In order to improve the production of bacterial alginate, Azotobacter vinelandii NCIB 8789 was treated with 200.$\mu$g/ml of MNNG for obtaining mutant strain. The mutant HB18 was selected, which produced the highest amount of alginic acid among the survival stains. The HB18 produced 5.4g/l of alginic acid when batch cultured at $30^{\circ}C$ for 160 hrs and its alginic acid showed high molecular weight and simple composition when compared with thoseof wild type.
Azotobacter vinelandii uwn는 배지에 짝수의 탄소원외에 홀수의 탄소원을 첨가했을 때 생분해성 고분자인 PHBV를 합성한다. 본 실험에서는 propionic acid와 valerie acid를 첨가 한 후 세포생장과 비생장속도를 관찰하였다. Propionic acid 농도가 1.0 -1.5 g/L, valerie acid 농도가 1.0 g/L일 때 세포 생장이 다른 농도에서보다 높았으며, 이때의 비생장속도는 각각 $0.183 hr^{-1}, 0.137 hr^{-1}$이었다. 그리고 이들 유기산을 각각 0 0.75 g/L, 0.5 g/L 혼합하여 배지중에 넣었을 때 비생장속도 는 유기산을 단독으로 첨가한 경우보다 높게 나타났다. 포도당 농도가 10~50 g/L 에서 실험한 결과 20 g/L 일 때 생장 속도가 가장 높았다.
Ammonium limitation did not promote ply(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) production of Azotobacter vinelandii UWD. In acid phase, ammonium limitation during utilization of propionic acid and butyric acid led to 35% decrease in product yield. In glucose phase, both biomass yield and polymer yield decreased about 22% under ammonium limitation. However, in nitrogen-fixing culture glucose was consumed 25% faster and the final PHBV wt% decreased slightly. Under nitrogen limitation a portion of the carbon sources was used fro nitrogen fixation rather than biomass and polymer formation, resulting in a decrease in biomass yield and polymer yield.
For using additives of foods, or cosmetics, a strain A80 producing blue pigment was isolated from soil. The strain A80 was identified as a strain of Azotobacter vinelandii based on morphological and physiological characteristics. The strain A80 was extracellulaly secreted the blue pigment on PYG agar plate, but not secreted it into PYG broth. And then, the strain A80 was extracellulaly secreted the blue pigment in PYG broth containing 2.0% chitin, while the strain A80 was not secreted the blue pigment in PYG broth containing 2.0% chitin and 1% NaCl simultaniously.
In both 7L and 20L fermentor experiments the level of dissolved oxygen (D.O) strongly affected growth and PHBV production of Azotobacter vinelandii UWD. A higher D.O. increased carbon substrate consumption rate and cell growth rate with a similar residual biomass production. However, a lower D.O. was a much better condition for PHBV production. In a 20L fermentor experiments controlled at 5% D.O. cell growth rate was about twice faster(0.555 hr-1 and 0.260 hr-1 at the acid and the glucose phase, respectively) with an equal amount(4.5 g/L) of residual biomass production. However, PHBV content in the cell(62.3 wt%) increased 17.3 times at 1% D.O.
용존산소(D.O.) level은 유기산 및 포도당을 혼합한 배지에서 Azotobacter vinelandii UWD의 생장 및 생분해성 고분자(PHBV) 생성에 큰 영향을 주었다. 용존산소 level이 높은 경우(5% D.O.)는 낮은 경우(1% D.O.)에 비해 세포의 생장속도가 약 2배 증가하였으나 PHBV 생성은 D.O.가 낮은 경우 62.3 wt%로 D.O.가 높은 경우에 비해 약 17배 증가하였다. 그러나 B.O. level은 통기(aeration)에 의한 A. vinefandii UWD의 발효특성 연구에 적합한 기준이 아니었다. 공기공급속도를 고정하고 교반속도만을 변화시키는 통기법으로 산소전달속도를 감소시켰을 때 이 균주는 산소소모속도를 그에 따라 대응 감소시킴으써 겉보기 D.O.를 높게(5%) 유지할 수 있었고 이 때 생장이 느려지고 PHBV 양은 57.3 wt%로 증가하였다. 통기가 세포생장 및 PHBV 생성에 미치는 영향을 일관성 있게 설명할 수 있는 기준은 D.O. level이 아니라 산소전달속도였으며 비생장속도는 산소전달속도에 비례하여 증가하였고 PHBV 생산량은 산소전달속도에 반비례하였다.
