Heterotrophic Bacteria Associated with Cyanobacteria in Recreational and Drinking Water

Cyanobacterial mass occurrences, also known as water blooms, have been associated with adverse health effects of both humans and animals. They can also be a burden to drinking water treatment facilities. Risk assessments of the blooms have generally focused on the cyanobacteria themselves and their toxins. However, heterotrophic bacteria thriving among cyanobacteria may also be responsible for many of the adverse health effects, but their role as the etiological agents of these health problems is poorly known. In addition, studies on the water purification efficiency of operating water treatment plants during cyanobacterial mass occurrences in their water sources are rare. In the present study, over 600 heterotrophic bacterial strains were isolated from natural freshwater, brackish water or from treated drinking water. The sampling sites were selected as having frequent cyanobacterial occurrences in the water bodies or in the water sources of the drinking water treatment plants. In addition, samples were taken from sites where cyanobacterial water blooms were surmised to have caused human health problems. The isolated strains represented bacteria from 57 different genera of the Gamma-, Alpha- or Betaproteobacteria, Actinobacteria, Flavobacteria, Sphingobacteria, Bacilli and Deinococci classes, based on their partial 16S rRNA sequences. Several isolates had no close relatives among previously isolated bacteria or cloned 16S rRNA genes of uncultivated bacteria. The results show that water blooms are associated with a diverse community of cultivable heterotrophic bacteria. Chosen subsets of the isolated strains were analysed for features such as their virulence gene content and possible effect on cyanobacterial growth. Of the putatively pathogenic haemolytic strains isolated in the study, the majority represented the genus Aeromonas. Therefore, the Aeromonas spp. strains isolated from water samples associated with adverse health effects were screened for the virulence gene types encoding for enterotoxins (ast, alt and act/aerA/hlyA), flagellin subunits (flaA/flaB), lipase (lip/pla/lipH3/alp-1) and elastase (ahyB) by PCR. The majority (90%) of the Aeromonas strains included one or more of the six screened Aeromonas virulence gene types. The most common gene type was act, which was present in 77% of the strains. The fla, ahyB and lip genes were present in 30 37% of the strains. The prevalence of the virulence genes implies that the Aeromonas may be a factor in some of the cyanobacterial associated health problems. Of the 183 isolated bacterial strains that were studied for possible effects on cyanobacterial growth, the majority (60%) either enhanced or inhibited growth of cyanobacteria. In most cases, they enhanced the growth, which implies mutualistic interactions. The results indicate that the heterotrophic bacteria have a role in the rise and fall of the cyanobacterial water blooms. The genetic and phenotypic characteristics and the ability to degrade cyanobacterial hepatotoxins of 13 previously isolated Betaproteobacteria strains, were also studied. The strains originated from Finnish lakes with frequent cyanobacterial occurrence. Tested strains degraded microcystins -LR and -YR and nodularin. The strains could not be assigned to any described bacterial genus or species based on their genetic or phenotypic features. On the basis of their characteristics a new genus and species Paucibacter toxinivorans was proposed for them. The water purification efficiency of the drinking water treatment processes during cyanobacterial water bloom in water source was assessed at an operating surface water treatment plant. Large phytoplankton, cyanobacterial hepatotoxins, endotoxins and cultivable heterotrophic bacteria were efficiently reduced to low concentrations, often below the detection limits. In contrast, small planktonic cells, including also possible bacterial cells, regularly passed though the water treatment. The passing cells may contribute to biofilm formation within the water distribution system, and therefore lower the obtained drinking water quality. The bacterial strains of this study offer a rich source of isolated strains for examining interactions between cyanobacteria and the heterotrophic bacteria associated with them. The degraders of cyanobacterial hepatotoxins could perhaps be utilized to assist the removal of the hepatotoxins during water treatment, whereas inhibitors of cyanobacterial growth might be useful in controlling cyanobacterial water blooms. The putative pathogenicity of the strains suggests that the health risk assessment of the cyanobacterial blooms should also cover the heterotrophic bacteria.

