Pollution and pollutant transport in the geosphere - An introduction to the symposium

Environmental research in earth sciences is focused on the geosphere, i.e. (1) waters and sediments of rivers, lakes and oceans, and (2) soils and underlying shallow rock formations,both water-unsaturated and -saturated. The subsurface is studied down to greater depths at sites where waste repositories or tunnels are planned and mining activities exist. In recent years, earth scientists have become more and more involved in pollution problems related to their classical field of interest, e.g. groundwater, ore deposits, or petroleum and non-metal natural deposits (gravel, clay, cement precursors). Major pollutants include chemical substances, radioactive isotopes and microorganisms. Mechanisms which govern the transport of pollutants are of physical, chemical (dissolution, precipitation, adsorption), or microbiological (transformation) nature. Land-use planning must reflect a sustainable development and sound scientific criteria. Today's environmental pollution requires working teams with an interdisciplinary background in earth sciences, hydrology, chemistry, biology, physics as well as engineering. This symposium brought together for the first time in Switzerland earth and soil scientists, physicists and chemists, to present and discuss environmental issues concerning the geosphere.

Transcriptional profiling of Gram-positive Arthrobacter in the phyllosphere: induction of pollutant degradation genes by natural plant phenolic compounds.

Arthrobacter chlorophenolicus A6 is a Gram-positive, 4-chlorophenol-degrading soil bacterium that was recently shown to be an effective colonizer of plant leaf surfaces. The genetic basis for this phyllosphere competency is unknown. In this paper, we describe the genome-wide expression profile of A.chlorophenolicus on leaves of common bean (Phaseolus vulgaris) compared with growth on agar surfaces. In phyllosphere-grown cells, we found elevated expression of several genes known to contribute to epiphytic fitness, for example those involved in nutrient acquisition, attachment, stress response and horizontal gene transfer. A surprising result was the leaf-induced expression of a subset of the so-called cph genes for the degradation of 4-chlorophenol. This subset encodes the conversion of the phenolic compound hydroquinone to 3-oxoadipate, and was shown to be induced not only by 4-chlorophenol but also hydroquinone, its glycosylated derivative arbutin, and phenol. Small amounts of hydroquinone, but not arbutin or phenol, were detected in leaf surface washes of P.vulgaris by gas chromatography-mass spectrometry. Our findings illustrate the utility of genomics approaches for exploration and improved understanding of a microbial habitat. Also, they highlight the potential for phyllosphere-based priming of bacteria to stimulate pollutant degradation, which holds promise for the application of phylloremediation.

Taking the fungal highway: mobilization of pollutant-degrading bacteria by fungi.

The capacity of fungi to serve as vectors for the dispersion of pollutant-degrading bacteria was analyzed in laboratory model systems mimicking water-saturated (agar surfaces) and unsaturated soil environments (glass-bead-filled columns). Two common soil fungi (Fusarium oxysporum and Rhexocercosporidium sp.) forming hydrophilic and hydrophobic mycelia, respectively, and three polycyclic aromatic hydrocarbon degrading bacteria (Achromobacter sp. SK1, Mycobacterium frederiksbergense LB501TG, and Sphingomonas sp. L138) were selected based on the absence of mutual antagonistic effects. It was shown that fungal hyphae act as vectors for bacterial transport with mobilization strongly depending on the specific microorganisms chosen: The motile strain Achromobacter sp. SK1 was most efficiently spread along hyphae of hydrophilic F. oxysporum in both model systems with transport velocities of up to 1 cm d(-1), whereas no dispersion of the two nonmotile strains was observed in the presence of F. oxysporum. By contrast, none of the bacteria was mobilized along the hydrophobic mycelia of Rhexocercosporidium sp. growing on agar surfaces. In column experiments however, strain SK1 was mobilized by Rhexocercosporidium sp. It is hypothesized that bacteria may move by their intrinsic motilitythrough continuous (physiological) liquid films forming around fungal hyphae. The results of this study suggest that the specific stimulation of indigenous fungi may be a strategy to mobilize pollutant-degrading bacteria leading to their homogenization in polluted soil thereby improving bioremediation.

Getting the most sulfate from soil: Regulation of sulfate uptake transporters in Arabidopsis.