Azotobacter vinelandii, a strict aerobic nitrogen-fixing bacterium, has been extensively studied with regard to the ability of $N_2$-fixation due to its high expression of nitrogenase and fast growth. Because nitrogenase can also reduce cyanide to ammonia and methane, cyanide degradation by A. vinelandii has been studied for the application in the bioremediation of cyanide-contaminated wastewater. Cyanide degradation by A. vinelandii in NFS (nitrogen-free sucrose) medium was examined in terms of cell growth and cyanide reduction, and the results were applied for cyanide-contaminated cassava mill wastewater. From the NFS medium study in the 300 ml flask, it was found that A. vinelandii in the early stationary growth phase could reduce cyanide more rapidly than the cells in the exponential growth phase, and 84.4% of cyanide was degraded in 66 h incubation upon addition of 3.0 mM of NaCN. The resting cells of A. vinelandii could also reduce cyanide concentration by 90.4% with 3.0 mM of NaCN in the large-scale (3 L) fermentation with the same incubation time. Finally, the optimized conditions were applied to the cassava mill wastewater bioremediation, and A. vinelandii was able to reduce the cyanide concentration by 69.7% after 66 h in the cassava mill wastewater containing 4.0 mM of NaCN in the 3 L fermenter. Related to cyanide degradation in the cassava mill wastewater, nitrogenase was the responsible enzyme, which was confirmed by methane production. These findings would be helpful to design a practical bioremediation system for the treatment of cyanide-contaminated wastewater.
생물학적 질소고정과정의 연구는 학문적으로나 산업적으로 매우 중요한 과정이다. 본 총설에서는 공업적 질소고정과 비교되는 생물학적 질소고정의 특징을 간단히 살펴보고, Azotobacter vinelandii에서 연구되고 있는 생물학적 질소고정효소의 특징을 다룬다. 생물학적 질소고정과정은 다양한 생명체에서 일어나며, 최근에는 미생물인 A. vinelandii에 그 작용 메커니즘에 관한 연구가 집중되어 있다. 공기중의 질소를 암모니아로 변환시키는 질소고정은 화학적으로 환원 반응에 해당하므로 전자의 공급이 필요하다. 생물학적 질소고정을 담당하는 질소고정효소는 촉매반응을 위해 생물학적인 환원력을 사용하여 전자를 공급받아, Fe 단백질의 $Fe_4S_4$ cluster와 MoFe 단백질의 P-cluster를 거쳐 질소 환원 반응이 일어나는 FeMo-cofactor로 전달한다. 이러한 전자전달의 과정과 수소이온의 전달 과정은 질소고정효소의 반응 메커니즘 이해에 매우 중요한 과정이며, FeMo-cofactor와 질소분자의 상호작용은 생물학적 질소고정 메커니즘의 중심에 있다. 질소고정 작용 메커니즘의 연구에는 X-선 단백질 결정학, EPR과 $M{\ddot{u}}ssbauer$ 등의 다양한 분광학적 방법과, 효소의 기질과 저해제의 상호작용을 연구하고 mutant와 비교하는 생화학적 접근방법, 그리고 FeMo-cofactor의 모델 화합물을 합성하여 연구하는 화학적 방법 등이 적용되었다. 이들 분야의 최근 연구결과를 소개하며, 마지막으로, 다양한 연구 결과에 바탕하여 새로운 질소고정효소의 작용 기작이 제안하였다.
Certain bacterial species possess the capability of differentiation through several morphogenetic changes which enable them to adapt to certain internal and external stimuli(Losick and Shapiro 1984). Upon induction, cells of A. vinelandii undergo a morphological process which leads to the production of one cyst per cell (Sadoff, 1975). The cysts are considerably resistant to desiccation, which confers a survival advantages upon the organism(Socolofsky and Wyss 1962). Like other prokaryotic differentiations encystment provides a relatively simple model of cellular differentiation. Like in other differentiating bacteria, vegetative growth can be separated from differentiation. Furthermore, the differentiation cycle can be synchronized by specific inducer. There have been a great deal of morphological and physiological studies on this process. However, the mechanisms used to regulate cell differentiation can be clearly defined by careful genetic analysis of the process. Unfortunately, A. vinelandii has proven to be difficult for genetic analysis (Sadoff 1975). For example, it has been shown that a variety of metabolic mutants of Azotobacter speicies are difficult to isolate after mutagenesis with chemical mutagens or UV irradiation. Nevertheless recent advances in molecular genetics in Azotobacter species, especially in the nitrogen fixation research area, appear to be able to overcome this difficulty (Robinson et al. 1986; Kennedy et al. 1986).
The readily fermentable carbon sources in swine were acetic acid, propionic acid and butyric acid at the average concentrations of 7.2 g/L, 2.2 g/L and 2.7 g/L, respectively. The swine waste also contained excess nitrogen and other mineral sources. In shake flask experiments, the optimal range of cell growth for Azotobacter vinelandii UWD were 1.0∼3.5 g/L of acetic acid, 0.7∼2.0 g/L of propionic acid and 0.5∼2.0 g/L of butyric acid. A mixture of these three acids simulating two times diluted swine waste supported the best cell growth but the amount of carbon sources was limited. In shake flask and fermentor experiments, an addition of 30 g/L of glucose increased the final cell dry weight 8 times while the final poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) concentration increased 86 times compared with using acid mixture only. A. vinelandii UWD preferred organic acids in the sequence of acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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