Publicado

2019-01-01

Evaluation of polyhydroxyalkanoate (PHAs) production with a bacterial isolate using cassava flour hydrolysates as an alternative substrate

Evaluación de la producción de polihidroxialcanoatos (PHAs) de un aislado bacteriano, empleando hidrolizados de harina de yuca como sustrato alternativo

Palabras clave:

biopolímeros, polihidroxialcanoatos, Ralstonia eutropha, Burkholderia sp., hidrolizados de harina de yuca. (en)
biopolymers, polyhydroxyalkanoates, Ralstonia eutropha, Burkholderia sp., cassava flour hydrolysates. (es)

Autores/as

In the production of polyhydroxyalkanoates (PHA), the costs of the process are mainly associated with the carbon source and most of the production studies are carried out with commercial strains. In this study, PHA production was evaluated using a strain, SB-34, compared with a referenced strain, Ralstonia eutropha H16, growing in cassava flour hydrolysates as an alternative carbon source. SB-34 reached a biomass maximum of 5,49 ± 0,21 g / L, and PHA product of 3,23 ± 0,21 g / L exceeding the maximum values obtained by R. eutropha H16 (3,8 ± 0,45 g / L and 2,42 ± 0,23 g / L, respectively). Analyzes with FTIR indicate that the polymer obtained with SB-34 is like polyhydroxybutyrate P(3-HB) type. Molecular analysis identified SB-34 as Burkholderia sp. with 96 % of similarity.

En la producción de polihidroxialcanoatos (PHA), los costos del proceso se asocian principalmente con la fuente de carbono y la mayoría de los estudios de producción se realizan con cepas comerciales. En este estudio, se evaluó la producción de PHA utilizando una cepa silvestre, SB-34, en comparación con una cepa de referencia, Ralstonia eutropha H16, creciendo en hidrolizados de harina de yuca como fuente de carbono alternativa. SB-34 alcanzó un máximo de biomasa de 5,49 ± 0,21 g / L, y un PHA de 3,23 ± 0,21 g / L que excede los valores máximos obtenidos por R. eutropha H16 (3,8 ± 0,45 g / L y 2,42 ± 0,23 g / L, respectivamente). Los análisis con FTIR indican que el polímero obtenido con SB-34 es del tipo polihidroxibutirato P (3-HB). El análisis molecular identificó al SB-34 como Burkholderia sp. con 96% de similitud.

Citas

Anjum, A., Zuber, M., Zia, K.M., Noreen, A., Anjum, M.N., Tabasum, S. Microbial production of polyhydroxyalkanoates (PHAs) and its copolymers: A review of recent advancements. International Journal of Biological Macromolecules 89 161–174, 2016. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.04.069

Ali, I. and Jamil, N. Polyhydroxyalkanoates: Current applications in the medical field. Front. Biol. 11(1): 19–27, 2016. DOI 10.1007/s11515-016-1389-z

Costa, M.E., Cabral A, C.M., Alves, L.M., Pinto, J.C., Fialho, R.L. Use of Polyhydroxybutyrate and Ethyl Cellulose for Coating of Urea Granules. J. Agric. Food Chem. 61, 9984−9991, 2013. http://dx.doi.org/10.1021/jf401185y

Chanprateep, S. Current trends in biodegradable polyhydroxyalkanoates. Journal of Bioscience and Bioengineering; 110(6): 621-632, 2010. doi:10.1016/j.jbiosc.2010.07.014

Posada, J.A., Naranjo, J.M., López, J.A., Higuita, J.C. Cardona, C.A. Design and analysis of poly-3-hydroxybutyrate production processes from crude glycerol. Process Biochemistry; 46:310–317, 2011. doi:10.1016/j.procbio.2010.09.003

Giin Y, A.T., Chia L, C., Ling, L., Liya, G., Lin, W., Indah M, N.R., Yanhong, L., Lei, Z., Yu, M., Jing Y, W. Start a research on biopolymer polyhydroxyalkanoate (PHA): a review. Polymers, 6, 706-754, 2014. DOI:10.3390/polym6030706

Koller, M., Salerno, A., Dias, M., Reiterer, A., Braunegg, G. Modern Biotechnological Polymer Synthesis: A Review. Biotechnological Polymer Synthesis, Food Technol. Biotechnol. 48 (3) 255–269, 2010.

