Catalase in fluvial biofilms: a comparison between different extraction methods and example of application in a metal-polluted river

Antioxidant enzymes are involved in important processes of cell detoxification during oxidative stress and have, therefore, been used as biomarkers in algae. Nevertheless, their limited use in fluvial biofilms may be due to the complexity of such communities. Here, a comparison between different extraction methods was performed to obtain a reliable method for catalase extraction from fluvial biofilms. Homogenization followed by glass bead disruption appeared to be the best compromise for catalase extraction. This method was then applied to a field study in a metal-polluted stream (Riou Mort, France). The most polluted sites were characterized by a catalase activity 4–6 times lower than in the low-polluted site. Results of the comparison process and its application are promising for the use of catalase activity as an early warning biomarker of toxicity using biofilms in the laboratory and in the field

Fluvial biofilms: a pertinent tool to assess β-blockers toxicity

Among increasingly used pharmaceutical products, β-blockers have been commonly reported at low concentrations in rivers and littoral waters of Europe and North America. Little is known about the toxicity of these chemicals in freshwater ecosystems while their presence may lead to chronic pollution. Hence, in this study the acute toxicity of 3 β-blockers: metoprolol, propranolol and atenolol on fluvial biofilms was assessed by using several biomarkers. Some were indicative of potential alterations in biofilm algae (photosynthetic efficiency), and others in biofilm bacteria (peptidase activity, bacterial mortality). Propranolol was the most toxic β-blocker, mostly affecting the algal photosynthetic process. The exposure to 531 μg/L of propranolol caused 85% of inhibition of photosynthesis after 24 h. Metoprolol was particularly toxic for bacteria. Though estimated No-Effect Concentrations (NEC) were similar to environmental concentrations, higher concentrations of the toxic (503 μg/L metoprolol) caused an increase of 50% in bacterial mortality. Atenolol was the least toxic of the three tested β-blockers. Effects superior to 50% were only observed at very high concentration (707 mg/L). Higher toxicity of metoprolol and propranolol might be due to better absorption within biofilms of these two chemicals. Since β-blockers are mainly found in mixtures in rivers, their differential toxicity could have potential relevant consequences on the interactions between algae and bacteria within river biofilms

The use of pulse amplitude modulated fluorescence techniques for metal toxicity assessment in fluvial biofilms

Metal pollution in rivers is in great concern with human activities in the fluvial watershed. This thesis aims to investigate the potential use of chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity, and to find cause-effect relationships between metal exposures, other environmental factor (i.e. light), and functional and structural biofilm responses. This thesis demonstrates that the use of chl-a fluorescence parameters allows detect early effects on biofilms caused by zinc toxicity, both in the laboratory as in polluted rivers. In microcosm experiments, the use of chl-a fluorescence parameters allows evaluates structural changes on photosynthetic apparatus and in algal groups’ composition of biofilms long-term exposed to zinc. In order to evaluate the effects of chronic metal pollution in rivers, it is recommended the use of biofilm translocation experiments and the use of a multi-biomarker approach.

Availability and use of organic matter in stream ecosystems: the role of biofilms

La comunitat bentònica dels ecosistemes fluvials processa una gran quantitat de la matèria orgànica que arriba als rius. L'origen de les entrades de material (autòctones o al·lòctones), la seva composició química i la seva quantitat (freqüència de les entrades i concentració assolida en el riu), determinen l'estructura de la comunitat bentònica autotròfica i heterotròfica, les seves relacions tròfiques i les seves interaccions potencials (competència, sinergisme). L'objectiu d'aquesta tesi és posar de manifest la utilització de la matèria orgànica dissolta (MOD) per part dels biofilms bacterians bentònics fluvials i determinar l'eficiència del sistema fluvial en l'ús dels diferents materials que hi circulen. Amb aquesta finalitat s'han portat a terme diversos experiments, tant de camp com de laboratori, per tal de conèixer els efectes de la disponibilitat de la matèria orgànica (quantitat) i la seva qualitat (composició química i biodegradabilitat) i els efectes deguts a l'augment de temperatura de l'aigua del riu.

Contribution of antioxidant enzymes to toxicity assessment in fluvial biofilms

Per tal d’avaluar l’impacte de la contaminació en els ecosistemes aquàtics, aquesta tesi es centra en una aproximació multi-biomarcador en els biofilms. En complement dels biomarcadors clàssics, es va demostrar que les activitats dels enzims antioxidants (AEA): catalasa, ascorbat peroxidasa i glutatió reductasa eren biomarcardors d'estrès oxidatiu en els biofilms. Tot i que les AEA poden veure's influenciades amb la mateixa mesura per factors naturals (edat del biofilm, llum de colonització o d'exposició) i contaminants (herbicides i farmacèutics), aquestes AEA permeten entendre millor l'efecte dels contaminants. Cal remarcar que assajos de toxicitat aguda es poden utilitzar per comparar la capacitat antioxidant entre comunitats i conèixer la seva pre-exposició a l'estrès oxidatiu. Aquesta aproximació multi-biomarcador a nivell de comunitat és especialment interessant per avaluar la toxicitat dels contaminants emergents (β-blockers) sobre espècies no-diana. Per tal de millorar-la, també es va verificar la possibilitat de mesurar l'expressió gènica en biofilms.