Defining Adequate Vitamin D Intake : Cross-sectional and Intervention Studies

D-vitamiini ylläpitää normaalia luun kasvua ja uudistumista koko elämän ajan. Suomessa, kuten monissa muissakin länsimaissa, väestön D-vitamiinitilanne on riittämätön – talvisin osalla jopa puutteellinen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, lisääkö D-vitamiini luumassan kertymistä kasvuiässä, ja ylläpitäkö D-vitamiini luuston tasapainoista aineenvaihduntaa aikuisiällä. Nämä vaikutukset saattavat ehkäisi osteoporoosin kehittymistä eri ikäkausina. Väitöskirjatyössä tutkittiin erisuuruisten D-vitamiinilisäysten vaikutuksia kolmessa eri ikäryhmässä, jotka olivat 11-12 -vuotiaat tytöt (N=228), 21-49 -vuotiaat miehet (N=54) ja 65-85 -vuotiaat naiset (N=52). Tutkittavat satunnaistettiin ryhmiin, jotka nauttivat joko lumevalmistetta tai 5-20 µg D3-vitamiinia vitamiinilisänä. Tutkimukset olivat kaksoissokkoutettuja. Tutkimuksen aikana tutkittavilta otettiin paastoveri- ja virtsanäytteitä. Lisäksi he täyttivät tutkimuslomakkeen taustatietojen kartoittamiseksi sekä frekvenssikyselylomakkeen kalsiumin ja D-vitamiinin saannin selvittämiseksi. Tyttöjen luunmineraalitiheys (BMD) mitattiin DXA–laitteella ja miesten volumetrinen luuntiheys pQCT-menetelmällä. Näytteistä määritettiin mm. seerumin 25-hydroksi-D-vitamiinin (=S-25-OHD), lisäkilpirauhashormonin (=S-PTH) ja luun aineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Murrosikäisten tyttöjen poikkileikkaustutkimuksessa S-25-OHD- ja luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudet vaihtelivat kuukausien välillä; suurimmat pitoisuudet mitattiin syyskuussa ja pienimmät maaliskuussa, mikä kuvastaa vuodenaikaisvaihtelua. Vastaava vaihtelu havaittiin lannerangan ja reisiluun BMD:ssä. D-vitamiinilisäyksellä oli myönteinen vaikutus tyttöjen luumassan lisääntymiseen. Suurin D-vitamiinilisä (10 µg/vrk) lisäsi luumassaa 17.2% enemmän reisiluussa ja 12.5% enemmän lannerangassa verrattuna lumevalmistetta nauttivien tyttöjen vastaaviin tuloksiin, mutta tulos riippui hoitomyöntyvyydestä. D-vitamiinin vaikutus luustoon välittyi vähentyneen luun hajotuksen kautta. Tutkimustuloksiin perustuen riittävä D-vitamiinin saanti murrosikäisille tytöille on 15 µg/vrk. D-vitamiinilisän vaikutus 65-85 -vuotiaiden naisten S-25-OHD-pitoisuuteen vakioitui kuudessa viikossa annoksen ollessa 5-20 µg/vrk. Näillä D-vitamiiniannoksilla ei saavutettu tavoiteltavaa S-25-OHD-pitoisuutta, joka on 80 nmol/l. Arvioimme, että 60 nmol/l -pitoisuuden, jota esiintyy kesäisin tämän ikäryhmän suomalaisilla, tämän ikäryhmän naiset saavuttaisivat 24 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla. Terveillä miehillä havaittiin vuodenaikaisvaihtelu S-25-OHD- ja S-PTH-pitoisuudessa sekä luun hajotusta kuvaavassa merkkiainepitoisuudessa. Toisaalta vaihtelua ei havaittu radiuksen volumetrisessä luuntiheydessä eikä luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudessa. Vuodenaikaisvaihtelu estettiin 17 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla, mutta tämän ei havaittu vaikuttavan radiuksen luuntiheyteen kuusi kuukautta kestävän tutkimuksen aikana. Yhteenvetona todetaan, että D-vitamiinin saanti on edelleenkin riittämätöntä tutkimusten kohderyhmillä. Tämä näkyy S-25-OHD- ja PTH-pitoisuuden sekä luunaineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden vuodenaikaisvaihteluna, mikä on haitallista luuston hyvinvoinnille. D-vitamiinin saantia tulisi lisätä, jotta vähintäänkin riittävä D-vitamiinitilanne (S-25-OHD>50 nmol/l) tai mahdollisesti jopa tavoiteltava D-vitaminitilanne (S-25-OHD≥80 nmol/l) saavutettaisiin. Jotta D-vitamiinin saannin lisääminen olisi kaikissa ikäryhmissä mahdollista, on suunniteltava nykyistä enemmän D-vitamiinilla täydennettyjä elintarvikkeita.

