Lysdrevet lytisk polysakkaridmonooksygenase (LPMO)-katalysert løseliggjøring av polysakkarider

Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are a recently discovered family of enzymes that catalyze oxidative cleavage of glycosidic bonds in insoluble polysaccharides at a liquid-solid interface. These enzymes are important for solubilization of crystalline polysaccharides, such as cellulose and chitin, which are key structural elements in plant cell walls and arthropod exoskeletons, respectively. Plant cell walls and insect exoskeletons are co-polymeric structures where cellulose and chitin are closely associated with photoredox-active phenolic compounds. Photodegradation of these phenolic compounds has been suggested to explain the observed enhancement of microbial decomposition of plant litter upon exposure to sunlight. The work presented in this thesis focused on studying the impact of light on LPMO activity with the aims of using photoredox catalysts for fine tuning of LPMO activity and obtaining a better understanding of the impact of light on turnover of biomass in Nature. The interplay between LPMOs, photoredox-active phenolic compounds present in natural LPMO substrates, and light led us to propose a possible enzymatic explanation for why light promotes microbial decomposition of biomass. Paper I – Controlled depolymerization of cellulose by light-driven lytic polysaccharide oxygenases. Paper I revisits light-driven LPMO reactions published prior to the discovery that LPMOs depend on hydrogen peroxide for catalysis, with the goal of determining the involvement of reactive oxygen species in these reactions. The results show that the catalytic activity of our model LPMO, AA10C from Streptomyces coelicolor, is dependent on H2O2 produced by light-exposed chlorophyllin or vanadium-doped titanium dioxide (V-TiO2). For the chlorophyllin reaction system, we demonstrate that superoxide, O2•-, is generated and suggest that this radical is the most likely reducing agent for the LPMO in this system. In the V-TiO2 reaction system, O2•- does not appear to play a role and we suggest that the LPMO is reduced on the surface of the photoredox catalyst. Overall, this study highlights the importance of controlling the flux of reactive oxygen if one is to achieve stable enzymatic turnover of crystalline polysaccharides by LPMOs. Paper II – Visible light-exposed lignin facilitates cellulose solubilization by lytic polysaccharide monooxygenases. Paper II explores the use of lignin to fuel LPMO catalytic activity and how visible light impacts lignin-driven LPMO activity. The results show enhanced LPMO activity in lignin-driven reactions when these are exposed to visible light, and indicate that the ability of lignin to photocatalytically generate H2O2 determines LPMO efficiency. Consequently, using lignin as photoredox catalyst enables fine tuning of LPMO activity by regulating production of H2O2. Direct interaction between a large lignin polymer and the copper active site of LPMOs is demonstrated, which shows that LPMOs can oxidize lignin like other lignin-active enzymes, such as ligninolytic peroxidases and laccases. NMR analysis of light-exposed lignin revealed light-induced oxidation of ring-conjugated unsaturated carbon double bonds resulting in an increased number of cinnamaldehyde end groups. Taken together, these results indicate that the observed boosting effect of light on microbial decomposition of plant litter may have an “enzymatic” explanation, as irradiation of lignin under aerobic conditions leads to the formation of a crucial co-substrate for LPMOs and redox enzymes involved in turning over biomass. Paper III – Natural photoredox catalysts promote light-driven lytic polysaccharide monooxygenase reactions and enzymatic turnover of biomass. Paper III builds on the idea from Paper II that redox active phenolic compounds naturally present in biomass enhance LPMO-activity when exposed to visible light. This paper demonstrates the ability of redox-active phenolic compounds in insect biomass, i.e., catecholamines, to photocatalytically reduce O2 to H2O2 to fuel LPMO reactions. The results show that the LPMO activity is correlated with light-promoted in situ H2O2 generation and that the LPMO activity is inhibited by a competing H2O2-consuming enzyme. Importantly, LPMO-catalyzed solubilization of the chitin present in the insect biomass by a chitin-active LPMO was faster when the reaction was exposed to visible light. These results support the idea that the impact of light on biomass conversion in Nature relates to a boosting effect on the activity of biomass-converting redox enzymes, and that the light effect is not necessarily limited to increased availability of polysaccharides that results from photodegradation of phenolic compounds.Lytisk polysakkaridmonooksygenaser (LPMOer) er en nylig oppdaget enzymfamilie som katalyserer oksidativt brudd av glykosidbindinger i uløselige polysakkarider i grenseflaten mellom et fast stoff og en væske. Disse enzymene er essensielle for å løseliggjøre krystallinske polysakkarider, slik som cellulose og kitin, som spiller en strukturell nøkkelrolle i oppbyggingen av cellevegger hos planter og eksoskjeletter hos leddyr. Plantecellevegger og insekters eksoskjelett er kopolymere strukturer hvor cellulose og kitin finnes nært forbundet med fotoredoksaktive fenolforbindelser. Fotonedbrytning av disse fenolforbindelsene har blitt foreslått som en forklaring på hvorfor mikrobiell nedbrytning av plantemateriale forbedres når det eksponeres for sollys. Arbeidet i denne avhandling har fokusert på å studere hvordan lys påvirker LPMO-aktivitet med mål om å bruke fotoredokskatalysatorer til å kontrollere LPMO-aktivitet, og å oppnå en bedre forståelse av hvordan lys bidrar til nedbrytning av biomasse i naturen. Det observerte samspillet mellom LPMOer, fotoredoksaktive fenolforbindelser som finnes i naturlige LPMO-substrater, og lys førte til at vi foreslår en mulig enzymatisk forklaring på hvorfor lys fremmer mikrobiell nedbrytning av biomasse. Artikkel I – Kontrollert depolymerisering av cellulose av lysdrevet lytisk polysakkaridmonooksygenaser. Artikkel I gjennomgår lysdrevne LPMO-reaksjoner som ble publisert i forkant av oppdagelsen om at LPMOer bruker H2O2 for sin katalytiske aktivitet på nytt med mål om å bestemme om reaktive oksygenforbindelser er involvert for å fremme LPMO-aktivitet i disse systemene. Vi viser at aktiviteten til vår modell-LPMO, AA10C fra Streptomyces coelicolor, avhenger av H2O2 produsert av lys-eksponert klorofyllin eller vanadium-dopet titandioksid (V-TiO2). For klorofyllin viser vi at superoksid, O2•-, dannes og er den mest sannsynlige reduktanten for LPMOen i dette systemet. Med V-TiO2 som fotoredokskatalysator finner vi ingen tegn på at det dannes O2•-. Samlet sett viser denne studien hvor viktig det er å kontrollere strømmen av reaktive oksygenforbindelser for å oppnå stabil enzymkatalysert løseliggjøring av krystallinske polysakkarider og nødvendigheten av å bruke tidsserier fremfor et enkelt tidspunkt for å forstå de underliggende mekanismene som styrer den katalytiske aktiviteten til LPMOer i lysdrevne LPMO-reaksjoner. Artikkel II – Synlig lys-eksponert lignin fasiliterer løseliggjøring av cellulose av lytisk polysakkaridmonooksygenaser. Artikkel II utforsker bruken av lignin for å fremme LPMO-aktivitet og hvordan denne påvirkes av synlig lys. Resultatene viser økt LPMO-aktivitet i lignin-drevne reaksjoner når disse blir eksponert for synlig lys og indikerer at ligninets evne til å fotokatalytisk danne H2O2 bestemmer LPMOens effektivitet. Konsekvensens av dette er at lignin kan brukes som en fotoredokskatalysator for å kontrollere LPMO-aktivitet ved å skreddersy H2O2-mengden som dannes. Direkte interaksjon mellom en ligninpolymer og kobberet i det aktive setet i LPMOer demonstreres og viser at LPMOer kan oksidere lignin tilsvarende andre ligninaktive-enzymer, som ligninaktive-peroksidaser og lakkaser. NMR-analyse av lyseksponert lignin avslørte at synlig lys forårsaker oksidasjon av karbon-karbon dobbeltbindinger som er konjugert med de aromatiske ringsystemene i ligninet og fører til en økning i antall kanelaldehydendegruppemotiver. Til sammen tyder disse resultatene på at forsterkereffekten av lys på mikrobiell nedbrytning av plantemateriale også kan ha en enzymatisk forklaring, ettersom lysbestråling av lignin under aerobe forhold fører til dannelse av kosubstrat for LPMOer og andre redoksenzymer som er involvert i nedbrytning av biomasse. Artikkel III – Naturlig forekommende fotoredokskatalysatorer fremmer lysedrevne lytisk polysakkaridmonooksygenase-reaksjoner og enzymatisk nedbrytning av biomasse. Artikkel III bygger på idéen fra Artikkel II om at naturlig forekommende redoksaktive fenolforbindelser i biomasse bidrar til økt LPMO-aktivitet når disse blir utsatt for synlig lys. Denne artikkelen demonstrerer evnen hos redoksaktive fenolforbindelser i insektsbiomasse til å fotokatalytisk redusere O2 til H2O2 for å fremme LPMO-reaksjoner. Resultatene viser at LPMO-aktiviteten er korrelert med lys-fremmet in situ dannelse av H2O2 og at LPMO-aktiviteten hemmes av et konkurrende H2O2-avhengig enzym. Det er viktig å påpeke at LPMO-katalysert løseliggjøring av kitin fra insektsbiomasse med en kitinaktiv LPMO var raskere når reaksjonen ble eksponert for synlig lys. Disse resultatene støtter idéen om at lyset påvirker omdannelse av biomasse i naturen ved en forsterkereffekt på aktiviteten til redoksenzymene som omdanner biomasse, og at lyseffekter ikke nødvendigvis er begrenset til økt tilgang på polysakkaridene som følge av fotonedbrytning av fenolforbindelser.Norges forskningsrå

