A new ultrasonic signal amplification method for detection bacteria

A new method is presented that increases the sensitivity of ultrasound-based techniques for detection of bacteria. The technique was developed for the detection of catalase-positive microorganisms. It uses a bubble trapping medium containing hydrogen peroxide that is mixed with the sample for microbiological evaluation. The enzyme catalase is present in catalase-positive bacteria, which induces a rapid hydrolysis of hydrogen peroxide, forming bubbles which remain in the medium. This reaction results in the amplification of the mechanical changes that the microorganisms produce in the medium. The effect can be detected by means of ultrasonic wave amplitude continuous measurement since the bubbles increase the ultrasonic attenuation significantly. It is shown that microorganism concentrations of the order of 105 cells ml−1 can be detected using this method. This allows an improvement of three orders of magnitude in the ultrasonic detection threshold of microorganisms in conventional culture media, and is competitive with modern rapid microbiological methods. It can also be used for the characterization of the enzymatic activity.

Rapid microbiological detection method based on ultrasonic instrumentation

Los métodos de detección rápida de microorganismos se están convirtiendo en una herramienta esencial para el control de calidad en el área de la biotecnología, como es el caso de las industrias de alimentos y productos farmacéuticos y bioquímicos. En este escenario, el objetivo de esta tesis doctoral es desarrollar una técnica de inspección rápida de microoganismos basada en ultrasonidos. La hipótesis propuesta es que la combinación de un dispositivo ultrasónico de medida y un medio líquido diseñado específicamente para producir y atrapar burbujas, pueden constituir la base de un método sensible y rápido de detección de contaminaciones microbianas. La técnica presentada es efectiva para bacterias catalasa-positivas y se basa en la hidrólisis del peróxido de hidrógeno inducida por la catalasa. El resultado de esta reacción es un medio con una creciente concentración de burbujas. Tal medio ha sido estudiado y modelado desde el punto de vista de la propagación ultrasónica. Las propiedades deducidas a partir del análisis cinemático de la enzima se han utilizado para evaluar el método como técnica de inspección microbiana. En esta tesis, se han investigado aspectos teóricos y experimentales de la hidrólisis del peróxido de hidrógeno. Ello ha permitido describir cuantitativamente y comprender el fenómeno de la detección de microorganismos catalasa-positivos mediante la medida de parámetros ultrasónicos. Más concretamente, los experimentos realizados muestran cómo el oxígeno que aparece en forma de burbujas queda atrapado mediante el uso de un gel sobre base de agar. Este gel fue diseñado y preparado especialmente para esta aplicación. A lo largo del proceso de hidrólisis del peróxido de hidrógeno, se midió la atenuación de la onda y el “backscattering” producidos por las burbujas, utilizando una técnica de pulso-eco. Ha sido posible detectar una actividad de la catalasa de hasta 0.001 unidades/ml. Por otra parte, este estudio muestra que por medio del método propuesto, se puede lograr una detección microbiana para concentraciones de 105 células/ml en un periodo de tiempo corto, del orden de unos pocos minutos. Estos resultados suponen una mejora significativa de tres órdenes de magnitud en comparación con otros métodos de detección por ultrasonidos. Además, la sensibilidad es competitiva con modernos y rápidos métodos microbiológicos como la detección de ATP por bioluminiscencia. Pero sobre todo, este trabajo muestra una metodología para el desarrollo de nuevas técnicas de detección rápida de bacterias basadas en ultrasonidos. ABSTRACT In an industrial scenario where rapid microbiological methods are becoming essential tools for quality control in the biotechnological area such as food, pharmaceutical and biochemical; the objective of the work presented in this doctoral thesis is to develop a rapid microorganism inspection technique based on ultrasounds. It is proposed that the combination of an ultrasonic measuring device with a specially designed liquid medium, able to produce and trap bubbles could constitute the basis of a sensitive and rapid detection method for microbial contaminations. The proposed technique is effective on catalase positive microorganisms. Well-known catalase induced hydrogen peroxide hydrolysis is the fundamental of the developed method. The physical consequence of the catalase induced hydrogen peroxide hydrolysis is an increasingly bubbly liquid medium. Such medium has been studied and modeled from the point of view of ultrasonic propagation. Properties deduced from enzyme kinematics analysis have been extrapolated to investigate the method as a microbial inspection technique. In this thesis, theoretical and experimental aspects of the hydrogen peroxide hydrolysis were analyzed in order to quantitatively describe and understand the catalase positive microorganism detection by means of ultrasonic measurements. More concretely, experiments performed show how the produced oxygen in form of bubbles is trapped using the new gel medium based on agar, which was specially designed for this application. Ultrasonic attenuation and backscattering is measured in this medium using a pulse-echo technique along the hydrogen peroxide hydrolysis process. Catalase enzymatic activity was detected down to 0.001 units/ml. Moreover, this study shows that by means of the proposed method, microbial detection can be achieved down to 105 cells/ml in a short time period of the order of few minutes. These results suppose a significant improvement of three orders of magnitude compared to other ultrasonic detection methods for microorganisms. In addition, the sensitivity reached is competitive with modern rapid microbiological methods such as ATP detection by bioluminescence. But above all, this work points out a way to proceed for developing new rapid microbial detection techniques based on ultrasound.