Preparation, structural analysis and prebiotic potential of arabinoxylo-oligosaccharides

Arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) can be prepared enzymatically from arabinoxylans (AX) and AXOS are known to possess prebiotic potential. Here the structural features of 10 cereal AX were examined. AX were hydrolysed by Shearzyme® to prepare AXOS, and their structures were fully analysed. The prebiotic potential of the purified AXOS was studied in the fermentation experiments with bifidobacteria and faecal microbiota. In AX extracted from flours and bran, high amounts of a-L-Araf units are attached to the b-D-Xylp main chain, whereas moderate or low degree of substitution was found from husks, cob and straw. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy showed that flour and bran AX contain high amounts of a-L-Araf units bound to the O-3 of b-D-Xylp residues and doubly substituted b-D-Xylp units with a-L-Araf substituents at O-2 and O-3. Barley husk and corn cob AX contain high amounts of b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chains, which can also be found in AX from oat spelts and rice husks, and in lesser amounts in wheat straw AX. Rye and wheat flour AX and oat spelt AX were hydrolysed by Shearzyme® (with Aspergillus aculeatus GH10 endo-1,4-b-D-xylanase as the main enzyme) for the production of AXOS on a milligram scale. The AXOS were purified and their structures fully analysed, using mass spectrometry (MS) and 1D and 2D NMR spectroscopy. Monosubstituted xylobiose and xylotriose with a-L-Araf attached to the O-3 or O-2 of the nonreducing end b-D-Xylp unit and disubstituted AXOS with two a-L-Araf units at the nonreducing end b-D-Xylp unit of xylobiose or xylotriose were produced. Xylobiose with b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chain was also purified. These AXOS were used as standards in further identification and quantification of corresponding AXOS from the hydrolysates in high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) analysis. The prebiotic potential of AXOS was tested in in vitro fermentation experiments. Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703 and B. longum ATCC 15707 utilized AXOS from the AX hydrolysates. Both species released L-arabinose from AXOS, but B. adolescentis consumed the XOS formed, whereas B. longum fermented the L-arabinose released. The third species tested, B. breve ATCC 15700, grew poorly on these substrates. When cultivated on pure AXOS, the bifidobacterial mixture utilized pure singly substituted AXOS almost completely, but no growth was detected with pure doubly substituted AXOS as substrates. However, doubly substituted AXOS were utilized from the mixture of xylose, XOS and AXOS. Faecal microbiota utilized both pure singly and doubly substituted AXOS. Thus, a mixture of singly and doubly substituted AXOS could function as a suitable, slowly fermenting prebiotic substance. This thesis contributes to the structural information on cereal AX and preparation of mono and doubly substituted AXOS from AX. Understanding the utilization strategies is fundamental in evaluating the prebiotic potential of AXOS. Further research is still required before AXOS can be used in applications for human consumption.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