Naranjo V, J.M. Producción de polihidroxibutirato a partir de residuos agroindustriales, MSc. Tesis, Grupo de investigación de procesos químicos, catalíticos y biotecnológicos, Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Colombia, 2010.

Gómez C, J.R. Producción y caracterización de polihidroxialcanoatos, sintetizados por microorganismos nativos a partir de residuos grasos, MSc. Tesis, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia, 2013.

Prados, E. and Maicas, S. Bacterial Production of Hydroxyalkanoates (PHA). Universal Journal of Microbiology Research 4(1): 23-30, 2016. DOI: 10.13189/ujmr.2016.040104

Cardona R, M. Producción de biopolímeros (polihidroxialcanoatos - PHAs) a partir de una cepa comercial empleando sustratos no convencionales, MSc. Tesis, Facultad de ingeniería, Universidad de Antioquia. Medellín, Colombia, 2011.

Castaño P, H., Cardona B, M., Mejía G, C., Acosta C, A. Producción de etanol a partir de harina de yuca en un sistema de hidrólisis enzimática y fermentación simultánea. DYNA, Volumen 78, Número 169, p. 158-166. Disponible en https://revistas.unal.edu.co/index.php/dyna/article/view/20191/48741

Priyadarshi, S., Shukla, A., Bhaskarrao B, B. Polyhydroxyalkanoates: role of Ralstonia eutropha. International Journal of Biomedical And Advance Research. 2014. DOI: https://doi.org/10.7439/ijbar.v5i2.639

Becerra J, M.L. Producción de un polímero tipo polihidroxialcanoato (PHA) empleando residuos de la producción de biodiesel, MSc. Tesis, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia, 2013.

Franco C, M., Gómez M, D., Castro M, N., Rendón R, M. Polihidroxialcanoatos en actinomicetos nativos de suelos colombianos. Rev. peru. biol. 16(1): 115- 118, 2009. DOI:http://dx.doi.org/10.15381/rpb.v16i1.185.

Salazar, A., Yepes, M., Correa, G., Mora, A. Polyhydroxyalkanoate production from unexplored sugar substrates, DYNA, 81 (185), pp. 73-77, 2014.

Sánchez M, S.A., Marín M, M.A., Mora M, A.L., Yepes P, M.S. Identificación de bacterias productoras de polihidroxialcanoatos (PHAs) en suelos contaminados con desechos de fique. Rev. colomb. biotecnol [online]. 2012, vol.14, n.2, pp.89-100. ISSN 0123-3475.

Arroyave R, A.L., Cardona B, M., Agudelo E, L.M. Identificación de cepas nativas con potencial para obtención de polihidroxialcanoatos -(PHAs) en lodos activados. Rev.Bio.Agro [online]. 2013, vol.11, n.spe, pp.69-76. ISSN 1692-3561.

Urán A, J. Aislamiento y caracterización de bacterias productoras de polihidroxialcanoatos (PHA) a partir de fuentes agrícolas, MSc. Tesis, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Antioquia. Medellín, Colombia, 2018.

Simione, F.P. Cryopreservation Manual. Nalge Nunc International Corp. 1998.

Ramsay, B.A., Lomaliza, K., Chavarie, C. Production of poly-β-hycroxybutyric-co-β-hidroxyvaleric acids. Appl. Environ. Microiol. 56: p 2093-2098. 1990. 0099-2240/90/072093-06$02.00/0

Gódia C, F. y López S, J. Ingeniería Bioquímica. Madrid: Editorial Síntesis, 1998. 350 p.

Wilkinson, J.F. and Williamson, D.M. The isolation and estimation of poly-3-hydroxybutyrate inclusions of bacillus species. J. Gen. Microbiol. 19:198-209. 1958.

