Degradación de metano en reactores de partición de dos fases líquidas y acumulación de PHB (poli-β-hidroxibutirato)

The releases of gases that contribute to global warming are a serious problem to ecosystems and humanity for its implications for on the climate change. During the past decades, population growth and industrial development have resulted in accumulation of gases like CO2, CH4 and N2O emissions which contribute mainly to the greenhouse effect. The methane has a global warming potential (GWP) that is 21-25 times greater than CO2. Methane is a greenhouse gas, whose average concentration in the atmosphere is about 1760 ppbv. The methane degradation has been studied mainly in stirred tank reactors, biofilters biocovers and just recently in the two phases partitioning bioreactors (TPPB); its main characteristic is the addition of a non-aqueous phase, such as silicone oil, which increases the CH4 bioavailability to the microorganisms by improving the processes of mass transfer of substrate from the gas phase in to the microorganisms. In this thesis, the degradation of CH4, by a consortium and a strain isolated from it, was studied using a STR (stirred tank reactor) and a TPPB. At the same time, we studied the ability of microorganisms to accumulate PHB (poly-β-hydroxybutyrate), intracellular biopolymer, biodegradable and plastic properties similar to polypropylene. The PHB accumulates mainly when there is limitation of some elements like nitrogen o phosphorus.. The first stage of the experimental strategy was to isolate the strains from a consortium previously adapted to methane consumption. 17 strains with methanotrophic capacity were isolated and they were maintained in an atmosphere of CH4. 75% of the isolates were Gram negative and 10 strains with higher cell growth on methane or methanol were chosen. The isolates were qualitatively tested for the capability to accumulate PHB. The fluorescence staining showed that four strains were capable of accumulating PHB, also the specific consumption rates of CH4 were calculated for the isolates grown under non- nitrogen restricted mineral medium. Afterwards, a comparison was made between the isolates and a collection (ATCC) strain, Methylosinus trichosporium OB3b. It has a high capacity for CH4 degradation of (50 mg gx-1 h-1 ) and a PHB accumulation of up 50% w w-1 . At the same experimental conditions with a methane concentration of 1% in air, one of the isolates (C2) showed a PHB accumulation of 56% w w-1 compared to 24% w w-1 of Methylosinus trichosporium OB3b. Regarding to the specific degradation rates of methane, the C2 reached a specific rate of methane consumption 60 mg gx-1 h-1 and Methylosinus trichosporium OB3b 77 mg gx-1 h-1 , another studied strain, C147, has a PHB accumulation of 21% w w-1 and a specific consumption rate of 139 CH4 mg gx-1 h-1 . The conclusion of this experiment was that some isolated, such as C2, were able to accumulate high PHB content with values even higher than reported methanotrophs and some other have the ability to reach high CH4 degradation rates, such as C147. The studies continued at the 3-L reactor (STR and TPPB) using the C2 isolate and the consortium. The obtained results showed an increase between 33 - 45% on the elimination capacity for the reactor operated with the consortium and the strain, respectively due to the presence of an organic phase in the TPPB. Specific rates for methane consumption were 100 and 16.7 mg gx -1 h-1 for the isolate and the consortium, respectively. The above results showed that the isolate C2 is more efficient for the treatment of contaminated gas streams with low CH4 concentrations. The consortium accumulated 36% w w-1 of PHB and, at the beginning of PHB accumulation, there was a significant decrease on CO2 production, this phenomenon was observed in all experiments with nitrogen limitation and accumulation of PHB. In the case of the tested strain, the effect of silicone oil on the amount of accumulated PHB ranged between 34 and 37% w w1 for the experiment in STR and TPPB, respectively. During those experiments the specific methane consumption rate increased 12.5% due to silicone oil in which the result was 30 mg gx -1 h-1 in the STR and 45 mg gx -1 h-1 in TPPB. These results are comparable and, in some cases, higher than those reported in the literature. The isolate C2 was preliminarily identified by molecular biology techniques such as Methylobacterium organophilum. These experiments showed that during treatment of CH4 is possible to generate a product with high value, if cell metabolism is redirected to the production of PHB and biomass to reduce CO2 emissions.Las emisiones de gases que contribuyen al calentamiento global son un grave problema para los ecosistemas y la humanidad debido a sus