Published December 1, 2022
| Version v1
Publication
Open
Cellulase activity of a novel bacterial strain Arthrobacter woluwensis TDS9: its application on bioconversion of paper mill sludge
Description
Lignocellulosic biomasses produced from agriculture and forest-based industries are the cheapest or negative-cost biomass with a great potential for biotransformation to value-added bioproducts. Paper mill sludge, an important lignocellulosic biomass creates an environmental threat, which requires financial input for disposal. Thus, this study was aimed to isolate a novel bacterial strain capable of degrading cellulosic biomass including paper mill sludge to produce reducing sugar and other value-added bioproducts.A novel bacterial strain Arthrobacter woluwensis TDS9 isolated from the soil was screened for its cellulolytic activity using carboxymethyl cellulose (CMC) as the sole carbon source. The incubation period, temperature, pH, carbon, and nitrogen sources are the most important factors ruling the CMCase and sugar productions of the strain A. woluwensis TDS9, and an alkaline pH (pH 8.0) led to enhanced sugar production up to 1100.09 μg/mL after 72 h of incubation at 25°C in a medium containing 1.5% CMC and 1.25% beef extract. The optimal conditions for maximum CMCase activity were defined, and the potassium ion boosted the CMCase activity up to 1.06 U/mL when the enzymatic reaction was performed for 30 min at 50°C and pH 8 using CMC as a substrate. Moreover, the strain A. woluwensis TDS9 produced 433.33 μg/mL reducing sugar from 1% pretreated paper mill sludge. Significant alterations in the structural arrangement of cellulosic fiber of paper mill sludge observed under microscope after each step of chemical treatment process helped for loosening the cellulose fibers and increased the saccharification for enzymatic hydrolysis. Endoglucanase IV (33 KDa) and beta-glucosidase II (53 KDa) were identified in crude enzyme based on the zymogram analysis and substrate specificity.The research has for the first time proved that this A. woluwensis TDS9 strain can efficiently convert cellulose. Therefore, the strain TDS9 could be a potential candidate for cellulase production in an industrial biotransformation process of paper mill sludge to produce reducing sugar. This sugar stream can be further used as a substrate to produce biofuels and other organic acids using another microorganism, which represents a greener alternative to add value to the paper production helping paper mill industries.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الكتلة الحيوية السليلوزية اللجنينية المنتجة من الزراعة والصناعات القائمة على الغابات هي الكتلة الحيوية الأرخص أو ذات التكلفة السلبية مع إمكانات كبيرة للتحول الحيوي إلى منتجات حيوية ذات قيمة مضافة. تشكل حمأة مطحنة الورق، وهي كتلة حيوية ليجنوسليلوزية مهمة، تهديدًا بيئيًا، الأمر الذي يتطلب مدخلات مالية للتخلص منها. وبالتالي، كانت هذه الدراسة تهدف إلى عزل سلالة بكتيرية جديدة قادرة على تحلل الكتلة الحيوية السليلوزية بما في ذلك حمأة مطحنة الورق لإنتاج سكر منخفض ومنتجات حيوية أخرى ذات قيمة مضافة. تم فحص سلالة بكتيرية جديدة من بكتيريا Arthrobacter woluwensis TDS9 المعزولة عن التربة لنشاطها السليلوزي باستخدام كربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) كمصدر الكربون الوحيد. فترة الحضانة، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والكربون، ومصادر النيتروجين هي أهم العوامل التي تحكم إنتاج CMCase والسكر من سلالة A. woluwensis TDS9، ودرجة الحموضة القلوية (درجة الحموضة 8.0) أدت إلى تعزيز إنتاج السكر يصل إلى 1100.09 ميكروغرام/مل بعد 72 ساعة من الحضانة عند 25 درجة مئوية في وسط يحتوي على 1.5 ٪ CMC و 1.25 ٪ مستخلص لحوم البقر. تم تحديد الظروف المثلى لأقصى نشاط CMCase، وعزز أيون البوتاسيوم نشاط CMCase حتى 1.06 وحدة/مل عندما تم إجراء التفاعل الإنزيمي لمدة 30 دقيقة عند 50 درجة مئوية ودرجة الحموضة 8 باستخدام CMC كركيزة. علاوة على ذلك، أنتجت سلالة A. woluwensis TDS9 433.33 ميكروغرام/مل من السكر المخفض من 1 ٪ من حمأة مطحنة الورق المعالجة مسبقًا. ساعدت التغييرات الكبيرة في الترتيب الهيكلي للألياف السليلوزية لحمأة مطحنة الورق التي لوحظت تحت المجهر بعد كل خطوة من خطوات عملية المعالجة الكيميائية على تخفيف ألياف السليلوز وزيادة التسكير للتحلل المائي الأنزيمي. تم تحديد إندوغلوكاناز IV (33 KDa) وبيتا جلوكوزيداز II (53 KDa) في الإنزيم الخام بناءً على تحليل المخاطية وخصوصية الركيزة. أثبت البحث لأول مرة أن سلالة A. woluwensis TDS9 هذه يمكنها تحويل السليلوز بكفاءة. لذلك، يمكن أن تكون السلالة TDS9 مرشحًا محتملًا لإنتاج السليلوز في عملية التحول الحيوي الصناعي لحمأة مطحنة الورق لإنتاج السكر المختزل. يمكن استخدام تيار السكر هذا كركيزة لإنتاج الوقود الحيوي والأحماض العضوية الأخرى باستخدام كائن دقيق آخر، والذي يمثل بديلاً أكثر اخضرارًا لإضافة قيمة إلى إنتاج الورق الذي يساعد صناعات مصانع الورق.Translated Description (French)
