Detección de bacterias del suelo para aditivos proteicos en piensos acuáticos

Especies de Bacillus que pueden crecer mejor en un sustrato de jarabe

Un agricultor con una cosechadora de maíz IHC de la vieja escuela y un remolque, Story County, Iowa, EE. UU. Fuente: Carl Wycoff [CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)]. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IHC_corn_picker,_Story_County,_Iowa,_2011.jpg. La producción de etanol de grado comercial es una industria global que representó aproximadamente 27 mil millones de galones en 2017, de los cuales aproximadamente 16 mil millones se procesan en los Estados Unidos. El etanol se produce utilizando biomasa a base de almidón, y la producción estadounidense está dominada por el maíz. La producción de etanol generalmente comienza con la molienda del maíz, seguida de la cocción, licuefacción y sacarificación para permitir la fermentación del producto de levadura, que luego se destila para separar el etanol de los productos residuales. El sólido (granos de destiladores húmedos) luego se centrifuga de las partes líquidas (destiladores delgados). El concentrado residual fino se concentra por evaporación a alta temperatura en destiladores de maíz condensado (CCDS), comúnmente conocidos como jarabe. Este jarabe se usa a menudo como alimento para animales cuando se combina con granos secos de destiladores húmedos.

Debido a que el jarabe contiene fuentes de carbono orgánico, se han utilizado microbios para convertirlo en otros productos deseables. Sin embargo, el jarabe sigue siendo un componente infrautilizado del proceso de producción de etanol. En este estudio, el jarabe se utilizó como un entorno rico en nutrientes para el desarrollo de biomasa microbiana que, de tener éxito, mejoraría la rentabilidad de la producción de etanol mediante el desarrollo de una nueva fuente potencial de proteínas para alimentos acuícolas.

El cultivo extensivo de biomasa microbiana se ha utilizado en una variedad de prácticas industriales, que incluyen probióticos agrícolas, carotenoides, producción humana y agroalimentaria y tratamiento de aguas residuales. La industria de la acuicultura tiene un interés particular en cultivar biomasa bacteriana rica en proteínas en aguas residuales / subproductos para reemplazar la harina de agua en los alimentos para la acuicultura. La harina de pescado ha sido tradicionalmente la principal fuente de proteínas para muchas especies de crustáceos y peces de cultivo debido a su alto sabor y digestibilidad y al perfil bien equilibrado de aminoácidos esenciales. Sin embargo, la demanda de harina de pescado ha aumentado con el precio, lo que hace que las fuentes alternativas de proteínas sean más rentables para la industria acuícola.

El cultivo de biomasa microbiana en aguas residuales / subproductos tiene el beneficio adicional de utilizar estos flujos de desechos de bajo valor. Se ha demostrado en el pasado que la biomasa de microorganismos se puede cultivar en el tratamiento de aguas residuales de granjas de peces y confiterías, y esta biomasa se puede utilizar con éxito para reemplazar la harina de pescado en la alimentación de camarones para la acuicultura.

Este artículo ha sido adaptado y resumido edición original – investigó la capacidad de los microbios para crecer en un sustrato de jarabe de fermentación de etanol de maíz para que también se puedan utilizar como suplemento proteico en piensos para la acuicultura. Los resultados del estudio proporcionan una base para el uso futuro de la biomasa bacteriana en la acuicultura.

Gracias a Brian Badgley, Silke Hauf, Christopher Lawrence y Stephen Melville de Virginia Tech por compartir procedimientos y equipos, y Jason Bootsma por trabajar con nosotros en Flint Hills Resources.

Configuración de estudio

Primero, se creó una comunidad de enriquecimiento del suelo cultivada en un biorreactor capaz de metabolizar el jarabe y se caracterizó el perfil de esta comunidad a nivel molecular utilizando secuencias de ARNr 16S. A continuación, se probaron los rendimientos de crecimiento de los monocultivos definidos y se investigaron las combinaciones de cultivos binarios en busca de posibles efectos sinérgicos en la comunidad. Las especies de Bacillus, aunque no son los organismos dominantes en el biorreactor, fueron los aislamientos de cultivo puro más productivos.

El jarabe, un subproducto de la producción de etanol, se obtuvo para su uso como medio de crecimiento bacteriano. Para investigar la fuerza del crecimiento bacteriano en diferentes lotes de jarabe, se enviaron tres lotes diferentes desde tres plantas de producción de etanol diferentes con diseño y función. Los tres jarabes se retiraron en la misma etapa de producción de etanol, después de la separación y evaporación del aceite por centrifugación y alta temperatura (8585 ° C), respectivamente.

Aunque se utilizaron tres cepas diferentes de levadura comercial, los CCDS producidos fueron todos similares a 3030 a 40% de sólidos y 6060 a 70% de agua. El jarabe 2 se utilizó en todos los estudios, mientras que los jarabes 1 y 3 se estudiaron en estudios de monocultivo para probar la resistencia del cuerpo.

Obtenga más información sobre el sustrato de crecimiento del jarabe; el curso temporal del enriquecimiento bacteriano en reactores anaeróbicos; Análisis de datos de MiSeq; Aislamiento de cepas de cultivo puro a partir de cultivos de enriquecimiento; ensayos de crecimiento de monocultivos y combinación binaria de cepas de microorganismos; identificación de cepas; y números de registro, consulte la impresión original.