implicaciones en el cambio climático. Durante las últimas décadas, el crecimiento demográfico y el desarrollo industrial han dado lugar a la acumulación de gases como el CO2, CH4 y N2O que contribuyen al efecto de invernadero. El metano tiene un potencial de calentamiento global (PCG), que es 21-25 veces mayor que el CO2. El metano es un gas de efecto invernadero, cuya concentración promedio en la atmósfera es de alrededor de 1760 ppbv. La degradación de metano ha sido estudiado principalmente en reactores de tanque agitado, biofiltros, biocubiertas y, recientemente, en reactores de partición de dos fases líquidas (TPPB), los cuales tienen como característica principal la adición de una fase no acuosa, como el aceite de silicón, la que aumenta la biodisponibilidad de CH4 mediante la mejora en los procesos de transferencia de masa del sustrato de la fase gaseosa hacia los microorganismos. En esta tesis, se estudió la degradación de CH4 por un consorcio y una cepa aislada del mismo empleando un STR (reactor de tanque agitado) y un TPPB. Al mismo tiempo, se estudió la capacidad de los microorganismos para acumular PHB (poli-β-hidroxibutirato), biopolímero intracelular, biodegradable y con propiedades plásticas similares a las del polipropileno. El PHB se acumula cuando hay limitación de algunos elementos como fósforo y nitrógeno. La primera etapa de la estrategia experimental consistió en aislar las cepas de un consorcio previamente adaptado al consumo de metano. 17 cepas con capacidad metanótrofa fueron aisladas y se mantuvieron en una atmósfera de CH4. El 75% de los aislados fueron Gram negativos. Las 10 cepas con mayor crecimiento sobre metano y metanol fueron elegidas. Los aislados seleccionados fueron sometidos a una prueba cualitativa de acumulación de PHB. La tinción de fluorescencia mostró que cuatro cepas fueron capaces de acumular PHB, se calcularon las tasas específicas de consumo de CH4 cuando las cepas no estaban limitadas por nitrógeno. Posteriormente, se hizo una comparación entre las cepas aisladas y una cepa de colección, Methylosinus trichosporium OB3b que tiene una alta capacidad de la degradación de CH4 (50 mg gX -1 h-1 ) y una acumulación de PHB de hasta 50% p p-1 . Bajo las mismas condiciones experimentales, utilizando una concentración del metano en el aire 1%, uno de los aislados (C2) mostraron una acumulación de PHB de 56% p p-1 en comparación con 24% p p-1 de Methylosinus trichosporium OB3b. En cuanto a las tasas de degradación específicas de metano, el C2 alcanzó una tasa específica de consumo de metano de 60 mg gX -1 h-1 y Methylosinus trichosporium OB3b 77 mg gX -1 h-1 , otra cepa estudiada, C147 presentó una acumulación de PHB 21% p p-1 y una tasa específica de consumo de 139 mg de CH4 gX -1 h-1 . La conclusión de este experimento fue que algunos aislados, tales como C2, fueron capaces de acumular alto contenido de PHB con valores incluso más altos que los reportados para otros metanótrofos y que algunos microorganismos como el C147 tienen la capacidad de alcanzar altas tasas de degradación de CH4. Los estudios continuaron a nivel reactor (STR y TPPB) utilizando el aislado C2 y el consorcio. Los resultados obtenidos mostraron un incremento de entre 33 a 45% en la capacidad de eliminación para el reactor operado con el consorcio y la cepa, respectivamente, debido a la presencia de una fase orgánica en el TPPB. Las tasas específicas para el consumo de metano fueron de 100 y 16.7 mg gX -1 h-1 para el aislado y el consorcio, respectivamente. Los resultados anteriores mostraron que la cepa C2 es más eficaz para el tratamiento de corrientes de gaseosas contaminadas con bajas concentraciones de CH4. El consorcio acumuló el 36% p p-1 de PHB, al principio de la acumulación de PHB hubo una disminución significativa en la producción de CO2, este fenómeno se observó en todos los experimentos con la limitación de nitrógeno y la acumulación de PHB. En el caso de la cepa C2, el efecto del aceite de silicón sobre la cantidad de PHB acumulado osciló entre 34 y 37% p p-1 para el experimento de STR y TPPB, respectivamente lo que indico que no había efecto en la acumulación de PHB. Durante estos experimentos la velocidad específica de consumo de metano aumentó el 12,5% debido al aceite de silicón, las tasas fueron de 30 mg gX -1 h-1 en el STR y 45 mg gX -1 h-1 en TPPB. Estos resultados son comparables y en algunos casos, superiores a los reportados en la literatura. La cepa C2 fue preliminarmente identificada por técnicas de biología molecular, como Methylobacterium organophilum. Estos experimentos demostraron que durante el tratamiento de CH4 es posible generar un producto con alto valor agregado, si el metabolismo celular se redirige a la producción de PHB y biomasa reduciendo de esta manera las emisiones de CO2

