The Use of Passive Samplers to Reveal Industrial and Agricultural Pollution Trends in Swiss Rivers

This study shows the efficiency of passive sampling to reveal industrial and agricultural pollution trends. Two practical applications for nonpolar and polar contaminants are presented. Low-density polyethylene (LDPE) samplers were deployed for one year in the Venoge River (VD) to monitor indicator PCBs (iPCBs, IUPAC nos. 28, 52, 101, 138, 153 and 180). The results showed that the impact of PCB emissions into the river is higher in summer than in other seasons due to the low flow rate of the river during this period. P,olar organic chemical integrative samplers (POCIS) were deployed for 4 months in the Sion-Riddes canal (VS) to investigate herbicides (terbuthylazine, diuron and linuron). Desisopropylatrazine-d5 (DIA-d5) was tested as a performance reference compound (PRC) to estimate aqueous concentration. The results showed an increase of water contamination due to the studied agricultural area. The maximal contamination was observed in April and corresponds to the period of herbicide application on the crops.

A concentric analysis of the impact of urbanization on the threatened European tree frog in an agricultural landscape

Pond-breeding amphibians are affected by site-specific factors and regional and landscape-scale patterns of land use. Recent anthropogenic landscape modifications (drainage, agriculture intensification, larger road networks, and increased traffic) affect species by reducing the suitable habitat area and fragmenting remaining populations. Using a robust concentric approach based on permutation tests, we evaluated the impact of recent landscape changes on the presence of the endangered European tree frog (Hyla arborea.) in wetlands. We analyzed the frequency of 1 traffic and 14 land-use indices at 20 circular ranges (from 100-m up to 2-km radii) around 76 ponds identified in western Switzerland. Urban areas and road surfaces had a strong adverse effect on tree frog presence even at relatively great distances (from 100 m up to 1 km). When traffic measurements were considered instead of road surfaces, the effect increased, suggesting a negative impact due to a vehicle-induced effect. Altogether, our results indicate that urbanization and traffic must be taken into account when pond creation is an option in conservation management plans, as is the case for the European tree frog in western Switzerland. We conclude that our easy-to-use and robust concentric method of analysis can successfully assist managers in identifying potential sites for pond creation, where probability of the presence of tree frogs is maximized.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

New developments and applications in modelling occupational exposure to airborne contaminants