Yu, J. and Chen, L.X.L. Cost-effective recovery and purification of polyhydroxyalkanoates by selective dissolution of cell mass. Biotechnol. Prog. 2006, 22, 547−553. http://dx.doi.org/10.1021/bp050362g

Stackebrandt, E. and Goodfellow, M. nucleic acid techniques in bacterial systematics. Modern Microbiological Methods. 1991. Pages 479-48. https://doi.org/10.1002/jobm.3620310616

Guzmán, C., Hurtado, A., Carreño, C., Casos I. Producción de polihidroxialcanoatos por bacterias halófilas nativas utilizando almidón de cáscaras de Solanum tuberosum L. Scientia Agropecuaria 8(2): 109 – 118 (2017). http://dx.doi.org/10.17268/sci.agropecu.2017.02.03.

Huschner, F., Grousseau, E., Brigham, C.J., Plassmeier, J., Popovic, M., Rhaf, C., Sinskey, A.J. Development of a feeding strategy for high cell and PHA densityfed-batch fermentation of Ralstonia eutropha H16 from organic acidsand their salts. Process Biochemistry 50 (2015) 165–172. http://dx.doi.org/10.1016/j.procbio.2014.12.004.

Escobar P, S. Estudio del transporte y consumo de oxígeno en cultivos bacterianos estrés hidrodinámico, PhD. Tesis. Departamento de Ingeniería Química, Universidad Complutense de Madrid, Madrid, España, 2014.

Orozco S, F. Efecto de la oferta de oxígeno sobre el crecimiento y la producción de terpenoides con células de Azadirachta indica en un biorreactor, PhD. Tesis. Centro de desarrollo de productos bióticos, Instituto Politécnico Nacional, Yautepec, México, 2009.

Barbosa, M., Espinosa H, A., Malagón R, D., Moreno S, N. Producción de poli-b-hidroxibutirato (PHB) por Ralstonia eutropha ATCC 17697. Universitas Scientiarum, 2005. Vol 10, No. 1, 45-54.

Marangoni, C., Furigo Jr, A., and Aragao, G.M.F. The influence of substrate source on the growth of Ralstonia eutropha, aiming at the production of polyhydroxyalkanoate. Braz. J. Chem. Eng. vol.18 no.2 São Paulo June 2001. http://dx.doi.org/10.1590/S0104-66322001000200005

González G. Y., Meza C, J.C., González R, O., Córdova L, J.A. Síntesis y biodegradación de polihidroxialcanoatos: Plásticos de origen microbiano. Rev. Int. Contam. Ambie. 29 (1) 77-115. ISSN 0188-4999. Disponible en http://www.scielo.org.mx/pdf/rica/v29n1/v29n1a7.pdf

Aldor, II.S and Keasling, J.D. Process design for microbial plastic factories: metabolic engineering of polyhydroxyalkanoates. Current Opinion in Biotechnology 2003, 14:475–483. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2003.09.002

Moreno, N., Gutiérrez, I., Malagón, D., Girosso, V., Revelo, D., Suárez, D., González, J., Aristizábal, F., Espinosa, A., Montoya, D. Bioprospecting and characterization of poly-b-hydroxyalkanoates (PHAs) producing bacteria isolated from Colombian sugarcane producing áreas. Afr. J. Biotechnol. Vol. 6 (13), pp. 1536-1543, 4 July 2007. Available online at http://www.academicjournals.org/AJB

Rojas, R.O., Villafaña, R.J., González, R.O., Nunguray, A. Análisis de rutas metabólicas en Pseudomonas aeruginosa para la producción de polihidroxialcanoatos a partir de glucosa usando modos elementales. e-Gnosis. 2006. Vol. 4, No 12: 1-19. Disponible en www.e-gnosis.udg.mx/vol4/art12.

Cabello, F. Cultivo en biorreactores de Rhodospirillum rubrum en condiciones fotoheterotróficas. PhD. Tesis. Departamento de Ingeniería Química, Universidad Autónoma de Barcelona. Barcelona, España, 2007.

