Master's Thesis

Exploitation of Caldimonas thermodepolymerans for biorecycling purposes

Final Thesis 1.3 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Fiala

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Xenie Hájková, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Zuzana Kroupová, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on polyhydroxyalkanoates (PHA) and their production using the bacterium Caldimonas thermodepolymerans using degradation products of biodegradable polymers, more precisely lactic acid and sodium 3-hydroxybutyrate. These substrates are monomer units of polyhydroxybutyrate and polylactic acid polymers, which are classified as biopolymers. Various cultivation strategies were tested in the course of the study. Batch and fed-batch cultivation were investigated, where the resulting concentrations of biomass and produced PHA were compared. These results were analyzed using optical density measurements, gas chromatography with FID detector and ion chromatography. The highest biomass concentrations of 1.705 ± 0.055 g/l and 1.738 ± 0.075 g/l were measured for these cultivation methods, where the main difference was the PHA gain with values of 0.480 ± 0.023 g/l and 0.658 ± 0.022 g/l. In the case of PHA, a sample of real hydrolysate with a control substrate of xylose was also examined. The conclusion of the work is the successful use of polymer degradation products as a substrate for growth and PHA production by Caldimonas thermodepolymerans.

Keywords:

Biodegradation, Caldimonas thermodepolymerans, polyhydroxyalkanoates, lactic acid, ion chromatography, 3-hydroxybutyrate, gas chromatography

Date of defence

25.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

1. Student seznámil členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Student akceptoval všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděl v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Zmiňujete v práci recyklaci biopolymerů, můžete to objasnit? Slouží oba polymery k nárůstu bakteriální biomasy? Jako substrát jste používali kyselinu mléčnou a kyselinu máselnou, jednalo se opravdu o kyseliny? Nebo jste přidávali jejich soli? Čím jste upravovali pH? doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. Používá bakterie stejný enzymatický aparát k intra a extracelulární depolymerizaci PHA? Jak vypadá PHB v buňce a jak vypadá mimo buňku? Jaká je hlavní odlišnost z materiálového hlediska? Jaký enzymatický aparát používá k depolymeraci PLA? Může docházet k chemické hydrolýze? Bude stačit pouze vyšší teplota a vodné prostředí k hydrolýze PLA? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. V práci používáte termíny bioreaktor a osobní bioreaktor, můžete to objasnit? Diplomant zodpověděl doplňující dotazy členů komise, které byly v průběhu diskuze vzneseny. Po diskuzi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomant prokázal dobrou orientaci v dané problematice a schopnost samostatné prezentace získaných výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Xenie Hájková, Ph.D.

Bc. Tomáš Fiala ve své diplomové práci zjišťoval, zda je možné využívat termofilní bakterii Caldimonas thermodepolymerans DSM 15344 k produkci polyhydroxyalkanoátů ze substrátů, které vznikají degradací biodegradabilních materiálů, konkrétně kyseliny polymléčné a polyhydroxyalkanoátů. Jelikož je u tohoto kmene potvrzena schopnost degradace těchto materiálů, bylo uvažováno, zda je možné na C. thermodepolymerans pohlížet jako na „biorecyklační jednotku“. V průběhu experimentální části práce Tomáš prokázal dobrou orientaci v laboratorních metodách, schopnost samostatné činnosti i porozumění řešené problematice. V laboratoři pracoval svědomitě a na experimenty byl vždy připraven. V rámci experimentů testoval různé kultivační strategie, jak na čistých monomerních jednotkách daných polymerů, tak na hydrolyzátu z reálného obalového odpadu na bázi PHA.

Výrazně slabší stránkou práce však bylo její průběžné textové zpracování a s tím spojená časová organizace. Tomáš opakovaně nedodržoval domluvené termíny pro odevzdávání jednotlivých částí textu a komunikace ohledně postupu práce byla značně komplikovaná. Proto výsledná podoba diplomové práce vznikala pod výrazným časovým tlakem, což se projevilo zejména v kvalitě textového zpracování, ale bohužel také v interpretaci výsledků, a s tím spojených závěrech.
Teoretická část vychází z relevantních literárních zdrojů, nicméně se jedná spíše o povrchní popis problematiky, než hlubší rešerši a kritické zhodnocení poznatků. Výsledky jsou prezentovány přehledně, avšak jejich diskuze a interpretace by si zasloužily být obsáhlejší a podrobnější. Je škoda, že potenciál získaných výsledků zůstal nevyužitý.

I přes uvedené připomínky student splnil požadavky kladené na diplomovou práci, proto ji doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování D
Využití poznatků z literatury D
Kvalita zpracování výsledků C
Interpretace výsledků, jejich diskuse D
Závěry práce a jejich formulace C
Využívání konzultací při řešení práce E
Celkový přístup k řešení úkolů C

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Mgr. Zuzana Kroupová, Ph.D.