Résumé: L'évaluation de l'exposition aux nuisances professionnelles représente une étape importante dans l'analyse de poste de travail. Les mesures directes sont rarement utilisées sur les lieux même du travail et l'exposition est souvent estimée sur base de jugements d'experts. Il y a donc un besoin important de développer des outils simples et transparents, qui puissent aider les spécialistes en hygiène industrielle dans leur prise de décision quant aux niveaux d'exposition. L'objectif de cette recherche est de développer et d'améliorer les outils de modélisation destinés à prévoir l'exposition. Dans un premier temps, une enquête a été entreprise en Suisse parmi les hygiénistes du travail afin d'identifier les besoins (types des résultats, de modèles et de paramètres observables potentiels). Il a été constaté que les modèles d'exposition ne sont guère employés dans la pratique en Suisse, l'exposition étant principalement estimée sur la base de l'expérience de l'expert. De plus, l'émissions de polluants ainsi que leur dispersion autour de la source ont été considérés comme des paramètres fondamentaux. Pour tester la flexibilité et la précision des modèles d'exposition classiques, des expériences de modélisations ont été effectuées dans des situations concrètes. En particulier, des modèles prédictifs ont été utilisés pour évaluer l'exposition professionnelle au monoxyde de carbone et la comparer aux niveaux d'exposition répertoriés dans la littérature pour des situations similaires. De même, l'exposition aux sprays imperméabilisants a été appréciée dans le contexte d'une étude épidémiologique sur une cohorte suisse. Dans ce cas, certains expériences ont été entreprises pour caractériser le taux de d'émission des sprays imperméabilisants. Ensuite un modèle classique à deux-zone a été employé pour évaluer la dispersion d'aérosol dans le champ proche et lointain pendant l'activité de sprayage. D'autres expériences ont également été effectuées pour acquérir une meilleure compréhension des processus d'émission et de dispersion d'un traceur, en se concentrant sur la caractérisation de l'exposition du champ proche. Un design expérimental a été développé pour effectuer des mesures simultanées dans plusieurs points d'une cabine d'exposition, par des instruments à lecture directe. Il a été constaté que d'un point de vue statistique, la théorie basée sur les compartiments est sensée, bien que l'attribution à un compartiment donné ne pourrait pas se faire sur la base des simples considérations géométriques. Dans une étape suivante, des données expérimentales ont été collectées sur la base des observations faites dans environ 100 lieux de travail différents: des informations sur les déterminants observés ont été associées aux mesures d'exposition des informations sur les déterminants observés ont été associé. Ces différentes données ont été employées pour améliorer le modèle d'exposition à deux zones. Un outil a donc été développé pour inclure des déterminants spécifiques dans le choix du compartiment, renforçant ainsi la fiabilité des prévisions. Toutes ces investigations ont servi à améliorer notre compréhension des outils des modélisations ainsi que leurs limitations. L'intégration de déterminants mieux adaptés aux besoins des experts devrait les inciter à employer cet outil dans leur pratique. D'ailleurs, en augmentant la qualité des outils des modélisations, cette recherche permettra non seulement d'encourager leur utilisation systématique, mais elle pourra également améliorer l'évaluation de l'exposition basée sur les jugements d'experts et, par conséquent, la protection de la santé des travailleurs. Abstract Occupational exposure assessment is an important stage in the management of chemical exposures. Few direct measurements are carried out in workplaces, and exposures are often estimated based on expert judgements. There is therefore a major requirement for simple transparent tools to help occupational health specialists to define exposure levels. The aim of the present research is to develop and improve modelling tools in order to predict exposure levels. In a first step a survey was made among professionals to define their expectations about modelling tools (what types of results, models and potential observable parameters). It was found that models are rarely used in Switzerland and that exposures are mainly estimated from past experiences of the expert. Moreover chemical emissions and their dispersion near the source have also been considered as key parameters. Experimental and modelling studies were also performed in some specific cases in order to test the flexibility and drawbacks of existing tools. In particular, models were applied to assess professional exposure to CO for different situations and compared with the exposure levels found in the literature for similar situations. Further, exposure to waterproofing sprays was studied as part of an epidemiological study on a Swiss cohort. In this case, some laboratory investigation have been undertaken to characterize the waterproofing overspray emission rate. A classical two-zone model was used to assess the aerosol dispersion in the near and far field during spraying. Experiments were also carried out to better understand the processes of emission and dispersion for tracer compounds, focusing on the characterization of near field exposure. An experimental set-up has been developed to perform simultaneous measurements through direct reading instruments in several points. It was mainly found that from a statistical point of view, the compartmental theory makes sense but the attribution to a given compartment could ñó~be done by simple geometric consideration. In a further step the experimental data were completed by observations made in about 100 different workplaces, including exposure measurements and observation of predefined determinants. The various data obtained have been used to improve an existing twocompartment exposure model. A tool was developed to include specific determinants in the choice of the compartment, thus largely improving the reliability of the predictions. All these investigations helped improving our understanding of modelling tools and identify their limitations. The integration of more accessible determinants, which are in accordance with experts needs, may indeed enhance model application for field practice. Moreover, while increasing the quality of modelling tool, this research will not only encourage their systematic use, but might also improve the conditions in which the expert judgments take place, and therefore the workers `health protection.

Seasonal fluctuations of bacterial community diversity in agricultural soil and experimental validation by laboratory disturbance experiments.

