método de extração de P(3HB), que associa o tratamento da biomassa com homogeneizador à alta pressão e recuperação polimérica com carbonato de propileno a 150 °C por 5 min, foi definido como o mais eficiente para obtenção de elevadas porcentagens de recuperação de P(3HB) (93,6 %) e pureza (99,0 %) emum menor tempo de contato das células com o solvente, além da menor degradação da massa molar do polímero extraído. A terceira parte é referente ao estudo das variáveis do processo de homogeneização à alta pressão e carbonato de propileno na recuperação, pureza e características do polímero extraído. Para este estudo, foram variadas as pressões de operação (500, 900, 1300 e 1500 bar), número de passagens (1, 2 e 3) e o tempo de contato das células com solvente (5 e 15 min). A melhor condição de extração foi obtida com a pressão de 900 bar e 5 min de contato das células com carbonato de propileno aquecido a 150 °C, pois foram obtidos elevados percentuais de recuperação de P(3HB) (97,8 %) com apenas uma passagem da biomassa pelo homogeneizador. Através da caracterização do polímero extraído na melhor condição, verificou-se que o mesmo apresentou características térmicas e de massa molar semelhantes aos polímeros (P(3HB)) comerciais. Por fim, a última parte desse trabalho está relacionada com o efeito da reutilização do carbonato de propileno, recuperado do processo de extração de P(3HB) sobre a porcentagem de recuperação e porcentagem de pureza do biopolímero extraído e com a avaliação das perdas de solvente nas etapas do processo de extração. Foi observada a possibilidade de recuperar 80 % do carbonato de propileno no processo de extração do P(3HB). Sendo que dos 20 % de carbonato de propileno não recuperado, 5 % é referente à perda de solvente no processo de separação deste da água, sendo o restante proveniente de perdas nas etapas de filtração (11 %) e nos resíduos celulares (4 %). O solvente recuperado foi reutilizado por onze vezes sem perder a eficiência no rendimento e na pureza do polímero obtido. Assim, o conjunto de dados obtidos neste estudo é relevante para a melhoria do processo de extração de P(3HB) produzido por C. necator, pois propõe o desenvolvimento de um método de extração eficaz que combina homogeneização à alta pressão e carbonato de propileno, solvente de baixa toxidade que pode ser reutilizado no processo de extração, contribuindo para a redução dos custos de produção deste biopolímero, o que torna a extração de P(3HB) com este solvente mais competitiva no que se refere à economicidade do processo.<br> / Abstract : The aim of this work was to contribute to the advancement on the technological process of P(3HB) extraction by Cupriavidus necator DSM 545, with the development of a process with the combination of a mechanical method and the solvent propylene carbonate. This study is divided into four parts. The first one was the study of the influence of the mechanical process variables using ultrasound and high pressure homogenizer, on the recovery and purity of the extracted polymer with propylene carbonate (150 °C during 45 min). In this study the variables were the power of applying ultrassonification and application time and in the high pressure homogenization method, the variables were the operating pressure and the cell suspension number of passages through the device. The results showed that, in the method that combines the homogenizer at high pressure and solvent, the best condition was obtained with 1300 bar and two passages, with the best recovery results of P (3HB) (97.7 %) with high purity (97.8 %) and lower molecular weight degradation against other conditions tested. The method with solvent and ultrasound was also effective, because using ultrasound with 200 W of potency and three 59 s application cycles, it was possible to obtain high polymer recovery (92 %) with purity of 99.0 %. Based on ultrasound application conditions and high pressure homogenization previously defined, the second part of this study was performed to evaluate the influence of kinetic extraction process variables: biomass treatment (homogenizer at high pressure and ultrasound, for comparison biomass thermally treated and untreated were performed); the extraction temperature (130 to 150 °C) and contact time cells/solvent (5, 15, 30 and 45 min). Once defined the best treatment of the biomass to be used with propylene carbonate, and its influence on the process, the molecular weight of the extracted polymer was verified. The P(3HB) extraction method combining the biomass treatment using high pressure homogenizer and propylene carbonate at 150 °C for 5 min, was the most efficient for achieving high recovery percentages P(3HB) (93.6 %) and purity (99.0 %) in a shorter time of contact of the cells with the solvent, in addition to less degradation of the molecular weight of the polymer. The third part relates the study of the process variables using high pressure homogenization and propylene carbonate