Microaerophilic production of alginate by Azotobacter vinelandii

Sabra, Wael

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung der Wachstumseigenschaften des stickstoffixierenden Bakterienstammes Azotobacter vinelandii sowie die Quantifizierung einiger die Alginatbiosynthese beeinflussender Faktoren. Quantitative Untersuchungen vor Wachstumsparameter, Atmung und morphologischen Veränderungen ermöglichen die Klärung des Zusammenhanges zwischen essentiellen Prozessen wie Stickstoffixierung, Atmungsaktivität, PHB-Biosynthese und Alginatproduktion. Das für die quantitative Alginatproduktion optimale Sauerstoffkonzentrationsprofil wurde unter kontrollierten mikroaerophilen Bedingungen ermittelt. Untersuchungen zum Einfluß verschiedener Konzentration von gelöstem Sauerstoff (pO2: 1-10) sowohl im Hinblick auf die Alginatausbeute als auch in Bezug auf die Biomasse ergaben einen Sauerstoffbereich von 2.5-5 Ein geringer oder höherer pO2 führte zum Verlust von Kohlenstoff zugunsten der PHB-Synthese (44-58 der Biomasse) bzw. zur Veratmung zu CO2. Die effiziente Umwandlung der Kohlenstoffquelle zu Alginat ist nur durch die genaue Kontrolle einer intermediären Gelöst-Sauerstoffkonzentration möglich. Um die extreme Empfindlichkeit des Stammes gegenüber Sauerstoff zu senken, wurden dem Mineralsalz-Medium verschiedene stickstoffreiche Verbindungen zugegeben. Es konnte überraschenderweise gezeigt werden, daß die Zellen sogar in Gegenwart von Stickstoffverbindungen eine deutliche Sauerstoffempfindlichkeit aufwiesen. Außerdem wurde im stickstofffreien Medium eine höhere Alginatausbeute (Yalg/x) erzielt, so daß zur Vereinfachung des Mediums auf die Zugabe von Stickstoffverbindungen verzichtet wurde.

In this study, growth characteristics of the nitrogen fixing bacterium Azotobacter vinelandii as well as some factors controlling the alginate production by this strain were quantitatively investigated. From a quantitative examination of growth parameters, respiration and morphological changes, relationships between the different essential processes, i.e. nitrogen fixation, respiration intensity, PHB biosynthesis and alginate formation, were established. The first part of this study was focused on the production of alginate under controlled-microaerophilic conditions to examine the suitable oxygen concentration profile in respect to quantitative alginate formation for this strain. Testing a pO2 range of 0-10 air saturation, showed that intermediate pO2 values (2.5-5) were optimal for alginate and biomass production. Above and below these values, the bacterium either wasted the carbon and energy source in respiration (CO2) or in PHB biosynthesis (44-58 of the biomass). Thus, efficient conversion of carbon source to alginate is achieved only if the DOT is accurately controlled at an intermediate value. To lower the extreme O2 sensitivity, different nitrogenous rich compounds were added to the mineral medium. Surprisingly, the cells exhibited a pronounced oxygen sensitivity even in the presence of complex nitrogenous materials. Furthermore, higher alginate yield (Yalg/X) was obtained in nitrogen free medium, and for the purpose of medium simplicity the addition of nitrogenous compounds was not considered. To gain more insights toward a better understanding of the inhibitory effect of oxygen towards nitrogenase and its relation to alginate biosynthesis, respiratory protection - one of the two mechanisms for nitrogenase protection - was impaired through phosphate limitation. This was performed in a pO2 controlled bioreactor (2.5-3) as well as in shaked flasks.

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Sabra, Wael: Microaerophilic production of alginate by Azotobacter vinelandii. 1998.

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