Dřevo je jedním z nejrozšířenějších přírodních materiálů. Jeho sušina obsahuje asi 50 % uhlíku, 44 % kyslíku, 6 % vodíku a dále stopová množství minerálních látek. Tyto látky jsou po jeho odumření vyhledávány organismy, které je dále využívají. Dřevní strukturu je možné označit za trojrozměrný lignocelulózový komplex tvořený převážně celulózou, hemicelulózou a ligninem, doplněný o další látky jako jsou pektiny, proteiny a další organické a anorganické složky. Rozklad dřeva je složitým mechanismem, který neprobíhá samovolně ale za pomoci rozkladačů. Nejprve a nejjednodušeji se z dřevního komplexu vždy rozkládají celulóza a hemicelulózy, jejichž rozkladu je schopno mnoho organismů. Rozklad ligninu je však složitým procesem, kterého jsou schopny pouze některé skupiny organismů. Patří mezi ně dřevokazné houby produkující rozkladné extracelulární enzymy, některé aktinobakterie, některé proteobakterie a podílejí se na něm i některé druhy drobných bezobratlých živočichů. Vzhledem k obsahu cenných látek v ligninové složce dřeva je jeho rozklad důležitým předpokladem pro jejich získávání a uplatnění zejména v bioenergetickém průmyslu. Konvenční způsoby rozkladu jsou však velmi energeticky náročné a drahé. Proto je v současné době přirozený rozklad dřeva za pomocí živých organismů předmětem vědeckého výzkumu. V experimentální části práce se nepodařilo potvrdit rozklad methylénové modři jako indikátoru degradace fenolických látek. Rozklad huminové kyseliny se naopak potvrdit podařilo. Rozklad biomasy obsahující lignin získanými izoláty byl také prokázán, přičemž nejmarkantnější byl v případě pšeničné slámy. Výsledky ukazují na omezenou úlohu mikroorganismů kultivovatelných na zřeďovacích agarových plotnách při degradaci ligninu a příbuzných látek.
Anotace v angličtině
Wood is one of the richest natural materials. The wood dry mass contains about 50 % carbon, 44% oxygen, 6% hydrogen and trace amounts of mineral substances. These substances are therefore sought after and exploited by organisms. The wood structure can be described as a three-dimensional lignocellulosic complex, consisting mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, supplemented by other substances such as pectins, proteins and other organic and inorganic substances. The decomposition of wood is a complex mechanism that is not spontaneous but is mediated by decomposers. First and most simply, cellulose and hemicelluloses are always degraded in the wood mass as many organisms are able to break down these substances. Decomposition of lignin is a complex process that only certain groups of organisms are capable of. These include wood-decaying fungi producing decomposing extracellular enzymes, some actinobacteria as well as some proteobacteria and some species of small invertebrates are involved. Due to the content of valuable substances constituting the lignin component of the wood, its decomposition is an important prerequisite for their industrial production and use, mainly in the bioenergy industry. However, conventional decomposition methods are highly energy-demanding and expenive. That is why the natural decomposition with the help of living organisms is currently the subject of scientific research. In the experimental part of the thesis, the degradation of methylene blue - an indicator of degradation of phenolic compounds - was not confirmed. In the contrary to this, the degradation of humic acid was observed. The degradation of lignin containing plant biomass was confirmed as well, being the most pronounced in the case of the wheat straw. The result indicate a limited role of the dilution plate culturable microorganisms in the process of degradation of lignin and related compounds.