on the purity and recovery of P(3HB) and at the characteristics of the extracted polymer. In this part of the work, different operating pressures (500, 900, 1300 and 1500 bar) and number of passages (1, 2 and 3) were tested as wellas the contact time between the cells and the solvent (5 and 15 min). The best performance was obtained by the combination of treatment with high-pressure homogenizer (900 bar) and extraction with propylene carbonate, during 5 min, at 150 ºC, the recovery of P(3HB) was 97.8 % with only one biomass passage through the homogenizer. The characterization of the polymer extracted in the best condition, showed that it had thermal characteristics and molecular weight similar to the comercial P(3HB). The last part of this work related the effect of propylene carbonate reutilization on the percentage of recovery and purity of the extracted biopolymer and the evaluation of the solvent loss during the steps of the process. The ability to recover 80 % of propylene carbonate in the extraction process P(3HB) was observed. Since 20 % of unrecovered propylene carbonate, 5 % is related to the loss of solvent in the separation process of this water, the remainder being losses from filtration steps (11 %) and cellular debris (4 %). The recovered solvent was reused eleven times without losses in the yield and purity of the obtained polymer. Thus, the set of data from this study is relevant to improve the P(3HB) extraction process produced by C. necator, it proposes the development of an efficient extraction method that combines high pressure homogenization and propylene carbonate, a low toxicity solvent which can be reused in the extraction process, contributing to reduction of production costs of this biopolymer, which makes the extraction of P(3HB) with this solvent more competitive in respect to economy of the process.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-12-05T22:20:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 320324.pdf: 4531539 bytes, checksum: 687157b7d5c30ecd557ae206ed694ba4 (MD5) / O poli(3-hidroxibutirato) - P(3HB), é um poliéster natural e biodegradável, produzido por cultura bacteriana, sendo considerado um atrativo substituto para os polímeros petroquímicos. O glicerol, por sua vez, que teve sua disponibilidade no mercado ampliada em decorrência da política nacional de estímulo à adição de biodiesel nos combustíveis fósseis, pode ser utilizado para diversas finalidades. Dentre elas, destaca-se seu uso como fonte de carbono no cultivo de micro-organismos. Diante da disponibilidade de glicerol, objetivou-se neste trabalho utilizá-lo como fonte de carbono adicional na produção de P(3HB). Foram realizados ensaios preliminares nos quais foi avaliada a possibilidade do uso do glicerol proveniente da produção do biodiesel na biossíntese do P(3HB). Em seguida, foram realizados ensaios planejados por meio de um delineamento composto central rotacional (DCCR) 23 com 3 pontos centrais no qual foram avaliadas a influência da temperatura e das concentrações de açúcar invertido e glicerol no crescimento de Cupriavidus necator, bem como na produção e acúmulo do polímero pela célula, ensaio este que foi em seguida validado em triplicata avaliando sua cinética. A melhor condição validada teve sua escala ampliada para biorreator de 2 L, também com avaliação cinética e extração dos filmes para a sua caracterização físico-química, térmica e mecânica. E, finalmente, foram realizados os ensaios de biodegradação em solo e exposição em câmara de envelhecimento acelerado, com avaliação do material degradado. Nos ensaios preliminares constatou-se que o glicerol bruto poderia ser utilizado como fonte de carbono adicional ao meio de cultivo de C. necator. Os resultados do DCCR revelaram que o aumento da temperatura levou a um incremento na produção e no acúmulo de P(3HB) e que, quando foram utilizados 15 g L-1 de glicerol, chegou-se a resultados de acúmulo 15 % superiores, porém não considerados como estatisticamente significativos. O modelo obtido no DCCR foi validado para todas as condições para o acúmulo percentual de P(3HB) e para a produção de polímero diferiu em 3 % do valor experimental obtido para a condição a 38 °C, 15 g L-1 de açúcar invertido e 15 g L-1 de glicerol, para as demais condições testadas o modelo foi validado. Em biorreator, foram realizados cinco ensaios, sendo que para os ensaios com adição de glicerol bruto como substrado ou cosubstrato não houve crescimento ou produção de P(3HB) viável para extração. Na caracterização dos polímeros sintetizados em biorreator com e sem adição de glicerol puro, verificou-se que o uso do glicerol não modificou as propriedades dos filmes, mas foi possível afirmar que os polímeros obtidos e extraídos nesse trabalho eram mesmo o P(3HB). Em solo, as amostra degradaram em 35 dias, enquanto na exposição dos filmes à câmara de envelhecimento acelerado notou-se maior estabilidade das amostras o que permitiria a aplicação