• 제목/요약/키워드: biological oxidation

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벌꿀 폴리페놀 함량 및 항산화 활성의 간단지표로서의 400 nm 흡광도 (Absorbance as Simple Indicator for Polyphenol Content and Antioxidant Activity of Honey)

  • 표수진;김종식;이동희;손호용
    • 생명과학회지
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    • 제30권6호
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    • pp.555-562
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    • 2020
  • 본 연구에서는 국내의 다양한 지역(강원, 경기, 경남, 경북, 광주, 대구, 대전, 부산, 울산, 전남, 전북, 충남, 충북의 66개 시군), 다양한 밀원(밤꿀 41종, 아카시아꿀 42종, 때죽꿀 5종 및 잡화꿀 62종)에서 2018년 생산된 150종 벌꿀의 유용성분, 항산화 활성 및 적혈구 용혈활성을 평가하고 분석인자간의 상관관계를 검토하였다. 그 결과 벌꿀의 성분 및 생리활성은 밀원에 의해 차별화되며, 양봉농가 및 지역에 따른 차이는 인정되지 않았다. 벌꿀의 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 분석 결과, 밤꿀에서 가장 높은 88.6±29.8 및 1.2±0.82 mg/100 g을 나타내었다. 반면, 단백질 함량은 때죽꿀에서 가장 높은 21.2±5.1 mg/100 g을 나타내었으며, 400 nm에서의 흡광도는 밤꿀에서 0.161±0.044의 흡광도를 나타내어 다른 여타의 꿀보다 확연히 높은 값을 나타내었다. 모든 벌꿀 시료는 1 mg/ml 농도까지 적혈구 용혈활성이 나타나지 않았다. 한편 DPPH, ABTS, nitrite 소거능 및 환원력 평가 결과 밤꿀에서 우수한 활성을 확인하였다. 분석인자간의 상관성을 계산한 결과, 총 폴리페놀 함량과 ABTS 양이온 소거능에서 가장 높은 상관계수(0.726)가 확인되었으며, 400 nm 흡광도는 폴리페놀 함량과 0.644, ABTS 소거능과 0.661의 높은 상관관계를 보였다. 2017년 및 2018년 벌꿀의 품질인자간 상관관계 비교 결과, 벌꿀 종류 및 채취 년도에 따라 유용성분 및 항산화 활성간의 상관계수의 차이가 있을 수 있으나, 400 nm 흡광도 측정은 간편하고 경제적인 폴리페놀 함량 및 항산화 활성 평가법으로 유용함을 확인하였다. 현재 밀원별 벌꿀의 폴리페놀 성분에 대한 분석 연구 및 400 nm 흡광 물질 분석이 진행 중에 있다.

멀꿀의 화학성분과 생리활성 (Chemical Components and Biological Activity of Stauntonia hexaphylla)

  • 박윤점;박용서;코삭;박재옥;김영민;정규진;조자용;이경동;허복구
    • 한국자원식물학회지
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    • 제22권5호
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    • pp.403-411
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    • 2009
  • 남해안 지역에 자생하고 있는 멀꿀의 이용도를 높이기 위한 기초자료 확보 측면에서 부위별 성분함량과 생리활성을 조사하였다. 비타민 C는 과피에 85.23 mg/100 g, 과육에 61.67 mg/100 g가 함유되어 있었다. 총 아미노산은 과육 434.05 mg/100 g DW에 비해 과피에 762.72 mg/100 g DW으로 많았다. 무기물 함량은 과피(108.48 mg/$\ell$)에 많았으며, K(76.53 mg/$\ell$), Ca(20.20 mg/$\ell$) 및 Mg(6.22 mg/$\ell$)가 대부분을 차지했다. 메탄올 추출물 1,000 mg/$\ell$일 때 총 페놀화합물은 7.3-9.6 mg/$\ell$였으며, 총 플라보노이드 함량은 5.1-6.7 mg/$\ell$였다. 멀꿀 메탄올 추출물 4,000 mg/$\ell$의 아질산염소거는 과피와 과육은 각각 79.5, 77.8% 인데 비해 종자는 17.1%였으며, tyrosinase 활성의 저해효과는 10.8%이하를 나타냈다. 항균활성은 그람양성균과 그람음성균 모두 과피 메탄올 추출물의 저 농도에서는 나타나지 않은 경우도 있었으나 과육과 종자 추출물에서는 저해환 직경이 $8.91{\sim}12.25\;mm$을 나타냈다.