Natural fluctuations in soil microbial communities are poorly documented because of the inherent difficulty to perform a simultaneous analysis of the relative abundances of multiple populations over a long time period. Yet, it is important to understand the magnitudes of community composition variability as a function of natural influences (e.g., temperature, plant growth, or rainfall) because this forms the reference or baseline against which external disturbances (e.g., anthropogenic emissions) can be judged. Second, definition of baseline fluctuations in complex microbial communities may help to understand at which point the systems become unbalanced and cannot return to their original composition. In this paper, we examined the seasonal fluctuations in the bacterial community of an agricultural soil used for regular plant crop production by using terminal restriction fragment length polymorphism profiling (T-RFLP) of the amplified 16S ribosomal ribonucleic acid (rRNA) gene diversity. Cluster and statistical analysis of T-RFLP data showed that soil bacterial communities fluctuated very little during the seasons (similarity indices between 0.835 and 0.997) with insignificant variations in 16S rRNA gene richness and diversity indices. Despite overall insignificant fluctuations, between 8 and 30% of all terminal restriction fragments changed their relative intensity in a significant manner among consecutive time samples. To determine the magnitude of community variations induced by external factors, soil samples were subjected to either inoculation with a pure bacterial culture, addition of the herbicide mecoprop, or addition of nutrients. All treatments resulted in statistically measurable changes of T-RFLP profiles of the communities. Addition of nutrients or bacteria plus mecoprop resulted in bacteria composition, which did not return to the original profile within 14 days. We propose that at less than 70% similarity in T-RFLP, the bacterial communities risk to drift apart to inherently different states.

Development of a multistrain bacterial bioreporter platform for the monitoring of hydrocarbon contaminants in marine environments.

Petroleum hydrocarbons are common contaminants in marine and freshwater aquatic habitats, often occurring as a result of oil spillage. Rapid and reliable on-site tools for measuring the bioavailable hydrocarbon fractions, i.e., those that are most likely to cause toxic effects or are available for biodegradation, would assist in assessing potential ecological damage and following the progress of cleanup operations. Here we examined the suitability of a set of different rapid bioassays (2-3 h) using bacteria expressing the LuxAB luciferase to measure the presence of short-chain linear alkanes, monoaromatic and polyaromatic compounds, biphenyls, and DNA-damaging agents in seawater after a laboratory-scale oil spill. Five independent spills of 20 mL of NSO-1 crude oil with 2 L of seawater (North Sea or Mediterranean Sea) were carried out in 5 L glass flasks for periods of up to 10 days. Bioassays readily detected ephemeral concentrations of short-chain alkanes and BTEX (i.e., benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes) in the seawater within minutes to hours after the spill, increasing to a maximum of up to 80 muM within 6-24 h, after which they decreased to low or undetectable levels. The strong decrease in short-chain alkanes and BTEX may have been due to their volatilization or biodegradation, which was supported by changes in the microbial community composition. Two- and three-ring PAHs appeared in the seawater phase after 24 h with a concentration up to 1 muM naphthalene equivalents and remained above 0.5 muM for the duration of the experiment. DNA-damage-sensitive bioreporters did not produce any signal with the oil-spilled aqueous-phase samples, whereas bioassays for (hydroxy)biphenyls showed occasional responses. Chemical analysis for alkanes and PAHs in contaminated seawater samples supported the bioassay data, but did not show the typical ephemeral peaks observed with the bioassays. We conclude that bacterium-based bioassays can be a suitable alternative for rapid on-site quantitative measurement of hydrocarbons in seawater.

Wildflower areas within revitalized agricultural matrices boost small mammal populations but not breeding Barn Owls

Agro-ecosystems have recently experienced dramatic losses of biodiversity due to more intensive production methods. In order to increase species diversity, agri-environment schemes provide subsidies to farmers who devote a fraction of their land to ecological compensation areas (ECA). Several studies have shown that invertebrate biodiversity is actually higher in ECA than in nearby intensively cultivated farmland. It remains poorly understood, however, to what extent ECA also favour vertebrates, such as small mammals and their predators, which would contribute to restore functioning food chains within revitalized agricultural matrices. We studied small mammal populations among eight habitat types - including wildflower areas, a specific ECA in Switzerland - and habitat selection (radiotracking) by the barn owl Tyto alba, one of their principal predators. Our prediction was that habitats with higher abundances of small mammals would be more visited by foraging Barn owls during the period of chicks' provisioning. Small mammal abundance tended to be higher in wildflower areas than in any other habitat type. Barn owls, however, preferred to forage in cereal fields and grassland. They avoided all types of crops other than cereals, as well as wildflower areas, which suggests that they do not select their hunting habitat primarily with respect to prey density. Instead of prey abundance, prey accessibility may play a more crucial role: wildflower areas have a dense vegetation cover, which may impede access to prey for foraging owls. The exploitation of wildflower areas by the owls might be enhanced by creating open foraging corridors within or around wildflower areas. Wildflower areas managed in that way might contribute to restore functioning food chains within agro-ecosystems.