do polímero no ambiente, sem que ele se degradasse <br> / Abstract: Poly(3-hydroxybutyrate) - P(3HB) is a natural, biodegradable polyester, produced by bacterial fermentation, and considered an attractive replacement for petrochemical polymers. Glycerol had expanded its availability in the market due to the national policy of encouraging the addition of biodiesel in fossil fuels, the glycerol can be used for several purposes. Among them, its use as a carbon source for the cultivation of microorganisms has been highlighted. Through the availability of glycerol, this study aimed to use it as an additional carbon source on the production of P(3HB). First of all, preliminary tests were conducted to evaluate the possibility of the use of glycerol from the biodiesel production in the biosynthesis of P(3HB). Then, tests were conducted planned by a central composite rotatable design (CCRD) 23 with three central points in order to evaluate the influence of the temperature and the concentrations of inverted sugar and glycerol on Cupriavidus necator growth, as well as the production and accumulation of the polymer into the cell. The experiments were made in triplicate and the kinetics were evaluated. The best condition of the process had their range expanded to 2 L bioreactor. The kinetic were evaluated and the films obtained had its physical-chemical, thermal and mechanical properties evaluated. Finally, biodegradation in soil assays were performed and exposure chamber accelerated aging was performed, with evaluation of the degraded material. In preliminary tests it was found that crude glycerol could be used as an additional carbon source to the culture medium of C. necator. The results of the CCRD revealed that the increase of the temperature led to an increase in the production and accumulation of P(3HB) and when 15 g L-1 of glycerol were added to the medium, an accumulation of 15% was reached, but not considered as statistically significant. The model obtained in CCRD was validated for all conditions for the accumulation percentage of P (3HB) and the polymer production differed in 3 % of the value obtained for the experimental condition at 38 °C, 15 g L-1 of inverted sugar and 15 g L-1 of glycerol, for the other conditions tested the model was validated. Five tests were performed in bioreactor, and no growth or production of P (3HB) viable for extraction was identified for assays with crude glycerol as substrate or co-substrate. In the characterization of the polymers synthesized in bioreactor with and without addition of pure glycerol, it was found that the use of glycerol did not modify the film properties, but it was possible to say that the polymers extracted were P(3HB). In soil, the samples degraded in 35 days, while the films that was exposed at the accelerated aging chamber presented greater stability of the samples which would allow the application of the polymer in the environment without degradation.

Doctor en Ciencias mención en Microbiología / El cadmio es un metal pesado altamente tóxico para los sistemas biológicos. El estudio de microorganismos para la biorremediación de metales pesados, ha destacado a Cupriavidus metallidurans CH34, β-proteobacteria aislada desde instalaciones metalúrgicas, como modelo de resistencia a estos elementos. La biorremediación ex situ de metales pesados es comúnmente llevada a cabo en biorreactores de lecho fijo, donde los metales pesados en solución se concentran en la biomasa de comunidades de microorganismos adheridos a superficies llamadas “biopelículas”. El efecto de los metales pesados sobre la formación de biopelículas en C. metallidurans CH34 no ha sido descrito. Durante las últimas décadas, la vía de señalización mediada por un dinucleótido cíclico llamado “c-di-GMP” ha sido establecida como central en la regulación del estilo de vida bacteriano. La interacción de c-di-GMP con distintos receptores macromoleculares promueve del estilo de vida comunitario. Pese al rol fundamental de las biopelículas en los procesos de biorremediación, el efecto de los metales pesados sobre esta vía de señalización en bacterias ha sido poco estudiado. El objetivo de esta tesis es determinar el efecto del cadmio sobre la vía del c-di- GMP y la formación de biopelículas en C. metallidurans CH34. El cadmio inhibió la formación de biopelículas de C. metallidurans CH34. Esto se correlaciona con la descripción de una baja en los niveles de c-di-GMP tras la exposición a este metal pesado, concomitante con un aumento en la abundancia de un transcrito del gen urf2 de los operones de resistencia a mercurio Tn4378 (urf2.1) y Tn4380 (urf2.2), que codifica una potencial fosfodiesterasa. Ensayos de complementación con el gen urf2.2 de la cepa mutante nula P. aeruginosa PAO1 ΔrocR, carente de la fosfodiesterasa RocR, restituyeron la formación de biopelículas y concentración intracelular de c-di-GMP a niveles de la cepa silvestre. Estos resultados constituyen la primera