Automating fault tolerance in high-performance computational biological jobs using multi-agent approaches

Background: Large-scale biological jobs on high-performance computing systems require manual intervention if one or more computing cores on which they execute fail. This places not only a cost on the maintenance of the job, but also a cost on the time taken for reinstating the job and the risk of losing data and execution accomplished by the job before it failed. Approaches which can proactively detect computing core failures and take action to relocate the computing core's job onto reliable cores can make a significant step towards automating fault tolerance. Method: This paper describes an experimental investigation into the use of multi-agent approaches for fault tolerance. Two approaches are studied, the first at the job level and the second at the core level. The approaches are investigated for single core failure scenarios that can occur in the execution of parallel reduction algorithms on computer clusters. A third approach is proposed that incorporates multi-agent technology both at the job and core level. Experiments are pursued in the context of genome searching, a popular computational biology application. Result: The key conclusion is that the approaches proposed are feasible for automating fault tolerance in high-performance computing systems with minimal human intervention. In a typical experiment in which the fault tolerance is studied, centralised and decentralised checkpointing approaches on an average add 90% to the actual time for executing the job. On the other hand, in the same experiment the multi-agent approaches add only 10% to the overall execution time

A biological survey method applied to seafloor massive sulphides (SMS) with contagiously distributed hydrothermal-vent fauna

Strategies for mitigation of seafloor massive sulphide (SMS) extraction in the deep sea include establishment of suitable reference sites that allow for studies of natural environmental variability and that can serve as sources of larvae for re-colonisation of extracted hydrothermal fields. In this study, we characterize deep-sea vent communities in Manus Basin (Bismarck Sea, Papua New Guinea) and use macrofaunal data sets from a proposed reference site (South Su) and a proposed mine site (Solwara 1) to test the hypothesis that there was no difference in macrofaunal community structure between the sites. We used dispersion weighting to adjust taxa-abundance matrices to down-weight the contribution of contagious distributions of numerically abundant taxa. Faunal assemblages of 3 habitat types defined by biogenic taxa (2 provannid snails, Alviniconcha spp. and Ifremeria nautilei; and a sessile barnacle, Eochionelasmus ohtai) were distinct from one another and from the vent peripheral assemblage, but were not differentiable from mound-to-mound within a site or between sites. Mussel and tubeworm populations at South Su but not at Solwara 1 enhance the taxonomic and habitat diversity of the proposed reference site. © Inter-Research 2012.

Mineralogy, chemistry and biological contingents of an early-middle Miocene Antarctic paleosol and its relevance as a Martian analogue

Fossil mesofauna and bacteria recovered from a paleosol in a moraine situated adjacent to the inland ice, Antarctica, and dating to the earliest glacial event in the Antarctic Dry Valleys opens several questions. The most important relates to understanding of the mineralogy and chemistry of the weathered substrate habitat in which Coleoptera apparently thrived at some point in the Early/Middle Miocene and perhaps earlier. Here, Coleoptera remains are only located in one of six horizons in a paleosol formed in moraine deposited during the alpine glacial event (> 15 Ma). A tendency for quartz to decrease upward in the section may be a detrital effect or a product of dissolution in the early stage of profile morphogenesis when climate was presumably milder and the depositing glacier of temperate type. Discontinuous distributions of smectite, laumontite, and hexahydrite may have provided nutrients and water to mesofauna and bacteria during the early stage of biotic colonization of the profile. Because the mesofauna were members of burrowing Coleoptera species, future work should assess the degree to which the organisms occupied other sites in the Dry Valleys in the past. Whereas there is no reasonable expectations of finding Coleoptera/insect remains on Mars, the chemistry and mineralogy of the paleosol is within a life expectancy window for the presence of microorganisms, principally bacteria and fungi. Thus, parameters discussed here within this Antarctic paleosol could provide an analogue to identifying similar fossil or life-bearing weathered regolith on Mars.