L-카르니틴의 사람피부에 대한 항노화 효과 (Anti-aging Effects of L-Carnitine on Human Skin)

  • 이범천;최태부;심관섭;이근수;박성민;이천일;표형배
    • 대한화장품학회지
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    • 제30권3호
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    • pp.393-397
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    • 2004
  • L-Carnitine $({\beta}-hydroxy-\gamma-trimethyl-ammoniumbutyric{\;}acid)$은 분자량이 적은 수용성 분자로서 세포 내 지방 대사에서 중요한 역할을 수행한다. 지방산의 운반 분자인 아실-코에이(acyl-CoA)가 미토콘드리아의 세포막을 투과하지 못하기 때문에 지방산은 CoA로부터 카르니틴으로 운반되어 미토콘드리아에서 작용한다. 노화와 연관된 L-carnitine의 기능을 확인하기 위하여 MMP inhibition assay와 자외선 조사에 의해 유도된 MMP 발현에 대한 영향을 확인하였다. MMP inhibition assay는 콜라겐을 이용한 형광분석법을 실시하였고 자외선 조사에 의해 유도된 MMP 발현양은 ELISA로 정량하였으며 그 활성은 젤라틴 기질 zymography로 확인하였고 MMP mRNA 발현양은 RT-PCR ELISA로 확인하였다. 또한, 사람을 이용한 임상 실험을 통하여 주름 개선 효과를 평가하였다. L-carnitine은 농도 의존적으로 MMP 저해 활성을 나타났으며 $IC_{50}$값은 2.45 mM이었으며 자외선 조사에 의해 발현된 MMP 활성을 강하게 저해하였다. 자외선 조사에 의해 발현되는 MMP에 대해 단백질의 양적인 변화는 $40\%$ 정도 감소되었으며 L-carnitine 처리에 의해 농도 의존적으로 MMP mRNA의 발현양은 감소되었다. 이러한 실험결과를 통하여 L-carnitine은 MMP 효소의 저해능 뿐만 아니라 자외선 조사에 의해 유도되는 MMP 단백질 발현과 mRNA 유전자 수준에서의 조절이 가능함을 확인하였다. 사람을 이용한 임상 실험에서는 $1\%$ 카르니틴을 함유하는 화장품을 약 3개월간 사용 후에는 유의적으로 주름 개선 효과를 확인하였다. 결론적으로 L-Carnitine은 광노화에 관여하는 MMP 활성과 발현 조절 메커니즘을 통하여 광손상에 대응하는 항노화 소재로서의 화장품에 매우 효과적이었음을 확인하였다.

전남 해안 LPG 저장공동 유출수와 주변 지하수의 수질특성 (Characteristics of Seepage Water and Groundwater in a Coastal LPG Storage Cavern of Jeonnam)

  • 이진용;최미정;김현중;조병욱
    • 한국지하수토양환경학회지:지하수토양환경
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    • 제14권4호
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    • pp.33-44
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    • 2009
  • LPG를 저장하는 지하공동의 수장막 시스템은 고압의 가스가 공동 밖으로 새어나가지 못하도록 원활한 지하수의 흐름과 안정적인 지하수두 유지가 필수적이다. 본 연구에서는 전남 여수 LPG공동의 유출수 및 주변 지하수의 수질특성을 파악하기 위하여 2007년 2월, 5월, 8월, 10월에 걸쳐 시료채취, 현장측정 및 실내 수질분석을 실시하였다. 현장 측정 결과 pH는 약산성에서 중성으로 나타났고 10월로 갈수록 증가하는 경향을 나타내었다. 전기전도도는 소금적치장과 인접한 관정의 경우 $10.47{\sim}38.50\;mS/cm$로 매우 높게 나타났다. 용존산소는 $0.20{\sim}8.74\;mg/L$로 매우 넓은 범위를 보였고, 산화환원전위는 평균 159 mV로 비교적 산화환경임을 나타냈다. 또 $Fe^{2+}$, $Mn^{2+}$의 농도는 대부분 3 mg/L 미만으로 나타났다. 수질유형은 유출수의 경우 4차례 모두 Na-Cl type로 나타났으나 지하수의 경우 소금적치장 인접 관측정은 Na-Cl type으로 높은 TDS를 보였다. 다른 지하수 관측정은 전형적인 $Ca-HCO_3$ type으로 나타났다. 미생물 분석결과 호기성세균의 수가 $573{\sim}39,520\;CFU/mL$로 비교적 높게 검출되었다. 본 연구에서 수리화학 및 미생물학적 특성을 분석한 결과 지하수와 유출수는 여수 저장공동의 운영에 있어서 큰 문제를 일으키지 않을 것으로 사료된다. 그러나 미생물 증식의 제어와 수리적 안정성을 유지하기 위해서는 지속적인 모니터링이 요구된다.