Native bradyrhizobia isolated from Lupinus mariae-josephae possess an essential T3SS for symbiosis

Analysis of the genome sequence of bradyrhizobia strains isolated from root nodules of Lupinus mariae-josephae revealed the presence of a type III secretion system (T3SS). Mutagenesis of ttsI gene that codes for the transcriptional activator (TtsI) resulted in the formation of white, non-fixing nodules in L. mariae-josephae. The T3SS cluster includes a gene coding for a NopE-like protein with an autocleavage motif. The NopE protein is an effector in the Bradyrhizobium-soybean symbiosis (Wenzel et al., 2010). The autocatalytic properties of the purified NopE-like protein have been studied.

Compostabilidad de envases de bolsas de PBAT+PLA y envases rígidos de PLA mediante tecnologías de pila y túnel

Los polímeros compostables suponen en torno al 30% de los bioplásticos destinados a envasado, siendo a su vez esta aplicación el principal destino de la producción de este tipo de materiales que, en el año 2013, superó 1,6 millones de toneladas. La presente tesis aborda la biodegradación de los residuos de envases domésticos compostables en medio aerobio para dos tipos de formato y materiales, envase rígido de PLA (Clase I) y dos tipos de bolsas de PBAT+PLA (Clases II y III). Sobre esta materia se han realizado diversos estudios en escala de laboratorio pero para otro tipo de envases y biopolímeros y bajo condiciones controladas del compost con alguna proyección particularizada en plantas. La presente tesis da un paso más e investiga el comportamiento real de los envases plásticos compostables en la práctica del compostaje en tecnologías de pila y túnel, tanto a escala piloto como industrial, dentro del procedimiento y con las condiciones ambientales de instalaciones concretas. Para ello, con el método seguido, se han analizado los requisitos básicos que debe cumplir un envase compostable, según la norma UNE – EN 13432, evaluando el porcentaje de biodegradación de los envases objeto de estudio, en función de la pérdida de peso seco tras el proceso de compostaje, y la calidad del compost obtenido, mediante análisis físico-químico y de fitotoxicidad para comprobar que los materiales de estudio no aportan toxicidad. En cuanto a los niveles de biodegrabilidad, los resultados permiten concluir que los envases de Clase I se compostan adecuadamente en ambas tecnologías y que no requieren de unas condiciones de proceso muy exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100%. En relación a los envases de Clase II, se puede asumir que se trata de un material que se composta adecuadamente en pila y túnel industrial pero que requiere de condiciones exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al afectarle de forma clara la ubicación de las muestras en la masa a compostar, especialmente en el caso de la tecnología de túnel. Mientras el 90% de las muestras alcanza el 100% de biodegradación en pila industrial, tan sólo el 50% lo consigue en la tecnología de túnel a la misma escala. En cuanto a los envases de Clase III, se puede afirmar que es un material que se composta adecuadamente en túnel industrial pero que requiere de condiciones de cierta exigencia para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al poderle afectar la ubicación de las muestras en la masa a compostar. El 75% de las muestras ensayadas en túnel a escala industrial alcanzan el 100% de biodegradación y, aunque no se ha ensayado este tipo de envase en la tecnología de pila al no disponer de muestras, cabe pensar que los resultados de biodegrabilidad que hubiera podido alcanzar habrían sido, como mínimo, los obtenidos para los envases de Clase II, al tratarse de materiales muy similares en composición. Por último, se concluye que la tecnología de pila es más adecuada para conseguir niveles de biodegradación superiores en los envases tipo bolsa de PBAT+PLA. Los resultados obtenidos permiten también sacar en conclusión que, en el diseño de instalaciones de compostaje para el tratamiento de la fracción orgánica recogida selectivamente, sería conveniente realizar una recirculación del rechazo del afino del material compostado para aumentar la probabilidad de someter este tipo de materiales a las condiciones ambientales adecuadas. Si además se realiza un triturado del residuo a la entrada del proceso, también se aumentaría la superficie específica a entrar en contacto con la masa de materia orgánica y por tanto se favorecerían las condiciones de biodegradación. En cuanto a la calidad del compost obtenido en los ensayos, los resultados de los análisis físico – químicos y de fitotoxicidad revelan que los niveles de concentración de microorganismo patógenos y de metales pesados superan, en