Sulfur (S) is an essential macronutrient for all living organisms. Plants require large amounts of sulfate for growth and development, and this serves as a major entry point of sulfate into the food web. Plants acquire S in its ionic form from the soil; they have evolved tightly controlled mechanisms for the regulation of sulfate uptake in response to its external and internal availability. In the model plant Arabidopsis thaliana, the first key step in sulfate uptake is presumed to be carried out exclusively by only two high-affinity sulfate transporters: SULTR1;1 and SULTR1;2. A better understanding of the mode of regulation for these two transporters is crucial because they constitute the first determinative step in balancing sulfate in respect to its supply and demand. Here, we review the recent progress achieved in our comprehension of (i) mechanisms that regulate these two high-affinity sulfate transporters at the transcriptional and post-transcriptional levels, and (ii) their structure-function relationship. Such progress is important to enable biotechnological and agronomic strategies aimed at enhancing sulfate uptake and improving crop yield in S-deficient soils.

Fungi, bacteria and soil pH: the oxalate-carbonate pathway as a model for metabolic interaction

The oxalatecarbonate pathway involves the oxidation of calcium oxalate to low-magnesium calcite and represents a potential long-term terrestrial sink for atmospheric CO2. In this pathway, bacterial oxalate degradation is associated with a strong local alkalinization and subsequent carbonate precipitation. In order to test whether this process occurs in soil, the role of bacteria, fungi and calcium oxalate amendments was studied using microcosms. In a model system with sterile soil amended with laboratory cultures of oxalotrophic bacteria and fungi, the addition of calcium oxalate induced a distinct pH shift and led to the final precipitation of calcite. However, the simultaneous presence of bacteria and fungi was essential to drive this pH shift. Growth of both oxalotrophic bacteria and fungi was confirmed by qPCR on the frc (oxalotrophic bacteria) and 16S rRNA genes, and the quantification of ergosterol (active fungal biomass) respectively. The experiment was replicated in microcosms with non-sterilized soil. In this case, the bacterial and fungal contribution to oxalate degradation was evaluated by treatments with specific biocides (cycloheximide and bronopol). Results showed that the autochthonous microflora oxidized calcium oxalate and induced a significant soil alkalinization. Moreover, data confirmed the results from the model soil showing that bacteria are essentially responsible for the pH shift, but require the presence of fungi for their oxalotrophic activity. The combined results highlight that the interaction between bacteria and fungi is essential to drive metabolic processes in complex environments such as soil.

Bacterial community structure of a pesticide-contaminated site and assessment of changes induced in community structure during bioremediation.

The introduction of culture-independent molecular screening techniques, especially based on 16S rRNA gene sequences, has allowed microbiologists to examine a facet of microbial diversity not necessarily reflected by the results of culturing studies. The bacterial community structure was studied for a pesticide-contaminated site that was subsequently remediated using an efficient degradative strain Arthrobacter protophormiae RKJ100. The efficiency of the bioremediation process was assessed by monitoring the depletion of the pollutant, and the effect of addition of an exogenous strain on the existing soil community structure was determined using molecular techniques. The 16S rRNA gene pool amplified from the soil metagenome was cloned and restriction fragment length polymorphism studies revealed 46 different phylotypes on the basis of similar banding patterns. Sequencing of representative clones of each phylotype showed that the community structure of the pesticide-contaminated soil was mainly constituted by Proteobacteria and Actinomycetes. Terminal restriction fragment length polymorphism analysis showed only nonsignificant changes in community structure during the process of bioremediation. Immobilized cells of strain RKJ100 enhanced pollutant degradation but seemed to have no detectable effects on the existing bacterial community structure.

