Phlebia radiata as an ethanol producing fungus : conversion of lignocelluloses and metabolic regulation under hypoxia

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6516-9
Title: Phlebia radiata as an ethanol producing fungus : conversion of lignocelluloses and metabolic regulation under hypoxia
Author: Mattila, Hans
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Microbiology
Doctoral Programme in Microbiology and Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-23
Belongs to series: Dissertationes Schola doctoralis scientiae circumiectalis, alimentariae, biologicae. Universitatis Helsinkiensis. - URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6516-9
http://hdl.handle.net/10138/319498
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: White rot Basidiomycota can decompose all wood components in nature and are therefore essential in recycling carbon in our forests and ecosystems. These fungi are filamentous organisms that reside on top of trunks and elongate their hyphae inside wood particles which may be waterlogged or submerged by vegetation and debris. Therefore, it is likely these organisms are occasionally subjected to limited oxygen availability. This doctoral thesis elucidated how this atmospheric shift steers the metabolism of a white rot fungus and how this phenomenon can be used in bioethanol production. This thesis explored a group of white rot fungi for their capability to produce ethanol from wood and lignocellulose containing waste material. One isolate, Phlebia radiata 79 (FBCC0043) turned out to be efficient in producing ethanol from waste substrates in considerable quantities. This isolate was used to develop a single-step single-organism bioethanol production method. A wide range of substrates e.g. saw dust, straw, board and recycled wood waste were used as substrates for ethanol production. Up to 32 g/L of ethanol was obtained from solid-state cultivations with core board. Fungal wood decomposition is considered strictly aerobic; however, Phlebia radiata could convert lignocellulose into ethanol under fermentative and oxygen depleted conditions. Therefore, gene expression of P. radiata was studied after 14 days of cultivation under oxygen depletion or hypoxia. The research concentrated on the expression of both the extracellular carbohydrate active enzymes (CAZy) and the intracellular metabolism. CAZy genes are responsible of encoding enzymes responsible of wood decomposition and the intracellular metabolism is responsible for converting the released sugars into ethanol and other metabolites. Changes in the CAZy gene expression led into changes, for instance, in cellulase activity under hypoxia. In addition, the substantial effect of hypoxia was extended in various intracellular metabolic pathways that were manifested as extracellular accumulation of ethanol and acetate. To conclude, the white-rot fungus P. radiata can decompose untreated lignocellulose in low-oxygen conditions and turn the released sugars into ethanol. Production of ethanol was also achievable on a larger than laboratory scale indicating that a “single-step, single-organism consolidated bioprocess” could be used as a novel method for bioethanol production.Luonnossa kuolleiden puiden lahotuksesta vastaavat lukuisat eliöt, joista merkittävämpiä ovat tietyt kääpäsienet. Nämä rihmastolliset sienet tekevät puiden rungoille näyttäviä itiöemiä, jotka tunnemme kääpinä. Puun lahotus tapahtuu kuitenkin puun sisällä ja jatkuu lähes vuoden ympäri vaihtelevissa sää- ja ympäristöoloissa. Täten puuta lahottavat sienet joutuvat toimimaan vähähappisessa ympäristössä. Vähähappisissa olosuhteissa monet eliöt siirtyvät tuottamaan energiansa käymisteitse. Tunnetuin näistä lienee etanolikäyminen, jota sovelletaan myös alkoholijuomien valmistuksessa. Käymisen lopputuotetta, etanolia, käytetään myös uusiutuvan liikennepolttoaineen eli bioetanolin valmistukseen. Tässä väitöskirjassa tutkittiin miten kääpäsienet kykenevät tuottamaan etanolia puuperäisestä jätteestä ilman vaativia esikäsittelyjä. Yksi Suomen luonnosta löytyvä sieni rusorypykkä (Phlebia radiata) osoittautui tehokkaaksi etanolin tuottajaksi. Se kykeni tuottamaan merkittäviä määriä etanolia monesta eri jätemateriaalista kuten sahanpurusta, oljesta, kartongista ja kierrätetystä puujätteestä. Puun lahotusta pidetään hapellisena tapahtumana, mutta P. radiata oli kykenevä toimimaan myös hapettomissa olosuhteissa. Sienen kykyä toimia hapettomissa oloissa selvitettiin tutkimalla sen geeniekspressiota. Tutkimus keskittyi sekä solunulkoiseen puunlahotukseen, että solunsisäiseen aineenvaihduntaan. Yllättäen hapen puute aiheutti kasvua puun lahotukseen liittyvässä sellulaasiaktiivisuudessa. Lisäksi hapen puute muokkasi merkittävästi solunsisäistä aineenvaihduntaa, mikä ilmeni esimerkiksi etanolin ja asetaatin erittymisenä solun ulkopuolelle. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että valkolahottava P. radiata -sieni hajotti käsittelemättömän lignoselluloosan vähähappisissa olosuhteissa ja muutti vapautuneet sokerit etanoliksi. Etanolin valmistus oli myös mahdollista laboratoriomittakaavaa suuremassa tilavuudessa, mikä osoittaa, että yksivaiheinen ja yhden organismin etanolintuotantomenetelmä voisi toimia uudentyyppisenä keinona tuottaa bioetanolia.
Subject: mikrobiologia, Biotekniikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
mattila_hans_dissertation_2020.pdf 2.280Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record