Budde, C.F., Mahan, A.E., Lu, J., Rha, C., Sinskey, A.J. Roles of multiple acetoacetyl coenzyme A reductases in polyhydroxybutyrate biosynthesis in Ralstonia eutropha H16. Journal of Bacteriology, Oct. 2010, p. 5319–5328. doi:10.1128/JB.00207-10

Chohan, S.N. and Copeland, L. Acetoacetyl coenzyme A reductase and polyhydroxybutyrate synthesis in Rhizobium (Cicer) sp. Strain CC 1192. Department of Agricultural Chemistry and Soil Science. Applied and Environmental Microbiology, Aug. 1998, p. 2859–2863. doi:0099-2240/98/$04.0010

Aarthi, N. and Ramana, K.V. Identification and Characterization of Polyhydroxybutyrate producing Bacillus cereus and Bacillus mycoides strains. International Journal of Environmental Sciences. Volume 1, No 5, 2011. ISSN 0976 – 4402. Disponible en http://www.ipublishing.co.in/jesvol1no12010/EIJES2030.pdf

Shamala, T.R., Chandrashekar, A., Vijayendra, S.V.N., Kshama, L. Identification of polyhydroxyalkanoate (PHA)-producing Bacillus spp. using the polymerase chain reaction (PCR). Journal of Applied Microbiology 2003, 94, 369–374. doi/10.1046/j.1365-2672.2003.01838.x/e

Hänggi, U.J. Pilot-scale production of PHB with Alcaligenes latus. Novel Biodegradable Microbial Polymers, 1990. pp 65-70. https://doi.org/10.1007/978-94-009-2129-0_6

Savenkova, L., Gercberga, Z., Nikolaeva, V., Dzene, A., Bibers, I., Kahlnin, M. Mechanical properties and biodegradation characteristics of PHB bases films. Proc. Biochem. 2000. Vol 35, 573-579. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(99)00107-7

Vroman, I. and Tighzert, L. Biodegradable Polymers. Materials, 2009. Vol 2, 307-344. doi:10.3390/ma2020307

Brigham, C.J., and Sinskey, A.J. Applications of Polyhydroxyalkanoates in the Medical Industry. International Journal of Biotechnology for Wellness Industries, 2012. Vol 1, 53-60. http://dx.doi. org/10.6000/1927-3037.2012.01.01.03

Luklinska, Z.B., and Bonfield, W. Morphology and ultrastructure of the interface between hydroxyapatite-polyhydroxybutyrate composite implant and bone. J Mater Sci Mater Med, 1997. Vol 8(6): 379-383. doi.org/10.1023/A:1018589018205

Wu, Q., Wang, Y., Chen, G.Q. Medical application of microbial biopolyesters polyhydroxyalkanoates. Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol, 2009. Vol 37(1): 1-12. http://dx.doi.org/10.1080/10731190802664429

Pan, W., Perrotta, J.A., Stipanovic, A.J. Nomura C.T., Nakas J.P. Production of polyhydroxyalkanoates by Burkholderia cepacia ATCC 17759 using a detoxified sugar maple hemicellulosic hydrolysate. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2012 Mar;39(3):459-69. doi: 10.1007/s10295-011-1040-6

Anderson, A.J. and Dawes, E.A. Occurrence, Metabolism, Metabolic Role, and Industrial Uses of Bacterial Polyhydroxyalkanoates. Microbiological reviews, Dec. 1990, p. 450-472. doi: 0146-0749/90/040450-23$02.00/0

Steinbüchel, A. and Valentin, H.E. Diversity of bacterial polyhydroxyalkanoic acids. FEMS Microbiology Letters, 1995, Pages 219-228. https://doi.org/10.1016/0378-1097(95)00125-O

Sudesh, K., Abe, H., Doi, Y. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters. Progress in Polymer Science. 25 (2000) 1503±1555. https://doi.org/10.1016/S0079-6700(00)00035-6