3D geoelectrical monitoring to follow hydric soil behaviour during rainfall

RESUME Durant les dernières années, les méthodes électriques ont souvent été utilisées pour l'investigation des structures de subsurface. L'imagerie électrique (Electrical Resistivity Tomography, ERT) est une technique de prospection non-invasive et spatialement intégrée. La méthode ERT a subi des améliorations significatives avec le développement de nouveaux algorithmes d'inversion et le perfectionnement des techniques d'acquisition. La technologie multicanale et les ordinateurs de dernière génération permettent la collecte et le traitement de données en quelques heures. Les domaines d'application sont nombreux et divers: géologie et hydrogéologie, génie civil et géotechnique, archéologie et études environnementales. En particulier, les méthodes électriques sont souvent employées dans l'étude hydrologique de la zone vadose. Le but de ce travail est le développement d'un système de monitorage 3D automatique, non- invasif, fiable, peu coûteux, basé sur une technique multicanale et approprié pour suivre les variations de résistivité électrique dans le sous-sol lors d'événements pluvieux. En raison des limitations techniques et afin d'éviter toute perturbation physique dans la subsurface, ce dispositif de mesure emploie une installation non-conventionnelle, où toutes les électrodes de courant sont placées au bord de la zone d'étude. Le dispositif le plus approprié pour suivre les variations verticales et latérales de la résistivité électrique à partir d'une installation permanente a été choisi à l'aide de modélisations numériques. Les résultats démontrent que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle et plus apte à détecter les variations latérales et verticales de la résistivité électrique, et cela malgré la configuration non-conventionnelle des électrodes. Pour tester l'efficacité du système proposé, des données de terrain ont été collectées sur un site d'étude expérimental. La technique de monitorage utilisée permet de suivre le processus d'infiltration 3D pendant des événements pluvieux. Une bonne corrélation est observée entre les résultats de modélisation numérique et les données de terrain, confirmant par ailleurs que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle. La nouvelle technique de monitorage 3D de résistivité électrique permet de caractériser les zones d'écoulement préférentiel et de caractériser le rôle de la lithologie et de la pédologie de manière quantitative dans les processus hydrologiques responsables d'écoulement de crue. ABSTRACT During the last years, electrical methods were often used for the investigation of subsurface structures. Electrical resistivity tomography (ERT) has been reported to be a useful non-invasive and spatially integrative prospecting technique. The ERT method provides significant improvements, with the developments of new inversion algorithms, and the increasing efficiency of data collection techniques. Multichannel technology and powerful computers allow collecting and processing resistivity data within few hours. Application domains are numerous and varied: geology and hydrogeology, civil engineering and geotechnics, archaeology and environmental studies. In particular, electrical methods are commonly used in hydrological studies of the vadose zone. The aim of this study was to develop a multichannel, automatic, non-invasive, reliable and inexpensive 3D monitoring system designed to follow electrical resistivity variations in soil during rainfall. Because of technical limitations and in order to not disturb the subsurface, the proposed measurement device uses a non-conventional electrode set-up, where all the current electrodes are located near the edges of the survey grid. Using numerical modelling, the most appropriate arrays were selected to detect vertical and lateral variations of the electrical resistivity in the framework of a permanent surveying installation system. The results show that a pole-dipole array has a better resolution than a pole-pole array and can successfully follow vertical and lateral resistivity variations despite the non-conventional electrode configuration used. Field data are then collected at a test site to assess the efficiency of the proposed monitoring technique. The system allows following the 3D infiltration processes during a rainfall event. A good correlation between the results of numerical modelling and field data results can be observed since the field pole-dipole data give a better resolution image than the pole-pole data. The new device and technique makes it possible to better characterize the zones of preferential flow and to quantify the role of lithology and pedology in flood- generating hydrological processes.

Derivation of soil-specific streaming potential electrical parameters from hydrodynamic characteristics of partially saturated soils

Water movement in unsaturated soils gives rise to measurable electrical potential differences that are related to the flow direction and volumetric fluxes, as well as to the soil properties themselves. Laboratory and field data suggest that these so-called streaming potentials may be several orders of magnitudes larger than theoretical predictions that only consider the influence of the relative permeability and electrical conductivity on the self potential (SP) data. Recent work has improved predictions somewhat by considering how the volumetric excess charge in the pore space scales with the inverse of water saturation. We present a new theoretical approach that uses the flux-averaged excess charge, not the volumetric excess charge, to predict streaming potentials. We present relationships for how this effective excess charge varies with water saturation for typical soil properties using either the water retention or the relative permeability function. We find large differences between soil types and the predictions based on the relative permeability function display the best agreement with field data. The new relationships better explain laboratory data than previous work and allow us to predict the recorded magnitudes of the streaming potentials following a rainfall event in sandy loam, whereas previous models predict values that are three orders of magnitude too small. We suggest that the strong signals in unsaturated media can be used to gain information about fluxes (including very small ones related to film flow), but also to constrain the relative permeability function, the water retention curve, and the relative electrical conductivity function.

