Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Exploration of the contribution of isotope ratio mass spectrometry to the investigation of explosives: A study of black powders and ammonium nitrate fertilisers

The increasing number of bomb attacks involving improvised explosive devices, as well as the nature of the explosives, give rise to concern among safety and law enforcement agencies. The substances used in explosive charges are often everyday products diverted from their primary licit applications. Thus, reducing or limiting their accessibility for prevention purposes is difficult. Ammonium nitrate, employed in agriculture as a fertiliser, is used worldwide in small and large homemade bombs. Black powder, dedicated to hunting and shooting sports, is used illegally as a filling in pipe bombs causing extensive damage. If the main developments of instrumental techniques in explosive analysis have been constantly pushing the limits of detection, their actual contribution to the investigation of explosives in terms of source discrimination is limited. Forensic science has seen the emergence of a new technology, isotope ratio mass spectrometry (IRMS), that shows promising results. Its very first application in forensic science dates back to 1979. Liu et al. analysed cannabis plants coming from different countries [Liu et al. 1979]. This preliminary study highlighted its potential to discriminate specimens coming from different sources. Thirty years later, the keen interest in this new technology has given rise to a flourishing number of publications in forensic science. The countless applications of IRMS to a wide range of materials and substances attest to its success and suggest that the technique is ready to be used in forensic science. However, many studies are characterised by a lack of methodology and fundamental data. They have been undertaken in a top-down approach, applying this technique in an exploratory manner on a restricted sampling. This manner of procedure often does not allow the researcher to answer a number of questions, such as: do the specimens come from the same source, what do we mean by source or what is the inherent variability of a substance? The production of positive results has prevailed at the expense of forensic fundamentals. This research focused on the evaluation of the contribution of the information provided by isotopic analysis to the investigation of explosives. More specifically, this evaluation was based on a sampling of black powders and ammonium nitrate fertilisers coming from known sources. Not only has the methodology developed in this work enabled us to highlight crucial elements inherent to the methods themselves, but also to evaluate both the longitudinal and transversal variabilities of the information. First, the study of the variability of the profile over time was undertaken. Secondly, the variability of black powders and ammonium nitrate fertilisers within the same source and between different sources was evaluated. The contribution of this information to the investigation of explosives was then evaluated and discussed. --------------------------------------------------------------------------------------------------- Le nombre croissant d'attentats à la bombe impliquant des engins explosifs artisanaux, ainsi que la nature des charges explosives, constituent une préoccupation majeure pour les autorités d'application de la loi et les organismes de sécurité. Les substances utilisées dans les charges explosives sont souvent des produits du quotidien, détournés de leurs applications licites. Par conséquent, réduire ou limiter l'accessibilité de ces produits dans un but de prévention est difficile. Le nitrate d'ammonium, employé dans l'agriculture comme engrais, est utilisé dans des petits et grands engins explosifs artisanaux. La poudre noire, initialement dédiée à la chasse et au tir sportif, est fréquemment utilisée comme charge explosive dans les pipe bombs, qui causent des dommages importants. Si les développements des techniques d'analyse des explosifs n'ont cessé de repousser les limites de détection, leur contribution réelle à l'investigation des explosifs est limitée en termes de discrimination de sources. Une nouvelle technologie qui donne des résultats prometteurs a fait son apparition en science forensique: la spectrométrie de masse à rapport isotopique (IRMS). Sa première application en science forensique remonte à 1979. Liu et al. ont analysé des plants de cannabis provenant de différents pays [Liu et al. 1979]. Cette étude préliminaire, basée sur quelques analyses, a mis en évidence le potentiel de l'IRMS à discriminer des spécimens provenant de sources différentes. Trente ans plus tard, l'intérêt marqué pour cette nouvelle technologie en science forensique se traduit par un nombre florissant de publications. Les innombrables applications de l'IRMS à une large gamme de matériaux et de substances attestent de son succès et suggèrent que la technique est prête à être utilisée en science forensique. Cependant, de nombreuses études sont caractérisées par un manque de méthodologie et de données fondamentales. Elles ont été menées sans définir les hypothèses de recherche et en appliquant cette technique de façon exploratoire sur un échantillonnage restreint. Cette manière de procéder ne permet souvent pas au chercheur de répondre à un certain nombre de questions, tels que: est-ce que deux spécimens proviennent de la même source, qu'entend-on par source ou encore quelle est l'intravariabilité d'une substance? La production de résultats positifs a prévalu au détriment des fondamentaux de science forensique. Cette recherche s'est attachée à évaluer la contribution réelle de l'information isotopique dans les investigations en matière d'explosifs. Plus particulièrement, cette évaluation s'est basée sur un échantillonnage constitué de poudres noires et d'engrais à base de nitrate d'ammonium provenant de sources connues. La méthodologie développée dans ce travail a permis non seulement de mettre en évidence des éléments cruciaux relatifs à la méthode d'analyse elle-même, mais également d'évaluer la variabilité de l'information isotopique d'un point de vue longitudinal et transversal. Dans un premier temps, l'évolution du profil en fonction du temps a été étudiée. Dans un second temps, la variabilité du profil des poudres noires et des engrais à base de nitrate d'ammonium au sein d'une même source et entre différentes sources a été évaluée. La contribution de cette information dans le cadre des investigations d'explosifs a ensuite été discutée et évaluée.