Frecuencia de Síntomas Somáticos en Adolescentes de la Universidad Autónoma del Estado de México, 2013

Esta tesis estudió la frecuencia y tipo de síntomas somáticos en adolescente de 18 a 21 años de edad de la Universidad Autónoma del Estado de México. Dicho patrón de estudio fue clasificado por sistemas: inmunológico general, cardiovascular, respiratorio, gastrointestinal, músculo esquelético, piel y alergias y genitourinario. En cuanto al sistema reproductorsolo se estudiaron mujeres. Para la obtención de datos se utilizó la Escala de Síntomas Somáticos Revisada de B. Sandín y P. Chorot(1999), ésta escala da a conocer la frecuencia con que se han experimentado síntomas somáticos durante el último año de vida; consta de 90 puntos distribuidos entre los sistemas de estudio. Al analizar los datos obtenidos se observó que las mujeres universitarias refieren mayor frecuencia de síntomas somáticos en comparación alos hombres. El mayor número de participantes que reportan síntomassomáticos tienen una edad promedio de 20 años. Al estudiar cada sistema orgánico se encontró un mayor número de síntomas somáticos en el sistema gastrointestinal seguido por el inmunológico y el cardiovascular, concordando todos ellos con patologías frecuentes propias de la edad y por cambios hormonales. Si bien en este trabajo se informó sobre las frecuencias de cada síntoma somático en estudiantes universitarios, los resultados obtenidos reflejan cómo éste sector poblacional se ve susceptible a interactuar con factores que pudiesen contribuir a la aparición de síntomas sin explicación médica condicionados por el entorno escolar, social, laboral y familiar

Applying metabolic models for control in order to enhance algal growth and lipid production

A number of metabolic models have been developed in different algae species in the past five years. In this study, a metabolic model of C. vulgaris was applied for controlling algal growth and lipid production. This method optimized nutrient supply by characterizing algal metabolic pathways under different conditions. The approach was validated for autotrophic growth under nitrogen replete condition, in which nitrate requirement was lowered while retaining robust algal growth. Furthermore, this approach was also applied for nitrogen limited environments. Previous studies have found C. vulgaris can accumulate high lipid content in biomass, which can be hydrotreated to biodiesel, while decreasing algal growth under nitrogen limitation [1]. Our method optimized the nitrate supply to sustain algal growth while still producing fatty acids efficiently under nitrogen limited conditions. Compared with C. vulgaris cultures with complete nitrogen withdrawal, fatty acid methyl esters (FAME) increased substantially. This metabolic model-based approach will have applicability for optimizing nutrient inputs and biomanufacturing across a wide spectrum of organisms ranging from prokaryotes to eukaryotes used to produce a variety of biotechnology products in coming decades. References [1] M.T. Guarnieri, A. Nag, S.L. Smolinski, A. Darzins, M. Seibert, P.T. Pienkos, Examination of triacylglycerol biosynthetic pathways via de novo transcriptomic and proteomic analyses in an unsequenced microalga, PLoS One, 6 (2011) e25851

Gut bacteria responding to dietary change encode sialidases that exhibit preference for red meat-associated carbohydrates.

Dietary habits have been associated with alterations of the human gut resident microorganisms contributing to obesity, diabetes and cancer1. In Western diets, red meat is a frequently eaten food2, but long-term consumption has been associated with increased risk of disease3,4. Red meat is enriched in N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) that cannot be synthesized by humans5. However, consumption can cause Neu5Gc incorporation into cell surface glycans6, especially in carcinomas4,7. As a consequence, an inflammatory response is triggered when Neu5Gc-containing glycans encounter circulating anti-Neu5Gc antibodies8,9. Although bacteria can use free sialic acids as a nutrient source10-12, it is currently unknown if gut microorganisms contribute to releasing Neu5Gc from food. We found that a Neu5Gc-rich diet induces changes in the gut microbiota, with Bacteroidales and Clostridiales responding the most. Genome assembling of mouse and human shotgun metagenomic sequencing identified bacterial sialidases with previously unobserved substrate preference for Neu5Gc-containing glycans. X-ray crystallography revealed key amino acids potentially contributing to substrate preference. Additionally, we verified that mouse and human sialidases were able to release Neu5Gc from red meat. The release of Neu5Gc from red meat using bacterial sialidases could reduce the risk of inflammatory diseases associated with red meat consumption, including colorectal cancer4 and atherosclerosis13

Estudio de la degradación de metano y acumulación de polímeros intracelulares por Methylobacterium organophilum CZ-2

