Thermo-resistant enzyme-producing microorganisms isolated from composting / Microrganismos produtores de enzimas termo-resistentes isolados de compostagem

Organo-mineral fertilizers supplemented with biological additives are an alternative to chemical fertilizers. In this study, thermoresistant microorganisms from composting mass were isolated by two-step procedures. First, samples taken at different time points and temperatures (33 days at 52 ºC, 60 days at 63 ºC, and over 365 days at 26 ºC) were pre-incubated at 80 oC for 30 minutes. Second, the microbial selection by in vitro culture-based methods and heat shock at 60 oC and 100 oC for 2h and 4h. Forty-one isolates were able to grow at 60 °C for 4h; twenty-seven at 100 °C for 2h, and two at 100 °C for 4h. The molecular identification by partial sequencing of the 16S ribosomal gene using universal primers revealed that thirty-five isolates were from eight Bacillus species, one Brevibacillus borstelensis, three Streptomyces thermogriseus, and two fungi (Thermomyces lanuginosus and T. dupontii). Data from amylase, phytase, and cellulase activity assays and the enzymatic index (EI) showed that 38 of 41 thermo-resistant isolates produce at least one enzyme. For amylase activity, the highest EI value was observed in Bacillus licheniformis (isolate 21C2, EI= 4.11), followed by Brevibacillus borstelensis (isolate 6C2, EI= 3.66), Bacillus cereus (isolate 18C2, EI= 3.52), and Bacillus paralicheniformis (isolate 20C2, EI= 3.34). For phytase, the highest EI values were observed for Bacillus cereus (isolate 18C2, EI= 2.30) and Bacillus licheniformis (isolate 3C1, EI= 2.15). Concerning cellulose production, B. altitudinis (isolate 6C1) was the most efficient (EI= 6.40), followed by three Bacillus subtilis (isolates 9C1, 16C2, and 19C2) with EI values of 5.66, 5.84, and 5.88, respectively, and one B. pumilus (isolate 27C2, EI= 5.78). The selected microorganisms are potentially useful as a biological additive in organo-mineral fertilizers and other biotechnological processes.(AU)

Os fertilizantes organo-minerais suplementados com aditivos biológicos são uma alternativa aos adubos químicos. Neste estudo, microrganismos termoresistentes foram isolados de compostagem por procedimentos de duas etapas. Inicialmente, as amostras tomadas em diferentes períodos e temperaturas (33 dias a 52 ºC, 60 dias a 63 ºC e mais de 365 dias a 26 ºC) foram pré-incubadas a 80 oC por 30 minutos. Posteriormente, a seleção microbiana foi conduzida por métodos baseados em cultura in vitro e choque térmico a 60 oC e 100 oC por 2h e 4h. Quarenta e um isolados foram capazes de crescer a 60 °C por 4h; vinte e sete a 100 °C por 2h e dois a 100 °C por 4h. A identificação molecular por sequenciamento parcial do gene ribossomal 16S usando primers universais revelou que trinta e cinco isolados eram de oito espécies de Bacillus, um Brevibacillus borstelensis, três Streptomyces thermogriseus e dois fungos (Thermomyces lanuginosus e T. dupontii). Os dados dos ensaios de atividade de amilase, fitase e celulase e o índice enzimático (IE) mostraram que 38 dos 41 isolados termorresistentes produziram pelo menos uma enzima. Para a atividade da amilase, o maior valor de IE foi observado em Bacillus licheniformis (isolado 21C2, IE = 4,11), seguido por Brevibacillus borstelensis (isolado 6C2, IE = 3,66), Bacillus cereus (isolado 18C2, IE = 3,52) e Bacillus paralicheniformis (isolado 20C2, IE = 3,34). Para a fitase, os maiores valores de IE foram observados para B. cereus (isolado 18C2, IE = 2,30) e B. licheniformis (isolado 3C1, IE = 2,15). Em relação à produção de celulose, B. altitudinis (isolado 6C1) foi o mais eficiente (IE = 6,40), seguido por três Bacillus subtilis (isolados 9C1, 16C2 e 19C2) com valores de IE de 5,66, 5,84 e 5,88, respectivamente, e um B. pumilus (isolado 27C2, IE = 5,78). Pode-se inferir que os microrganismos selecionados são potencialmente úteis como aditivos biológicos em fertilizantes organo-minerais e outros processos biotecnológicos.(AU)

