Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Rôle de l’azote dans la structure et la fonction des communautés de cyanobactéries toxiques

Dans cette étude de trois lacs sujets aux efflorescences de cyanobactéries, nous avons examiné la diversité des bactéries diazotrophes et des cyanobactéries toxiques. Nous avons tenté de définir les facteurs environnementaux influençant la composition des communautés phytoplanctoniques, la concentration ainsi que la composition des microcystines (MCs). Nous avons émis l’hypothèse que l’azote jouerait un rôle majeur dans le façonnement des communautés cyanobactériennes et influencerait la concentration et composition des MCs. Des concentrations de cette toxine ainsi que le gène mcyE codant pour l’enzyme microcystine synthétase ont été détectés à chaque échantillonnage dans tous les lacs. L’azote, particulièrement sous sa forme organique dissoute (AOD) ainsi que la température de l’eau étaient les facteurs environnementaux expliquant le mieux les concentrations des MCs, tandis que la biomasse de Microcystis spp. était globalement le meilleur prédicteur. Le gène nifH codant pour l’enzyme nitrogénase (fixation d’azote) a aussi été détecté dans chaque échantillon. Malgré les concentrations faibles en azote inorganique dissous (AID) et les densités importantes d’hétérocystes, aucun transcrits du gène n’a été détecté par réverse-transcription (RT-PCR), indiquant que la fixation d’azote n’avait pas lieu à des niveaux détectables au moment de l’échantillonnage. De plus, le pyroséquençage révèle que les séquences des gènes nifH et mcyE correspondaient à différents taxons, donc que les cyanobactéries n’avaient pas la capacité d’effectuer les deux fonctions simultanément.

Role of manganese in the pathogenesis of portal-systemic encephalopathy.

Amongst the potential neurotoxins implicated in the pathogenesis of hepatic encephalopathy, manganese emerges as a new candidate. In patients with chronic liver diseases, manganese accumulates in blood and brain leading to pallidal signal hyperintensity on T1-weighted Magnetic Resonance (MR) Imaging. Direct measurements in globus pallidus obtained at autopsy from cirrhotic patients who died in hepatic coma reveal 2 to 7-fold increases of manganese concentration. The intensity of pallidal MR images correlates with blood manganese and with the presence of extrapyramidal symptoms occurring in a majority of cirrhotic patients. Liver transplantation results in normalization of pallidal MR signals and disappearance of extrapyramidal symptoms whereas transjugular intrahepatic portosystemic shunting induces an increase in pallidal hyperintensity with a concomitant deterioration of neurological dysfunction. These findings suggest that the toxic effects of manganese contribute to extrapyramidal symptoms in patients with chronic liver disease. The mechanisms of manganese neurotoxicity are still speculative, but there is evidence to suggest that manganese deposition in the pallidum may lead to dopaminergic dysfunction. Future studies should be aimed at evaluating the effects of manganese chelation and/or of treatment of the dopaminergic deficit on neurological symptomatology in these patients.

AST-120 (spherical carbon adsorbent) lowers ammonia levels and attenuates brain edema in bile duct-ligated rats

The pathogenesis of hepatic encephalopathy is multifactorial, involving gut-derived toxins such as ammonia, which has been demonstrated to induce oxidative stress. Therefore, a primary hepatic encephalopathy treatment target is reducing ammonia production in the gastrointestinal tract. AST-120, an oral adsorbent of engineered activated carbon microspheres with surface areas exceeding 1600 m(2) /g, acts as a sink for neurotoxins and hepatotoxins present in the gut. We evaluated the capacity of AST-120 to adsorb ammonia in vitro and to lower blood ammonia, oxidative stress and brain edema in cirrhotic rats. Cirrhosis was induced in rats by bile duct ligation for 6 weeks. AST-120 was administered by gavage preventively for 6 weeks (0.1, 1, and 4 g/kg/day). In addition, AST-120 was evaluated as a short-term treatment for 2 weeks and 3 days (1 g/kg/day) and as a sink to adsorb intravenously infused ammonium acetate. In vitro, AST-120 efficiently adsorbed ammonia. Ammonia levels significantly decreased in a dose-dependent manner for all AST-120-treated bile duct-ligated rats (nontreated: 177.3 ± 30.8 μM; AST-120, 0.1 g/kg/day: 121.9 ± 13.8 μM; AST-120, 1 g/kg/day: 80.9 ± 30.0 μM; AST-120, 4 g/kg/day: 48.8 ± 19.6 μM) and significantly correlated with doses of AST-120 (r = -0.6603). Brain water content and locomotor activity normalized after AST-120 treatments, whereas arterial reactive oxygen species levels remained unchanged. Furthermore, AST-120 significantly attenuated a rise in arterial ammonia after ammonium acetate administration (intravenously). Conclusion:AST-120 treatment decreased arterial ammonia levels, normalized brain water content and locomotor activity but did not demonstrate an effect on systemic oxidative stress. Also, AST-120 acts as an ammonia sink, efficiently removing blood-derived ammonia. Additional studies are warranted to evaluate the effects of AST-120 on hepatic encephalopathy in patients with advanced liver disease. (HEPATOLOGY 2011;).