Resultados y discusión

El objetivo de este estudio fue identificar aislamientos de cultivos puros de existencias de laboratorio y conjuntos de enriquecimiento del suelo que pudieran crecer utilizando el subproducto de la fermentación del etanol como única fuente de nutrientes. En el último momento de la digestión anaeróbica con almíbar y tierra (día ocho), había siete familias dominantes enriquecidas de organismos, incluida la familia Bacillaceae, que resultó ser el grupo de organismos de mayor interés. Las otras seis familias enriquecidas con biorreactores fueron Clostridiaceae, Alicyclobacillaceae, Ruminococcaceae, Burkholderiaceae, Veillonellaceae y Enterobacteriaceae. Sin embargo, solo cuatro de las riquezas enriquecidas, en las familias Bacillaceae, Burkholderiaceae, Alicyclobacillaceae y Enterobacteriaceae, son anaerobios opcionales.

Nuestros procedimientos fueron diseñados para seleccionar organismos que fueran aerobios o anaerobios obligatorios. El crecimiento opcional es una característica ideal que permite manipular los organismos en condiciones aeróbicas al mismo tiempo que permite la fermentación en cubas industriales a gran escala.

Figura 1: Perfil de la comunidad bacteriana a lo largo del ciclo de enriquecimiento del jarabe anaeróbico. Las lecturas se calcularon a partir de los promedios de los conjuntos de PCR de los tres reactores repetidos durante el enriquecimiento de ocho días durante cinco días. Las familias dominantes enumeradas a lo largo del enriquecimiento se identifican mediante las siguientes etiquetas: A = Alicyclobacillaceae, Ba = Bacillaceae, Bu = Burkholderiaceae, C = Clostridiaceae, E = Enterobacteriaceae, P = Pseudomonadaceae, R = Ruminococcaceae y V = Veillon

Los análisis de monocultivos mostraron que las especies de Bacillus son organismos capaces de crecer al nivel más alto en un sustrato de jarabe. Si bien los monocultivos más productivos pertenecían exclusivamente a la familia Bacillaceae, el estudio de enriquecimiento mostró una comunidad más diversa de siete familias dominantes capaces de crecer en almíbar. De hecho, la familia Bacillaceae representó solo el 11,3 por ciento de la comunidad total. El antagonismo y / o la competencia probablemente fueron factores contribuyentes en los reactores que limitaron el crecimiento de Bacillaceae. Sin embargo, Bacillaceae fue el grupo de organismos más exitoso que se adaptó a las diferentes opciones que usamos para la disponibilidad de oxígeno (es decir, crecimiento anaeróbico y aeróbico) y la selección del medio (TSA y jarabe). Como se conoce la variabilidad en la composición y el valor nutricional del jarabe, el crecimiento vigoroso de diferentes lotes es una propiedad muy deseable. Las Bacillaceae estudiadas parecen tener esta propiedad deseada.

Curiosamente, numerosos estudios han demostrado que Bacillus sp. utilizan múltiples fuentes de carbono y son capaces de reprimir los catabolitos cuando se cultivan en presencia de múltiples fuentes. Recientemente, ha habido interés en Bacillus sp. el metabolismo ha aumentado para las fuentes de carbono de importancia industrial. Como el proceso utilizado en las unidades de producción no conduce a temperaturas muy altas, con todos los pasos que se llevan a cabo por debajo de 87,8 ° C, la formación de azúcares anhidros sería poco probable. En cambio, el glicerol, la dextrina (DP4) y la maltosa (DP2) fueron los carbohidratos más comunes en la fracción sólida de los jarabes.

Se cultivó una combinación de dos componentes de 34 microbios en el jarabe para ver si el sustrato del jarabe original se podía convertir en metabolitos que apoyen mejor el crecimiento de la comunidad mixta. Los análisis de crecimiento binario no mostraron efectos de crecimiento sinérgicos obvios, ya que ninguna de las combinaciones probadas creció mejor que los organismos individuales por sí solos. Esto indica que no se han producido metabolitos útiles para los organismos apareados. No obstante, es posible que se produzcan sinergias entre los aislados de las principales especies de Bacillus y otros organismos presentes en el ensamblaje del biorreactor original.

El descubrimiento de que las especies de Bacillus utilizan jarabe como única fuente de nutrientes puede utilizarse en el futuro. Por ejemplo, las bacterias del género Bacillus se han utilizado en la práctica industrial como aditivo en piensos de acuicultura, especialmente por sus beneficios probióticos, para estimular el sistema inmunológico de los peces e incluso para mejorar la calidad del agua. Además, su capacidad para formar esporas latentes muy estables facilita el transporte y almacenamiento a largo plazo. En términos de peso seco, las células de Bacillus contienen aproximadamente un 50 por ciento de proteína, por lo que podrían usarse como un aditivo en lugar de la costosa harina de pescado en los animales de la acuicultura. Este estudio identificó algunos aislados de Bacillus prometedores que se consideran seguros para reemplazar la harina de pescado en la alimentación animal.

Perspectivas

Las tendencias en el suministro de harina de pescado apuntan a la necesidad de un nutriente complementario y alternativo a un suplemento alimenticio acuático permanente. El uso de un sustrato de jarabe para el cultivo de microbios, como la especie Bacillus, puede proporcionar mayores beneficios económicos y sostenibles no solo al proceso de producción de etanol sino también a la acuicultura comercial.

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