Adhesion,Presence and Antifouling of Deinococcus geothermalis in Paper Machine Environment

This thesis has two items: biofouling and antifouling in paper industry. Biofouling means unwanted microbial accumulation on surfaces causing e.g. disturbances in industrial processes, contamination of medical devices or of water distribution networks. Antifouling focuses on preventing accumulation of the biofilms in undesired places. Deinococcus geothermalis is a pink-pigmented, thermophilic bacterium, and extremely resistant towards radiation, UV-light and desiccation and known as a biofouler of paper machines forming firm and biocide resistant biofilms on the stainless steel surfaces. The compact structure of biofilm microcolonies of D. geothermalis E50051 and the adhesion into abiotic surfaces were investigated by confocal laser scanning microscope combined with carbohydrate specific fluorescently labelled lectins. The extracellular polymeric substance in D. geothermalis microcolonies was found to be a composite of at least five different glycoconjugates contributing to adhesion, functioning as structural elements, putative storages for water, gliding motility and likely also to protection. The adhesion threads that D. geothermalis seems to use to adhere on an abiotic surface and to anchor itself to the neighbouring cells were shown to be protein. Four protein components of type IV pilin were identified. In addition, the lectin staining showed that the adhesion threads were covered with galactose containing glycoconjugates. The threads were not exposed on planktic cells indicating their primary role in adhesion and in biofilm formation. I investigated by quantitative real-time PCR the presence of D. geothermalis in biofilms, deposits, process waters and paper end products from 24 paper and board mills. The primers designed for doing this were targeted to the 16S rRNA gene of D. geothermalis. We found D. geothermalis DNA from 9 machines, in total 16 samples of the 120 mill samples searched for. The total bacterial content varied in those samples between 107 to 3 ×1010 16S rRNA gene copies g-1. The proportion of D. geothermalis in those same samples was minor, 0.03 1.3 % of the total bacterial content. Nevertheless D. geothermalis may endanger paper quality as its DNA was shown in an end product. As an antifouling method towards biofilms we studied the electrochemical polarization. Two novel instruments were designed for this work. The double biofilm analyzer was designed for search for a polarization program that would eradicate D. geothermalis biofilm or from stainless steel under conditions simulating paper mill environment. The Radbox instrument was designed to study the generation of reactive oxygen species during the polarization that was effective in antifouling of D. geothermalis. We found that cathodic character and a pulsed mode of polarization were required to achieve detaching D. geothermalis biofilm from stainless steel. We also found that the efficiency of polarization was good on submerged, and poor on splash area biofilms. By adding oxidative biocides, bromochloro-5,5-dimethylhydantoin, 2,2-dibromo-2-cyanodiacetamide or peracetic acid gave additive value with polarization, being active on splash area biofilms. We showed that the cathodically weighted pulsed polarization that was active in removing D. geothermalis was also effective in generation of reactive oxygen species. It is possible that the antifouling effect relied on the generation of ROS on the polarized steel surfaces. Antifouling method successful towards D. geothermalis that is a tenacious biofouler and possesses a high tolerance to oxidative stressors could be functional also towards other biofoulers and applicable in wet industrial processes elsewhere.

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).