Thermo-resistant enzyme-producing microorganisms isolated from composting / Microrganismos produtores de enzimas termo-resistentes isolados de compostagem

Organo-mineral fertilizers supplemented with biological additives are an alternative to chemical fertilizers. In this study, thermoresistant microorganisms from composting mass were isolated by two-step procedures. First, samples taken at different time points and temperatures (33 days at 52 ºC, 60 days at 63 ºC, and over 365 days at 26 ºC) were pre-incubated at 80 oC for 30 minutes. Second, the microbial selection by in vitro culture-based methods and heat shock at 60 oC and 100 oC for 2h and 4h. Forty-one isolates were able to grow at 60 °C for 4h; twenty-seven at 100 °C for 2h, and two at 100 °C for 4h. The molecular identification by partial sequencing of the 16S ribosomal gene using universal primers revealed that thirty-five isolates were from eight Bacillus species, one Brevibacillus borstelensis, three Streptomyces thermogriseus, and two fungi (Thermomyces lanuginosus and T. dupontii). Data from amylase, phytase, and cellulase activity assays and the enzymatic index (EI) showed that 38 of 41 thermo-resistant isolates produce at least one enzyme. For amylase activity, the highest EI value was observed in Bacillus licheniformis (isolate 21C2, EI= 4.11), followed by Brevibacillus borstelensis (isolate 6C2, EI= 3.66), Bacillus cereus (isolate 18C2, EI= 3.52), and Bacillus paralicheniformis (isolate 20C2, EI= 3.34). For phytase, the highest EI values were observed for Bacillus cereus (isolate 18C2, EI= 2.30) and Bacillus licheniformis (isolate 3C1, EI= 2.15). Concerning cellulose production, B. altitudinis (isolate 6C1) was the most efficient (EI= 6.40), followed by three Bacillus subtilis (isolates 9C1, 16C2, and 19C2) with EI values of 5.66, 5.84, and 5.88, respectively, and one B. pumilus (isolate 27C2, EI= 5.78). The selected microorganisms are potentially useful as a biological additive in organo-mineral fertilizers and other biotechnological processes.

Os fertilizantes organo-minerais suplementados com aditivos biológicos são uma alternativa aos adubos químicos. Neste estudo, microrganismos termoresistentes foram isolados de compostagem por procedimentos de duas etapas. Inicialmente, as amostras tomadas em diferentes períodos e temperaturas (33 dias a 52 ºC, 60 dias a 63 ºC e mais de 365 dias a 26 ºC) foram pré-incubadas a 80 oC por 30 minutos. Posteriormente, a seleção microbiana foi conduzida por métodos baseados em cultura in vitro e choque térmico a 60 oC e 100 oC por 2h e 4h. Quarenta e um isolados foram capazes de crescer a 60 °C por 4h; vinte e sete a 100 °C por 2h e dois a 100 °C por 4h. A identificação molecular por sequenciamento parcial do gene ribossomal 16S usando primers universais revelou que trinta e cinco isolados eram de oito espécies de Bacillus, um Brevibacillus borstelensis, três Streptomyces thermogriseus e dois fungos (Thermomyces lanuginosus e T. dupontii). Os dados dos ensaios de atividade de amilase, fitase e celulase e o índice enzimático (IE) mostraram que 38 dos 41 isolados termorresistentes produziram pelo menos uma enzima. Para a atividade da amilase, o maior valor de IE foi observado em Bacillus licheniformis (isolado 21C2, IE = 4,11), seguido por Brevibacillus borstelensis (isolado 6C2, IE = 3,66), Bacillus cereus (isolado 18C2, IE = 3,52) e Bacillus paralicheniformis (isolado 20C2, IE = 3,34). Para a fitase, os maiores valores de IE foram observados para B. cereus (isolado 18C2, IE = 2,30) e B. licheniformis (isolado 3C1, IE = 2,15). Em relação à produção de celulose, B. altitudinis (isolado 6C1) foi o mais eficiente (IE = 6,40), seguido por três Bacillus subtilis (isolados 9C1, 16C2 e 19C2) com valores de IE de 5,66, 5,84 e 5,88, respectivamente, e um B. pumilus (isolado 27C2, IE = 5,78). Pode-se inferir que os microrganismos selecionados são potencialmente úteis como aditivos biológicos em fertilizantes organo-minerais e outros processos biotecnológicos.