Effect of oral nitrate supplementation on pulmonary hemodynamics during exercise and time trial performance in normoxia and hypoxia: a randomized controlled trial.

BACKGROUND: Hypoxia-induced pulmonary vasoconstriction increases pulmonary arterial pressure (PAP) and may impede right heart function and exercise performance. This study examined the effects of oral nitrate supplementation on right heart function and performance during exercise in normoxia and hypoxia. We tested the hypothesis that nitrate supplementation would attenuate the increase in PAP at rest and during exercise in hypoxia, thereby improving exercise performance. METHODS: Twelve trained male cyclists [age: 31 ± 7 year (mean ± SD)] performed 15 km time-trial cycling (TT) and steady-state submaximal cycling (50, 100, and 150 W) in normoxia and hypoxia (11% inspired O2) following 3-day oral supplementation with either placebo or sodium nitrate (0.1 mmol/kg/day). We measured TT time-to-completion, muscle tissue oxygenation during TT and systolic right ventricle to right atrium pressure gradient (RV-RA gradient: index of PAP) during steady state cycling. RESULTS: During steady state exercise, hypoxia elevated RV-RA gradient (p > 0.05), while oral nitrate supplementation did not alter RV-RA gradient (p > 0.05). During 15 km TT, hypoxia lowered muscle tissue oxygenation (p < 0.05). Nitrate supplementation further decreased muscle tissue oxygenation during 15 km TT in hypoxia (p < 0.05). Hypoxia impaired time-to-completion during TT (p < 0.05), while no improvements were observed with nitrate supplementation in normoxia or hypoxia (p > 0.05). CONCLUSION: Our findings indicate that oral nitrate supplementation does not attenuate acute hypoxic pulmonary vasoconstriction nor improve performance during time trial cycling in normoxia and hypoxia.

Subcellular investigation of photosynthesis-driven carbon assimilation in the symbiotic reef coral Pocillopora damicornis.

Reef-building corals form essential, mutualistic endosymbiotic associations with photosynthetic Symbiodinium dinoflagellates, providing their animal host partner with photosynthetically derived nutrients that allow the coral to thrive in oligotrophic waters. However, little is known about the dynamics of these nutritional interactions at the (sub)cellular level. Here, we visualize with submicrometer spatial resolution the carbon and nitrogen fluxes in the intact coral-dinoflagellate association from the reef coral Pocillopora damicornis by combining nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) and transmission electron microscopy with pulse-chase isotopic labeling using [(13)C]bicarbonate and [(15)N]nitrate. This allows us to observe that (i) through light-driven photosynthesis, dinoflagellates rapidly assimilate inorganic bicarbonate and nitrate, temporarily storing carbon within lipid droplets and starch granules for remobilization in nighttime, along with carbon and nitrogen incorporation into other subcellular compartments for dinoflagellate growth and maintenance, (ii) carbon-containing photosynthates are translocated to all four coral tissue layers, where they accumulate after only 15 min in coral lipid droplets from the oral gastroderm and within 6 h in glycogen granules from the oral epiderm, and (iii) the translocation of nitrogen-containing photosynthates is delayed by 3 h. IMPORTANCE: Our results provide detailed in situ subcellular visualization of the fate of photosynthesis-derived carbon and nitrogen in the coral-dinoflagellate endosymbiosis. We directly demonstrate that lipid droplets and glycogen granules in the coral tissue are sinks for translocated carbon photosynthates by dinoflagellates and confirm their key role in the trophic interactions within the coral-dinoflagellate association.

Bacterial overgrowth during treatment with omeprazole compared with cimetidine: a prospective randomised double blind study.

BACKGROUND: Gastric and duodenal bacterial overgrowth frequently occurs in conditions where diminished acid secretion is present. Omeprazole inhibits acid secretion more effectively than cimetidine and might therefore more frequently cause bacterial overgrowth. AIM: This controlled prospective study compared the incidence of gastric and duodenal bacterial overgrowth in patients treated with omeprazole or cimetidine. METHODS: 47 outpatients with peptic disease were randomly assigned to a four week treatment regimen with omeprazole 20 mg or cimetidine 800 mg daily. Gastric and duodenal juice were obtained during upper gastrointestinal endoscopy and plated for anaerobic and aerobic organisms. RESULTS: Bacterial overgrowth (> or = 10(5) cfu/ml) was present in 53% of the patients receiving omeprazole and in 17% receiving cimetidine (p < 0.05). The mean (SEM) number of gastric and duodenal bacterial counts was 6.0 (0.2) and 5.0 (0.2) respectively in the omeprazole group and 4.0 (0.2) and 4.0 (0.1) in the cimetidine group (p < 0.001 and < 0.01; respectively). Faecal type bacteria were found in 30% of the patients with bacterial overgrowth. Basal gastric pH was higher in patients treated with omeprazole compared with cimetidine (4.2 (0.5) versus 2.0 (0.2); p < 0.001) and in patients with bacterial overgrowth compared with those without bacterial overgrowth (5.1 (0.6) versus 2.0 (0.1); p < 0.0001). The nitrate, nitrite, and nitrosamine values in gastric juice did not increase after treatment with either cimetidine or omeprazole. Serum concentrations of vitamin B12, beta carotene, and albumin were similar before and after treatment with both drugs. CONCLUSIONS: These results show that the incidence of gastric and duodenal bacterial overgrowth is considerably higher in patients treated with omeprazole compared with cimetidine. This can be explained by more pronounced inhibition of gastric acid secretion. No patient developed signs of malabsorption or an increase of N-nitroso compounds. The clinical significance of these findings needs to be assessed in studies with long-term treatment with omeprazole, in particular in patients belonging to high risk groups such as HIV infected and intensive care units patients.

Plasmodium falciparum: nitric oxide modulates heme speciation in isolated food vacuoles.

Nitric oxide (NO) and NO-derived reactive nitrogen species (RNS) are present in the food vacuole (FV) of Plasmodium falciparum trophozoites. The product of PFL1555w, a putative cytochrome b(5), localizes in the FV membrane, similar to what was previously observed for the product of PF13_0353, a putative cytochrome b(5) reductase. These two gene products may contribute to NO generation by denitrification chemistry from nitrate and/or nitrite present in the erythrocyte cytosol. The possible coordination of NO to heme species present in the food vacuole was probed by resonance Raman spectroscopy. The spectroscopic data revealed that in situ generated NO interacts with heme inside the intact FVs to form ferrous heme nitrosyl complexes that influence intra-vacuolar heme solubility. The formation of heme nitrosyl complexes within the FV is a previously unrecognized factor that could affect the equilibrium between soluble and crystallized heme within the FV in vivo.

Oxygen-sensing reporter strain of Pseudomonas fluorescens for monitoring the distribution of low-oxygen habitats in soil.