Characterization of Actinobacteria Degrading and Tolerating Organic Pollutants

Species of the genera Rhodococcus, Gordonia and Mycobacterium are known as degraders of recalcitrant pollutants. These bacteria are good survivors in harsh environments. Due to such properties these organisms are able to occupy a wide range of environmental niches. The members of these taxa have been suggested as tools for biotechnical applications such as bioremediation and biosynthesis. At the same time several of the species are known as opportunistic human pathogens. Therefore, the detailed characterization of any isolate that has potential for biotechnological applications is very important. This thesis deals with several corynebacterial strains originating from different polluted environments: soil, water-damaged indoor walls, and drinking water distribution systems. A polyphasic taxonomic approach was applied for characterization of the isolates. We found that the strains degrading monoaromatic compounds belonged to Rhodococcus opacus, a species that has not been associated with any health problem. The taxonomic position of strain B293, used for many years in degradation research under different names, was clarified. We assigned it to the species Gordonia polyisoprenivorans. This species is classified under European Biohazard grouping 1, meaning that it is not considered a health hazard for humans. However, there are reports of catheter-associated bacteraemia caused by G. polyisoprenivorans. Our results suggested that the ability of the organism to grow on phthalate esters, used as softeners in medical plastics, may be associated with the colonization of catheters and other devices. In this thesis Mycobacterium lentiflavum, a new emerging opportunistic human pathogen, was isolated from biofilms growing in public drinking water distribution systems. Our report on isolation of M. lentiflavum from water supplies is the second report on this species from drinking water systems, which may thus constitute a reservoir of M. lentiflavum. Automated riboprinting was evaluated for its applicability in rapidly identifying environmental mycobacteria. The technique was found useful in the characterization of several species of rapidly and slowly growing environmental mycobacteria. The second aspect of this thesis refers to characterization of the degradation and tolerance power of several R. opacus, M. murale and G. polyisoprenivorans strains. R. opacus GM-14 utilizes a wide range of aromatic substrates, including benzene, 15 different halobenzenes, 18 phenols and 7 benzoates. This study revealed the high tolerance of R. opacus strains toward toxic hydrophobic compounds. R. opacus GM-14 grew in mineral medium to which benzene or monochlorobenzene was added in amounts of 13 or 3 g l-1, respectively. R. opacus GM-29 utilized toluene and benzene for growth. Strain GM-29 grew in mineral medium with 7 g l-1 of liquid toluene or benzene as the sole carbon source, corresponding to aqueous concentrations of 470 and 650 mg l-1, respectively. Most organic solvents, such as toluene and benzene, due to their high level of hydrophobicity, pass through the bacterial membrane, causing its disintegration. In this thesis the mechanisms of adaptation of rhodococci to toxic hydrophobic compounds were investigated. The rhodococcal strains increased the level of saturation of their cellular fatty acids in response to challenge with phenol, chlorophenol, benzene, chlorobenzene or toluene. The results indicated that increase in the saturation level of cellular fatty acids, particularly that in tuberculostearic acid, is part of the adaptation mechanism of strains GM-14 and GM-29 to the presence of toxic hydrophobic compounds.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Food and Indoor Air Isolated Bacillus Non-Protein Toxins: : Structures, Physico-Chemical Properties and Mechanisms of Effects on Eukaryotic Cells

We report here the structures and properties of heat-stable, non-protein, and mammalian cell-toxic compounds produced by spore-forming bacilli isolated from indoor air of buildings and from food. Little information is available on the effects and occurrence of heat-stable non-protein toxins produced by bacilli in moisture-damaged buildings. Bacilli emit spores that move in the air and can serve as the carriers of toxins, in a manner similar to that of the spores of toxic fungi found in contaminated indoor air. Bacillus spores in food cause problems because they tolerate the temperatures applied in food manufacture and the spores later initiate growth when food storage conditions are more favorable. Detection of the toxic compounds in Bacillus is based on using the change in mobility of boar spermatozoa as an indicator of toxic exposure. GC, LC, MS, and nuclear magnetic resonance NMR spectroscopy were used for purification, detection, quantitation, and analysis of the properties and structures of the compounds. Toxicity and the mechanisms of toxicity of the compounds were studied using boar spermatozoa, feline lung cells, human neural cells, and mitochondria isolated from rat liver. The ionophoric properties were studied using the BLM (black-lipid membrane) method. One novel toxin, forming ion channels permeant to K+ > Na+ > Ca2+, was found and named amylosin. It is produced by B. amyloliquefaciens isolated from indoor air of moisture-damaged buildings. Amylosin was purified with an RP-HPLC and a monoisotopic mass of 1197 Da was determined with ESI-IT-MS. Furthermore, acid hydrolysis of amylosin followed by analysis of the amino acids with the GS-MS showed that it was a peptide. The presence of a chromophoric polyene group was found using a NMR spectroscopy. The quantification method developed for amylosin based on RP-HPLC-UV, using the macrolactone polyene, amphotericin B (MW 924), as a reference compound. The B. licheniformis strains isolated from a food poisoning case produced a lipopeptide, lichenysin A, that ruptured mammalian cell membranes and was purified with a LC. Lichenysin A was identified by its protonated molecules and sodium- and potassium- cationized molecules with MALDI-TOF-MS. Its protonated forms were observed at m/z 1007, 1021 and 1035. The amino acids of lichenysin A were analyzed with ESI-TQ-MS/MS and, after acid hydrolysis, the stereoisomeric forms of the amino acids with RP-HPLC. The indoor air isolates of the strain of B. amyloliquefaciens produced not only amylosin but also lipopeptides: the cell membrane-damaging surfactin and the fungicidal fengycin. They were identified with ESI-IT-MS observing their protonated molecules, the sodium- and potassium-cationized molecules and analysing the MS/MS spectra. The protonated molecules of surfactin and fengycin showed m/z values of 1009, 1023, and 1037 and 1450, 1463, 1493, and 1506, respectively. Cereulide (MW 1152) was purified with RP-HPLC from a food poisoning strain of B. cereus. Cereulide was identified with ESI-TQ-MS according to the protonated molecule observed at m/z 1154 and the ammonium-, sodium- and potassium-cationized molecules observed at m/z 1171, 1176, and 1192, respectively. The fragment ions of the MS/MS spectrum obtained from the protonated molecule of cereulide at m/z 1154 were also interpreted. We developed a quantification method for cereulide, using RP-HPLC-UV and valinomycin (MW 1110, which structurally resembles cereulide) as the reference compound. Furthermore, we showed empirically, using the BLM method, that the emetic toxin cereulide is a specific and effective potassium ionophore of whose toxicity target is especially the mitochondria.