la práctica totalidad de las muestras, los niveles máximos permitidos en la legislación vigente aplicable a productos fertilizantes elaborados con residuos. Mediante el análisis de la composición de los envases ensayados se constata que la causa de esta contaminación reside en la materia orgánica utilizada para compostar en los ensayos, procedente del residuo de origen doméstico de la denominada “fracción resto”. Esta conclusión confirma la necesidad de realizar una recogida selectiva de la fracción orgánica en origen, existiendo estudios que evidencian la mejora de la calidad del residuo recogido en la denominada “fracción orgánica recogida selectivamente” (FORM). Compostable polymers are approximately 30% of bioplastics used for packaging, being this application, at same time, the main destination for the production of such materials exceeded 1.6 million tonnes in 2013. This thesis deals with the biodegradation of household packaging waste compostable in aerobic medium for two format types and materials, rigid container made of PLA (Class I) and two types of bags made of PBAT + PLA (Classes II and III). There are several studies developed about this issue at laboratory scale but for other kinds of packaging and biopolymers and under composting controlled conditions with some specifically plants projection. This thesis goes one step further and researches the real behaviour of compostable plastic packaging in the composting practice in pile and tunnel technologies, both at pilot and industrial scale, within the procedure and environmental conditions of concrete devices. Therefore, with a followed method, basic requirements fulfilment for compostable packaging have been analysed according to UNE-EN 13432 standard. It has been assessed the biodegradability percentage of the packaging studied, based on loss dry weight after the composting process, and the quality of the compost obtained, based on physical-chemical analysis to check no toxicity provided by the studied materials. Regarding biodegradability levels, results allow to conclude that Class I packaging are composted properly in both technologies and do not require high exigent process conditions for achieving 100% biodegradability levels. Related to Class II packaging, it can be assumed that it is a material that composts properly in pile and tunnel at industrial scale but requires exigent conditions for achieving 100% biodegradability levels for being clearly affected by sample location in the composting mass, especially in tunnel technology case. While 90% of the samples reach 100% of biodegradation in pile at industrial scale, only 50% achieve it in tunnel technology at the same scale. Regarding Class III packaging, it can be said that it is a material properly composted in tunnel at industrial scale but requires certain exigent conditions for reaching 100% biodegradation levels for being possibly affected by sample location in the composting mass. The 75% of the samples tested in tunnel at industrial scale reaches 100% biodegradation. Although this kind of packaging has not been tested on pile technology due to unavailability of samples, it is judged that biodegradability results that could be reached would have been, at least, the same obtained for Class II packaging, as they are very similar materials in composition. Finally, it is concluded that pile technology is more suitable for achieving highest biodegradation levels in bag packaging type of PBAT+PLA. Additionally, the obtained results conclude that, in the designing of composting devices for treatment of organic fraction selectively collected, it would be recommended a recirculation of the refining refuse of composted material in order to increase the probability of such materials to expose to proper environmental conditions. If the waste is grinded before entering the process, the specific surface in contact with organic material would also be increased and therefore biodegradation conditions would be more favourable. Regarding quality of the compost obtained in the tests, physical-chemical and phytotoxicity analysis results reveal that pathogen microorganism and heavy metals concentrations exceed, in most of the samples, the maximum allowed levels by current legislation for fertilizers obtained from wastes. Composition analysis of tested packaging verifies that the reason for this contamination is the organic material used for composting tests, comes from the household waste called “rest fraction”. This conclusion confirms the need of a selective collection of organic fraction in the origin, as existing studies show the quality improvement of the waste collected in the so-called “organic fraction selectively collected” (FORM).