High incidence of childhood hemolytic uremic syndrome in Switzerland is associated with indicators of livestock farming intensity

Background: Hemolytic-uremic syndrome (HUS) is a multisystem disorder associated with significant morbidity and mortality. Typically, HUS is preceded by an episode of (bloody) diarrhea mostly due to Shiga-toxin (Stx) producing Escherichia coli (STEC). The main reservoir for STEC is the intestine of healthy ruminants, mostly cattle, and recent studies have revealed an association between indicators of livestock density and human STEC infection or HUS, respectively. Nationwide data on HUS in Switzerland have been established through the Swiss Pediatric Surveillance Unit (SPSU) [Schifferli et al. Eur J Pediatr. 2010; 169:591-8]. Aims: Analysis of age-specific incidence rate of childhood HUS and possible association of Shiga-toxin associated HUS (Stx-HUS) with indicators of livestock farming intensity. Methods: Epidemiological and ecological analysis based on the SPSU data (1997-2003) and the database of the Swiss Federal Statistical Office (data on population and agriculture). Results: One hundred-fourteen cases were registered, 88% were ≤5 years old. The overall annual incidence rate was 1.42 (0.60-1.91) and 4.23 (1.76-6.19) per 100000 children ≤5 and ≤16 years, respectively (P = 0.005). Stx-HUS was more frequent compared to cases not associated with STEC (P = 0.002). The incidence rate for Stx-HUS was 3.85 (1.76-5.65) in children ≤5, compared to 0.27 (0.00-0.54) per 100'000 children 5-16 years (P = 0.002), respectively. The incidence rate of cases not associated with STEC infection did not significantly vary with age (P = 0.107). Compared to data from Scotland, Canada, Ireland, Germany, England, Australia, Italy, and Austria the annual incidence rate of HUS in young children is highest in Switzerland. Ecological analysis revealed strong association between the incidence rate of Stx-HUS and indicators of rural occupation (agricultural labourer / population, P = 0.030), farming intensity (livestock breeding farms / population, P = 0.027) and cattle density (cattle / cultivated area, P = 0.013). Conclusions: Alike in other countries, HUS in Switzerland is mostly associated with STEC infection and affects predominantly young children. However, the incidence rate is higher compared to countries abroad and is significantly correlated with indicators of livestock farming intensity. The present data support the impact of direct and indirect contact with animals or fecal contaminants in transmission of STEC to humans.

Factors promoting the exposure to bioaerosols among crop workers

Introduction. Agricultural workers are among the professional groups most at risk of developing acute or chronic respiratory problems. Despite this fact, the etiology of these occupational diseases is poorly known, even in important sectors of agriculture such as the crops sector. Cereals can be colonized by a large number of fungal species throughout the plants' growth, but also during grain storage. Some of these fungi deliver toxins that can have a serious impact on human health when they are ingested via wheat products. Although International and European legislation on contaminants in food, including mycotoxins, include measures to ensure protection of public health by setting down the maximum levels for certain contaminants, the risks associated with the inhalation of such molecules during grain handling remains poorly documented. Goal of study. This project's objective was to characterize worker exposure to pathogenic, irritative or allergenic microorganisms and to identify the abiotic or biotic factors that reduce the growth of these microorganisms in crops. Indeed, the proliferation of microorganisms on wheat is dependent on temperature, rainfall and human disturbance (e.g. usage of tillage, addition of fungicides). A change in the concentration of these microorganisms in the substrate will directly result in a change in the concentration of aerosolized particles of the same microorganisms. Therefore, the exposure of worker to bioaérosols will also change. The Vaud region of Switzerland is a perfect region for conduct such a project as weather conditions vary and agricultural land management programs are divers at a small geographic scale. Methods. Bioaerosols and wheat dust have been sampled during wheat harvesting of summer 2010 at 100 sites uniformly distributed in the Vaud region that are representative of the different agriculture practices. Personal exposure has been evaluated for different wheat related activities: harvesting, grain unload, baling straw, the cleaning of harvesters and silos. Aerosols have been sampled at a rate of 2L/min between 15 min to 4 hours (t) on a 5m PVC filter for estimating the total dust inhaled, on gelatine filter for the identification and quantification of molds, and on a 0.45um polycarbonate filter for endotoxin quantification. Altitude, temperature and annual average rainfall were considered for each site. The physical and chemical characteristics of soils were determined using the methods in effect at Sol Council (Nyon). Total dust has been quantified following NIOSH 0500 method. Reactive endotoxine activity has been determined with Limulus Amebocyte Lysate Assay. All molds have been identified by the pyrosequencing of ITS2 amplicons generated from bioaerosol or wheat dust genomic DNA. Results & Conclusions. Our results confirm the previous quantitative data on the worker exposure to wheat dust. In addition, they show that crop workers are systematically exposed to complex mixtures of allergens, irritants or cytotoxic components. The novelty of our study is the systematic detection of molds such as Fusarium - that is a mycotoxins producer - in the bioaerosols. The results are interpreted by taking in account the agriculture practice, the Phosphorus : Carbon : Nitrogen ratio of the soil, the altitude and the average of rainy days per year.