Modelling particle degradation and intermediate dynamics in a dispersed activated sludge microcosm

Municipal wastewater consists of a large fraction of particulate organic matter. During biological wastewater treatment these particles undergo extracellular depolymerisation before products are taken up by bacteria (MW < 0.6 kDa). Particle degradation and intermediate formation dynamics is important in process analysis of wastewater treatment as the transport regime differ. This work aims to develop a model for particle degradation that includes intermediate dynamics as observed in experimental work. A model for particle degradation including intermediate dynamics, bacterial growth and endogenous respiration is proposed. Particle hydrolysis was modelled using the particle breakup model. Depolymerisation products were separated into five different size groups: colloids; high, medium and low molecular weight (HMW, MMW and LMW) polymers; and one fraction for oligomers and monomers (SB). Depolymerisation of colloids, HMW and MMW polymers was modelled using first order kinetics. LMW polymer degradation was modelled using Michaelis-Menten kinetics, while growth was based on traditional Monod kinetics and endogenous respiration followed ASM3. The proposed model was implemented in AQUASIM for a batch reactor system, and parameter estimation by LSE fitting to experimental data on particulate starch degradation over 117 days in a dispersed biomass microcosm was performed. Validation of the model against experimental data gave a very good fit to the PBM. The intermediate dynamics seen in the experimental data was also qualitatively demonstrated by the model, with accumulation of HMW, MMW and LMW polymers in the bulk liquid. However, the accumulation of monomers and oligomers in the bulk liquid could not be reproduced in the suspended growth model proposed. Hence, a structured biomass model (biofilm) is suggested for future work.publishedVersio

Effect of temperatures on anaerobic granulated biofilm modelling

Anaerobic granulated biomass-based treatment is a sustainable alternative for municipal wastewater treatment. Each granule in the system is comprised of a complex community of anaerobic microorganisms embedded in a biofilm matrix. The aim of this work was to implement a biofilm model for simulation of biogas production and COD removal as observed in an experimental up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor system. Additionally, selected scenario simulations were carried out to assess the effect of temperatures (25, 16, and 12 °C) on granulated anaerobic reactor performance at different organic loading rates. The two main model components used are: Dynamic biochemical and physicochemical conversion processes (Anaerobic Digestion Model No. 1) and diffusive mass transfer within the granule (biofilm). The model was implemented in AQUASIM 2.1. Simulations gave insight into non-observables, especially intragranular biomass distribution and substrate profiles, which help our understanding of granule formation and evolution. Results reflected observed effluent COD concentrations and methane production rates at variable temperatures and reactor loadings. Simulations also confirmed observed steady-state reductions in COD removal efficiencies and methane fraction in biogas at increasing organic loading rate. Model simulations also showed intra-granular alkaline pH depth profiles with increasing organic loading rate which may explain calcium-based mineral core formation. The biomass composition and active regions in granules were not significantly affected by organic loading rate. At steady state, organic substrates especially monosaccharides and volatile fatty acids were predicted to degrade approximately within the outer 100 μm. In general, the model can be used as a tool to predict and simulate anaerobic granulated biofilm system performances in UASB reactor.publishedVersio