La biomasse lignocellulosique produite à partir de l'agriculture et des industries forestières est la biomasse la moins chère ou à coût négatif avec un grand potentiel de biotransformation en bioproduits à valeur ajoutée. Les boues de papeterie, une biomasse lignocellulosique importante, créent une menace environnementale, qui nécessite un apport financier pour son élimination. Ainsi, cette étude visait à isoler une nouvelle souche bactérienne capable de dégrader la biomasse cellulosique, y compris les boues de papeterie, pour produire du sucre réducteur et d'autres bioproduits à valeur ajoutée. Une nouvelle souche bactérienne Arthrobacter woluwensis TDS9 isolée du sol a été criblée pour son activité cellulolytique en utilisant la carboxyméthylcellulose (CMC) comme seule source de carbone. La période d'incubation, la température, le pH, les sources de carbone et d'azote sont les facteurs les plus importants régissant les productions de CMCase et de sucre de la souche A. woluwensis TDS9, et un pH alcalin (pH 8,0) a conduit à une augmentation de la production de sucre jusqu'à 1100,09 μg/mL après 72 h d'incubation à 25 °C dans un milieu contenant 1,5 % de CMC et 1,25 % d'extrait de bœuf. Les conditions optimales pour l'activité maximale de la CMCase ont été définies, et l'ion potassium a stimulé l'activité de la CMCase jusqu'à 1,06 U/mL lorsque la réaction enzymatique a été effectuée pendant 30 min à 50 °C et pH 8 en utilisant la CMC comme substrat. De plus, la souche A. woluwensis TDS9 a produit 433,33 μg/mL de sucre réducteur à partir de boues de papeterie prétraitées à 1 %. Des altérations significatives de la disposition structurelle des fibres cellulosiques des boues de papeterie observées au microscope après chaque étape du processus de traitement chimique ont contribué à desserrer les fibres de cellulose et à augmenter la saccharification pour l'hydrolyse enzymatique. L'endoglucanase IV (33 KDa) et la bêta-glucosidase II (53 KDa) ont été identifiées dans l'enzyme brute sur la base de l'analyse du zymogramme et de la spécificité du substrat. La recherche a pour la première fois prouvé que cette souche TDS9 d'A. woluwensis peut convertir efficacement la cellulose. Par conséquent, la souche TDS9 pourrait être un candidat potentiel pour la production de cellulase dans un processus industriel de biotransformation des boues de papeterie pour produire du sucre réducteur. Ce flux de sucre peut également être utilisé comme substrat pour produire des biocarburants et d'autres acides organiques à l'aide d'un autre micro-organisme, ce qui représente une alternative plus écologique pour ajouter de la valeur à la production de papier en aidant les industries papetières.Translated Description (Spanish)
Las biomasas lignocelulósicas producidas a partir de la agricultura y las industrias forestales son la biomasa más barata o de coste negativo con un gran potencial de biotransformación en bioproductos de valor añadido. Los lodos de las fábricas de papel, una biomasa lignocelulósica importante, crean una amenaza ambiental que requiere aportes financieros para su eliminación. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo aislar una nueva cepa bacteriana capaz de degradar la biomasa celulósica, incluido el lodo de la fábrica de papel, para producir azúcar reductor y otros bioproductos de valor agregado. Una nueva cepa bacteriana Arthrobacter woluwensis TDS9 aislada del suelo se analizó para determinar su actividad celulolítica utilizando carboximetilcelulosa (CMC) como única fuente de carbono. El período de incubación, la temperatura, el pH, el carbono y las fuentes de nitrógeno son los factores más importantes que rigen las producciones de CMCasa y azúcar de la cepa A. woluwensis TDS9, y un pH alcalino (pH 8.0) condujo a una mayor producción de azúcar hasta 1100.09 μg/mL después de 72 h de incubación a 25 ° C en un medio que contiene 1.5% de CMC y 1.25% de extracto de carne. Se definieron las condiciones óptimas para la actividad máxima de CMCasa, y el ion potasio aumentó la actividad de CMCasa hasta 1.06 U/mL cuando la reacción enzimática se realizó durante 30 min a 50°C y pH 8 usando CMC como sustrato. Además, la cepa A. woluwensis TDS9 produjo 433,33 μg/ml de azúcar reductora a partir de lodo de fábrica de papel pretratado al 1%. Las alteraciones significativas en la disposición estructural de la fibra celulósica del lodo de la fábrica de papel observadas al