evidencia de funcionalidad catalítica de la fosfodiesterasa codificada por el gen urf2, por lo que se denominó fosfodiesterasa Mrp (metal regulated phosphodiesterase). De forma coherente con la respuesta inhibitoria de formación de biopelículas mediada por la disminución de los niveles de c-di-GMP en C. metallidurans, niveles elevados de este segundo mensajero generados por una diguanilato ciclasa activa expresada en forma heteróloga, incrementaron la formación de biopelículas y la susceptibilidad a cadmio. / Cadmium is a highly toxic heavy metal for biologic systems. Ex situ heavy metal bioremediation is commonly carried out in fixed bed bioreactors in which heavy metals in solution are removed by adhered microbial communities in biofilms. Cupriavidus metallidurans CH34 is a model strain for heavy metal resistance and bioremediation. However, the effect of heavy metals on C. metallidurans CH34 biofilm formation has not been described. The signaling pathway mediated by the cyclic dinucleotide c-di-GMP is central in bacterial lifestyle regulation. c-di-GMP promotes biofilm lifestyle through the interaction with different receptors. Despite of the central role of biofilms on the bioremediation process, the effect of heavy metals over this signaling pathway has been poorly studied. Thus, the objective of this study was to assess the effect of cadmium on the c-di-GMP pathway and biofilm formation in C. metallidurans CH34. Cadmium exerted an inhibitory effect on C. metallidurans CH34 biofilm formation concomitant with a decrease of c-di-GMP levels. After cadmium exposure an increase in the transcription of the gene urf2 that codes for a phosphodiesterase and is located in the mercury resistance operons Tn4378 (urf2.1) and Tn4380 (urf2.2) was observed. Complementation assays with the urf2.2 gene in Pseudomonas aeruginosa PAO1 ΔrocR mutant null strain that is defective in RocR phosphodiesterase, restored biofilm formation and c-di-GMP intracellular concentration at wild type levels. This is the first evidence of catalytic functionality of the urf2 gene encoded phosphodiesterase, which was named Mrp por metal regulated phosphodiesterase. In agreement with the biofilm formation inhibition mediated by a c-di-GMP drop in C. metallidurans, high levels of this second messenger generated by an active diguanylate cyclase that was heterologously expressed, increased the biofilm formation and cadmium susceptibility of this bacterium.

This diploma thesis deals with the use of thermal analysis in the study on effects of microbial inhibitors. The main aim of this work was to determine the utilization of the method, which is mainly used in different fields of science and research. Three bacterial strains: Cupriavidus necator H16, its mutant strain Cupriavidus necator PHB-4 and Halomonas halophila, were used as model microorganisms. The inhibitory effect of levulinic acid on growth and metabolic activity was monitored by microcalorimetry. It was found that bacteria were able to adapt to levulinic acid to a certain concentration - Cupriavidus necator to 5 g/l and Halomonas halophila to 2 g/l. The thermal analysis results were compared to a conventional method, which is commonly used to study the growth of microorganisms.

This diploma thesis deals with the applicability of thermal analysis in the influence of stress factors on microorganisms. The main aim of the presented work was to design and implement a series of experiments to thest the usability of advanced methods of thermal analysis in the characterization of microorganisms. Two bacterial strains were used as model organisms: Cupriavidus necator H16 and its mutant strain Cupriavidus necator PHB-4, which differs in the ability to produce polyhydroxyalkanoates. The basic technique used thermogravimetric analysis (TGA), which was optimized and applied in the study of water transport, behavior and determination of intracellular water content with respect to the influence of the presence of intracellular PHB granules. The results of this method were subsequently supported by TEM photos.

The proposed diploma thesis aims to study the biotechnological production of poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) copolymer. The subject of the experimental part was first to select a suitable bacterial strain from five selected microorganisms with different carbon precursors applied at various concentrations. The five selected microorganisms used in the experimental part include bacterial strains Cupriavidus malaysiensis DSM 19416, DSM 19379, and DSM 25816. Furthermore, the strain Thermomonas hydrothermalis DSM 14834 and Aneurinibacillus thermoaerophilus H1 CCM 8960. The experiment shows that the most suitable candidate for biotechnological production is the bacterial microorganism Cupriavidus malaysiensis DSM 19379. Finally, the biotechnological production of the copolymer was investigated utilizing a batch cultivation technique in a laboratory bioreactor.