첨단 전자산업 폐수처리시설의 Water Digital Twin(I): e-ASM 모델 개발과 Digital Simulation 구현 (Water Digital Twin for High-tech Electronics Industrial Wastewater Treatment System (I): e-ASM Development and Digital Simulation Implementation)

  • 심예림;이나희;정찬혁;허성구;김상윤;남기전;유창규
    • 청정기술
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    • 제28권1호
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    • pp.63-78
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    • 2022
  • 첨단 전자산업 폐수 처리시설에서 발생되는 유기 폐수는 고농도의 유기물질 및 20가지 이상의 유독 난분해성 물질을 포함하고 있으며, 이를 효율적으로 처리하는 것은 첨단 전자산업의 당면 과제이다. 따라서, 첨단 전자산업 유기폐수 처리시설을 CPS (Cyber physical system)상 Water digital twin으로 구축하여 COD (Chemical Oxygen Demand), TN (Total Nitrogen), TP (Total Phosphorous) 및 TMAH (Tetramethylammonium hydroxide) 등 유기 오염물질의 제거 효율 평가가 가능한 전자산업 폐수 특화 모델 개발이 필요하다. 본 연구에서는 첨단전자산업 유기폐수 제거 메커니즘에 대한 분해 미생물의 성장과 사멸의 이론적인 반응속도식에 기반한 첨단 전자산업 폐수 특화 활성슬러지 모델(Electronics industrial wastewater activated sludge model, e-ASM)을 개발하였다. 개발한 e-ASM은 전자산업 폐수처리공정에서 발생하는 유기물 산화, 질산화, 및 탈질화 과정뿐만 아니라 TMAH 등 난분해성 유기물질의 분해과정 중 발생하는 질산화미생물의 저해(Inhibition) 작용 등 복잡한 생물학적 분해 메커니즘이 모사 가능하다. 이를 활용하여 실제 전자산업 유기폐수 처리시설을 Water Digital Twin으로 구현하여 CPS (Cyber physical system) 상에서 전자산업 폐수처리장에 폐수 유입 성상에 따라 공정 모델링, 유출수 예측, 공법 선정, 설계 효율 평가 등 다양한 목적으로 활용될 수 있다.

동시베리아 얼음쐐기 시료의 해동방법이 시료의 화학적 특성분석에 미치는 영향 (Effects of Thawing Conditions in Sample Treatment on the Chemical Properties of East Siberian Ice Wedges)

  • 고수본;안진호;;이기현
    • 자원환경지질
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    • 제55권6호
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    • pp.727-736
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    • 2022
  • 얼음쐐기는 영구동토 지역의 토양층에서 관찰되는 얼음체로, 형성 당시의 강수 및 토양이 유입되어 형성되며, 높은 농도의 용질 및 고체함량을 가진다. 이러한 얼음쐐기는 그 형성 및 분포적 특성으로 인해 최근 고기후 및 고환경 복원을 위한 연구에 활용될 수 있는 가능성이 제시되고, 이에 대한 연구가 제한적으로 시작되고 있다. 하지만 얼음쐐기에 포함된 용질 및 고체 혹은 광물입자들을 고기후 및 고환경 복원 프록시로 사용하기 위해서는 이들의 물리화학적 특성 보존이 필수적이다. 만약 얼음쐐기 시료의 해동과정에 의한 물리화학적 특성 변화가 야기된다면, 이를 활용한 고기후 및 고환경 해석에 오류를 야기할 수 있다. 본 연구에서는 동시베리아 쑤야(Cyuie) 지역에서 채취된 얼음쐐기를 이용하여 해동조건이 얼음쐐기 내 용질 및 고체상에 미치는 영향을 조사하였다. 쑤야(Cyuie) 지역의 얼음쐐기 시료에 대해 해동온도와 산소유무를 고려하여 네 가지 해동조건(4℃-유산소, 4℃-무산소, 23℃-유산소 혹은 23℃-무산소)에서 회수된 용액 및 고체시료의 특성을 분석하였다. 온도와 산소의 영향이 가장 제한적일 것으로 예상되는 4℃-무산소 조건에서 측정된 결과를 기준으로 비교한 결과, 얼음쐐기 내 고체입자들에 대한 해동조건의 영향은 미미하였다. 반면, 용액의 화학적 특성(pH, 전기전도도, 알칼리도와 주양이온 및 미량원소의 농도)은 기준조건에 비해 4℃-유산소 조건에서 일관성 있게 유의미한 차이를 보였다. 본 연구결과, 얼음쐐기 시료의 해동조건에 따라 시료의 화학적 특성에 변화를 야기할 수 있으며, 이는 시료처리 방법 및 절차가 얼음쐐기를 이용한 고기후 및 고환경 복원 결과에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