microscopio después de cada paso del proceso de tratamiento químico ayudaron a aflojar las fibras de celulosa y aumentaron la sacarificación para la hidrólisis enzimática. La endoglucanasa IV (33 KDa) y la beta-glucosidasa II (53 KDa) se identificaron en la enzima bruta en función del análisis del zimograma y la especificidad del sustrato. La investigación ha demostrado por primera vez que esta cepa TDS9 de A. woluwensis puede convertir eficientemente la celulosa. Por lo tanto, la cepa TDS9 podría ser un candidato potencial para la producción de celulasa en un proceso de biotransformación industrial de lodo de fábrica de papel para producir azúcar reductor. Esta corriente de azúcar se puede utilizar como sustrato para producir biocombustibles y otros ácidos orgánicos utilizando otro microorganismo, lo que representa una alternativa más ecológica para agregar valor a la producción de papel que ayuda a las industrias papeleras.Files
s43141-022-00373-w.pdf
Files
(2.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:5f138edaf6a498699628bfe55cdec168
|
2.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نشاط السليلوز لسلالة بكتيرية جديدة Arthrobacter woluwensis TDS9: تطبيقه على التحويل الحيوي لحمأة مطحنة الورق
- Translated title (French)
- Activité cellulase d'une nouvelle souche bactérienne Arthrobacter woluwensis TDS9 : son application sur la bioconversion des boues de papeterie
- Translated title (Spanish)
- Actividad celulasa de una nueva cepa bacteriana Arthrobacter woluwensis TDS9: su aplicación en la bioconversión de lodos de fábricas de papel
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4283016959
- DOI
- 10.1186/s43141-022-00373-w
References
- https://openalex.org/W113427915
- https://openalex.org/W113590813
- https://openalex.org/W1414945947
- https://openalex.org/W1488253920
- https://openalex.org/W1537306828
- https://openalex.org/W1547019618
- https://openalex.org/W1590838754
- https://openalex.org/W1713038281
- https://openalex.org/W1775749144
- https://openalex.org/W1867151512
- https://openalex.org/W1910306387
- https://openalex.org/W1963378945
- https://openalex.org/W1975209718
- https://openalex.org/W1990831953
- https://openalex.org/W1994315378
- https://openalex.org/W1996031039
- https://openalex.org/W2006455926
- https://openalex.org/W2009674410
- https://openalex.org/W2011855204
- https://openalex.org/W2014811159
- https://openalex.org/W2020271700
- https://openalex.org/W2028181034
- https://openalex.org/W2029808341
- https://openalex.org/W2038505005
- https://openalex.org/W2044803677
- https://openalex.org/W2046324461
- https://openalex.org/W2051123872
- https://openalex.org/W2053615650
- https://openalex.org/W2053825161
- https://openalex.org/W2055434251
- https://openalex.org/W2058666300
- https://openalex.org/W2063161426
- https://openalex.org/W2065916767
- https://openalex.org/W2077812033
- https://openalex.org/W2078928350
- https://openalex.org/W2087299298
- https://openalex.org/W2087419533
- https://openalex.org/W2097706568
- https://openalex.org/W2100837269
- https://openalex.org/W2103148772
- https://openalex.org/W2108929776
- https://openalex.org/W2109520483
- https://openalex.org/W2115328049
- https://openalex.org/W2127664363
- https://openalex.org/W2128964206
- https://openalex.org/W2139413502
- https://openalex.org/W2142537758
- https://openalex.org/W2148041910
- https://openalex.org/W2157836245
- https://openalex.org/W2159506992
- https://openalex.org/W2168140590
- https://openalex.org/W2253536002
- https://openalex.org/W2268639542
- https://openalex.org/W2284735039
- https://openalex.org/W2325041046
- https://openalex.org/W2438141366
- https://openalex.org/W2466560460
- https://openalex.org/W2543766097
- https://openalex.org/W2556993176
- https://openalex.org/W2763365286
- https://openalex.org/W2767464849
- https://openalex.org/W2799524357
- https://openalex.org/W2807139452
- https://openalex.org/W2897534617
- https://openalex.org/W2945985468
- https://openalex.org/W2952571820
- https://openalex.org/W2974615156
- https://openalex.org/W2976634130
- https://openalex.org/W2998990895
- https://openalex.org/W3014701979
- https://openalex.org/W3039011868
- https://openalex.org/W3039361301
- https://openalex.org/W3084399940
- https://openalex.org/W3111242422
- https://openalex.org/W3131398565
- https://openalex.org/W3153743695
- https://openalex.org/W3164575781
- https://openalex.org/W3176810045
- https://openalex.org/W3198097228
- https://openalex.org/W4231255226
- https://openalex.org/W4245953682
- https://openalex.org/W4246283410
- https://openalex.org/W96709413