Study of biosurfactant "cocktails" with enhanced properties

Abstract

Biosurfactants are molecules produced by a variety of microorganisms that exhibit pronounced surface and emulsifying activities. A wide range of chemical structures can be found among these compounds. Hence, it is reasonable to expect diverse properties and physiological functions for different groups of biosurfactants. Thus, the aim of this thesis was to prepare mixtures of biosurfactants produced by different microorganisms, in order to evaluate their main characteristics (surface tension, emulsification ability, antimicrobial and anti-adhesive activities) for several applications, namely in the oil recovery, health care and biomedical fields. Initial screening revealed that biosurfactants from Lactobacillus agilis CCUG31450, Bacillus subtilis PX573 and Pseudomonas aeruginosa PX112 possessed the most notable activity. Therefore, strategies to improve biosurfactants yield and reduce production costs were conducted. The B. subtilis PX573 and P. aeruginosa PX112 biosurfactants yields increased 2.8 and 2.5 times, respectively; due to the optimization of the agitation and use of low-cost substrates. Moreover, the development of an efficient downstream process led to an additionally increase of the amount of P. aeruginosa PX112 biosurfactants recovered. The evaluation of biosurfactants stability at extreme environmental conditions was performed. The results showed that biosurfactants were very stable, suggesting their application in bioremediation and in the oil industry. The antimicrobial, antiadhesive and oil recovery activity of the produced biosurfactants were evaluated, first individually and then within different mixtures. In the antimicrobial assays, individual biosurfactants from B. subtilis PX573 and P. aeruginosa PX112 showed the most interesting results, mainly against Grampositive bacteria. However, it was with the mixture of biosurfactants from lactic acid bacteria Lactobacillus paracasei A20 and Lactobacillus animalis ATCC35046 that the most remarkable synergetic effect was observed. In the case of the anti-adhesive assays, the probiotic biosurfactants from L. agilis CCUG31450 were the most effective and the mixture P. aeruginosa PX112 (CSLM) and L. agilis CCUG31450 (MRS) biosurfactants showed the most positive interaction. At last, from the oil recovery assays it was found that biosurfactants from B. subtilis PX573 and P. aeruginosa PX112 were equally or even a more effective than the chemical surfactants tested. In conclusion, each mixture tested in the different assays showed a unique activity that was dependent on the type of biosurfactant, the proportion of the mixture and the pathogenic strain studied. In some cases, an interesting synergetic effect between different biosurfactants was achieved that consequently enhanced their activity in the diverse applications tested.

Os biosurfactantes são moléculas produzidas por uma variedade de microrganismos que exibem uma interessante atividade de superfície e emulsionante. Estes compostos podem apresentar uma grande variedade de estruturas químicas. Assim, é aceitável esperar que os diferentes grupos de biosurfactantes possam apresentar diversas propriedades e funções fisiológicas. Deste modo, esta tese teve como objetivo a preparação de misturas de biosurfactantes produzidos por diferentes microrganismos, de forma a avaliar as suas principais características (tensão superficial, capacidade de emulsificação, atividades antimicrobiana e anti-adesiva) e testar a sua aplicação nas áreas de recuperação do petróleo, saúde e biomédica. Uma análise inicial revelou que os biosurfactantes produzidos por Lactobacillus agilis CCUG31450, Bacillus subtilis PX573 e Pseudomonas aeruginosa PX112 apresentavam uma atividade mais notável. Assim, foram aplicadas estratégias para promover o aumento da produção de biosurfactantes e a redução dos respetivos custos. O rendimento dos biosurfactantes de B. subtilis PX573 e P. aeruginosa PX112 aumentou 2.8 e 2.5 vezes respetivamente, devido a otimização da agitação e do uso de substratos de baixo custo. Além disso, o desenvolvimento de um processo eficiente de recuperação levou a um aumento adicional dos biosurfactantes de P. aeruginosa PX112 recuperados. Foi realizada a avaliação da estabilidade dos biosurfactants em condições ambientais extremas. Os resultados obtidos mostraram que os biosurfactantes eram bastante estáveis, sugerindo a sua aplicação na biorremediação e na indústria petrolífera. Foi, de igual modo, avaliada a atividade antimicrobiana, anti-adesiva e de recuperação de petróleo, primeiro individualmente e depois com diferentes misturas de biosurfactantes. Nos testes antimicrobianos os biosurfactantes individuais produzidos por B. subtilis PX573 e P. aeruginosa PX112 revelaram os resultados mais interessantes, principalmente contras as bactérias Grampositivas. Contudo, foi na mistura preparada com biosurfactantes das bactérias lácticas Lactobacillus paracasei A20 e Lactobacillus animalis ATCC35046 que se observou o efeito sinergético mais notável. No caso dos ensaios anti-adesivos, os biosurfactantes probióticos de L. agilis CCUG31450 foram os mais efetivos e a mistura com biosurfactantes de P. aeruginosa PX112 (CSLM) e L. agilis CCUG31450 (MRS) revelou a interação entre biosurfactantes mais positiva. Por fim, nos ensaios de recuperação de petróleo verificou-se que os biosurfactantes de B. subtilis PX573 e P. aeruginosa PX112 eram igualmente ou até mesmo mais efetivos do que os surfactantes químicos testados. Em conclusão, cada mistura testada nos deferentes ensaios revelou uma atividade única que era dependente do tipo de biosurfactante, da sua proporção na mistura e da estirpe patogénica testada. Em alguns casos, foi observado um efeito sinergético entre os biosurfactantes misturados, levando consequentemente um aumento da sua atividade nas diversas aplicações testadas.