Transcription of lignocellulose-decomposition associated genes, enzyme activities and production of ethanol upon bioconversion of waste substrate by Phlebia radiata

Previously identified twelve plant cell wall degradation-associated genes of the white rot fungus Phlebia radiata were studied by RT-qPCR in semi-aerobic solid-state cultures on lignocellulose waste material, and on glucose-containing reference medium. Wood-decay-involved enzyme activities and ethanol production were followed to elucidate both the degradative and fermentative processes. On the waste lignocellulose substrate, P. radiata carbohydrate-active enzyme (CAZy) genes encoding cellulolytic and hemicellulolytic activities were significantly upregulated whereas genes involved in lignin modification displayed a more complex response. Two lignin peroxidase genes were differentially expressed on waste lignocellulose compared to glucose medium, whereas three manganese peroxidase-encoding genes were less affected. On the contrary, highly significant difference was noticed for three cellulolytic genes (cbhI_1, eg1, bgl1) with higher expression levels on the lignocellulose substrate than on glucose. This indicates expression of the wood-attacking degradative enzyme system by the fungus also on the recycled, waste core board material. During the second week of cultivation, ethanol production increased on the core board to 0.24 g/L, and extracellular activities against cellulose, xylan, and lignin were detected. Sugar release from the solid lignocellulose resulted with concomitant accumulation of ethanol as fermentation product. Our findings confirm that the fungus activates its white rot decay system also on industrially processed lignocellulose adopted as growth substrate, and under semi-aerobic cultivation conditions. Thus, P. radiata is a good candidate for lignocellulose-based renewable biotechnology to make biofuels and biocompounds from materials with less value for recycling or manufacturing.Peer reviewe

Kääpäsienten puunlahotustoiminta ja mahdollinen etanolin tuotto kierrätysperäisestä jätelignoselluloosasta

Fossiilisilla polttoaineilla on nykyaikana edelleen suuri rooli energian ja kemiallisten yhdisteiden tuotannossa. Ilmastonmuutoksen, terveysriskien, ympäristön hyvinvoinnin ja geopoliittisten konfliktien takia on kuitenkin kehitettävä vaihtoehtoisia uusiutuvista materiaaleista tuotettuja biopolttoaineita. Yksi mahdollinen vaihtoehto on käyttää ravinnoksi kelpaamatonta kasvijäteperäistä lignoselluloosaa energian tuotantoon. Jotta lignoselluloosaa voitaisiin hyödyntää energian lähteenä, tarvitaan sitä hajottavia ja muokkaavia entsyymejä sekä yhdisteitä. Kääpäsienet pystyvät tuottamaan kyseisiä entsyymejä luonnostaan, mikä tekee niistä mielenkiintoisia tutkimuskohteita bioteknisiin sovelluksiin kuten biopolttoaineiden tuottoon tähtäävissä tutkimuksissa. Tässä tutkielmassa tutkittiin kahden eri kääpäsienen, rusorypykän (valkolahottaja) ja kantokäävän (ruskolahottaja), sekä niiden yhdistelmäkasvatuksen kykyä tuottaa lignoselluloosaa hajottavia yhdisteitä, polysakkaridien hydrolysointikykyä sekä mahdollista sokerien fermentaatiota jätelignoselluloosamateriaalilla (hylsypahvi) semi-aerobisissa olosuhteissa kasvaessaan. Kolmea eri lignoselluloosan pääkomponenttia (selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä) hajottavien entsyymien pitoisuudet määriteltiin spektrofotometrisesti viikoittain kuuden viikon kasvatuksen ajalta. Entsyymiaktiivisuuksien lisäksi lignoselluloosan rakenteeseen vaikuttavan oksaalihapon pitoisuus ja kasvuliemen pH-arvot määritettiin kasvatuksista. Sienten kykyä fermentoida vapautuneita sokereita etanoliksi tutkittiin määrittämällä hylsypahvimateriaalista vapautuneiden sokerien ja tuotetun etanolin pitoisuudet. Geenien ilmentymistä rusorypykän kasvaessa hylsypahvimateriaalilla tutkittiin RT-qPCR–analyysillä, johon valittiin kaksitoista lignoselluloosan hajotukseen/muokkaukseen osallistuvaa geeniä rusorypykän genomista. Näiden geenien suhteelliset ilmentymistasot hylsypahvikasvatuksissa verrattuna vertailukasvatuksiin (glukoosialusta) määritettiin viikon kaksi aikapisteestä. Rusorypykkä tuotti yksin kasvaessaan korkeimmat oksidoreduktaasi sekä β-glukosidaasi-aktiivisuudet. Kantokääpä tuotti hyvin alhaisia entsyymiaktiivisuuksia verrattuna valkolahottavaan rusorypykkään. Molempien kääpäsienten yhdistelmäkasvatuksessa oksidoreduktaasiaktiivisuudet jäivät alhaisiksi, mutta ksylanaasiaktiivisuudet nousivat tasaisesti korkeisiin pitoisuuksiin. Kaikissa kasvatuksissa, lukuun ottamatta kantokäävän hylsypahvikasvatusta, havaittiin oksaalihapon tuottoa ja siitä johtuvaa pH:n madaltumista. Rusorypykkä tuotti hylsypahvimateriaalista vapautuneista sokereista etanolia toisella viikolla yksin kasvaessaan sekä yhdistelmäkasvatuksessa. Rusorypykän puumateriaalin hajotukseen osallistuvat geenit ilmentyivät kierrätysperäisellä lignoselluloosa-alustalla semi-aerobisissa ilmakehäolosuhteissa. Selluloosaa ja hemiselluloosaa hajottavia entsyymejä koodaavat geenit olivat merkitsevästi up-reguloituja hylsypahvialustalla glukoosialustaan verrattuna. Ligniinin muokkaukseen osallistuvien geenien säätelyssä oli enemmän vaihtelua. Tutkimukseni osoittaa, että sekä rusorypykkä, että kantokääpä pystyvät kasvamaan lignoselluloosapohjaisella jätemateriaalilla ja tuottamaan kyseistä materiaalia hajottavia entsyymejä sekä muita yhdisteitä, joilla voidaan muokata erittäin kestävää ja näin ollen ongelmallista lignoselluloosamateriaalia. Valkolahottavan rusorypykän avulla on mahdollista hydrolysoida jätemateriaalia sekä fermentoida irronneita sokereita edelleen etanoliksi samassa prosessissa