The root-colonizing bacterium Pseudomonas fluorescens CHA0 was used to construct an oxygen-responsive biosensor. An anaerobically inducible promoter of Pseudomonas aeruginosa, which depends on the FNR (fumarate and nitrate reductase regulation)-like transcriptional regulator ANR (anaerobic regulation of arginine deiminase and nitrate reductase pathways), was fused to the structural lacZ gene of Escherichia coli. By inserting the reporter fusion into the chromosomal attTn7 site of P. fluorescens CHA0 by using a mini-Tn7 transposon, the reporter strain, CHA900, was obtained. Grown in glutamate-yeast extract medium in an oxystat at defined oxygen levels, the biosensor CHA900 responded to a decrease in oxygen concentration from 210 x 10(2) Pa to 2 x 10(2) Pa of O(2) by a nearly 100-fold increase in beta-galactosidase activity. Half-maximal induction of the reporter occurred at about 5 x 10(2) Pa. This dose response closely resembles that found for E. coli promoters which are activated by the FNR protein. In a carbon-free buffer or in bulk soil, the biosensor CHA900 still responded to a decrease in oxygen concentration, although here induction was about 10 times lower and the low oxygen response was gradually lost within 3 days. Introduced into a barley-soil microcosm, the biosensor could report decreasing oxygen concentrations in the rhizosphere for a 6-day period. When the water content in the microcosm was raised from 60% to 85% of field capacity, expression of the reporter gene was elevated about twofold above a basal level after 2 days of incubation, suggesting that a water content of 85% caused mild anoxia. Increased compaction of the soil was shown to have a faster and more dramatic effect on the expression of the oxygen reporter than soil water content alone, indicating that factors other than the water-filled pore space influenced the oxygen status of the soil. These experiments illustrate the utility of the biosensor for detecting low oxygen concentrations in the rhizosphere and other soil habitats.

Characterization of the hcnABC gene cluster encoding hydrogen cyanide synthase and anaerobic regulation by ANR in the strictly aerobic biocontrol agent Pseudomonas fluorescens CHA0.

The secondary metabolite hydrogen cyanide (HCN) is produced by Pseudomonas fluorescens from glycine, essentially under microaerophilic conditions. The genetic basis of HCN synthesis in P. fluorescens CHA0 was investigated. The contiguous structural genes hcnABC encoding HCN synthase were expressed from the T7 promoter in Escherichia coli, resulting in HCN production in this bacterium. Analysis of the nucleotide sequence of the hcnABC genes showed that each HCN synthase subunit was similar to known enzymes involved in hydrogen transfer, i.e., to formate dehydrogenase (for HcnA) or amino acid oxidases (for HcnB and HcnC). These similarities and the presence of flavin adenine dinucleotide- or NAD(P)-binding motifs in HcnB and HcnC suggest that HCN synthase may act as a dehydrogenase in the reaction leading from glycine to HCN and CO2. The hcnA promoter was mapped by primer extension; the -40 sequence (TTGGC ... ATCAA) resembled the consensus FNR (fumarate and nitrate reductase regulator) binding sequence (TTGAT ... ATCAA). The gene encoding the FNR-like protein ANR (anaerobic regulator) was cloned from P. fluorescens CHA0 and sequenced. ANR of strain CHA0 was most similar to ANR of P. aeruginosa and CydR of Azotobacter vinelandii. An anr mutant of P. fluorescens (CHA21) produced little HCN and was unable to express an hcnA-lacZ translational fusion, whereas in wild-type strain CHA0, microaerophilic conditions strongly favored the expression of the hcnA-lacZ fusion. Mutant CHA21 as well as an hcn deletion mutant were impaired in their capacity to suppress black root rot of tobacco, a disease caused by Thielaviopsis basicola, under gnotobiotic conditions. This effect was most pronounced in water-saturated artificial soil, where the anr mutant had lost about 30% of disease suppression ability, compared with wild-type strain CHA0. These results show that the anaerobic regulator ANR is required for cyanide synthesis in the strictly aerobic strain CHA0 and suggest that ANR-mediated cyanogenesis contributes to the suppression of black root rot.

Wet chemical silver treatment of endotracheal tubes to produce antibacterial surfaces.

Mechanically ventilated patients in hospitals are subjected to an increased risk of acquiring nosocomial pneumonia that sometimes has a lethal outcome. One way to minimize the risk could be to make the surfaces on endotracheal tubes antibacterial. In this study, bacterial growth was inhibited or completely prevented by silver ions wet chemically and deposited onto the tube surface. Through the wet chemical treatment developed here, a surface precipitate was formed containing silver chloride and a silver stearate salt. The identity and morphology of the surface precipitate was studied using x-ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and x-ray powder diffraction. Leaching of silver ions into solution was examined, and bacterial growth on the treated surfaces was assayed using Pseudomonas aeruginosa wild type (PAO1) bacteria. Furthermore, the minimum inhibitory concentration of silver ions was determined in liquid- and solid-rich growth medium as 23 and 18 microM, respectively, for P. aeruginosa.