Human epidermal cultures screened for residual murine feeder cells-No contaminants found

Rationale: Human keratinocytes used for transplants are cultivated on a feeder layer which may be composed of autologous human fibroblasts or 3T3 murine fibroblasts. Using the latter method spares 15 additional days of preparation. In this study we investigate the potential presence of residual murine feeder cell contaminants in epidermal cultures prepared for transplantation. Methods: Monolayers of cultured 3T3-J2 murine fibroblasts were treated with 4 μg/mL of mitomycin C (MMC) for 2 h and used to track cell survival kinetics. Using similar 3T3 cells, human keratinocyte cultures were grown following a modified protocol based on the method described by Rheinwald and Green. Cell sheets were mechanically detached and rinsed 4 times following the same procedure used for transplant preparation. The elimination of 3T3 cells during culture was visually tracked using phase contrast microscopy. Epidermal cultures were then dissociated to produce cell suspensions and analyzed by flow cytometry using a murine-specific antibody, CD90, conjugated to a fluorescein isothiocyanate (FITC) marker. Dead cells were identified using 7-amino-actinomysin D (7-AAD) which binds to DNA in permeabilized cells. Results: 3T3 cells treated with MMC display clear morphological signs of apoptosis, disappearing completely in 9-10 days following kinetics similar to 30 Gy gamma irradiated 3T3 cells. Histological analysis of cultured epidermal sheets revealed homogenous keratinocytic tissue with no 3T3 cells. MMC treated and untreated 3T3 cells displayed strong CD90 expression. Cell suspensions obtained from epidermal cultures were, however, negative for that marker. Conclusion: Results obtained demonstrate the absence of contaminating murine 3T3 feeder cells in human keratinocyte cultures. These findings highlight our success in developing cultured human epidermal autografts.

A Monte Carlo approach to the inverse problem of diffuse pollution risk in agricultural catchments

The hydrological and biogeochemical processes that operate in catchments influence the ecological quality of freshwater systems through delivery of fine sediment, nutrients and organic matter. Most models that seek to characterise the delivery of diffuse pollutants from land to water are reductionist. The multitude of processes that are parameterised in such models to ensure generic applicability make them complex and difficult to test on available data. Here, we outline an alternative - data-driven - inverse approach. We apply SCIMAP, a parsimonious risk based model that has an explicit treatment of hydrological connectivity. we take a Bayesian approach to the inverse problem of determining the risk that must be assigned to different land uses in a catchment in order to explain the spatial patterns of measured in-stream nutrient concentrations. We apply the model to identify the key sources of nitrogen (N) and phosphorus (P) diffuse pollution risk in eleven UK catchments covering a range of landscapes. The model results show that: 1) some land use generates a consistently high or low risk of diffuse nutrient pollution; but 2) the risks associated with different land uses vary both between catchments and between nutrients; and 3) that the dominant sources of P and N risk in the catchment are often a function of the spatial configuration of land uses. Taken on a case-by-case basis, this type of inverse approach may be used to help prioritise the focus of interventions to reduce diffuse pollution risk for freshwater ecosystems. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.