Burkholderia sartisoli sp. nov., isolated from a polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soil.

A Gram-negative, rod-shaped, aerobic bacterium, designated strain RP007(T), was isolated from a polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soil in New Zealand. Two additional strains were recovered from a compost heap in Belgium (LMG 18808) and from the rhizosphere of maize in the Netherlands (LMG 24204). The three strains had virtually identical 16S rRNA gene sequences and whole-cell protein profiles, and they were identified as members of the genus Burkholderia, with Burkholderia phenazinium as their closest relative. Strain RP007(T) had a DNA G+C content of 63.5 mol% and could be distinguished from B. phenazinium based on a range of biochemical characteristics. Strain RP007(T) showed levels of DNA-DNA relatedness towards the type strain of B. phenazinium and those of other recognized Burkholderia species of less than 30 %. The results of 16S rRNA gene sequence analysis, DNA-DNA hybridization experiments and physiological and biochemical tests allowed the differentiation of strain RP007(T) from all recognized species of the genus Burkholderia. Strains RP007(T), LMG 18808 and LMG 24204 are therefore considered to represent a single novel species of the genus Burkholderia, for which the name Burkholderia sartisoli sp. nov. is proposed. The type strain is RP007(T) (=LMG 24000(T) =CCUG 53604(T) =ICMP 13529(T)).

Association of hemolytic activity of Pseudomonas entomophila, a versatile soil bacterium, with cyclic lipopeptide production.

Pseudomonas entomophila is an entomopathogenic bacterium that is able to infect and kill Drosophila melanogaster upon ingestion. Its genome sequence suggests that it is a versatile soil bacterium closely related to Pseudomonas putida. The GacS/GacA two-component system plays a key role in P. entomophila pathogenicity, controlling many putative virulence factors and AprA, a secreted protease important to escape the fly immune response. P. entomophila secretes a strong diffusible hemolytic activity. Here, we showed that this activity is linked to the production of a new cyclic lipopeptide containing 14 amino acids and a 3-C(10)OH fatty acid that we called entolysin. Three nonribosomal peptide synthetases (EtlA, EtlB, EtlC) were identified as responsible for entolysin biosynthesis. Two additional components (EtlR, MacAB) are necessary for its production and secretion. The P. entomophila GacS/GacA two-component system regulates entolysin production, and we demonstrated that its functioning requires two small RNAs and two RsmA-like proteins. Finally, entolysin is required for swarming motility, as described for other lipopeptides, but it does not participate in the virulence of P. entomophila for Drosophila. While investigating the physiological role of entolysin, we also uncovered new phenotypes associated with P. entomophila, including strong biocontrol abilities.

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.

The pollutant diethylhexyl phthalate regulates hepatic energy metabolism via species-specific PPARalpha-dependent mechanisms.

