Molekyylibiologisten menetelmien kehittäminen ihmisen suoliston sulfaattia pelkistävien bakteerien määrittämiseksi

Ihmisen ruuansulatuskanavan bakteeriston kehitys alkaa syntymästä, jolloin ensimmäiset bakteerit kansoittavat steriilin ruuansulatuskanavan. Bakteeristo kehittyy perimän, ympäristön ja varhaisen ruokavalion vaikutuksesta kohti monimuotoisempaa bakteeripopulaatiota. Aikuisen ruuansulatuskanavan normaalibakteeristo on varsin muuttumaton, mutta siihen vaikuttavat monet tekijät, kuten ikä, terveydentila, ruokavalio ja antibioottien käyttö. Bakteeriston koostumus vaihtelee ruuansulatuskanavan eri osissa ja bakteerimäärä kasvaa kohti paksusuolta, ollen paksusuolessa ja ulosteessa peräti 1010-1012 pmy/ml. Suurin osa ruuansulatuskanavan bakteereista on anaerobeja. Ruuansulatuskanavan bakteeristo vaikuttaa muun muassa suoliston kehittymiseen ja hiilihydraattien ja proteiinien hajotukseen sekä toimii osana immuunipuolustusta. Sulfaattia pelkistävät bakteerit (SRB) ovat monimuotoinen ryhmä pääosin anaerobisia bakteereita, jotka käyttävät aineenvaihdunnassaan elektronin vastaanottajana sulfaattia muuttaen sen lopulta sulfidiksi. SRB:t ovat sopeutuneet useisiin erilaisiin ympäristöihin. Niitä tavataan mm. vesistöjen sedimenteissä sekä ihmisen ruuansulatuskanavassa. Ihmisen ruuansulatuskanavassa on SRB:ta n. 105-108 pmy/g, ja niitä on löydetty erityisesti anaerobisista osista kuten suun ientaskuista ja paksusuolesta. SRB:t voivat olla haitaksi ruuansulatuskanavalle tuottamansa sulfidin vuoksi, joka esiintyy vesiliuoksessa vetysulfidina. Tämän on havaittu olevan toksista suoliston epiteelisoluille. Viimeaikoina on kiinnostuttu sulfaatinpelkistäjien yhteydestä suoliston sairaustiloihin, kuten tulehduksellisiin suolistosairauksiin (IBD). Pro gradu -tutkimukseni tavoitteena oli kehittää PCR-DGGE- ja qPCR-menetelmät ulosteen sulfaattia pelkistävien bakteerien määritykseen. Kohdegeeninä menetelmänkehityksessä käytettiin dsrAB-geeniä, joka koodaa dissimilatorista sulfiitinpelkistysentsyymiä. dsrAB-geeni on sulfaatinpelkistäjille ominainen konservoitunut geenialue, johon perustuvia tutkimuksia ei vielä ole paljon ihmispuolelta. qPCR-menetelmä saatiin optimoitua herkäksi ja spesifiseksi käyttäen dsrA-geenispesifisiä alukkeita, mutta PCR-DGGE-menetelmää ei saatu optimoitua käytössä olleilla alukkeilla, jotka monistivat PCR-DGGE:ssa myös negatiivikontrollikantoja. Tutkittaessa qPCR:lla IBD:tä (Crohn ja ulseratiivinen koliitti) sairastavien lasten ja terveiden kontrollihenkilöiden ulostenäytteistä eristettyä DNA:ta, merkittävää eroa SRB-määrissä ei havaittu eri ryhmien välillä. Crohnin tautia sairastavien aktiivisen vaiheen ja oireettoman vaiheen näytteiden välillä oli kuitenkin tilastollisesti merkitsevä ero (SRB-määrät; oireeton vaihe>oireellinen vaihe) (P <0,05).

Seasonal variation in nitrification and nitrate-reduction pathways in coastal sediments in the Gulf of Finland, Baltic Sea

The Baltic Sea is one of the most eutrophic marine areas in the world. The role of nitrogen as a eutrophicating nutrient in the Baltic Sea has remained controversial, due to lack of understanding of nitrogen cycling in the area. We investigated the seasonal variation in sediment nitrification, denitrification, anaerobic ammonium oxidation (anammox), and dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) at two coastal sites in the Gulf of Finland. In addition to the in situ rates, we assessed the potential for these processes in different seasons. The nitrification and nitrogen removal processes were maximal during the warm summer months, when the sediment organic content was highest. In colder seasons, the in situ rates of the nitrification and nitrate reduction processes decreased, but the potential for nitrification remained equal to or higher than that during the warm months. The denitrification and nitrification rates were usually higher in the accumulation basin, where the organic content of the sediment was higher, but the transportation area, despite lower denitrification rates and potential, typically had higher potential for nitrification than the accumulation basin. Anammox and DNRA were not significant nitrate sinks in any of the seasons sampled. The results also show that the denitrification rates in the coastal Gulf of Finland sediment have decreased, and that benthic denitrification might be a less important sink for fixed nitrogen than previously assumed.

The roles of nitrification and nitrate reduction pathways in nitrogen cycling of Baltic Sea

The Baltic Sea is one of the largest brackish water bodies in the world. Primary production in the Baltic Sea is limited by nitrogen (N) availability with the exception of river outlets and the northernmost phosphorus limited basin. The excess human induced N load from the drainage basin has caused severe eutrophication of the sea. The excess N loads can be mitigated by microbe mediated natural N removal processes that are found in the oxic-anoxic interfaces in sediments and water column redoxclines. Such interfaces allow the close coupling between the oxic nitrification process, and anoxic denitrification and anaerobic ammonium oxidation (anammox) processes that lead to the formation of molecular nitrogen gas. These processes are governed by various environmental parameters. The effects of these parameters on N processes were investigated in the northern Baltic Sea sediments. During summer months when the sediment organic content is at its highest, nitrification and denitrification reach their maximum rates. However, nitrification had no excess potential, which was probably because of high competition for molecular oxygen (O2) between heterotrophic and nitrification microbes. Subsequently, the limited nitrate (NO3-) availability inhibited denitrification. In fall, winter and spring, nitrification was limited by ammonium availability and denitrification limited by the availability of organic carbon and occasionally by NO3-. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) was not an important N removal process in the northern Baltic Sea. Modeling studies suggest that when hypoxia expands in the Baltic Sea, N removal intensifies. However, the results of this study suggest the opposite because bottom water hypoxia (O2< 2 ml l-1) decreased the denitrification rates in sediments. Moreover, N was recycled by the dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) process instead of being removed from the water ecosystem. High N removal potentials were found in the anoxic water column in the deep basins of the Baltic Proper. However, the N removal in the water column appeared to be limited by low substrate availability, because the water at the depths at which the substrate producing nitrification process occurred, rarely mix with the water at the depths at which N removal processes were found. Overall, the natural N removal capacity of the northern Baltic Sea decreased compared to values measured in mid 1990s and early 2000. The reason for this appears to be increasing hypoxia.