Ve své diplomové práce se student Tomáš Fiala zabýval využitím bakterie Caldimonas thermodepolymerans jako biorecyklační jednotky.
Teoretická část poskytuje vhled do problematiky rozložitelných polymerních materiálů, jako je PHA či kyselina polymléčná (LA) – zabývá se jejich chemickou strukturou, fyzikálně chemickými vlastnostmi, biosyntézou, degradací, atd. Dále jsou v úvodu práce velmi stručně představeny termofilní organismy včetně konkrétní bakterie, se kterou student pracoval. Úvod práce obsahově spíše odpovídá práci bakalářské. Do úvodu by se hodila přidat kapitola obecně o extremofilních organismech (o kterých je krátký odstavec v kapitole 2.3). Práce je logicky členěna, teoretická část by si zasloužila rozšířit a více pozornosti – proto tuhle část hodnotím známkou B a využití literatury známkou C.
V úvodu se vyskytují vágní slovní spojení jako např. „prostředí s velice kyselým pH“, ke kterému je opakem „vysoké pH“ (s tímto souvisí otázka č.1). Část práce popisující extremofilní organismy (odstavec v kapitole 2.3) by si zasloužila, jak již bylo zmíněno, nejen více pozornosti, ale také by měla obsahovat konkrétní a validní informace. Zde narážím na fakt, kdy v textu práce je uvedeno, že mezi fyziologické podmínky patří 3% salinita – v citovaném článku jsou zmíněné podmínky popsány jako fyziologické, ale v uvozovkách a v kontextu „fyziologických“ podmínek preferovaných při kolonizaci prostředí. V textu je chybně používán spojovník místo pomlčky (zejména při udávání rozsahu hodnot od–do) – proto úroveň jazykového zpracování hodnotím známkou C.
V rámci experimentální části bylo vyzkoušeno několik kultivačních metod, kultivace na Petriho miskách nebo v Erlenmayerových baňkách (EB), ale i v bioreaktorech. V rámci experimentů byla stanovena optimální koncentrace vybraných substrátů během kultivace v bioreaktoru, která byla následně použita během kultivace vsádkové a fed-batch. Ve výsledkové části patrně část výsledků chybí. K této myšlence mne vede skutečnost, že jsou představena FTIR spektra pouze pro jeden substrát (LA), přestože bylo pracováno se 2 substráty (s tím souvisí otázka č.2), jelikož kultivace na tuhém agaru probíhala za využití dvou substrátů – 3HB i LA (polymléčné kyseliny). V experimentální části se objevují chyby z nepozornosti („bylo pipetován“, chybějící množné číslo, nenavazující vedlejší věty, chybně uvedená koncentrace agaru v médiu - 17 % místo 17 g/L – kapitola 3.1.2.1). Na závěr práce byla také vyzkoušena kultivace na reálném hydrolyzátu PHB. Kapitola výsledky a diskuze diskuzi obsahuje ve velmi malém rozsahu a tato část práce by si rozhodně zasloužila více pozornosti. Celkově práci s odbornou literaturou a využití dostupných zdrojů by bylo dobré posílit, čímž by se zvedla kvalita předložené práce i obohatila diskuze. Proto dílčí body hodnotím takto: zpracování výsledků C, interpretace a diskuze – C.
Co se týče úpravy textu, čtivosti textu a usnadnění čitateli orientovat se v textu a obrázcích – je třeba nejdříve obrázek zmínit v textu, zároveň pozičně zmínka v textu předchází obrázku. Dále pokud obrázek obsahuje různé varianty (zde konkrétně „a“ a „b“), měly by být popsány a vysvětleny v popisu obrázku, aby byly na první pohled dohledatelné a nemusel je čtenář lovit někde v textu. Ideální je situace, kdy je obrázek samovysvětlující. Nadpisy stejné úrovně nejsou jednotné ve velikosti písmen (jednou je nadpis malými písmeny – kapitoly 4 a 5, tu zase Caps Lockem – kapitoly 1-3 a citace), nadpisům „citace“ a „použité zkratky“ chybí čísla.
Jako celek práce působí dobrým dojmem i přes výše zmíněné nedostatky. Student si při vypracování magisterské práce osvojil kultivaci jak v EB, tak v osobních bioreaktorech společně s analytickými technikami jako GC-FID a FTIR.
I přes zmíněné nedostatky práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm „C“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce B
Kvalita zpracování výsledků C
Interpretace výsledků, jejich diskuse C
Využití literatury a její citace C
Úroveň jazykového zpracování C
Formální úroveň práce – celkový dojem C
Závěry práce a jejich formulace B
Topics for thesis defence:
  1. 1/ Co je to vysoká koncentrace solí v kontextu halofilních organismů (v g/L či %)? Jakou koncentraci NaCl má fyziologický roztok?
  2. 2/ Máte FTIR spektrum i pro vzorky rostoucí na agaru s 3HB? Pokud ano, pozorovali jste nějaké významné rozdíly či trendy?
  3. 3/ Jak byl získán použitý reálný hydrolyzát PHB použitý pro kultivaci na reálném hydrolyzátu z PHB, jaké měl pH (nenašla jsem to v metodice)?
  4. 4/ Výsledek na Obrázku 15: pod obrázkem diskutujete, že LA není ideální substrát pro C. therm., nicméně LA jako substrát byla mnohem dříve a kompletně utilizována za stejného výtěžku PHB, jako poskytl 3HB. Došlo sice k menšímu nárůstu biomasy během kultivace s LA, ale tím pádem zároveň muselo dojít k mnohem větší akumulaci PHB v buňkách. Dalo by se této skutečnosti nějak využít?
  5. 5/ Na základě vašich pozorování chování bakterie C. therm., zkoušeli jste, nebo zamýšleli jste se nad kombinací využití obou substrátů během kultivace (jelikož LA se očividně spotřebovává rychleji než 3HB)?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová