Multifunctionality and Diversity in Bacterial Biofilms

Bacteria are highly diverse and drive a bulk of ecosystem processes. Analysis of relationships between diversity and single specific ecosystem processes neglects the possibility that different species perform multiple functions at the same time. The degradation of dissolved organic carbon (DOC) followed by respiration is a key bacterial function that is modulated by the availability of DOC and the capability to produce extracellular enzymes. In freshwater ecosystems, biofilms are metabolic hotspots and major sites of DOC degradation. We manipulated the diversity of biofilm forming communities which were fed with DOC differing in availability. We characterized community composition using molecular fingerprinting (T-RFLP) and measured functioning as oxygen consumption rates, the conversion of DOC in the medium, bacterial abundance and the activities of five specific enzymes. Based on assays of the extracellular enzyme activity, we calculated how the likelihood of sustaining multiple functions was affected by reduced diversity. Carbon source and biofilm age were strong drivers of community functioning, and we demonstrate how the likelihood of sustaining multifunctionality decreases with decreasing diversity

Enhanced polyhydroxyalkanoates accumulation by Halomonas spp. in artificial biofilms of alginate beads.

Microbial mats are complex but stable, multi-layered and multi-functional biofilms, which are the most frequent bacterial formations in nature. The functional strategies and physiological versatility of the bacterial populations growing in microbial mats allow bacteria to resist changing conditions within their environment. One of these strategies is the accumulation of carbon- and energy-rich polymers that permit the recovery of metabolic activities when favorable conditions are restored. In the present study, we systematically screened microbial mats for bacteria able to accumulate large amounts of the ester carbon polymers polyhydroxyalkanoates (PHA). Several of these strains were isolated from Ebro Delta microbial mats and their ability to accumulate PHA up to 40-60 % of their dry weight was confirmed. According to two identification approaches (16S rRNA and ropD genes), these strains were identified as Halomonas alkaliphila (MAT-7, -13, -16), H. neptunia (MAT-17), and H. venusta (MAT-28). To determine the mode of growth yielding maximum PHA accumulation, these three different species were cultured in an artificial biofilm in which the cells were immobilized on alginate beads. PHA accumulation by cells that had detached from the biofilm was compared with that of their planktonic counterparts. Experiments in different culture media showed that PHA accumulation, measured as the relative fluorescence intensity after 48 h of incubation at 30 °C, was higher in immobilized than in planktonic cells, with the exception of cells growing in 5 % NaCl, in which PHA accumulation was drastically lower in both. Therefore, for obtaining high PHA concentrations, the use of immobilized cells may be a good alternative to the PHA accumulation by bacteria growing in the classical, planktonic mode. From the ecological point of view, increased PHA accumulation in detached cells from biofilms would be a natural strategy to improve bacterial dispersion capacity and, consequently, to increase survival in stressed environments.

Enhanced polyhydroxyalkanoates accumulation by Halomonas spp. in artificial biofilms of alginate beads.

Microbial mats are complex but stable, multi-layered and multi-functional biofilms, which are the most frequent bacterial formations in nature. The functional strategies and physiological versatility of the bacterial populations growing in microbial mats allow bacteria to resist changing conditions within their environment. One of these strategies is the accumulation of carbon- and energy-rich polymers that permit the recovery of metabolic activities when favorable conditions are restored. In the present study, we systematically screened microbial mats for bacteria able to accumulate large amounts of the ester carbon polymers polyhydroxyalkanoates (PHA). Several of these strains were isolated from Ebro Delta microbial mats and their ability to accumulate PHA up to 40-60 % of their dry weight was confirmed. According to two identification approaches (16S rRNA and ropD genes), these strains were identified as Halomonas alkaliphila (MAT-7, -13, -16), H. neptunia (MAT-17), and H. venusta (MAT-28). To determine the mode of growth yielding maximum PHA accumulation, these three different species were cultured in an artificial biofilm in which the cells were immobilized on alginate beads. PHA accumulation by cells that had detached from the biofilm was compared with that of their planktonic counterparts. Experiments in different culture media showed that PHA accumulation, measured as the relative fluorescence intensity after 48 h of incubation at 30 °C, was higher in immobilized than in planktonic cells, with the exception of cells growing in 5 % NaCl, in which PHA accumulation was drastically lower in both. Therefore, for obtaining high PHA concentrations, the use of immobilized cells may be a good alternative to the PHA accumulation by bacteria growing in the classical, planktonic mode. From the ecological point of view, increased PHA accumulation in detached cells from biofilms would be a natural strategy to improve bacterial dispersion capacity and, consequently, to increase survival in stressed environments.

Enhanced polyhydroxyalkanoates accumulation by Halomonas spp. in artificial biofilms of alginate beads.

Microbial mats are complex but stable, multi-layered and multi-functional biofilms, which are the most frequent bacterial formations in nature. The functional strategies and physiological versatility of the bacterial populations growing in microbial mats allow bacteria to resist changing conditions within their environment. One of these strategies is the accumulation of carbon- and energy-rich polymers that permit the recovery of metabolic activities when favorable conditions are restored. In the present study, we systematically screened microbial mats for bacteria able to accumulate large amounts of the ester carbon polymers polyhydroxyalkanoates (PHA). Several of these strains were isolated from Ebro Delta microbial mats and their ability to accumulate PHA up to 40-60 % of their dry weight was confirmed. According to two identification approaches (16S rRNA and ropD genes), these strains were identified as Halomonas alkaliphila (MAT-7, -13, -16), H. neptunia (MAT-17), and H. venusta (MAT-28). To determine the mode of growth yielding maximum PHA accumulation, these three different species were cultured in an artificial biofilm in which the cells were immobilized on alginate beads. PHA accumulation by cells that had detached from the biofilm was compared with that of their planktonic counterparts. Experiments in different culture media showed that PHA accumulation, measured as the relative fluorescence intensity after 48 h of incubation at 30 °C, was higher in immobilized than in planktonic cells, with the exception of cells growing in 5 % NaCl, in which PHA accumulation was drastically lower in both. Therefore, for obtaining high PHA concentrations, the use of immobilized cells may be a good alternative to the PHA accumulation by bacteria growing in the classical, planktonic mode. From the ecological point of view, increased PHA accumulation in detached cells from biofilms would be a natural strategy to improve bacterial dispersion capacity and, consequently, to increase survival in stressed environments.

Selecting the most relevant variables for anaerobic digestion imbalances : Two case studies

In this study, a wrapper approach was applied to objectively select the most important variables related to two different anaerobic digestion imbalances, acidogenic states and foaming. This feature selection method, implemented in artificial neural networks (ANN), was performed using input and output data from a fully instrumented pilot plant (1 m 3 upflow fixed bed digester). Results for acidogenic states showed that pH, volatile fatty acids, and inflow rate were the most relevant variables. Results for foaming showed that inflow rate and total organic carbon were among the relevant variables, both of which were related to the feed loading of the digester. Because there is not a complete agreement on the causes of foaming, these results highlight the role of digester feeding patterns in the development of foaming

II Congreso español de gestión integral de deyecciones ganaderas : Barcelona, 9-10 de junio 2010. International workshop on anaerobic digestion of slaughterhouse waste : Barcelona, 11 junio 2010

La fuerte demanda de alimentos que ha tenido lugar a nivel mundial en los últimos años, ha provocadoun cambio en los sistemas de producción agraria y para el caso de la ganadera se ha pasado de lastípicas explotaciones extensivas ligadas al terreno a las granjas intensivas, en donde se ha incrementadola carga ganadera, bien aumentando el número de cabezas en pastoreo o mediante la construcción degranjas intensivas sin suelo

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

Estudi de la degradació anaeròbia de tres contaminants emergents: àcid clofíbric, carbamazepina i ibuprofè

En el present estudi s’ha fet un seguiment baromètric de la producció de biogàs de tres compostos farmacèutics mitjançant tests de degradació anaeròbia. El llot del digestor anaerobi de l’estació depuradora d’aigües residuals (EDAR) de Granollers s’ha emprat com a inòcul. En un primer experiment, s’ha fet l’estudi de l’etapa metanogènica, amb metanol com a substrat i les concentracions de 5, 10 i 20 mg·L-1 d’àcid clofíbric (CLOFI, regulador lípid), ibuprofè (IBU, anti-inflamatori) i carbamazepina (CARBA, antiepilèptic/analgèsic). En un segon experiment, s’ha estudiat l’etapa acetogènica, amb àcid propiònic com a substrat i amb concentracions de 20 i 100 mg·L-1 dels mateixos fàrmacs. Per una banda, en el primer experiment, no s’ha observat degradació dels fàrmacs i cap d’ells presenta toxicitat pel llot anaerobi. CARBA i IBU s’adsorbeixen majoritàriament a la fase sòlida. Per altra banda, en l’etapa acetogènica ni CARBA ni IBU s’han degradat i tampoc presenten toxicitat en cap de les concentracions provades. Com en el cas anterior, la majoria d’aquests fàrmacs queda adsorbit en el llot. En canvi, CLOFI es degrada en 100 mg·L-1 de concentració donant com a producte intermedi un metabòlit.

Eliminació autotròfica de nitrogen en una pila biològica (microbial fuel cells )

L’aigua i l’energia formen un binomi indissociable. En relació al cicle de l’aigua, des de fa varies dècades s’han desenvolupat diferents formes per recuperar part de l’energia relacionada amb l’aigua, per exemple a partir de centrals hidroelèctriques. No obstant, l’ús d’aquesta aigua també porta associat un gran consum energètic, relacionat sobretot amb el transport, la distribució, la depuració, etc... La depuració d’aigües residuals porta associada una elevada demanda energètica (Obis et al.,2009). En termes energètics, tot i que la despesa elèctrica d’una EDAR varia en funció de diferents paràmetres com la configuració i la capacitat de la planta, la càrrega a tractar, etc... es podria considerar que el rati mig seria d’ aproximadament 0.5 KWh•m-3.Els principals costos d’explotació estan relacionats tant amb la gestió de fangs (28%) com amb el consum elèctric (25%) (50% tractament biològic). Tot i que moltes investigacions relacionades amb el tractament d’aigua residual estan encaminades en disminuir els costos d’operació, des de fa poques dècades s’està investigant la viabilitat de que l’aigua residual fins i tot sigui una font d’energia, canviant la perspectiva, i començant a veure l’aigua residual no com a una problemàtica sinó com a un recurs. Concretament s’estima que l’aigua domèstica conté 9.3 vegades més energia que la necessària per el seu tractament mitjançant processos aerobis (Shizas et al., 2004). Un dels processos més desenvolupats relacionats amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica és la digestió anaeròbia. No obstant, aquesta tecnologia permet el tractament d’altes càrregues de matèria orgànica generant un efluent ric en nitrogen que s’haurà de tractar amb altres tecnologies. Per altre banda, recentment s’està investigant una nova tecnologia relacionada amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica: les piles biològiques (microbial fuel cells, MFC). Aquesta tecnologia permet obtenir directament energia elèctrica a partir de la degradació de substrats biodegradables (Rabaey et al., 2005). Les piles biològiques, més conegudes com a Microbial Fuel Cells (acrònim en anglès, MFC), són una emergent tecnologia que està centrant moltes mirades en el camp de l’ investigació, i que es basa en la producció d’energia elèctrica a partir de substrats biodegradables presents en l’aigua residual (Logan., 2008). Els fonaments de les piles biològiques és molt semblant al funcionament d’una pila Daniell, en la qual es separa en dos compartiments la reacció d’oxidació (compartiment anòdic) i la de reducció (compartiment catòdic) amb l’objectiu de generar un determinat corrent elèctric. En aquest estudi, bàsicament es mostra la posada en marxa d'una pila biològica per a l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals.

Abundància i persistència de Faecalibacteriun prausnitzii en la Malaltia de Crohn

Faecalibacterium prausnitzii és un del bacteris anaeròbis més abundants entre les espècies comensals del tracte intestinal humà sa. Aquesta espècie és una de les principals productores de butirat a l'intestí (que és la principal font d’energia per als colonòcits), però també s'ha suggerit que pot produir compostos antiinflamatoris i intervenir en la regulació de vàries rutes metabòliques de l’hoste. F. prausnitzii és un bacteri difícil de cultivar, ja que presenta una elevada sensibilitat a l'oxigen i presenta uns requeriments nutricionals molt exigents, el que ha compromès considerablement el nombre d’estudis basats en aïllats d’aquesta espècie. No obstant això, en els darrers anys l’interès en aquest bacteri està creixent ja que s’ha evidenciat que les poblacions de F. prausnitzii són variables en diferents grups d'edat i que es veuen reduïdes en certs trastorns intestinals com ara la malaltia inflamatòria intestinal i el càncer colorectal. L’objectiu d'aquest treball ha estat aprofundir en el rol que desenvolupa F. prausnitzii com un dels principals bacteris comensals del tracte intestinal humà. En primer lloc, s’ha dissenyat, optimitzat i validat un nou mètode molecular per determinar l’abundància d’aquesta espècie en mostres del tracte gastrointesinal, i s’ha demostrat la seva possible aplicació per ajudar al diagnòstic de la malaltia de Crohn. En segon lloc, s’ha dut a terme un estudi de les característiques filogenètiques i fenotípiques dels aïllats de F. Prausnitzii disponibles en l'actualitat a fi de coneixre’n millor la diversitat genètica i fenotípica i dilucidar quins factors són crucials en comprometre la població d’aquest bacteri en un intestí malalt. L’anàlisi de les soques ha revelat que F. prausnitzii inclou Principalment dos filogrups, nutricionalment versàtils i molt sensibles a canvis en les condicions ecològiques que pot patir l’intestí de l’hoste sota certes malalties intestinals. En conclusió, els resultat obtinguts en aquest estudi mostren que F. prausnitzii és una espècie ben establerta al còlon sa, amb una elvada versatilitat metabòlica ja que és capaç d’ interactuar amb carbohidrats de diferent estructura i complexitat. S’ha corroborat que aquest microorganisme seria un bon indicador de salut intestinal ja que la seva abundància es veu significativament reduida en pacients amb malaltia de Crohn. Aquests resultats concorden amb els obtinguts per proves fisiològiques que mostren una elevada sensibilitat de l’espècie a determinades condicions relacionades amb malalties intestinals. Estudis futurs s’orientaran a comprendre millor quins factros derrivats de la interacció amb l’hoste també determinen la persistència d’aquesta espècie en un intestí sa o malalt.