The complexity of biodiversity: A biological perspective on economic valuation

To value something, you first have to know what it is. Bartkowski et al. (2015) reveal a critical weakness: that biodiversity has rarely, if ever, been defined in economic valuations of putative biodiversity. Here we argue that a precise definition is available and could help focus valuation studies, but that in using this scientific definition (a three-dimensional measure of total difference), valuation by stated-preference methods becomes, at best, very difficult.We reclassify the valuation studies reviewed by Bartkowski et al. (2015) to better reflect the biological definition of biodiversity and its potential indirect use value as the support for provisioning and regulating services. Our analysis shows that almost all of the studies reviewed by Bartkowski et al. (2015) were not about biodiversity, but rather were about the 'vague notion' of naturalness, or sometimes a specific biological component of diversity. Alternative economic methods should be found to value biodiversity as it is defined in natural science. We suggest options based on a production function analogy or cost-based methods. Particularly the first of these provides a strong link between economic theory and ecological research and is empirically practical. Since applied science emphasizes a scientific definition of biodiversity in the design and justification of conservation plans, the need for economic valuation of this quantitative meaning of biodiversity is considerable and as yet unfulfilled.

The influence of substrate texture on early biological colonization

Biological colonization of stone is a major concern in the preservation and presentation of cultural heritage. Colonization is typically associated with unpleasant soiling, and varying degrees of biodeterioration. A better understanding of why organisms grow where they do, will aid in
developing preventative, and treatment methods for biosoiling of cultural heritage. Sandstone exposure trials were set up at nine different locations across Northern Ireland to investigate the influences of local climate, local environmental,and micro-climatic factors on the early stages (up to 21 months) of biological colonization.
Results showed that, green and yellow soiling occurred on tooled stone surfaces, whereas darkening occurred preferentially on smooth surfaces. It is likely that different populations of organisms occur on these surfaces with green algae occurring on tooled surfaces due to slower drying rates (i.e. prolonged moisture retention), and cyanobacteria and fungi thriving on smooth surfaces due to their ability to withstand moisture fluctuation.

Biological phosphorus removal during high-rate, low-temperature, anaerobic digestion of wastewater.

We report, for the first time, extensive biologically-mediated phosphate removal from wastewater during high-rate anaerobic digestion (AD). A hybrid sludge bed/fixed-film (packed pumice stone) reactor was employed for low-temperature (12°C) anaerobic treatment of synthetic sewage wastewater. Successful phosphate removal from the wastewater (up to 78% of influent phosphate) was observed, mediated by biofilms in the reactor. Scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray analysis revealed the accumulation of elemental phosphorus (~2%) within the sludge bed and fixed-film biofilms. 4’, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) staining indicated phosphorus accumulation was biological in nature and mediated through the formation of intracellular inorganic polyphosphate (polyP) granules within these biofilms. DAPI staining further indicated that polyP accumulation was rarely associated with free cells. Efficient and consistent chemical oxygen demand (COD) removal was recorded, throughout the 732-day trial, at applied organic loading rates between 0.4-1.5 kg COD m-3 d-1 and hydraulic retention times of 8-24 hours, while phosphate removal efficiency ranged from 28-78% on average per phase. Analysis of protein hydrolysis kinetics and the methanogenic activity profiles of the biomass revealed the development, at 12˚C, of active hydrolytic and methanogenic populations. Temporal microbial changes were monitored using Illumina Miseq analysis of bacterial and archaeal 16S rRNA gene sequences. The dominant bacterial phyla present in the biomass at the conclusion of the trial were the Proteobacteria and Firmicutes and the dominant archaeal genus was Methanosaeta. Trichococcus and Flavobacterium populations, previously associated with low temperature protein degradation, developed in the reactor biomass. The presence of previously characterised polyphosphate accumulating organisms (PAOs) such as Rhodocyclus, Chromatiales, Actinobacter and Acinetobacter was recorded at low numbers. However, it is unknown as yet if these were responsible for the luxury polyP uptake observed in this system. The possibility of efficient phosphate removal and recovery from wastewater during AD would represent a major advance in the scope for widespread application of anaerobic wastewater treatment technologies.

Transcending epithelial and intracellular biological barriers; a prototype DNA delivery device

Microneedle technology provides the opportunity for the delivery of DNA therapeutics by a non-invasive, patient acceptable route. To deliver DNA successfully requires consideration of both extra and intracellular biological barriers. In this study we present a novel two tier platform; i) a peptide delivery system, termed RALA, that is able to wrap the DNA into nanoparticles, protect the DNA from degradation, enter cells, disrupt endosomes and deliver the DNA to the nucleus of cells ii) a microneedle (MN) patch that will house the nanoparticles within the polymer matrix, breach the skin's stratum corneum barrier and dissolve upon contact with skin interstitial fluid thus releasing the nanoparticles into the skin. Our data demonstrates that the RALA is essential for preventing DNA degradation within the poly(vinylpyrrolidone) (PVP) polymer matrix. In fact the RALA/DNA nanoparticles (NPs) retained functionality when in the MN arrays after 28days and over a range of temperatures. Furthermore the physical strength and structure of the MNs was not compromised when loaded with the NPs. Finally we demonstrated the effectiveness of our MN-NP platform in vitro and in vivo, with systemic gene expression in highly vascularised regions. Taken together this 'smart-system' technology could be applied to a wide range of genetic therapies.

