Physiological characterization of a thermophilic Bacillus strain (B.licheniformis CCMI 1034) isolated from food waste treatment bioreactors

Abstract

Caracterizou-se fisiologicamente uma estirpe termófila do género Bacillus (Bacillus licheniformis COMI 1043) isolada dos bioreactores da empresa Lammas Resourc Ltd (uma empresa de processamento de desperdícios alimentares, localizada no Reino Unido) com o objectivo de se aumentara eficiência do processo de biodegradação. Numa primeira fase, as dezassete estirpes Bacillus isoladas dos bioreactores Lammas foram caracterizadas fenotipicamente através dos seus perfis de ácidos gordos e das suas actividades enzimáticas , com o objectivo de se avaliara utilidade destes microrganismos sob o ponto de vista biotecnológico. A espécie Bacillus licheniformis revelou a produção de enzimas mais significativa. Análises numéricas (componentes principais e hierárquica) revelaram que as estirpes da espécie B. licheniformis são homogéneas relativamente aos seus perfis de ácidos gordos, enquanto que as estipes das espécies B. subtilis e B. pumilus apresentaram alguma variação entre si relativamente a esta característica fenotípica. Contudo, a análise numérica das actividades enzimáticas, mostrou que as três espécies de Bacillus são mais homogéneas relativamente a esta característica fenotípica. A caracterização fisiológica da estirpe seleccionada foi estudada posteriormente com base nas respostas do microrganismo a alterações das condições de crescimento. Uma parte deste estudo foi realizado num fermentados de bancada perfeitamente agitado, préviamente caracterizado através do estudo do efeito da configuração de turbinas, da taxa de arejamento e da velocidade de agitação no coeficiente de transferência de massa gás-líquido kLa, realizado a temperaturas de trabalho dos bioreactores Lammas (45-60 °C). A combinação da turbina Rushton (quatro pás) colocada por baixo da turbina "Pitched-blade" (três pás) foi considerada a mais adequada. A caracterização fisiológica da estirpe seleccionada foi depois realizada através da adição de pulsos de glucose e lactose (fontes de carbono geralmente presentes nos meios de cultura industriais e efluentes de indústrias alimentares) a culturas contínuas de B. licheniformis CCMI 1034 limitadas pela glucose, em estado estacionário (D= 0,27 W). As respostas da cultura de B. fichenifonnis CCMI 1034 a estes pulsos foram monitorizadas através de medições de densidade óptica, produção de dióxido de carbono e consumo de oxigénio, consumo de susbtrato e análises de citometria de fluxo multi-paramétrica, com o objectivo de se compreendera fisiologia e a dinâmica das subpopulações daquele microrganismo, durante a utilização sequencial destes substratos, uma situação frequente nos efluentes industriais. A taxa específica de crescimento e o rendimento em biomassa do pulso de glucose foram 0,45 h-1 e 0,26 g biomassa-(g glucose)-1 respectivamente, enquanto que a taxa específica de crescimento e o rendimento em biomassa do pulso de lactose foram 0,009 h-1 e 0,05 g biomassa-(g lactose)-1 respectivamente. /Abstract - A physiological characterization of a thermophilic strain from the genus Bacillus (Bacillus licheniformis COMI 1034) isolated from Lammas industry bioreactors (a food waste treatment company in the UK) was carried out aiming at the improvement of the biodegradation process efficiency. In a first step, a phenotypic characterization of the seventeen Bacillus strains isolated from Lammas bioreactors was carried out, using fatty acid and enzymatic, activity profiles, in order to evaluate the biotechnological usefulness of these micro-organisms. Bacillus licheniformis strains exhibited the most significant enzyme production. Numerical analyses (principal component and hierarchical analyses) revealed that Bacillus licheniformis strains were homogeneous regarding their fatty acid profiles whilst B. subtilis and Bacillus pumilus strains showed some variation between strains, concerning this phenotypic characteristic. However, the enzymatic, activities numerical analyses indicated that the three Bacillus species were more homogeneous regarding this phenotypic characteristic. The physiological characterization of a selected strain was further studied based on microbial responses to changes of growth conditions. This study was carried out in a bench continuous stirrer tank reactor (CSTR) which was firstly characterized through the study of the effect of the impeller configuration, aeration rate and stirring rate on the gas-liquid mass transfer coefficient kLa, under Lammas bioreactors working temperatures (45-60 °C). It was found that the most appropriate impeller combination was a Rushton impeller (four blades) mounted below an axial Pitched-blade (three blades) impeller. The physiological characterization of the selected Bacillus strain was then carried out by adding pulses of glucose and lactose (carbon, sources frequently found in industrial growth media and food waste streams) to B. licheniformis COMI 1034 glucose limited steady-state continuous cultures (D=0.27 W). The responses of the batch sections were monitored by measuring optical density, substrate consumption, carbon dioxide production, oxygen uptake and flow cytometric analyses were carried out in order to understand the physiology and the dynamics of the subpopulations during the sequential utilization of substrates, a common situation in waste streams. Glucose pulse specific growth rate and the biomass yield. were 0.45 h-1 and 0.26 g biomass-(g glucose) -1 respectively, whilst lactose pulse specific growth rate and the biomass yield were 0.009 h-1and 0.05 g biomass-(g lactose) -1 respectively. These results, together with the cell physiological state information suggest that, conversely the growth on glucose, the growth on lactose induced the storage materials synthesis which allowed a high proportion of polarised cytoplasmic membrane (healthy) cells, nine hours after the lactose exhaustion.