Anàlisi comparativa dels processos emergents sharon i anammox per al tractament d’aigües amb una alta càrrega de nitrogen

Estudi de tractaments innovadors en aigües residuals amb elevada concentració de nitrogen mitjançant la tecnologia ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) i SHARON i posterior anàlisi teòrica de la gestió dels fangs residuals d’una EDAR

Microdiàlisis cerebral aplicada a l'estudi del metabolisme energètic i a la resposta neuroinflamatòria dels pacients amb traumatisme cranioencefàlic

La tècnica de la microdiàlisis cerebral (MDC) és un instrument que proporciona informació rellevant en la monitorització del metabolisme cerebral en els pacients neurocrítics. El lactat i l’índex lactat-piruvat (ILP) són dos marcadors utilitzats per a la detecció de la hipòxia cerebral en pacients que han patit un traumatisme cranioencefàlic (TCE). Aquests dos marcadors poden estar anormalment elevats en circumstàncies que no cursen amb hipòxia tissular. Per una altra banda la recent aparició dels catèters de MDC amb porus de major mida denominats d’”alta resolució”, permet ampliar el rang de molècules que es poden detectar en el dialitzat. Objectius: 1) descriure les característiques del metabolisme energètic cerebral que s’observa en la fase aguda dels pacients que han patit un TCE en base als dos indicadors del metabolisme anaeròbic: lactat i ILP, i 2) determinar la recuperació relativa (RR) de les molècules implicades en la resposta neuroinflamatòria: de IL-1β, IL- 6, IL-8 i IL-10. Material i mètodes: Es van seleccionar 46 pacients d’una cohort de pacients amb TCE moderat o greu ingressats a la Unitat de Cures Intensives de l’Hospital Universitari de la Vall d’Hebron i monitoritzats amb MDC. Es van analitzar els nivells de lactat i ILP i es va correlacionar amb els nivells de PtiO2. Es van realitzar experiments in vitro per estudiar la recuperació de les membranes de 100 KDa per tal de poder interpretar posteriorment els nivells reals de les molècules estudiades en l’espai extracel•lular del teixit cerebral. Resultats: La concordança entre el lactat i l’índex LP per a determinar episodis de disfunció metabòlica va ser dèbil (índex de kappa = 0,36, IC 95%: 0,34-0,39). Més del 80% dels casos en què el lactat i l’índex LP es trobaven incrementats, els valors de la PtiO2 es van trobar dins els rangs de normalitat (PtiO2&15mmHg). La recuperació de les citoquines a través de la membrana de microdiàlisis va ser menor de l’esperat tenint en compte la mida dels porus de la membrana. Conclusions: el lactat i l’índex LP elevats va ser una troballa freqüent després d’un TCE i no es va relacionar, en la majoria de casos, amb episodis d’hipòxia tissular. Per un altra part la mida del porus de la membrana no és l’únic paràmetre indicador de la RR de macromolècules.

Creació d'un consorci de microorganismes per l'eliminació de fòsfor a partir de fonts de carboni alternatives

L'existència d’una font de carboni adequada per l’eliminació biològica de fòsfor, és un factor decisiu per l'eliminació de fòsfor de les aigües residuals urbanes. Per a les aigües residuals amb baix contingut d'àcids grassos volàtils és necessària l’addició d’alguna font de carboni externa. El metanol és la font de carboni més utilitzada en processos a EDAR (p.ex. desnitrificació), degut al seu baix cost. Malgrat això, varis estudis proven que per l’eliminació biològica de fòsfor, aquest, no és una bona alternativa. En aquest estudi es desenvolupa un consorci amb la biomassa de digestió anaeròbia i biomassa acumuladora de polifosfat (PAO). El propòsit del consorci és la degradació de metanol en AGV, per obtenir l'activitat EBPR. A més, aquest estudi mostra la viabilitat de substituir en el consorci el metanol per altres fonts de carboni.