Dřevo je jedním z nejrozšířenějších přírodních materiálů. Jeho sušina obsahuje asi 50 % uhlíku, 44 % kyslíku, 6 % vodíku a dále stopová množství minerálních látek. Tyto látky jsou po jeho odumření vyhledávány organismy, které je dále využívají. Dřevní strukturu je možné označit za trojrozměrný lignocelulózový komplex tvořený převážně celulózou, hemicelulózou a ligninem, doplněný o další látky jako jsou pektiny, proteiny a další organické a anorganické složky. Rozklad dřeva je složitým mechanismem, který neprobíhá samovolně ale za pomoci rozkladačů. Nejprve a nejjednodušeji se z dřevního komplexu vždy rozkládají celulóza a hemicelulózy, jejichž rozkladu je schopno mnoho organismů. Rozklad ligninu je však složitým procesem, kterého jsou schopny pouze některé skupiny organismů. Patří mezi ně dřevokazné houby produkující rozkladné extracelulární enzymy, některé aktinobakterie, některé proteobakterie a podílejí se na něm i některé druhy drobných bezobratlých živočichů. Vzhledem k obsahu cenných látek v ligninové složce dřeva je jeho rozklad důležitým předpokladem pro jejich získávání a uplatnění zejména v bioenergetickém průmyslu. Konvenční způsoby rozkladu jsou však velmi energeticky náročné a drahé. Proto je v současné době přirozený rozklad dřeva za pomocí živých organismů předmětem vědeckého výzkumu. V experimentální části práce se nepodařilo potvrdit rozklad methylénové modři jako indikátoru degradace fenolických látek. Rozklad huminové kyseliny se naopak potvrdit podařilo. Rozklad biomasy obsahující lignin získanými izoláty byl také prokázán, přičemž nejmarkantnější byl v případě pšeničné slámy. Výsledky ukazují na omezenou úlohu mikroorganismů kultivovatelných na zřeďovacích agarových plotnách při degradaci ligninu a příbuzných látek.
Anotace v angličtině
Wood is one of the richest natural materials. The wood dry mass contains about 50 % carbon, 44% oxygen, 6% hydrogen and trace amounts of mineral substances. These substances are therefore sought after and exploited by organisms. The wood structure can be described as a three-dimensional lignocellulosic complex, consisting mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, supplemented by other substances such as pectins, proteins and other organic and inorganic substances. The decomposition of wood is a complex mechanism that is not spontaneous but is mediated by decomposers. First and most simply, cellulose and hemicelluloses are always degraded in the wood mass as many organisms are able to break down these substances. Decomposition of lignin is a complex process that only certain groups of organisms are capable of. These include wood-decaying fungi producing decomposing extracellular enzymes, some actinobacteria as well as some proteobacteria and some species of small invertebrates are involved. Due to the content of valuable substances constituting the lignin component of the wood, its decomposition is an important prerequisite for their industrial production and use, mainly in the bioenergy industry. However, conventional decomposition methods are highly energy-demanding and expenive. That is why the natural decomposition with the help of living organisms is currently the subject of scientific research. In the experimental part of the thesis, the degradation of methylene blue - an indicator of degradation of phenolic compounds - was not confirmed. In the contrary to this, the degradation of humic acid was observed. The degradation of lignin containing plant biomass was confirmed as well, being the most pronounced in the case of the wheat straw. The result indicate a limited role of the dilution plate culturable microorganisms in the process of degradation of lignin and related compounds.
1) Výskyt, chemická charakteristika a význam ligninu v přírodě
2) Praktický význam ligninu pro člověka
3) Extrakce a purifikace ligninu
4) Biochemie mikrobiálního rozkladu ligninu
5) Mikrobiální rozkladači ligninu
6) Způsoby izolace mikrobiálních rozkladačů ligninu z přírody
Praktická - experimentální část:
1) Izolace mikrobiálních rozkladačů za pomoci nahromaďovací kultury
2) Pokus o izolaci mikrobiálních rozkladačů ligninu selektivní plotnovou metodou
3) Charakterizace získaných izolátů
Pokyny k experimentální části práce:
1) Při izolaci bude jako složka izolačního média použit lignin z alkalického extrakčního procesu s nízkým obsahem sulfonátu (Sigma). Bude dodán vedoucím práce.
2) Vzorky materiálu, který bude sloužit jako zdroj rozkladačů ligninu, budou získány z přírody. Strategie volby prostředí, z nichž budou tyto vzorky získány, bude konzultována s vedoucím práce.
3) Zvolené laboratorní postupy budou konzultovány s vedoucím práce.
Zásady pro vypracování
Teoretická část rešeršního charakteru:
1) Výskyt, chemická charakteristika a význam ligninu v přírodě
2) Praktický význam ligninu pro člověka
3) Extrakce a purifikace ligninu
4) Biochemie mikrobiálního rozkladu ligninu
5) Mikrobiální rozkladači ligninu
6) Způsoby izolace mikrobiálních rozkladačů ligninu z přírody
Praktická - experimentální část:
1) Izolace mikrobiálních rozkladačů za pomoci nahromaďovací kultury
2) Pokus o izolaci mikrobiálních rozkladačů ligninu selektivní plotnovou metodou
3) Charakterizace získaných izolátů
Pokyny k experimentální části práce:
1) Při izolaci bude jako složka izolačního média použit lignin z alkalického extrakčního procesu s nízkým obsahem sulfonátu (Sigma). Bude dodán vedoucím práce.