Thermo-resistant enzyme-producing microorganisms isolated from composting

Abstract Organo-mineral fertilizers supplemented with biological additives are an alternative to chemical fertilizers. In this study, thermoresistant microorganisms from composting mass were isolated by two-step procedures. First, samples taken at different time points and temperatures (33 days at 52 ºC, 60 days at 63 ºC, and over 365 days at 26 ºC) were pre-incubated at 80 oC for 30 minutes. Second, the microbial selection by in vitro culture-based methods and heat shock at 60 oC and 100 oC for 2h and 4h. Forty-one isolates were able to grow at 60 °C for 4h; twenty-seven at 100 °C for 2h, and two at 100 °C for 4h. The molecular identification by partial sequencing of the 16S ribosomal gene using universal primers revealed that thirty-five isolates were from eight Bacillus species, one Brevibacillus borstelensis, three Streptomyces thermogriseus, and two fungi (Thermomyces lanuginosus and T. dupontii). Data from amylase, phytase, and cellulase activity assays and the enzymatic index (EI) showed that 38 of 41 thermo-resistant isolates produce at least one enzyme. For amylase activity, the highest EI value was observed in Bacillus licheniformis (isolate 21C2, EI= 4.11), followed by Brevibacillus borstelensis (isolate 6C2, EI= 3.66), Bacillus cereus (isolate 18C2, EI= 3.52), and Bacillus paralicheniformis (isolate 20C2, EI= 3.34). For phytase, the highest EI values were observed for Bacillus cereus (isolate 18C2, EI= 2.30) and Bacillus licheniformis (isolate 3C1, EI= 2.15). Concerning cellulose production, B. altitudinis (isolate 6C1) was the most efficient (EI= 6.40), followed by three Bacillus subtilis (isolates 9C1, 16C2, and 19C2) with EI values of 5.66, 5.84, and 5.88, respectively, and one B. pumilus (isolate 27C2, EI= 5.78). The selected microorganisms are potentially useful as a biological additive in organo-mineral fertilizers and other biotechnological processes.

Resumo Os fertilizantes organo-minerais suplementados com aditivos biológicos são uma alternativa aos adubos químicos. Neste estudo, microrganismos termoresistentes foram isolados de compostagem por procedimentos de duas etapas. Inicialmente, as amostras tomadas em diferentes períodos e temperaturas (33 dias a 52 ºC, 60 dias a 63 ºC e mais de 365 dias a 26 ºC) foram pré-incubadas a 80 oC por 30 minutos. Posteriormente, a seleção microbiana foi conduzida por métodos baseados em cultura in vitro e choque térmico a 60 oC e 100 oC por 2h e 4h. Quarenta e um isolados foram capazes de crescer a 60 °C por 4h; vinte e sete a 100 °C por 2h e dois a 100 °C por 4h. A identificação molecular por sequenciamento parcial do gene ribossomal 16S usando primers universais revelou que trinta e cinco isolados eram de oito espécies de Bacillus, um Brevibacillus borstelensis, três Streptomyces thermogriseus e dois fungos (Thermomyces lanuginosus e T. dupontii). Os dados dos ensaios de atividade de amilase, fitase e celulase e o índice enzimático (IE) mostraram que 38 dos 41 isolados termorresistentes produziram pelo menos uma enzima. Para a atividade da amilase, o maior valor de IE foi observado em Bacillus licheniformis (isolado 21C2, IE = 4,11), seguido por Brevibacillus borstelensis (isolado 6C2, IE = 3,66), Bacillus cereus (isolado 18C2, IE = 3,52) e Bacillus paralicheniformis (isolado 20C2, IE = 3,34). Para a fitase, os maiores valores de IE foram observados para B. cereus (isolado 18C2, IE = 2,30) e B. licheniformis (isolado 3C1, IE = 2,15). Em relação à produção de celulose, B. altitudinis (isolado 6C1) foi o mais eficiente (IE = 6,40), seguido por três Bacillus subtilis (isolados 9C1, 16C2 e 19C2) com valores de IE de 5,66, 5,84 e 5,88, respectivamente, e um B. pumilus (isolado 27C2, IE = 5,78). Pode-se inferir que os microrganismos selecionados são potencialmente úteis como aditivos biológicos em fertilizantes organo-minerais e outros processos biotecnológicos.

