Universität zu Köln

Ekelhof, Alice (2016). Biotechnological Aspects of Extracellular Polysaccharide Production by Microalga Netrium digitus using Twin-Layer. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Netrium digitus is a representative of the species-rich class Zygnematophyceae (Streptophyta). Its intensive extracellular polysaccharide (EPS) production makes this alga interesting for biotechnological applications with focus on cosmetics and food additives. Quantitative data on growth and EPS production in suspension culture and for the first time in immobilized state using labscale porous substrate photobioreactors, so-called Twin-Layer (TL) systems, is provided in this thesis. Further, the infl uence of growth medium composition and culturing conditions was investigated. On the TL, cell dry weight of N. digitus increased linearly at a rate between 1.36 and maximally 5.01 g m-2 d-1 and EPS dry weight followed an exponential development, reaching 10-30 g m-2 after 20 days depending on the culturing conditions. Increased EPS production was observed, amongst others, at 330 μmol photons m-2 s-1 light intensity compared to 70 μmol photons m-2 s-1. Further increase was achieved by fivefold elevated nitrogen supply (25.02 g m-2 EPS after 12 days) and pH decrease to 4.5 (21.88 g m-2 day 11). Nitrogen depleted conditions and dilution of the medium to 1/4 of the original strength had a negative impact on ESP production. The analysis of the monosaccharide composition of the EPS showed xylose, fucose, glucuronic acid, an unidentified monosaccharide, galactose, glucose, rhamnose, mannose and galacturonic acid to be present in decreasing order. This order of abundance was not altered by any of the tested culture conditions, but differences in abundance of single monosaccharides were observed. E.g. TL EPS contained 33 % more fucose but 51 % less glucose than EPS from suspension culture. Fundamentals for immobilized culture of EPS producing microalgae are presented as well as suitable culturing conditions to increase production. Evidence of growth enhancement by the presence of bacteria in the algal culture is given as well as the introduction of an adapted spectrophotometric method for EPS quantification in culture supernatants using the inorganic dye Ruthenium Red.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Netrium digitus ist eine Vertreterin der artenreichen Klasse der Zygnematophyceen (Streptophyta). Ihre hohe Produktion an extrazellulären Polysacchariden (EPS) macht sie für biotechnologische Anwendungen, insbesondere Kosmetik und Nahrungsergänzungsmittel, interessant. Diese Arbeit liefert quantitative Angaben zu Wachstum und EPS-Produktion in Suspensionskultur und erstmalig auch im immobilisierten Zustand unter der Verwendung von auf porösem Substrat basierenen Photobioreaktoren, sogenannten Twin-Layern (TL), im Labormaßstab. Desweiteren wurde der Einfluss der Nährmediumszusammensetzung und weiterer Kulturbedingungen untersucht. Auf dem TL stieg das Gewicht der Zellbiomasse mit einer Geschwindigkeit von 1.36 bis maximal 5.01 g m-2 d-1 linear an und die EPS Produktion folgte einem exponentiellen Verlauf, wobei in Abhängigkeit der Kulturbedingungen 10-30 g m-2 nach 20 Tagen erreicht wurden. Erhöhte EPS Produktion wurde unter anderem bei 330 µmol Photonen m-2 s-1 Lichtintensität im Vergleich zu 70 µmol Photonen m-2 s-1 beobachtet. Eine weitere Steigerung wurde durch Zugabe der fünffachen Stickstoffmenge (25.02 g m-2 EPS nach 12 Tagen) oder Absenkung des pH-Werts auf 4.5 (21.88 g m-2 an Tag 11) erreicht. Stickstofflimitierung und Verdünnung des Nährmediums auf 1/4 der Ausgangskonzentration hatten einen negativen Einfluss auf die EPS Produktion. Die Analyse der Monosaccharid-Zusammensetzung der EPS zeigte die Anwesenheit von Xylose, Fucose, Glukuronsäure, einer nicht-identifizierten Komponente, Galaktose, Glukose, Rhamnose, Mannose und Galakturonsäure in abnehmender Häufigkeit. Diese Reihenfolge änderte sich durch keine der verwendeten Kulturbedingungen, aber Änderungen in der Häufigkeit einzelner Monosaccharide wurden beobachtet. Zum Beispiel enthielten TL EPS 33 % mehr Fucose aber 51 % weniger Glukose als EPS aus Suspensionskultur. Grundlagen für die immobilisierte Kultur von EPS produzierenden Mikroalgen sowie geeignete Kulturbedingungen zur Erhöhung der EPS Produktion werden dargestellt. Belege der Wachstumssteigerung durch spezifische Bakterien in der Algenkultur sind aufgeführt, ebenso wie die Vorstellung einer adaptierten spektrophotometrischen Methode zur EPS Quantifizierung im Kulturüberstand unter Verwendung des anorganischen Farbstoffs Ruthenium Rot. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ekelhof, Alice alice.ekelhof@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-73995
Date:	9 May 2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Microalgae; extracellular polysaccharides; biofilm; Desmids English Mikroalgen; extrazelluläre Polysaccharide; Biofilm; Desmidiaceen German UNSPECIFIED English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	5 July 2016
Referee:	Name Academic Title Melkonian, Michael Prof. Dr. Becker, Burkhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7399