Las emisiones de gases que contribuyen al calentamiento global son un grave problema para la humanidad y los ecosistemas debido a sus efectos sobre y industrial han dado lugar a la dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y oxido nitroso (N₂O), que contribuyen al efecto de invernadero. El CH₄ tiene un potencial global de calentamiento (PGC), que es de 21 a 75 veces mayor que el CO₂ dependiendo del tiempo de referencia considerado. El CH₄ es un gas de efecto inv y es de 76 biológica de CH₄ ha sido estudiada en reactores de tanque agitado, biofiltros, biocubiertas y, recientemente, en reactores de membrana y reactores de part TPP estos últimos tiene una fase no acuosa adicional hexadecano, que aumenta la biodisponibilidad de CH₄ mediante la mejora en los procesos de transferencia de masa del sustrato en la fase gaseosa hacia los microorganismos en el medio de cultivo. En este trabajo CH₄ por Methylobacterium organophilum CZ-2, una cepa aislada de un consorcio metanotrófico; se ensayaron diferentes condiciones de operación; crecimiento y limitación por nitrógeno utilizando reactores de tanque agitado (STR) y TPPB, con el fin de estudiar tanto el efecto del aceite de silicón sobre la degradación de CH₄ como la acumulación de polímeros intracelulares, la cepa aislada mostró mayor capacidad de degradación de CH₄ bajo condiciones de crecimiento y aumento el 33 % la degradación en el TPPB. Aunado a esto se realizó un modelo metabólico donde se estudió el metabolismo metanotrófico de Methylobacterium organophilum CZ-2, que involucra la mineralización de CH₄, el ciclo de la serina, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la ruta del etilmalonil-CoA, la síntesis de PHA de cadena par e impar, principalmente; el objetivo de esta parte del trabajo fue evaluar la factibilidad metabólica de utilizar diferentes cosustratos que permitan alcanzar mayores cantidades de biomasa y PHA de mayor calidad; el modelo se validó y permitió hacer algunas simulaciones in silico que teóricamente permitirán redirigir el flujo de carbono hacia la síntesis de polímeros intracelulares con diferentes monómeros. Los cosustratos seleccionados, después del análisis metabólico, fueron citrato y propionato; y estos se probaron en experimentos en matraces con mezclas de sustratos CH₄-citrato y CH₄-propionato los valores de yPHA fueron 0.82 y 0.68, respectivamente. Cuando M. organophilum CZ-2 se cultivó en bioreactores con CH₄- citrato la concentración final de PHA fue de 143 g m⁻³ , el cual contenía monómeros de hidroxibutirato (HB), hidroxivalerato (HV) y hidroxioctanoato (HO), en proporciones de 55:35:10, con yPHA de 0.88 y conservando la capacidad de eliminación (CE) de CH4 en 20 g m-3 h -1 . Para el caso de CH4-propionato, el yPHA fue de 0.3 y la CE estuvó alrededor de 8 g m-3 h -1 . El polímero producido fue caracterizado por espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) y calorimetría diferencial de barrido (DSC), en la RMN de 1H y 13C se encontró que el polímero producido con la mezcla de sustratos CH4-citrato contenía seis monómeros diferentes: 3HB, 3HV, 4HV, 4-hidroxiheptanoato (4HH), 3HO y 4HO, los cuales muestran la versatilidad de esta bacteria para producir PHA de alta calidad reflejada en sus propiedades físicas y mecánicas. En cuanto al DSC, se obtuvieron valores de temperatura de fusión similares a los obtenidos en la literatura, para el caso de CH4 como única fuente de carbono la composición del polímero fue 95:5 PHB-V y 65˚C z CH4-propionato de composición 75:25 PHB-V 48˚C y CH₄-citrato de composición 55:34:11 PHB-V-O 8˚C Estos resultados son comparables y en el caso de acumulación superiores a los reportados en la literatura. Lo ensayado demostró que durante el tratamiento de CH₄ es posible generar un producto con alto valor agregado, siempre y cuando las condiciones de cultivo permitan redirigir el metabolismo celular PHA y biomasa reduciendo las emisiones de CO₂

Flux balance analysis of the ammonia-oxidizing bacterium Nitrosomonas europaea ATCC19718 unravels specific metabolic activities while degrading toxic compounds.

The ammonia-oxidizing bacterium Nitrosomonas europaea has been widely recognized as an important player in the nitrogen cycle as well as one of the most abundant members in microbial communities for the treatment of industrial or sewage wastewater. Its natural metabolic versatility and extraordinary ability to degrade environmental pollutants (e.g., aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene) enable it to thrive under various harsh environmental conditions. Constraint-based metabolic models constructed from genome sequences enable quantitative insight into the central and specialized metabolism within a target organism. These genome-scale models have been utilized to understand, optimize, and design new strategies for improved bioprocesses. Reduced modeling approaches have been used to elucidate Nitrosomonas europaea metabolism at a pathway level. However, genome-scale knowledge about the simultaneous oxidation of ammonia and pollutant metabolism of N. europaea remains limited. Here, we describe the reconstruction, manual curation, and validation of the genome-scale metabolic model for N. europaea, iGC535. This reconstruction is the most accurate metabolic model for a nitrifying organism to date, reaching an average prediction accuracy of over 90% under several growth conditions. The manually curated model can predict phenotypes under chemolithotrophic and chemolithoorganotrophic conditions while oxidating methane and wastewater pollutants. Calculated flux distributions under different trophic conditions show that several key pathways are affected by the type of carbon source available, including central carbon metabolism and energy production