Saccharomyces cerevisiae OS303 expression of an alkaline protease from a newly isolated Bacillus subtilis D9 / Expressão de Saccharomyces cerevisiae OS303 de uma protease alcalina de um Bacillus subtilis D9 recém-isolado

The aim of this study was to produce high yield of a local bacterial alkaline protease in the yeast system because the scientific involvement of microorganisms in enzyme production is still not given enough attention in Saudi Arabia. Soil samples were collected from the rhizosphere of some desert plants in Saudi Arabia. Ninety-three alkaline protease producing bacterial isolates were recovered on skimmed-milk agar at pH 9.4 and 45°C for 48 hr. Isolate D9 obtained from the rhizosphere of Heliotropium digynum at Dhahran City was the most potent isolate in respect to enzyme productivity (184.6 U/ml). The full gene of alkaline protease was amplified and showed the expected size (1300 bp). Restriction enzymes analysis also verified the integrity of the PCR product. The sequence of the protease gene revealed an open reading frame of 1329 nt correspond to the full length of the protease gene of isolate D9 encoding a 443 aa protein. After ligation of the amplified gene by the TA cloning method, digestion with appropriate restriction enzymes confirmed the integrity of the cloned gene. The insert was prepared by two PCRs that were conducted with a pair of primers specifically designed for this purpose. The digested and purified cloning vector pRS426/GAL1p-207-Glu-MS was ligated with the insert then transformed into various strains of Saccharomyces cerevisiae via the electroporation method. Maximum protease expression was done by recombinant OS303 in galactose containing media (145.5 U/ml) with an approximately 2-fold increase when compared with the wild OS303 strain., this may be due to ability to activate gal operon.

O objetivo deste estudo foi produzir alto rendimento de uma protease alcalina bacteriana local no sistema de leveduras, já que o envolvimento científico de microrganismos na produção de enzimas ainda não recebe atenção suficiente na Arábia Saudita. Amostras de solo foram coletadas da rizosfera de algumas plantas do deserto na Arábia Saudita. Noventa e três isolados bacterianos produtores de protease alcalina foram recuperados em ágar de leite desnatado a pH 9,4 e 45°C por 48 horas. O isolado D9 obtido da rizosfera de Heliotropium digynum na cidade de Dhahran foi o mais potente em relação à produtividade da enzima (184,6 U/ml). O gene completo da protease alcalina foi amplificado e apresentou o tamanho esperado (1300 pb). A análise de enzimas de restrição também verificou a integridade do produto de PCR. A sequência do gene da protease revelou uma fase de leitura aberta de 1329 nt, correspondendo ao comprimento total do gene da protease do isolado D9 que codifica uma proteína 443 aa. Após a ligação do gene amplificado pelo método de clonagem TA, a digestão com enzimas de restrição apropriadas confirmou a integridade do gene clonado. A inserção foi preparada por dois PCRs que foram conduzidos com um par de primers projetados especificamente para esta finalidade. O vetor de clonagem digerido e purificado pRS426/GAL1p-207-Glu-MS foi ligado com a inserção e então transformado em várias cepas de Saccharomyces cerevisiae por meio do método de eletroporação. A expressão máxima da protease foi feita por OS303 recombinante em meio contendo galactose (145,5 U/ml) com um aumento de aproximadamente duas vezes quando comparado com a cepa OS303 selvagem, e isso pode ser por causa da capacidade de ativar o operon gal.