This thesis deals with the effect of magnetic field and organic substances, namely benzene and p-nitrophenol, on cell of PHA producing bacteria Cupriavidus necator H16 and mutant strain Cupriavidus necator PHB4, which does not produce polyhydroxyalkanoates. Static magnetic field was generated by both permanent magnet and electromagnet. The effect of magnetic field on the growth of bacterial cells was studied using growth curves. It was found that cultivation in magnetic field and mineral medium mostly inhibits bacterial growth. Also the amount of polyhydroxyalkanoates was observed using FT-IR, flow cytometry and microscopy with fluorescent dye. Growth curves and flow cytometry were also used to study the influence of organic substances on bacterial cells. It was found that while benzene does not affect either C. necator H16 or C. necator PHB4, p-nitrophenol acts as the inhibitor of bacterial growth for both cultures. Finally the impact of p-nitrophenol on the accumulation of PHA was studied using gas chromatography.

The aim of the master thesis was to study the effect of the accumulation of polyhydroxyalkanoates (PHA) for bacterial resistance to selected stress factors. In the theoretical part the selected stress factors, polyhydroxyalkanoates and the involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria were reviewed. In the experimental part we used bacteria Cupriavidus necator H16 and its mutant strain Cupriavidus necator H16/PHB-4 unable of polyhydroxybutyrate (PHB) accumulation. The resistance of above-mentioned bacterial strains against thermal and osmotic stress was tested. According to the results of the experiment, when the bacteria were exposed to three different concentrations of NaCl (50, 100 and 200 g/l) PHB accumulating strain showed a higer resistance to hyperosmotic stress than the strain unable of PHB accumulation. There was demonstrated with Raman spectroscopy that in the hyperosmotic environment induced crystallization of the intracellular PHB granules. Transmission electron microscopy indicated that strain Cupriavidus necator H16/PHB-4 is subject to plasmolysis during hyperosmotic stress. As a consequence the hyperosmomotic stress occurs to the aggregation intracellular PHB granules in strain Cupriavidus necator H16 but there is no plasmolysis or is much less intensive.

O aproveitamento da energia luminosa por bactérias que produzem hidrogenases poderia aumentar a eficiência do processo de produção de biohidrogênio. Neste trabalho, foi realizada a clonagem do gene que codifica a proteorrodopsina (PR) do isolado metagenômico SAR86 num plasmídeo de expressão para bactérias Gram-negativas. PR é uma proteína ligada ao cromóforo retinal, que, sob iluminação, promove o efluxo de prótons através da membrana celular. O excesso de prótons na face externa da membrana pode servir como substrato para a hidrogenase, resultando em maior eficiência na produção de hidrogênio (2H+ + 2e&rarr; H2). O plasmídeo contendo o gene da PR foi utilizado na transformação genética das bactérias Cupriavidus necator e Escherichia coli, que produzem diversas hidrogenases. Enquanto a PR não se mostrou funcional em C. necator, na linhagem recombinante de E. coli, cultivada em presença de luz e retinal, foi obtido um aumento de até 2,17 vezes na produção de H2 em relação ao cultivo no escuro, desde que a linhagem estivesse produzindo a hidrogenase endógena HYD-4. / The utilization of light energy by hydrogenase producing bacteria could increase the efficiency of the biohydrogen production process. In the present work, the gene coding for proteorhodopsin (PR) of the SAR86 metagenomic lineage was cloned in an expression plasmid for Gram-negative bacteria. PR is an apoprotein linked to the chromophore retinal, which, upon illumination, promotes proton efflux across the cell membrane. The excess of protons on the plasma membrane surface may serve as a substrate for hydrogenases, resulting in a higher efficiency of hydrogen production (2H+ + 2e&rarr; H2). The plasmid containing the PR gene was used to transform the Gram-negative bacteria Cupriavidus necator and Escherichia coli which produce several hydrogenases. Whereas PR did not display functionality in C. necator, in the recombinant E. coli cells, grown under illumination in the presence of retinal, an enhancement up to 2.17 fold in H2 production was found, relative to cells grown under darkness, provided that the cells were expressing the endogenous HYD-4 hydrogenase.