Growth Enhancement and Effects in Microalgae N. oceanica and Yeast S. cerevisiae – A Study in Acetate

Abstract

Microalgae have become an increasingly interesting field of research for the
production of biofuel and health beneficial lipids such as omega-3. Useful
characteristics of the algae are their rapid growth and high levels of lipid
accumulation. For growth of microorganisms as biofactories to industrially
produce bulk or specialty compounds, economically feasible and energetically
efficient feed substrates and conditions are required. Recent developments in
electrolysis processes yielding acetate have opened up the possibility of acetate
as a future cheap and sustainable carbon source alternative in microalgae
cultivations.
Several organisms have been reported to grow on acetate as carbon source
across prokaryotes and eukaryotes. This thesis demonstrates the mixotrophic
growth of microalgae Nannochloropsis oceanica utilizing acetate as a carbon
source. For an industrially relevant strain the growth needs to be improved, and
this thesis project aims to further enhance the growth on acetate through
addition of the bacterial ackA/pta acetate metabolic pathway. The thesis further
explores the lipid accumulation in the algae as an effect of acetate. The
intensity of light and nitrogen depletion were demonstrated to have a large
impact. Moreover, the growth of the yeast Saccharomyces cerevisiae on
acetate containing media was confirmed. The attempt to improve acetate
metabolism in the yeast through implementing the ackA/pta pathway however
resulted in a negative impact on growth and acetate tolerance.

Popular Abstract (Swedish)

I dagens samhälle pågår en förändring för att minska fossila bränslen och hitta
miljövänligare lösningar inom flertalet sektorer. Inom industrin utnyttjas
mikroorganismer mer och mer för produktion av både bulkkemikalier och värdefulla
ämnen. I den kategorin har mikroalger blivit populära av anledningen att de kan växa
snabbt och producera stora mängder fetter. Mikroalger är en bred grupp av
vattenlevande organismer på mikroskopisk skala, som vanligen använder sig av
solljus för energi och av koldioxid som kolkälla. De fetter de producerar går att
utnyttja inom mat och hälsa, till exempel omega-3-fetter. De producerar även fettsyror
som är högt lämpade för biodiesel. För tillfället är dock kostnaderna för algodlingar
för höga för framställning av billiga bulkprodukter, såsom fetter för biobränslen.
Stora begränsande aspekter är tillgång till solljus och koldioxid, därför är det
fördelaktigt att kunna minska dessa faktorer genom att odla alger med andra resurser.
Förutom koldioxid kan många alger använda andra kolkällor i kombination med
solljus, vilket ses som en potential för en snabbare och högre tillväxt. Acetatsyra är
en billig kolkälla som nyligen kunnat produceras från en elektrolysprocess baserad på
sol och vatten. I det här projektet utforskas acetatsyra som en möjlig kolkälla för
mikroalgen Nannochloropsis oceanica, en alg med goda egenskaper för produktion
av fetter, färgämnen och med ett etablerat system för genmodifiering. Algen odlades
under olika förhållanden med varierande mängd ljus, pH och acetatkoncentrationer,
och tillväxt samt ändringar i fettinnehållet undersöktes. Algen bevisades kunna växa
på acetatsyra under minskad koldioxidtillförsel och sänkt ljusintensitet. Under yttre
stressande faktorer såsom starkt ljus och brist på kväve ackumulerade algen fetter.
Den påvisade tillväxten på acetat är dock inte tillräcklig för stor-skalig produktion,
och därav undersöks genmodifiering av algen för förbättrad acetatanvändning. I detta
projekt infördes en ny metabol väg i algen, som vanligen används av bakterier för
effektiv acetatkonsumption. På grund av begränsad tid återstår det fortfarande att se
effekten av detta.

Utöver algodlingar undersöktes även tillväxten på acetat hos bakjästen
Saccharomyces cerevisiae innan och efter genmodifiering. Resultatet blev dock en
hämmad tolerans och tillväxt på acetat.
I projektet förstärktes potentialen för N. oceanica som en industriell kandidat, där
snabb tillväxt kan kombineras med ackumulation av fettsyror. Med fortsatt
optimisering och genetisk förbättring har mikroalger stor potential inom industrin, och
N. oceanica kan genom sin tolerans för acetat bli en användbar organism för
miljövänligare produktion av till exempel färgämnen, omega-3-fetter och biobränslen.

• author: Wik, Fanny Anna Elisabeth
• supervisor: Ed van Niel; Johan Andersen-Ranberg; Daniel Poveda Huertes
• organization: Applied Microbiology
• alternative title: Tillväxt av mikroalgen N. oceanica och jästen S. cerevisiae på acetat, effekter och förbättringar
• course: KMBM05 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Nannochloropsis oceanica, acetate metabolism, ackA/pta, metabolic engineering, Saccharomyces cerevisiae, applied microbiology
• language: English
• id: 9186162
• date added to LUP: 2025-03-12 10:16:12
• date last changed: 2025-03-12 10:16:12