Endoglucanase production by endophytic fungi isolated from vitis labrusca l. with peanut hull and sawdust as substrates / Produção de endoglucanase por fungos endofíticos isolados de Vitis labrusca L. utilizando casca de amendoim e serragem como substratos

Endoglucanases are enzymes widely employed in different industrial fields, albeit with high production costs. Studies on new microbial sources and low-cost substrates are highly relevant, including those on agro-industrial. Current analysis evaluates peanut hull (PH) and sawdust (SD) as substrates for submerged cultures of 14 endophytic fungi isolated from grapevine (Vitis labrusca L.) cultivars Bordô and Concord. Endophytes were grown on a carboxymethylcellulose (CMC) medium and the cup plate assay showed that eight strains (belonging to genera Cochliobolus, Diaporthe, Fusarium and Phoma) had positive results: enzymatic halos ranged from 10.8±0.02to 15.5±0.07 mm in diameter. Diaporthe sp. strains (GenBank accession codes KM362392, KM362368 and KM362378) and Fusariumculmorum KM362384 were highlighted as the most promising sources. Further, PH and SD as substrates for the fermentation of these fungi were evaluated by the cup plate assay and endoglucanase activity assay. Highest halo diameters were obtained for Diaporthe sp. KM362392: 16.1±0.01 mm (CMC), 14.5±0.01 mm (PH) and 14.7±0.03 mm (SD). The fungus also presented the highest levels of endoglucanase activity: analysis of variance revealed that CMC (3.52±0.98 µmol/min), PH (2.93±0.23 µmol/min) and SD (3.26±0.38 µmol/min) were similarly efficient as substrates. Results deepen knowledge on V. labrusca endophytes that may be endoglucanase sources, eventhough further optimizations in submerged cultures with PH and SD should be undertaken to increase theenzymatic production from these wastes.

Endoglucanases são enzimas amplamente empregadas em diferentes setores industriais; embora sua produção apresente custos elevados. Estudos sobre novas fontes microbianas e substratos mais baratos são de grande importância, incluindo os resíduos agroindustriais. Nesse estudo, casca de amendoim (CA) e serragem (SE) foram testadas como substratos para o cultivo submerso de 14 fungos endofíticos isolados das cultivares Bordô e Concord de videira (Vitis labrusca L.) Os endófitos foram crescidos em meio contendo carboximetilcelulose (CMC) e o ensaio cup plate mostrou resultados positivos para oito fungos (pertencentes aos gêneros Cochliobolus, Diaporthe, Fusarium and Phoma); os halos enzimáticos variaram entre 10,8±0,02 e 15,5±0,07 mm de diâmetro. Linhagens de Diaporthe sp. (códigos de acesso no GenBank KM362392, KM362368 e KM362378) e Fusariumculmorum KM362384 se destacaram como produtores mais promissores. Então, o uso de CA e SE como substratos para a fermentação desses fungos foi avaliado pelo ensaio cup plate e pela quantificação da atividade de endoglucanase. Os maiores halos enzimáticos foram obtidos para Diaporthe sp. KM362392: 16,1±0,01 mm (CMC), 14,5±0,01 mm (CA) e 14,7±0,03 mm (SE). Esse fungo também apresentou os maiores níveis de endoglucanase: a análise de variância revelou que CMC (3,52±0,98 µmol/min), CA (2,93±0,23 µmol/min) e SE (3,26±0,38 µmol/min) foram substratos similarmente eficientes. Esses resultados expandem o conhecimento sobre endófitos de V. labrusca que são fontes de endoglucanases; futuras otimizações quanto ao cultivo submerso com CA e SE podem ser utilizadas para aumentar a produção enzimática a partir do uso desses resíduos.

Agave syrup as a substrate for inulinase production by Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571 / Xarope de agave como substrato para produção de inulinase por Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571

The factorial planning was used to plan and optimize inulinase production by the yeast Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571. The experiments were conducted using a Central Composite Design (CCD) 22, at different concentrations of agave syrup (3.6 to 6.4%) and yeast extract (2.2 to 3.0%). After 96 hours of fermentation, the best condition for the inulinase production was 5% agave syrup and 2.5% yeast extract, which yielded an average of 129.21 U mL-1 of inulinase. Partial characterization of the crude enzyme showed that the optimal pH and temperature were 4.0 and 60°C, respectively. The enzyme showed thermal stability at 55°C for 4 hours.

