Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/2822
Title: New Surface Active Compounds from bacterial strains: production, characterization and potential application in environmental remediation
Other Titles: Nuovo composto a superficie attiva da origine batterica: produzione, caratterizzazione e potenziale applicazione in campo ambientale
Authors: Beltrani, Tiziana
Keywords: Bioemulsifier;Soil washing;Emulsifying activity;Bioemulsionante;Attività emulsionante;BIO/19
Issue Date: 5-Jun-2014
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 24. ciclo
Abstract: 
Biosurfactants and bioemulsifiers are amphiphilic compounds produced as metabolic by-products by bacteria, yeast and fungi. They can be produced extracellularly or as part of the cell wall. These microbial products tend to reduce surface tension and interfacial tension between individual molecules at the surface and interface respectively. They find applications in an extremely wide variety of industrial processes as possible substitutes of chemical surfactants. Their low toxicity, biodegradability, variety of possible structures and environmental compatibility make these compounds attractive for specific industries.
In this study, a novel biopolymer in the form of extracellular polysaccharide (EPS) was identified by using a screening procedure; it was extracted, purified and characterized, and its surface and emulsifying properties were evaluated.
Eleven bacterial strains previously isolated from different environmental sites were screened for Surface Active Compounds (SACs) production detected by oil spreading and emulsifying assay. Out of eleven bacterial strains, MCC-Z showed the highest emulsifying activity and was therefore selected as a potential bioemulsifier producing microorganism. The novel bioemulsifier, in the form of extracellular polysaccharide (EPS) produced by Pedobacter sp. strain MCC-Z, was extracted, purified and characterized, and its surface and emulsifying properties were evaluated. The purified bioemulsifier, named Pdb-Z, showed high emulsifying activity (E24%=64%) and reduced the surface tension of water up to 41 mN/m with a critical micelle concentration value of 2.6 mg/mL.
The chemical characterization of Pdb-Z was performed using 1HNMR, FT-IR, HPLC/MSn and GC/MS. Pdb-Z was found to be composed of 67% carbohydrates (mainly of galactose and minor quantities of talose), 30% lipids (with pentadecanoic acid being the main lipidic constituent), and 3% proteins. The bioemulsifier was a glycolipid-protein complex with an estimated molecular mass of 106 Da. Furthermore, Pdb-Z was found to emulsify pure aliphatic and aromatic hydrocarbons, as well as diesel oil, more efficiently than the commercial synthetic surfactants used for comparison.
The ability of Pdb-Z for possible applications in washing road diesel contaminated soil, was tested using Tween-20 as comparison; the effects of several experimental parameters (washing time, surfactant concentrations and volume/mass ratio) were investigated. The results showed that the Pdb-Z was able to remove more than 75% of the road diesel, whereas Tween-20 removed 73%. Therefore, results suggest that Pdb-Z contains interesting properties relative to applications in remediation of hydrocarbon-contaminated environments.

I biosurfattanti e bioemulsionanti sono particolari composti anfifilici prodotti da microrganismi, contenenti sia il gruppo idrofobo che quello idrofilico. Tali prodotti agiscono sulle superfici diminuendo la tensione superficiale e d’interfaccia. Proprio questa proprietà li rende molto interessanti, in una varietà di applicazioni industriali, come sostituti dei surfattanti chimici.
In questo lavoro viene descritta una procedura di screening, basata sull’Oil Spreading Test (OST) e sull’Emulsifying activity. 11 ceppi batterici, precedentemente prelevati da diversi siti ambientali, sono stati valutati allo scopo di individuare il microrganismo produttore di SACs (Surface Active Compounds). Tra i ceppi batterici, MCC-Z ha mostrato il più alto valore dell’emulsifying index (E24%), ed è stato perciò selezionato come microrganismo produttore di bioemulsionanti. Il bioemulsionante, prodotto dal batterio Pedobacter sp. MCC-Z è stato estratto, purificato e caratterizzato chimicamente: la struttura risulta quella di un polisaccaride extracellulare di cui sono state determinate le proprietà di superficie ed emulsificanti. Il bioemulsionante purificato, denominato Pdb-Z, presenta un elevato valore dell’indice E24% (64%) e riduce la tensione superficiale dell’acqua fino a 41 mN/m con una concentrazione critica micellare di 2.6 mg/mL.
La caratterizzazione chimica di Pdb-Z è stata condotta mediante tecniche analitiche quali 1HNMR, FT-IR, HPLC/MSn e GC/MS. I risultati mostrano che Pdb-Z contiene il 67% di carboidrati (galattosio come maggior componente e talosio come componente minore), il 30% di lipidi (l’acido pentadecanoico, ne rappresenta il più alto costituente) e il 3% di proteine (due proteine di membrana ed una presunta proteina periplasmatica appartenenti al Pedobacter sp.). Il bioemulsionante ottenuto si presenta dunque come un complesso glicolipide-proteina avente massa molecolare stimata dell’ordine di 106 Da. Pdb-Z mostra ottime capacità emulsificanti nei confronti di idrocarburi alifatici, aromatici e di olio diesel; ha una maggiore efficienza rispetto ai surfattanti sintetici (Tween-20, Tween-80 e Triton X-100) utilizzati in questo studio. La possibile applicazione di Pdb-Z nel trattamento-lavaggio dei suoli contaminati da olii diesel è stata valutata eseguendo esperimenti di soil washing usando il Tween-20 come confronto. Sono stati esaminati gli effetti di alcuni parametri sperimentali quali il tempo di lavaggio, la concentrazione di surfattante e il rapporto volume/massa. I risultati ottenuti mostrano che il Pdb-Z è capace di rimuovere fino al 75% della contaminazione da olii diesel, mentre il Tween-20 fino al 73%. I nostri risultati suggeriscono che il Pdb-Z ha notevoli proprietà per applicazioni che prevedono la rimozione di idrocarburi da matrici ambientali.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze ambientali
URI: http://hdl.handle.net/2067/2822
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