Genetic diversity and microcystin production by Anabaena in the Gulf of Finland, Baltic Sea

Syanobakteerit (sinilevät) ovat olleet Itämeressä koko nykymuotoisen Itämeren ajan, sillä paleolimnologiset todisteet niiden olemassaolosta Itämeren alueella ovat noin 7000 vuoden takaa. Syanobakteerien massaesiintymät eli kukinnat ovat kuitenkin sekä levinneet laajemmille alueille että tulleet voimakkaimmiksi viimeisten vuosikymmenien aikana. Tähän on osasyynä ihmisten aiheuttama kuormitus, joka rehevöittää Itämerta. Suomenlahti, jota tämä tutkimus käsittelee, on kärsinyt tästä rehevöitymiskehityksestä muita Itämeren altaita enemmän. Syanobakteerit muodostavat jokakesäisiä kukintoja Suomenlahdella - niin sen avomerialueilla kuin rannoillakin. Yleisimmät kukintoja muodostavat syanobakteerisuvut ovat Nodularia, Anabaena ja Aphanizomenon. Kukinnat aiheuttavat paitsi esteettistä haittaa myös terveydellisen riskitekijän. Niiden myrkyllisyys liitetään usein Nodularia-suvun tuottamaan nodulariini-maksamyrkkyyn. Itämeren Aphanizomenon-suvun on todettu olevan myrkytön. Vaikka Itämeren kukintoja aiheuttavista Nodularia- ja Aphanizomenon-syanobakteereista tiedetään varsin paljon, on molekyylimenetelmiin pohjautuva syanobakteeritutkimus ohittanut Itämeren Anabaena-suvun monelta osin. Tämän työn tarkoituksena oli syventää käsitystämme Itämeren Anabaena-syanobakteerista, sen mahdollisesta myrkyllisyydestä, geneettisestä monimuotoisuudesta ja fylogeneettisista sukulaisuussuhteista. Tässä työssä eristettiin 49 planktista Anabaena-kantaa, joista viisi tuottivat mikrokystiinejä. Tämä oli ensimmäinen yksiselitteinen todiste, että Itämeren Anabaena tuottaa maksamyrkyllisiä mikrokystiini-yhdisteitä. Jokainen eristetty myrkyllinen Anabaena-kanta tuotti useita mikrokystiini-variantteja. Lisäksi mikrokystiinejä löydettiin kukintanäytteistä, joissa oli myrkkyä syntetisoivia geenejä sisältäneitä Anabaena-syanobakteereita. Myrkkyjä löydettiin molempina tutkimusvuosina 2003 ja 2004. Myrkkyjen esiintyminen ei siten ollut vain yksittäinen ilmiö. Tässä työssä saimme viitteitä siitä, että maksamyrkyllinen Anabaena-syanobakteeri esiintyisi vähäsuolaisissa vesissä. Tämä riippuvuussuhde jää kuitenkin tulevien tutkimuksien selvitettäväksi. Tässä työssä havaittiin mikrokystiinisyntetaasi-geenien inaktivoituminen Itämeren Anabaena-kannassa ja kukintanäytteissä. Kuvasimme Anabaena-kannan mikrokystiinisyntetaasigeenien sisältä insertioita, jotka hyvin todennäköisesti inaktivoivat myrkyntuoton. Insertion sisältäneeltä kannalta löysimme kuitenkin kaikki mikrokystiinisyntetaasigeenit osoittaen, että geenien olemassaolo ei välttämättä varmista kannan mikrokystiinintuottoa. Mielenkiintoista oli se, että inaktivaation aiheuttavia insertioita löytyi kukintanäytteistä molemmilta tutkimusvuosilta. Vastaavia insertioita ei kuitenkaan löydetty makean veden Anabaena-kannoista tai järvinäytteistä. On yleistä, että syanobakteerikukinnoista löytyy usean syanobakteerisuvun edustajia. Myrkyllisiä sukuja tai lajeja ei voida kuitenkaan erottaa mikroskooppisesti myrkyttömistä. Käsillä olevassa tutkimuksessa kehitettiin molekyylimenetelmä, jolla on mahdollista määrittää kukinnan mahdollisesti maksamyrkylliset syanobakteerisuvut. Tätä menetelmää sovellettiin Itämeren kukintojen tutkimiseen. Itämeren pintavesistä ja ranta-alueiden pohjasta eristetyt Anabaena-kannat osoittautuivat geneettisesti monimuotoisiksi. Tämä Anabaena-syanobakteerien geneettinen monimuotoisuus vahvistettiin monistamalla geenejä suoraan kukintanäytteistä ilman kantojen eristystä. Makeiden vesien ja Itämeren Anabaena-kannat ovat geneettisesti hyvin samankaltaisia. Geneettisissä vertailuissa kävi kuitenkin ilmi, että pohjassa elävien Anabaena-kantojen geneettinen monimuotoisuus oli suurempaa kuin pintavesistä eristettyjen kantojen. Itämeren Anabaena-kantojen sekvenssit muodostivat omia ryhmiä sukupuun sisällä, jolloin on mahdollista, että nämä edustavat Itämeren omia Anabaena-ekotyyppejä. Tämä tutkimus oli ensimmäinen, jossa uusin molekyylimenetelmin systemaattisesti selvitettiin Itämeren Anabaena-syanobakteerin geneettistä populaatiorakennetta, fylogeniaa ja myrkyntuottoa. Tulevaisuudessa monitorointitutkimuksissa on otettava huomioon myös Itämeren Anabaena-syanobakteerin mahdollinen maksamyrkyntuotto – erityisesti vähäsuolaisemmilla rannikkovesillä.