O planejamento fatorial foi utilizado para planejar e otimizar a produção de inulinase pela levedura Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571. Os experimentos foram conduzidos por meio de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22 em diferentes concentrações de xarope de agave (3,6 a 6,4%) e extrato de levedura (2,2 a 3,0%). Depois de 96 horas de fermentação, a melhor condição para produção de inulinase foi xarope de agave 5% e extrato de levedura 2,5%, com uma produção média de 129,21 U mL-1. A caracterização parcial do extrato enzimático bruto mostrou que a enzima apresenta pH e temperatura ótimos de 4,0 e 60oC, respectivamente. A enzima mostrou estabilidade térmica a 55oC durante 4 horas.

Agave syrup as a substrate for inulinase production by Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571 / Xarope de agave como substrato para produção de inulinase por Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571

The factorial planning was used to plan and optimize inulinase production by the yeast Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571. The experiments were conducted using a Central Composite Design (CCD) 22 , at different concentrations of agave syrup (3.6 to 6.4%) and yeast extract (2.2 to 3.0%). After 96 hours of fermentation, the best condition for the inulinase production was 5% agave syrup and 2.5% yeast extract, which yielded an average of 129.21 U mL-1 of inulinase. Partial characterization of the crude enzyme showed that the optimal pH and temperature were 4.0 and 60C, respectively. The enzyme showed thermal stability at 55C for 4 hours.(AU)

O planejamento fatorial foi utilizado para planejar e otimizar a produção de inulinase pela levedura Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571. Os experimentos foram conduzidos por meio de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22 em diferentes concentrações de xarope de agave (3,6 a 6,4%) e extrato de levedura (2,2 a 3,0%). Depois de 96 horas de fermentação, a melhor condição para produção de inulinase foi xarope de agave 5% e extrato de levedura 2,5%, com uma produção média de 129,21 U mL-1. A caracterização parcial do extrato enzimático bruto mostrou que a enzima apresenta pH e temperatura ótimos de 4,0 e 60o C, respectivamente. A enzima mostrou estabilidade térmica a 55o C durante 4 horas.(AU)

A rapid screening method for cutinase producing microorganisms

Both cutinase and lipase belong to the esterase group of enzymes (EC 3.1.1.X), which are capable of catalyzing the hydrolysis of ester bonds. Cutinase catalyzes the hydrolysis of cutin, an insoluble biopolyester which is the structural component of plant cuticles. As cutinase is an efficient catalyst in watery or organic media, it is potentially appropriate for the detergent, food and cosmetic industries. The objective of this work was to isolate microorganisms from plants and perform a pre-selection of molds showing esterase producing ability. The selected strains were then submitted to fermentation in media containing cutin. The lipolytic and cutinolytic activities of the supernatant were determined in order to differentiate lipase producers from cutinase-producing strains. The mold strain selected as the best cutinase producer was identified as being Fusarium oxysporium.

A cutinase pertence, como as lípases, ao grupo das esterases (EC 3.1.1.X), que são enzimas capazes de catalisar reações de hidrólise de ligações do tipo éster. A cutinase catalisa a hidrólise da cutina, um biopoliéster insolúvel que constitui o componente estrutural da cutícula das plantas. Esta enzima tem se mostrado um eficiente catalisador tanto em solução aquosa quanto em meios orgânicos, sendo potencialmente apropriada para usos em indústria de detergentes, alimentos e cosméticos. O objetivo deste trabalho foi isolar fungos de diversas fontes e realizar uma pré-seleção destes, quanto à habilidade em produzir esterase. As linhagens fúngicas pré-selecionadas como produtoras de esterase foram inoculadas em meio de cultivo contendo cutina extraída de maçã. As atividades cutinolítica e lipolítica foram medidas no sobrenadante das culturas a fim de diferenciar os microrganismos produtores de lipase dos produtores de cutinase. Uma linhagem isolada mostrou a maior atividade cutinolítica após 12 dias de fermentação em um meio contendo 1% de cutina e foi identificada como sendo o Fusarium oxysporium.