Effects of priority and emerging pollutants on river biofilms

L'activitat humana representa una de les majors causes d'entrada d'una gran varietat de substàncies en els ecosistemes fluvials. L'objectiu principal d'aquest treball es investigar els efectes que els tòxics orgànics poden exercir en els biofilms fluvials. El riu Llobregat ha estat sotmès a fortes pressions, fet que l'ha portat a uns nivells molt elevats de contaminació. En aquest estudi s'ha observat una influència dels plaguicides presents al riu en la distribució de la comunitat de diatomees, així com efectes en el biofilm a nivell funcional i estructural. Experiments amb canals experimentals han mostrat que l'herbicida diuron i el bactericida triclosan poden ocasionar una cadena d'efectes en els biofilms, incloent efectes directes i també efectes indirectes en les relacions entre els components del biofilm. Experiments amb cultius algals han mostrat que aquests tòxics, aplicats en barreja, poden tenir una major toxicitat de la prevista pels models, resultant en efectes sinèrgics.

The role of fungi and bacteria on the organic matter decomposition process in streams: interaction and relevance in biofilms

L'objectiu d'aquest estudi és el d'investigar sobre l'ús de matèria orgànica per part dels fongs i bacteris que colonitzen diferents substrats bentònics en rius Mediterranis i analitzar l'efecte dels factors ambientals i antròpics sobre l'estabilitat estructural i funcional de les comunitats del biofilm. La metodologia emprada en aquest estudi consisteix en: i) anàlisi de la biomassa bacteriana i fúngica, ii) anàlisi de la composició de les comunitats bentòniques (identificació d'hifomicets aquàtics i anàlisi del 16S rDNA bacterià), i iii) anàlisi de l'activitat enzimàtica extracel·lular relacionada amb el reciclatge de matèria orgànica en rius.

Biofilm formation as a novel phenotypic feature of adherent-invasive Escherichia coli (AIEC)

Crohn's disease (CD) is a high morbidity chronic inflammatory disorder of unknown aetiology. Adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) has been recently implicated in the origin and perpetuation of CD. Because bacterial biofilms in the gut mucosa are suspected to play a role in CD and biofilm formation is a feature of certain pathogenic E. coli strains, we compared the biofilmformation capacity of 27 AIEC and 38 non-AIEC strains isolated from the intestinal mucosa. Biofilmformation capacity was then contrasted with the AIEC phenotype, the serotype, the phylotype, andthe presence of virulence genes. Results: Specific biofilm formation (SBF) indices were higher amongst AIEC than non-AIEC strains(P = 0.012). In addition, 65.4% of moderate to strong biofilms producers were AIEC, whereas74.4% of weak biofilm producers were non-AIEC (P = 0.002). These data indicate that AIEC strainswere more efficient biofilm producers than non-AIEC strains. Moreover, adhesion (P = 0.009) andinvasion (P = 0.003) indices correlated positively with higher SBF indices. Additionally, motility(100%, P < 0.001), H1 type flagellin (53.8%, P < 0.001), serogroups O83 (19.2%, P = 0.008) and O22(26.9%, P = 0.001), the presence of virulence genes such as sfa/focDE (38.5%, P = 0.003) and ibeA(26.9%, P = 0.017), and B2 phylotype (80.8%, P < 0.001) were frequent characteristics amongstbiofilm producers.Conclusion: The principal contribution of the present work is the finding that biofilm formationcapacity is a novel, complementary pathogenic feature of the recently described AIEC pathovar. Characterization of AIEC specific genetic determinants, and the regulatory pathways, involved in biofilm formation will likely bring new insights into AIEC pathogenesis

Intestinal microbiology in Crohn's disease: a study of Escherichia coli as a potential etiologic agent

La malaltia de Crohn és una malaltia inflamatòria intestinal crònica d'etiologia encara desconeguda. Actualment es pensa que hi participen factors genètics i immunològics que confereixen una susceptibilitat a l'hoste, i factors externs o ambientals, com serien els microorganismes i/o l'estil de vida. L'objectiu principal d'aquest treball ha estat descriure les poblacions bacterianes associades especialment als malalts de Crohn, amb la intenció d'identificar possibles agents etiològics. Els resultats d'aquest treball coincideixen amb investigacions prèvies que descriuen l'alteració bacteriana present en els malalts de Crohn (disbiosi) i recolzen la hipòtesi que implica el recentment descrit patovar "Adherent- Invasive Escherichia coli" (AIEC) en l'etiologia d'aquesta malaltia inflamatòria intestinal. A més, contribuïm a la descripció de les poblacions d'E. coli associades a la mucosa intestinal aportant dades sobre aspectes ecològics i patogènics. Finalment, descrivim nous aspectes fenotípics d'AIEC que podrien estar relacionats amb la seva patogènia, com seria la capacitat de formar biofilms.

Fate and effects of copper in fluvial ecosystems: the role of periphyton

L'activitat humana és una de les majors causes d'elevades concentracions de nutrients i substàncies tòxiques en els ecosistemes fluvials. Entre la gran varietat de factors que alteren aquests ecosistemes, l'eutrofització i la contaminació per metalls pesants són dos dels principals problemes ambientals en països desenvolupats. Els biofilms fluvials (també anomenats comunitats perifítiques) representen una eina valuosa per avaluar els efectes dels contaminants (ex. nutrients i metalls) en els ecosistemes aquàtics. Aquest treball pretén investigar el destí i els efectes del Cu en els ecosistemes fluvials centrant-se en les comunitats perifítiques. Diferents metodologies han estat desenvolupades i/o adaptades per investigar específicament la dinàmica del Cu, la seva toxicitat i bioacumulació en comunitats perifítiques naturals, i la interacció entre l'eutrofització i la toxicitat del Cu en aquests ecosistemes.