Biodiversity and Phylogeny of Planktic Cyanobacteria in Temperate Freshwater Lakes

Currently, the classification used for cyanobacteria is based mainly on morphology. In many cases the classification is known to be incongruent with the phylogeny of cyanobacteria. The evaluation of this classification is complicated by the fact that numerous strains are only described morphologically and have not been isolated. Moreover, the phenotype of many cyanobacterial strains alters during prolonged laboratory cultivation. In this thesis, cyanobacterial strains were isolated from lakes (mainly Lake Tuusulanjärvi) and both morphology and phylogeny of the isolates were investigated. The cyanobacterial community composition in Lake Tuusulanjärvi was followed for two years in order to relate the success of cyanobacterial phenotypes and genotypes to environmental conditions. In addition, molecular biological methods were compared with traditional microscopic enumeration and their ability and usefulness in describing the cyanobacterial diversity was evaluated. The Anabaena, Aphanizomenon, and Trichormus strains were genetically heterogeneous and polyphyletic. The phylogenetic relationships of the heterocytous cyanobacteria were not congruent with their classification. In contrast to heterocytous cyanobacteria, the phylogenetic relationships of the Snowella and Woronichinia strains, which had not been studied before this thesis, reflected the morphology of strains and followed their current classification. The Snowella strains formed a monophyletic cluster, which was most closely related to the Woronichinia strain. In addition, a new cluster of thin, filamentous cyanobacterial strains identified as Limnothrix redekei was revealed. This cluster was not closely related to any other known cyanobacteria. The cyanobacterial community composition in Lake Tuusulanjärvi was studied with molecular methods [denaturant gradient gel electrophoresis (DGGE) and cloning of the 16S rRNA gene], through enumerations of cyanobacteria under microscope, and by strain isolations. Microcystis, Anabaena/Aphanizomenon, and Synechococcus were the major groups in the cyanobacterial community in Lake Tuusulanjärvi during the two-year monitoring period. These groups showed seasonal succession, and their success was related to different environmental conditions. The major groups of the cyanobacterial community were detected by all used methods. However, cloning gave higher estimates than microscopy for the proportions of heterocytous cyanobacteria and Synechococcus. The differences were probably caused by the high 16S rRNA gene copy numbers in heterotrophic cyanobacteria and by problems in the identification and detection of unicellular cyanobacteria.