수도저위생산력(水稻低位生産力)의 원인구명(原因究明)에 관(關)한 영양생리적연구(營養生理的硏究) (Studies on Nutrio-physiology of Low Productive Rice Plants)

  • 박준규
    • Applied Biological Chemistry
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    • 제17권1호
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    • pp.1-30
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    • 1974
  • 수도저위(水稻低位) 생산력(生産力)의 원인구명(原因究明)에 관(關)한 영양생리학적연구(營養生理적硏究)로 여러 가지 생육조건하(生育條件下)에서 품종별(品種別) 양분흡수(養分吸收) 및 동화기능(同化機能)과 양분(養分)의 체내(體內)에서의 이행양상(移行樣相)을 추구(追究)하는 한편 고수량지(高收量地) 벼와 저수량지(低收量地) 벼에 대(對)한 생육시기별(生育時期別)로 양분(養分)의 흡수(吸收) 체내무기양분(體內無機養分)과 수량(收量) 및 수량구성요소(收量構成要素)와의 관계(關係) 등(等)을 추구(追究)하여 저수량지(低收量地) 벼의 영양생리적(營養生理的) 저수요인(低收要因)을 밝히고저 본연구(本硏究)를 수행(遂行)하였던 바 그 결과(結果)를 요약(要約)하면 다음과같다. 1. 양분(養分)의 흡수력(吸收力)은 품종(品種)에 따라 차이(差異)가 있으며 인산(燐酸) 및 가리(加里)의 흡수력(吸收力)이 강(强)한 품종(品種)은 구사부에, 진흥(振興)이며 낮은 품종(品種)은 팔달(八達)이었다. 2. 근(根)의 ${\alpha}-naphthylamine$의 산화력(酸化力)과 인산(燐酸)의 흡수력(吸收力)과는 유의적(有意的)인 상관관계(相關關係)가 있으며 산화력(酸化力)이 높으면 인산(燐酸)의 흡수(吸收)가 증대(增大)되었바. 3, 탄소동화력( 炭素同化力)은 품종(品種)에 따라 차이(差異)가 있으며 노인도(老人稻), 구대내조욱(九大耐潮組) 3호(號), 수원(水原)82호(號), 진흥(振興) 등은 강(强)하고 대구조(大脚租), 관옥(關玉), 육우(陸羽) 132호(號)가 약(弱)하였다. 4, 질소(窒素)의 증시(增施)는 소비(少肥)에 비(比)하여 동화량(同化量)은 증가(增加) 되나 등화산물(同化産物)의 이삭으로의 이전(移轉)은 적었다5. 정상(正常) 생육(生育)한 벼에 비(比)하여 인산(燐酸), 가리(加里) 및 마그네슘이 결핍(缺達)된 벼는 전탄소동화량이(全炭素同化量)이 정상(正常) 벼 100에 비(比)하여 40이하(以下)로 현저(顯著)히 낮으며 그 순서(順序)는 Mg>P>K이고, 동화물(同化物)의 이전(移轉)에 장해(障害)가 큰 것은 K>Mg>P의 순(順)이었다. 6. 고수량지(高收量地) 벼는 저수량지(低收量地) 벼에 비(比)하여 총건물(總乾物) 생산량(生産量)이 현저(顯著)하게 많고 특(特)히 유수형성기(幼穗形成期) 이후(以後)에 증가량(增加量)이 더욱 현저(顯著)하였다. 7. 고수량지(高收量地) 벼는 출수기(出穗期)에 옆면적(葉面積)이 최고(最高)에 달(達)하였다가 그 이후(以後) 완만(緩慢)하게 줄어지나 저수량지(低收量地) 벼는 출수이전(出穗以前)에 엽면적(葉面積)이 최고(最高)에 달(達)하였다가 출수이후(出穗以後)에 급격(急激)히 감소(減少)되며 그 원인(原因)은 하엽(下葉)의 조기고사(早期枯死)에 기인(起因)되었다. 8. 