Levels and biological effects of selected EDC's in the portuguese coast

Os compostos orgânicos de estanho (OTs), de entre os quais se destaca o tributilestanho (TBT), encontram-se amplamente dispersos no meio aquático devido à sua intensa utilização como agente biocida em tintas antivegetativas. Estudos anteriores sobre a poluição por organoestanhos em Portugal demonstraram que estes compostos se encontram presentes não só na linha de costa mas também em zonas da plataforma, sendo as zonas portuárias (onde se incluem portos comerciais, portos de pesca, marinas e estaleiros navais) os principais focos de poluição. A presente tese tem como objectivo investigar o estado actual da poluição por organoestanhos na costa Portuguesa confirmando se os padrões espaciais acima descritos se mantêm, por meio da quantificação de diversos OTs, nomeadamente, butilestanhos, fenilestanhos e octilestanhos. Assim, os níveis destes compostos foram avaliados em populações de Mytilus galloprovincialis e Nassarius reticulatus ao longo da costa continental Portuguesa, com particular incidência na Ria de Aveiro onde se quantificaram os níveis de OTs em mexilhões, gastrópodes e sedimentos, recolhidos numa malha de amostragem mais densa. A distribuição espacial dos organoestanhos foi determinada utilizando o bivalve M. galloprovincialis como espécie bioindicadora. Os níveis totais de estanho (SnT) foram quantificados nos tecidos do mexilhão e relacionados com os níveis totais de OTs nos mesmos tecidos, incluindo monobutilestanho (MBT), dibutilestanho (DBT), tributilestanho (TBT), difenilestanho (DPhT), trifenilestanho (TPhT), monoctilestanho (MOcT) e dioctilestanho (DOct). A contribuição dos OTs para os valores de estanho total (SnT) foi superior nas estações de amostragem localizadas no interior de portos onde atingiram proporções próximas dos 50%. De entre estes, os butilestanhos (BuTs=MBT+DBT+TBT) contribuíram em média com 98.6% para o valor total de OTs, tendo sido detectados em todas as amostras analisadas. Os valores mais elevados foram registados no interior ou na proximidade de portos, corroborando a ideia anterior de que constituem importantes focos de poluição. A variação das concentrações de TBT no mexilhão situou-se entre os 0,9 e 720 ng Sn.g-1 de peso seco (ps). Estes valores são, em 69% das estações amostradas, superiores ao valor do proposto pela OSPAR (4,9 ng TBT-Sn.g-1 ps) para tecidos de mexilhão o que sugere a forte probabilidade de ocorrência de efeitos adversos sobre os ecossistemas. Os níveis de OTs foram também quantificados em tecidos de N. reticulatus recolhidos ao longo da costa em 2008 Os butilestanhos representaram a maioria dos compostos organoestânicos quantificados e os níveis mais elevados foram novamente detectados no interior ou nas imediações de portos. Os valores de TBT nos tecidos deste gastrópode variaram entre 3,5 e 380 ng Sn.g-1 ps, representando uma percentagem média de 50,4% do total de butilestanhos. Simultaneamente, os níveis de imposex foram também avaliados e relacionados com os valores deste composto nos tecidos. As distribuições espaciais de imposex e de TBT seguiram a mesma tendência, sendo que em todos os locais amostrados foram encontradas fêmeas afectadas. Os valores de VDSI (índice da sequência do vaso deferente) variaram entre 0,2 e 4,4. Em 91% dos locais os valores de VDSI foram superiores a 0,3 (definido pela OSPAR como o valor de VDSI em N. reticulatus acima do qual o objectivo de qualidade ecológica não é atingido), confirmando a suspeição da existência de efeitos adversos nos ecossistemas. Em todos os compartimentos analisados na Ria de Aveiro, os butilestanhos foram os principais contribuintes para estanho orgânico total. A utilização do imposex em N. reticulatus como biomarcador da poluição por TBT permitiu determinar um gradiente decrescente desde o interior da Ria (onde se situa a zona portuária) até zonas costeiras adjacentes. O mesmo gradiente