2) Vzorky materiálu, který bude sloužit jako zdroj rozkladačů ligninu, budou získány z přírody. Strategie volby prostředí, z nichž budou tyto vzorky získány, bude konzultována s vedoucím práce.
3) Zvolené laboratorní postupy budou konzultovány s vedoucím práce.
Seznam doporučené literatury
Povinná literatura:
Bertella S, Luterbacher JS (2020) Lignin functionalization for the production of novel materials. Trends in Chemistry 2: 440-453.
Cesarino I, Araújo P, Domingues AP Jun., Mazzafera P (2012) An overview of lignin metabolism and its effect on biomass recalcitrance. Brazilian Journal of Botany 35: 303-311.
Dashtban M, Schraft H, Syed TA, Wensheng QinW (2010) Fungal biodegradation and enzymatic modification of lignin. International Journal of Biochemistry and Molecular Biology 1:36-50.
Gao H, Wang Y, Zhang W, Wang W, Mu Z (2011) Isolation, identification and application in lignin degradation of an ascomycete GHJ-4. African Journal of Biotechnology 10: 4166-4174.
Geib SM, Filley TR, Hatcher PG, Hoover K, Carlson JE, Jimenez-Gasco MdM, Nakagawa-Izumi A, Sleighter RL, Tien M (2008) Lignin degradation in wood-feeding insects. PNAS 105: 12932–12937.
Janusz G, Pawlik A, Sulej J, Swiderska-Burek U, Jarosz-Wilkołazka A, Paszczynski A (2017) Lignin degradation: microorganisms, enzymes involved, genomes analysis and evolution. FEMS Microbiology Reviews 41: 941–962.
Idris, Ramadhani I, Kanti A, I M Sudiana IM (2019) Screening of potential lignin-degrading fungi from the tropical forest for lignocellulose biotreatment. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 308: 012014.
Rana R, Nanda S, Meda V, Dalai AK, Kozinski JA (2018) A Review of lignin chemistry and its biorefining conversion technologies. Journal of Biochemical Engineering & Bioprocess Technology 1: 2.
Zhu W (2015) Precipitation of kraft lignin. PhD thesis. Forest Products and Chemical Engineering, Department of Chemistry and Chemical Engineering Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden.
Zimmermann W (1990) Degradation of lignin by bacteria. Journal of Biotechnology 13: 119-130.
Seznam doporučené literatury
Povinná literatura:
Bertella S, Luterbacher JS (2020) Lignin functionalization for the production of novel materials. Trends in Chemistry 2: 440-453.
Cesarino I, Araújo P, Domingues AP Jun., Mazzafera P (2012) An overview of lignin metabolism and its effect on biomass recalcitrance. Brazilian Journal of Botany 35: 303-311.
Dashtban M, Schraft H, Syed TA, Wensheng QinW (2010) Fungal biodegradation and enzymatic modification of lignin. International Journal of Biochemistry and Molecular Biology 1:36-50.
Gao H, Wang Y, Zhang W, Wang W, Mu Z (2011) Isolation, identification and application in lignin degradation of an ascomycete GHJ-4. African Journal of Biotechnology 10: 4166-4174.
Geib SM, Filley TR, Hatcher PG, Hoover K, Carlson JE, Jimenez-Gasco MdM, Nakagawa-Izumi A, Sleighter RL, Tien M (2008) Lignin degradation in wood-feeding insects. PNAS 105: 12932–12937.
Janusz G, Pawlik A, Sulej J, Swiderska-Burek U, Jarosz-Wilkołazka A, Paszczynski A (2017) Lignin degradation: microorganisms, enzymes involved, genomes analysis and evolution. FEMS Microbiology Reviews 41: 941–962.
Idris, Ramadhani I, Kanti A, I M Sudiana IM (2019) Screening of potential lignin-degrading fungi from the tropical forest for lignocellulose biotreatment. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 308: 012014.
Rana R, Nanda S, Meda V, Dalai AK, Kozinski JA (2018) A Review of lignin chemistry and its biorefining conversion technologies. Journal of Biochemical Engineering & Bioprocess Technology 1: 2.
Zhu W (2015) Precipitation of kraft lignin. PhD thesis. Forest Products and Chemical Engineering, Department of Chemistry and Chemical Engineering Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden.
Zimmermann W (1990) Degradation of lignin by bacteria. Journal of Biotechnology 13: 119-130.