고수량지(高收量地) 벼는 저수량지(低收量地) 벼에 비(比)하여 생육초기(生育初期)에는 투과광율(透過光率)이 높고 생육후기(生育後期)에 낮았으나 투과광율대(透過光率對) 엽면적비(葉面積比)는 고수량지(高收量地) 벼에서 높았다. 9. 순동화량(純同化量)은 저수량지(低收量地) 벼에 비(比)하여 고수량지(高收量地)벼에서 많았으며 이는 또한 엽면적(葉面積)이 증가(增加)됨에 따라 감소(減少)되었다. .10. 고수량지(高收量地) 벼는 저수량지(低收量地) 벼에 비(比)하여 유수형성기(幼穗形成期) 이후(以後) 체내질소(體內窒素), 가리(加里) 및 규산(珪酸)의 함유율(含有率)이 높으면서 $K_2O/N$, $SiO_2/N$ 비(比)가 높았다.11. 저수량지(低收量地) 벼는 고수량지(高收量地) 벼에 비(比)하여 출수기(出穗期)에 보유(保有)된 질소(窒素), 인산(燐酸), 가리(加里) 및 마그네슘등이 출수이후(出穗以後) 이삭으로의 이행율(移行率)이 높았다. 이는 저수량지(低收量地) 벼가 생육후기(生育後期)에 양분(養分)의 흡술량(吸收量)이 부족(不足)하여 체내(體內) 저장양분(貯藏養分)이 재이동(再移動)되기 때문이며 따라서 하엽(下葉)은 양분부족(養分不足)으로 조길고사(早期桔死)가 많아지는 것으로추정(推定)되었다. 12. 고수량지(高收量地) 벼는 질소흡수(窒素吸收)가 전생육기간(全生育期間)을 통(通)하여 완만(緩慢)하며 출수이후(出穗以後)에도 흡수량(吸收量)이 많으나 저수량지(低收量總) 벼는 출수이전(出穗以前)에 많고 출수이후(出濾以後)는 거의 흡수(吸收)되지 않았다. 13. 출수기(出穗期)의 체내(體內) 질소(窒素), 가리(加里) 함유율(含有率)과 수량(收豊)과는 현저(顯著)한 정(正)의 상관(相關)이 성립(成立)되였으며 수확기(收獲期)의 가리(加里), 규산함유율(珪酸含有率) 그리고 $K_2O/N$, $SiO_2/N$과 수량(收量)과도 현저(顯著)한 정(正)의 상관관계(相關關係)가 성립(成立)되었다. 14. 출수기(出穗期)에 보유(保有)된 전분(澱粉)이 이삭으로의 이전(移轉)은 고수량지(高收量地) 벼가 약(約) 10%인데 반(反)하여 저수량지(低收量地) 벼는 약(約) 40%로 많았다. 따라서 저수량지(高收量地) 벼는 출수(出穗) 이후(以後) 동화의존도(同化依存度)가 높았다. 15. 고수량지(高收量地) 벼는 저수량지(低收量地) 벼에 비(比)하여 질소(窒素), 인산(燐酸), 가리(加里), 규산(珪酸) 및 망간의 흡수량(吸收量)이 현저(顯著)하게 많았고 생육시기별(生育時期別) 흡수량(吸收量)의 차이(差異)는 유수형성기(幼穗形成期) 전후(前後)에 현저(顯著)하였다. 16. 수확기(收穫期)의 질소(窒素), 인산(燐酸), 가리(加里), 석탄(石炭), 마그네슘, 규산(珪酸) 및 망간의 총흡수량(總吸收量)과 수량(收量)과는 고도(高度)의 정(正)의 상관관계(相關關係)가 인정(認定)되었다. 17. 수확기(收穫期)에 질소(窒素), 인산(燐酸), 가리(加里), 석탄(石炭), 마그네슘 및 규산(珪酸)의 흡수량(吸收量)과 수당입수간(穗當粒熱間)에, 질소(窒素) 및 가리(加里)의 흡수량(吸收量)과 수수(穗數)와는 유의적(有意的)인 정(正)의 상관관계(相關關係)가 성립(成立)되었다.