foi observado relativamente às concentrações de TBT em tecidos de mexilhão. Para os sedimentos, as concentrações de TBT são bastante variáveis com valores entre 2,7 e 1780 ng Sn.g-1 ps encontrando-se significativamente correlacionadas com o conteúdo em matéria orgânica da amostra. Em todas as amostras analisadas os níveis de TBT são elevados e superiores ao valor inferior (provisório) de EAC (critério de avaliação ambiental) proposto pela OSPAR (0,004 ng TBT-Sn.g-1 ps). A análise da evolução temporal da poluição por TBT ao longo da costa foi concretizada por meio da comparação entre níveis de organoestanhos em N. reticulatus em amostras de 2008 e 2003 e também através da comparação dos níveis de imposex registados em campanhas realizadas naqueles dois anos. Os resultados obtidos indicam a ocorrência de reduções significativas nas concentrações de TBT, DBT e MBT, assim como uma diminuição significativa nos valores de VDSI entre 2003 e 2008. Os resultados obtidos sugerem que a redução verificada se deve à implementação do Regulamento 782/2003 da Comunidade Europeia, que tem por objectivo a erradicação das descargas e emissões de TBT para o ambiente a partir dos sistemas antivegetativos A diminuição da poluição por TBT ao longo dos últimos anos foi acompanhada por um aumento no número de fêmeas com um vaso deferente, mas sem pénis (imposex do tipo b): 3,5% em 2000, 11% em 2003 e 24% em 2008. Um aumento no número de locais onde se registou o fenómeno também é evidente: dois em 2000, sete em 2003 e treze em 2008. A proporção de fêmeas b no estádio 1 de VDS apresentou igual tendência com aumento de 38% em 2000 para 65% em 2008. O aumento no número de fêmeas com esta via parece estar associado à diminuição da poluição por TBT. Face à esperada diminuição da presença do composto no meio ambiente, devido à sua proibição, o aumento de fêmeas com imposex do tipo b é previsível. A ocorrência de compostos xenoestrogénicos no ambiente aquático foi também estudada e os níveis de estrona (E1), 17α-e 17β-estradiol (E2), 17α- etinilestradiol (EE2), bisfenol-A (BPA) e nonilfenol (NP) foram quantificados em efluentes de estações de tratamento de águas residuais (ETARs) localizadas na região de Aveiro, bem como no efluente final descarregado no Oceano Atlântico, através de um emissário submarino (S. Jacinto), sendo amostras recolhidas na entrada da Ria e ao largo usadas como referência. Os níveis de hormonas esteróides e compostos fenólicos registados nos locais de referência são baixos. De entre as hormonas esteróides os níveis mais elevados foram registados para a estrona, com valores máximos de 85.3 ng.L- 1 . Os níveis mais elevados de compostos fenólicos foram detectados em efluentes industriais (máximos de NP e BPA de 2410 ng.L-1 e 897 ng.L-1 , respectivamente). Os resultados obtidos sugerem que os níveis de compostos xenoestrogénicos em locais de referência são baixos e não parecerem acarretar risco ecológico, no entanto o mesmo não será verdadeiro para as imediações do emissário de S. Jacinto que liberta efluentes com concentrações muito elevadas de E1, NP e BPA. Foram realizadas experiências laboratoriais de forma a elucidar o papel do receptor retinóico X (RXR) no mecanismo de indução de imposex (presentemente o mecanismo que demonstra maior promessa na explicação do desencadear deste fenómeno). Fêmeas de Nucella lapillus e N. reticulatus foram injectadas com TBT em etanol ou com ácido 9-cis- retinóico em FBS (soro fetal bovino) tendo-se procedido à sua observação nos 30 dias subsequentes. Tanto o TBT como o 9CRA induziram o desenvolvimento de imposex em N. lapillus e N. reticulatus. Aumentos significativos nos valores de VDSI e FPL entre o controlo de etanol e o tratamento de TBT e o controlo de FBS e o tratamento de 9CRA foram registados. Os resultados obtidos fornecem novas provas do envolvimento da via de sinalização associada ao RXR no desenvolvimento de imposex em ambas as espécies.