Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 113-130.

Polyhydroxybutyrate (PHB) has emerged as a promising eco-friendly alternative to
traditional petrochemical- based plastics. They are biodegradable substances easily be
converted into CO2 and water within a year by a variety of microbes. This work was
conducted to isolate PHB producing bacteria from seawater and biofloc using different
types of media to determine the most suitable media for isolation. Also screening the
isolates using Sudan Black B (SBB) and Nile blue A (NbA). The obtained results indicated
that sucrose yeast extract medium is the most suitable medium for isolation of PHB
producing bacteria. A number of 138 out of 460 isolates stained with SBB gave positive
results (black- blue coloring). While 17 of them were considered as PHB producers when
using NbA dye. Among the 17 bacterial isolates, new strains Salinicola salarius
ES021 and Bacillus velezensis VS05 showed the capability to accumulate the
highest amount of PHB. The identity of the selected isolates was identified based on
their Vitek MS, Vitek 2 and 16S rRNA gene sequencing. Whole genome analysis was
implemented to identify the PHB-related genes in Salinicola salarius ES021 and
Bacillus velezensis VS05. Optimization of environmental factors using one factor at
time such as fermentation medium, incubation temperature, shaking rate, pH value,
inoculum size and incubation period when growing Salinicola salarius ES021 strain
using different raw materials i.e., salted whey and sugarcane molasses as cost effective
carbon source. The PHB productivity were 5.39 g/L and 13.34 g/L using salted whey and
molasses (5% sucrose) as a fermentation media, respectively. Strain VS05 was selected for
the statistical RSM modeling using Placket-Burman design and Box-Behnken design
respectively to optimize eleven factors for the PHB production. These factors included
shaking rate, pH, temperature, sugar concentration, salt concentration, KH2PO4, MgSO4,
yeast extract, inoclume size, fermentation time, (NH4)2SO4. Three factors, i.e. MgSO4,
fermentation time and shaking rate were shown to significantly improve the PHB
production. The PHB productivity were 5.60 g/L and 15.22 g/L using salted whey and
molasses (5% sucrose) as a fermentation media, respectively. Thus molasses medium was
used to upscale PHB production in a 20 L and 150 L bioreactors yielding a PHB of 12.88
and 10.80 g/L with Salinicola salarius, respectively. While the PHB yield were 13.50 and
11.20 g/L with Bacillus velezensis, respectively. Furthermore, the produced polymer was
confirmed as PHB using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear
magnetic resonance spectroscopy (NMR) analyses and physical properties. Finally biofilm
was prepared from the produced PHB.

برز بولي هيدروكسي بوتيرات (PHB) كبديل واعد وصديق للبيئة للبلاستيك التقليدي المشتق من البتروكيماويات. فهو مادة قابلة للتحلل الحيوي، ويمكن تحويلها بسهولة إلى ثاني أكسيد الكربون والماء خلال عام واحد بواسطة مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة. أُجري هذا العمل لعزل البكتيريا المنتجة لـ PHB من مياه البحر والكتل الحيوية باستخدام أنواع مختلفة من الأوساط لتحديد أنسبها للعزل. كما تم فحص العزلات باستخدام صبغة سودان بلاك بي (SBB) وصبغة النيل الأزرق إيه (NbA). أشارت النتائج إلى أن وسط مستخلص الخميرة والسكروز هو الأنسب لعزل البكتيريا المنتجة لـ PHB. فقد أعطى 138 عزلة من أصل 460 عزلة مصبوغة بصبغة SBB نتائج إيجابية (تلوين أسود-أزرق). بينما اعتُبرت 17 عزلة منها منتجة لـ PHB عند استخدام صبغة NbA. من بين 17 عزلة بكتيرية، أظهرت السلالتان الجديدتان Salinicola salarius ES021 وBacillus velezensis VS05 قدرةً على تراكم أعلى كمية من PHB. تم تحديد هوية العزلات المختارة بناءً على تسلسل جينات Vitek MS وVitek 2 و16S rRNA. تم إجراء تحليل الجينوم الكامل لتحديد الجينات المرتبطة بـ PHB في Salinicola salarius ES021 وBacillus velezensis VS05. تم تحسين العوامل البيئية باستخدام عامل واحد في كل مرة، مثل وسط التخمر، ودرجة حرارة الحضانة، ومعدل الرج، وقيمة الرقم الهيدروجيني، وحجم اللقاح، وفترة الحضانة عند زراعة سلالة Salinicola salarius ES021 باستخدام مواد خام مختلفة، مثل مصل اللبن المملح ودبس قصب السكر كمصدر فعال من حيث التكلفة للكربون. بلغت إنتاجية PHB 5.39 غ/ل و13.34 غ/ل باستخدام مصل اللبن المملح ودبس السكر (5% سكروز) كوسط تخمير، على التوالي. تم اختيار السلالة VS05 لنمذجة RSM الإحصائية باستخدام تصميم بلاكيت-بورمان وتصميم بوكس-بينكن، على التوالي، لتحسين أحد عشر عاملاً لإنتاج PHB. شملت هذه العوامل: معدل الرج، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، وتركيز السكر، وتركيز الملح، وKH2PO4، وMgSO4، ومستخلص الخميرة، وحجم اللقاح، ووقت التخمير، و(NH4)2SO4. أظهرت ثلاثة عوامل، وهي MgSO4، ووقت التخمير، ومعدل الرج، تحسناً ملحوظاً في إنتاج PHB. بلغت إنتاجية PHB 5.60 غ/ل و15.22 غ/ل باستخدام مصل اللبن المملح ودبس السكر (5% سكروز) كوسط تخمير، على التوالي. وهكذا، استُخدم وسط دبس السكر لزيادة إنتاج بولي هيدروكسي بوتيرات (PHB) في مفاعلين حيويين سعة 20 لترًا و150 لترًا، مما أسفر عن إنتاج PHB بتركيز 12.88 و10.80 غ/لتر باستخدام بكتيريا سالينيكولا سالاريوس، على التوالي. بينما بلغ إنتاج PHB 13.50 و11.20 غ/لتر باستخدام بكتيريا باسيلوس فيليزينسيس، على التوالي. علاوة على ذلك، تم تأكيد أن البوليمر المُنتَج هو PHB باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والخصائص الفيزيائية. وأخيرًا، تم تحضير غشاء حيوي من PHB المُنتَج.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.