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Field Studios of In-situ Aerobic Cometabolism of Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons

  • Semprini, Lewts
    • 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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    • 한국지하수토양환경학회 2004년도 총회 및 춘계학술발표회
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    • pp.3-4
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    • 2004
  • Results will be presented from two field studies that evaluated the in-situ treatment of chlorinated aliphatic hydrocarbons (CAHs) using aerobic cometabolism. In the first study, a cometabolic air sparging (CAS) demonstration was conducted at McClellan Air Force Base (AFB), California, to treat chlorinated aliphatic hydrocarbons (CAHs) in groundwater using propane as the cometabolic substrate. A propane-biostimulated zone was sparged with a propane/air mixture and a control zone was sparged with air alone. Propane-utilizers were effectively stimulated in the saturated zone with repeated intermediate sparging of propane and air. Propane delivery, however, was not uniform, with propane mainly observed in down-gradient observation wells. Trichloroethene (TCE), cis-1, 2-dichloroethene (c-DCE), and dissolved oxygen (DO) concentration levels decreased in proportion with propane usage, with c-DCE decreasing more rapidly than TCE. The more rapid removal of c-DCE indicated biotransformation and not just physical removal by stripping. Propane utilization rates and rates of CAH removal slowed after three to four months of repeated propane additions, which coincided with tile depletion of nitrogen (as nitrate). Ammonia was then added to the propane/air mixture as a nitrogen source. After a six-month period between propane additions, rapid propane-utilization was observed. Nitrate was present due to groundwater flow into the treatment zone and/or by the oxidation of tile previously injected ammonia. In the propane-stimulated zone, c-DCE concentrations decreased below tile detection limit (1 $\mu$g/L), and TCE concentrations ranged from less than 5 $\mu$g/L to 30 $\mu$g/L, representing removals of 90 to 97%. In the air sparged control zone, TCE was removed at only two monitoring locations nearest the sparge-well, to concentrations of 15 $\mu$g/L and 60 $\mu$g/L. The responses indicate that stripping as well as biological treatment were responsible for the removal of contaminants in the biostimulated zone, with biostimulation enhancing removals to lower contaminant levels. As part of that study bacterial population shifts that occurred in the groundwater during CAS and air sparging control were evaluated by length heterogeneity polymerase chain reaction (LH-PCR) fragment analysis. The results showed that an organism(5) that had a fragment size of 385 base pairs (385 bp) was positively correlated with propane removal rates. The 385 bp fragment consisted of up to 83% of the total fragments in the analysis when propane removal rates peaked. A 16S rRNA clone library made from the bacteria sampled in propane sparged groundwater included clones of a TM7 division bacterium that had a 385bp LH-PCR fragment; no other bacterial species with this fragment size were detected. Both propane removal rates and the 385bp LH-PCR fragment decreased as nitrate levels in the groundwater decreased. In the second study the potential for bioaugmentation of a butane culture was evaluated in a series of field tests conducted at the Moffett Field Air Station in California. A butane-utilizing mixed culture that was effective in transforming 1, 1-dichloroethene (1, 1-DCE), 1, 1, 1-trichloroethane (1, 1, 1-TCA), and 1, 1-dichloroethane (1, 1-DCA) was added to the saturated zone at the test site. This mixture of contaminants was evaluated since they are often present as together as the result of 1, 1, 1-TCA contamination and the abiotic and biotic transformation of 1, 1, 1-TCA to 1, 1-DCE and 1, 1-DCA. Model simulations were performed prior to the initiation of the field study. The simulations were performed with a transport code that included processes for in-situ cometabolism, including microbial growth and decay, substrate and oxygen utilization, and the cometabolism of dual contaminants (1, 1-DCE and 1, 1, 1-TCA). Based on the results of detailed kinetic studies with the culture, cometabolic transformation kinetics were incorporated that butane mixed-inhibition on 1, 1-DCE and 1, 1, 1-TCA transformation, and competitive inhibition of 1, 1-DCE and 1, 1, 1-TCA on butane utilization. A transformation capacity term was also included in the model formation that results in cell loss due to contaminant transformation. Parameters for the model simulations were determined independently in kinetic studies with the butane-utilizing culture and through batch microcosm tests with groundwater and aquifer solids from the field test zone with the butane-utilizing culture added. In microcosm tests, the model simulated well the repetitive utilization of butane and cometabolism of 1.1, 1-TCA and 1, 1-DCE, as well as the transformation of 1, 1-DCE as it was repeatedly transformed at increased aqueous concentrations. Model simulations were then performed under the transport conditions of the field test to explore the effects of the bioaugmentation dose and the response of the system to tile biostimulation with alternating pulses of dissolved butane and oxygen in the presence of 1, 1-DCE (50 $\mu$g/L) and 1, 1, 1-TCA (250 $\mu$g/L). A uniform aquifer bioaugmentation dose of 0.5 mg/L of cells resulted in complete utilization of the butane 2-meters downgradient of the injection well within 200-hrs of bioaugmentation and butane addition. 1, 1-DCE was much more rapidly transformed than 1, 1, 1-TCA, and efficient 1, 1, 1-TCA removal occurred only after 1, 1-DCE and butane were decreased in concentration. The simulations demonstrated the strong inhibition of both 1, 1-DCE and butane on 1, 1, 1-TCA transformation, and the more rapid 1, 1-DCE transformation kinetics. Results of tile field demonstration indicated that bioaugmentation was successfully implemented; however it was difficult to maintain effective treatment for long periods of time (50 days or more). The demonstration showed that the bioaugmented experimental leg effectively transformed 1, 1-DCE and 1, 1-DCA, and was somewhat effective in transforming 1, 1, 1-TCA. The indigenous experimental leg treated in the same way as the bioaugmented leg was much less effective in treating the contaminant mixture. The best operating performance was achieved in the bioaugmented leg with about over 90%, 80%, 60 % removal for 1, 1-DCE, 1, 1-DCA, and 1, 1, 1-TCA, respectively. Molecular methods were used to track and enumerate the bioaugmented culture in the test zone. Real Time PCR analysis was used to on enumerate the bioaugmented culture. The results show higher numbers of the bioaugmented microorganisms were present in the treatment zone groundwater when the contaminants were being effective transformed. A decrease in these numbers was associated with a reduction in treatment performance. The results of the field tests indicated that although bioaugmentation can be successfully implemented, competition for the growth substrate (butane) by the indigenous microorganisms likely lead to the decrease in long-term performance.