Starch degradation and intermediate dynamics in flocculated and dispersed microcosms

A large fraction of the organic substrate in municipal wastewater is particulate. Prior to uptake, particles have to be degraded through potentially a range of intermediates. However, research on intermediate dynamics during particle hydrolysis is limited. In this paper, batch experiments on flocculated and dispersed biomass microcosms using starch as particulate substrate are reported. Overall hydrolysis rate was not significantly different between the two systems. Particle colonization, and increased particle porosity in combination with particle breakup, led to increased substrate availability over time. Particle breakup was more important for flocculated biomass, while increased particle porosity and particle colonization played a larger role for dispersed biomass. During particle degradation intermediates were formed; however, all intermediate polymer sizes were not formed to the same extent. This can be explained by non-random enzymatic degradation, where some products are preferred over others. Intermediates' dynamics also depend on the biomass structure, and in a floc-based system, diffusion limitations allow glucose to accumulate in the system

Effect of low temperature and municipal wastewater organic loading on anaerobic granule reactor performance

Biogas production and municipal wastewater COD removal at low temperatures by granulated anaerobic biomass were investigated. Two anaerobic granule reactors were operated continuously for 1025 days by stepwise increase of organic loading from 1.3 to 15.2 g CODdissolved·l−1·d−1 at 25, 16, 12, 8.5, 5.5, and 2.5 °C. The sustained reactor performance was evaluated by COD removal efficiency, methane production, and microbial community analysis. Stable COD removal of 50–70% were achieved at 25–8.5 °C and up to 15 g CODdissolved·l−1·d−1, and no significant temperature effect was observed on specific methane production rate and yield. Below 8.5 °C, COD removal and methane yields reduced, but still significant methane formation was observed even at 2.5 °C. More than 90% of COD removed was converted to methane. Methanogenic archaea communities showed that temperature changes affected the major methane formation pathways, which explains temperature adaptability of the granules.publishedVersio

Lærerhandlinger som følger opp elevhandlinger i helklassesamtaler: En studie av matematikkundervisning på 5.trinn

Forskere og fagfolk har i flere tiår pekt på at det trengs en reform i matematikkundervisningen. Fra en tradisjonell undervisning med gjengivelse og foredrag til en mer dialogisk undervisning med matematiske samtaler. Likevel viser forskning at den tradisjonelle undervisningen ennå er dominerende i de fleste klasserom. Ved gode matematiske helklassesamtaler kan elevenes forståelse utvides gjennom å begrunne, argumentere og resonnere rundt sine og andre elever sine ideer. For å belyse dette underliggende problemet vil denne studien undersøke en relativt nyutdannet sin matematikkundervisning. Er det mulig for nye lærere å oppnå en dialogisk undervisningspraksis? For å finne ut mer om det, vil jeg undersøke kommunikasjonsmønsteret til denne læreren, og problemstillingen i oppgaven er som følger: Hvordan følger en lærer på 5. trinn opp ulike typer elevhandlinger i helklassesamtalen? For å gjennomføre analysene ble rammeverket til Drageset (2015) benyttet. Studien er en kvalitativ casestudie hvor undervisningen til en lærer ble observert, og det ble tatt video- og lydopptak av undervisningen. Video- og lydopptakene ble transkribert, og de transkriberte tekstene av helklassesamtalene fra fem undervisningstimer, utgjorde datamaterialet. Studiens resultater peker mot at denne relativt nyutdannede læreren har utviklet en dialogisk undervisningspraksis som kan kjennetegns som utradisjonell. Lærerens valg la til rette for matematiske samtaler ved å spør åpne spørsmål, be elvene grunngi eller belyse løsningene sine og ved å ikke avise elevenes svar. Elevene fikk mulighet til å argumentere og resonnere rundt egne og andre sine forklaringer