Background: The modulation of energetic homeostasis by pollutants has recently emerged as a potential contributor to the onset of metabolic disorders. Diethylhexyl phthalate (DEHP) is a widely used industrial plasticizer to which humans are widely exposed. Phthalates can activate the three peroxisome proliferatoractivated receptor (PPAR) isotypes on cellular models and induce peroxisome proliferation in rodents.Objectives: In this study, we aimed to evaluate the systemic and metabolic consequences of DEHP exposure that have remained so far unexplored and to characterize the underlying molecular mechanisms of action.Methods: As a proof of concept and mechanism, genetically engineered mouse models of PPARs were exposed to high doses of DEHP, followed by metabolic and molecular analyses.Results: DEHP-treated mice were protected from diet-induced obesity via PPARalpha-dependent activation of hepatic fatty acid catabolism, whereas the activity of neither PPARbeta nor PPARgamma was affected. However, the lean phenotype observed in response to DEHP in wild-type mice was surprisingly abolished in PPARalpha-humanized mice. These species differences are associated with a different pattern of coregulator recruitment.Conclusion: These results demonstrate that DEHP exerts species-specific metabolic actions that rely to a large extent on PPARalpha signaling and highlight the metabolic importance of the species-specific activation of PPARalpha by xenobiotic compounds. Editor's SummaryDiethylhexyl phthalate (DEHP) is an industrial plasticizer used in cosmetics, medical devices, food packaging, and other applications. Evidence that DEHP metabolites can activate peroxisome proliferatoractivated receptors (PPARs) involved in fatty acid oxidation (PPARalpha and PPARbeta) and adiposite function and insulin resistance (PPARgamma) has raised concerns about potential effects of DEHP on metabolic homeostasis. In rodents, PPARalpha activation also induces hepatic peroxisome proliferation, but this response to PPARalpha activation is not observed in humans. Feige et al. (p. 234) evaluated systemic and metabolic consequences of high-dose oral DEHP in combination with a high-fat diet in wild-type mice and genetically engineered mouse PPAR models. The authors report that mice exposed to DEHP gained less weight than controls, without modifying their feeding behavior; they also exhibited lower triglyceride levels, smaller adipocytes, and improved glucose tolerance compared with controls. These effects, which were observed in mice fed both high-fat and standard diets, appeared to be mediated by PPARalpha-dependent activation of hepatic fatty acid catabolism without apparent involvement of PPARbeta or PPARgamma. However, mouse models that expressed human (versus mouse) PPARalpha tended to gain more weight on a high-fat diet than their DHEP-unexposed counterparts. The authors conclude that findings support species-specific metabolic effects of DEHP mediated by PPARalpha activation.

Natural Arabidopsis brx loss-of-function alleles confer root adaptation to acidic soil.

Soil acidification is a major agricultural problem that negatively affects crop yield. Root systems counteract detrimental passive proton influx from acidic soil through increased proton pumping into the apoplast, which is presumably also required for cell elongation and stimulated by auxin. Here, we found an unexpected impact of extracellular pH on auxin activity and cell proliferation rate in the root meristem of two Arabidopsis mutants with impaired auxin perception, axr3 and brx. Surprisingly, neutral to slightly alkaline media rescued their severely reduced root (meristem) growth by stimulating auxin signaling, independent of auxin uptake. The finding that proton pumps are hyperactive in brx roots could explain this phenomenon and is consistent with more robust growth and increased fitness of brx mutants on overly acidic media or soil. Interestingly, the original brx allele was isolated from a natural stock center accession collected from acidic soil. Our discovery of a novel brx allele in accessions recently collected from another acidic sampling site demonstrates the existence of independently maintained brx loss-of-function alleles in nature and supports the notion that they are advantageous in acidic soil pH conditions, a finding that might be exploited for crop breeding.

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.

Interplay between wheat cultivars, biocontrol pseudomonads, and soil.

There is a significant potential to improve the plant-beneficial effects of root-colonizing pseudomonads by breeding wheat genotypes with a greater capacity to sustain interactions with these bacteria. However, the interaction between pseudomonads and crop plants at the cultivar level, as well as the conditions which favor the accumulation of beneficial microorganisms in the wheat rhizosphere, is largely unknown. Therefore, we characterized the three Swiss winter wheat (Triticum aestivum) cultivars Arina, Zinal, and Cimetta for their ability to accumulate naturally occurring plant-beneficial pseudomonads in the rhizosphere. Cultivar performance was measured also by the ability to select for specific genotypes of 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG) producers in two different soils. Cultivar-specific differences were found; however, these were strongly influenced by the soil type. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis of fragments of the DAPG biosynthetic gene phlD amplified from natural Pseudomonas rhizosphere populations revealed that phlD diversity substantially varied between the two soils and that there was a cultivar-specific accumulation of certain phlD genotypes in one soil but not in the other. Furthermore, the three cultivars were tested for their ability to benefit from Pseudomonas inoculants. Interestingly, Arina, which was best protected against Pythium ultimum infection by inoculation with Pseudomonas fluorescens biocontrol strain CHA0, was the cultivar which profited the least from the bacterial inoculant in terms of plant growth promotion in the absence of the pathogen. Knowledge gained of the interactions between wheat cultivars, beneficial pseudomonads, and soil types allows us to optimize cultivar-soil combinations for the promotion of growth through beneficial pseudomonads. Additionally, this information can be implemented by breeders into a new and unique breeding strategy for low-input and organic conditions.