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Sesquiterpenoids Bioconversion Analysis by Wood Rot Fungi

  • Lee, Su-Yeon;Ryu, Sun-Hwa;Choi, In-Gyu;Kim, Myungkil
    • 한국균학회소식:학술대회논문집
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    • 한국균학회 2016년도 춘계학술대회 및 임시총회
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    • pp.19-20
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    • 2016
  • Sesquiterpenoids are defined as $C_{15}$ compounds derived from farnesyl pyrophosphate (FPP), and their complex structures are found in the tissue of many diverse plants (Degenhardt et al. 2009). FPP's long chain length and additional double bond enables its conversion to a huge range of mono-, di-, and tri-cyclic structures. A number of cyclic sesquiterpenes with alcohol, aldehyde, and ketone derivatives have key biological and medicinal properties (Fraga 1999). Fungi, such as the wood-rotting Polyporus brumalis, are excellent sources of pharmaceutically interesting natural products such as sesquiterpenoids. In this study, we investigated the biosynthesis of P. brumalis sesquiterpenoids on modified medium. Fungal suspensions of 11 white rot species were inoculated in modified medium containing $C_6H_{12}O_6$, $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ for 20 days. Cultivation was stopped by solvent extraction via separation of the mycelium. The metabolites were identified as follows: propionic acid (1), mevalonic acid lactone (2), ${\beta}$-eudesmane (3), and ${\beta}$-eudesmol (4), respectively (Figure 1). The main peaks of ${\beta}$-eudesmane and ${\beta}$-eudesmol, which were indicative of sesquiterpene structures, were consistently detected for 5, 7, 12, and 15 days These results demonstrated the existence of terpene metabolism in the mycelium of P. brumalis. Polyporus spp. are known to generate flavor components such as methyl 2,4-dihydroxy-3,6-dimethyl benzoate; 2-hydroxy-4-methoxy-6-methyl benzoic acid; 3-hydroxy-5-methyl phenol; and 3-methoxy-2,5-dimethyl phenol in submerged cultures (Hoffmann and Esser 1978). Drimanes of sesquiterpenes were reported as metabolites from P. arcularius and shown to exhibit antimicrobial activity against Gram-positive bacteria such as Staphylococcus aureus (Fleck et al. 1996). The main metabolites of P. brumalis, ${\beta}$-Eudesmol and ${\beta}$-eudesmane, were categorized as eudesmane-type sesquiterpene structures. The eudesmane skeleton could be biosynthesized from FPP-derived IPP, and approximately 1,000 structures have been identified in plants as essential oils. The biosynthesis of eudesmol from P. brumalis may thus be an important tool for the production of useful natural compounds as presumed from its identified potent bioactivity in plants. Essential oils comprising eudesmane-type sesquiterpenoids have been previously and extensively researched (Wu et al. 2006). ${\beta}$-Eudesmol is a well-known and important eudesmane alcohol with an anticholinergic effect in the vascular endothelium (Tsuneki et al. 2005). Additionally, recent studies demonstrated that ${\beta}$-eudesmol acts as a channel blocker for nicotinic acetylcholine receptors at the neuromuscular junction, and it can inhibit angiogenesis in vitro and in vivo by blocking the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway (Seo et al. 2011). Variation of nutrients was conducted to determine an optimum condition for the biosynthesis of sesquiterpenes by P. brumalis. Genes encoding terpene synthases, which are crucial to the terpene synthesis pathway, generally respond to environmental factors such as pH, temperature, and available nutrients (Hoffmeister and Keller 2007, Yu and Keller 2005). Calvo et al. described the effect of major nutrients, carbon