A csirke tobozmirigy vizsgálata, mint az experimentális jet lag modellje

4

Pellets på avveie. Fra vugge til hav

Denne masteroppgaven ser nærmere på hvordan plastikkindustrien i Norge er organisert, og hvordan to aktører innen næringen praktiserer HMS for å redusere og forebygge utslipp av råstoff til plastproduksjons. Oppgaven er gjennomført som en casestudie med utgangspunkt i et samtidsaktuelt problem- plastforurensning med følgende problemstilling: Hvordan ivaretas helse miljø og sikkerhet (HMS) i plastproduserende bedrifter -med fokus på miljøproblematikk knyttet til svinn og utslipp av råstoff (pellets) Oppgaven konkluderer med at aktørene har gode forbedringsmuligheter når det kommer til utvikling og bruk av prosedyrer som vil kunne redusere usikkerhet, øke bevisstheten til ansatte og bidra til kartlegging av problemet Oppgaven viser også hvordan plastbransjen i Norge og internasjonalt jobber for å forebygge utslipp av råstoff, og utfordringer myndighetene har i å regulere plastbransjen her til lands

Characterization of abscesses from liver, pancreas and kidney using deep sequencing of the 16S rRNA gene

To characterize the microbial communities in abscess material from liver, pancreas, and kidneys, we performed deep sequencing of the 16S rRNA gene, in addition to cultivation and Sanger based 16S rRNA gene sequencing directly from the samples. Fifty-nine abscess samples were investigated, 38 from liver, 11 from pancreas, 10 from kidney. Using deep sequencing we made 227 bacterial identifications in 52 specimens, as compared to 69 identifications from the 44 specimens positive by culture. Escherichia coli, Enterococcus sp., Klebsiella sp. and Streptococcus sp. were the most common findings, but various anaerobe bacteria also constituted a large part of the microflora and those were frequently not detected by culture. Culture-independent methods like 16S deep sequencing can significantly improve microbiological diagnostics of clinical specimens. They are particularly valuable for complex purulent infections like abdominal abscesses. Therefore, deep sequencing approaches should be considered as a part of the available repertoire in diagnostic hospital laboratories.publishedVersio

Elevers muligheter for læring i et klasserom med utviklende opplæring i matematikk: En kommognitiv analyse av undervisningsrutiner

Utviklende opplæring i matematikk er en undervisningsmetode med opprinnelse fra Russland og er en relativt ny undervisningsmetode i Norge. I denne masteroppgaven skal en undervisningsøkt med utviklende opplæring i matematikk studeres og forskningsspørsmålet som skal besvares er: «Hvilke undervisningsrutiner kan identifiseres i en undervisningsøkt med utviklende opplæring i matematikk, og hvilke muligheter for læring tilrettelegger disse for elevene?» Gjennom historien har det blitt produsert utallige læringsteorier av psykologer og pedagoger over hele verden. Det å si noe konkret om elevers læring, har vist seg å være en utrolig kompleks oppgave, noe som gjenspeiler seg i antall forskningsartikler som forsøker å svare på dette. En adskillig lettere oppgave er å si noe om hvilke muligheter for læring elevene har fått. Ved å studere og analysere diskursen mellom lærer og elever i en undervisningsøkt hvor det praktiseres utviklende opplæring i matematikk, har jeg identifisert flere undervisningsrutiner. Ved å bruke et analytisk verktøy har disse undervisningsrutinene blitt vurdert til å fremme enten ritualaktiverende muligheter for læring eller eksplorativnødvendige muligheter for læring. Totalt ble fem ulike undervisningsrutiner identifisert og lærerens gjennomføring av disse rutinene hadde betydning for hvilke muligheter for læring de fremmet. En undervisningsrutine tilrettela for eksplorativnødvendige muligheter for læring, mens de resterende fire undervisningsrutinene tilrettela for ritualaktiverende muligheter for læring. En annen tilsynelatende viktig faktor var hvilke oppgaver læreren brukte i undervisningsøkten. Oppgaver som i utgangspunktet var eksplorative var lettere å jobbe utforskende med, enn oppgaver som i utgangspunktet var rituelle