and nitrogen, on the synthesis of secondary metabolites (Calvo et al. 2002). P. brumalis did not prefer to synthesize sesquiterpenes under all growth conditions. Results of differences in metabolites observed in P. brumalis grown in PDB and modified medium highlighted the potential effect inorganic sources such as $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ on sesquiterpene synthesis. ${\beta}$-eudesmol was apparent during cultivation except for when P. brumalis was grown on $MgSO_4$-free medium. These results demonstrated that $MgSO_4$ can specifically control the biosynthesis of ${\beta}$-eudesmol. Magnesium has been reported as a cofactor that binds to sesquiterpene synthase (Agger et al. 2008). Specifically, the $Mg^{2+}$ ions bind to two conserved metal-binding motifs. These metal ions complex to the substrate pyrophosphate, thereby promoting the ionization of the leaving groups of FPP and resulting in the generation of a highly reactive allylic cation. Effect of magnesium source on the sesquiterpene biosynthesis was also identified via analysis of the concentration of total carbohydrates. Our current study offered further insight that fungal sesquiterpene biosynthesis can be controlled by nutrients. To profile the metabolites of P. brumalis, the cultures were extracted based on the growth curve. Despite metabolites produced during mycelia growth, there was difficulty in detecting significant changes in metabolite production, especially those at low concentrations. These compounds may be of interest in understanding their synthetic mechanisms in P. brumalis. The synthesis of terpene compounds began during the growth phase at day 9. Sesquiterpene synthesis occurred after growth was complete. At day 9, drimenol, farnesol, and mevalonic lactone (or mevalonic acid lactone) were identified. Mevalonic acid lactone is the precursor of the mevalonic pathway, and particularly, it is a precursor for a number of biologically important lipids, including cholesterol hormones (Buckley et al. 2002). Farnesol is the precursor of sesquiterpenoids. Drimenol compounds, bi-cyclic-sesquiterpene alcohols, can be synthesized from trans-trans farnesol via cyclization and rearrangement (Polovinka et al. 1994). They have also been identified in the basidiomycota Lentinus lepideus as secondary metabolites. After 12 days in the growth phase, ${\beta}$-elemene caryophyllene, ${\delta}$-cadiene, and eudesmane were detected with ${\beta}$-eudesmol. The data showed the synthesis of sesquiterpene hydrocarbons with bi-cyclic structures. These compounds can be synthesized from FPP by cyclization. Cyclic terpenoids are synthesized through the formation of a carbon skeleton from linear precursors by terpene cyclase, which is followed by chemical modification by oxidation, reduction, methylation, etc. Sesquiterpene cyclase is a key branch-point enzyme that catalyzes the complex intermolecular cyclization of the linear prenyl diphosphate into cyclic hydrocarbons (Toyomasu et al. 2007). After 20 days in stationary phase, the oxygenated structures eudesmol, elemol, and caryophyllene oxide were detected. Thus, after growth, sesquiterpenes were identified. Per these results, we showed that terpene metabolism in wood-rotting fungi occurs in the stationary phase. We also showed that such metabolism can be controlled by magnesium supplementation in the growth medium. In conclusion, we identified P. brumalis as a wood-rotting fungus that can produce sesquiterpenes. To mechanistically understand eudesmane-type sesquiterpene biosynthesis in P. brumalis, further research into the genes regulating the dynamics of such biosynthesis is warranted.

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