Nouvelles stratégies pour l’analyse des cyanotoxines par spectrométrie de masse

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles.

Ecological and Biochemical Studies On Cyanobacteria of Cochin Estuary and Their Application as Source of Antioxidants

The main objectives of the present investigation were to evaluate the qualitative and quantitative distribution of natural cyanobacterial population and their ecobiological properties along the Cochin estuary and their application in aquaculture systems as a nutritional supplement due to their nutrient-rich biochemical composition and antioxidant potential. This thesis presents a detailed account of the distribution of cyanobacteria in Cochin estuary, an assessment of physico-chemical parameters and the nutrients of the study site, an evaluation of the effect of physico-chemical parameters on cyanobacterial distribution and abundance, isolation, identification and culturing of cyanobacteria, the biochemical composition an productivity of cyanobacteria, and an evaluation of the potential of the selected cyanobacteria as antioxidants against ethanol induced lipid peroxidation. The pH, salinity and nutritional requirements were optimized for low-cost production of the selected cyanobacterial strains. The present study provides an insight into the distribution, abundance, diversity and ecology of cyanobacteria of Cochin estuary. From the results, it is evident that the ecological conditions of Cochin estuary support a rich cyanobacterial growth.

Synechocystis MCCB 114 and 115 as putative probionts for Penaeus monodon post-larvae

Synechocystis MCCB 114 and 115 were segregated as putative probionts for shrimp larvae from a collection of 54 cyanobacterial cultures enriched from seawater. On feeding Penaeus monodon post-larvae with the cyanobacteria, the generic diversity of the intestinal bacterial flora could be enhanced with substantial reduction or total absence of Vibrio spp. A significant difference (p < 0.001) in the percent survival of batches of post-larvae fed on the cyanobacterial cultures was observed and, on repeated challenge with V. harveyi, the relative percent survival of those batches of larvae fed on Synechocystis MCCB 114 and 115 was significantly higher. The Synechocystis MCCB 114 and 115 cultures were found to contain high levels of protein (34 to 43%), in addition to carotenoids

Comunidades de cianobacterias bentónicas, producción y liberación de microcistinas en el río Muga (NE Península Ibérica)

El estudio de las comunidades de cianobacterias en la cuenca del río Muga permite profundizar en la búsqueda de factores que favorezcan o inhiban la acumulación intracelular de microcistinas y su liberación al medio externo en condiciones oligotróficas o con leves signos de eutrofia, al tiempo que permiten aportar nuevos conocimientos que ayuden a mejorar el entendimiento de los mecanismos y procesos que participan en la dinámica de las comunidades de cianobacterias bentónicas y las microcistinas asociadas en ecosistemas fluviales mediterráneos. Se ha realizado un estudio de la estructura y variabilidad de las comunidades de cianobacterias durante un ciclo anual completo mediante muestreos mensuales y muestreos con menor periodicidad durante un segundo ciclo posterior. Dichos muestreos han permitido observar diferentes patrones espacio-temporales a lo largo de todo el período de estudio en los 4 puntos de muestreo seleccionados en la cuenca del río Muga. Estos 4 tramos incluyen 1 punto regulado:aguas abajo del embalse de Boadella, y 3 sin regular:2 cabeceras y un punto aguas abajo de la población de Albanyà. Se han identificado un total de 34 especies de cianobacterias bentónicas en las 4 zonas estudiadas, predominando siempre especies de aguas limpias o poco alteradas. Dos especies, Rivularia biasolettiana (zonas más limpias y expuestas) y Phormidium retzii (sonas esciáfilas o con alta velocidad de corriente), resultan dominantes en gran parte de ellas. Se han reconocido un total de 6 microcistinas acumuladas intracelularmente en la comunidad bentónica de cianobacterias, identificando 3 de ellas: MC-RR, MC-LR y MC-YR. La concentración de microcistinas intracelulares ha disminuído a lo largo del eje principal del río Muga, determinada por diferentes factores físicos, químicos y biológicos. A nivel general, la acumulación total de microcistinas intracelulares ha estado asociada a un aumento de la temperatura del agua, un descenso en la diversidad de la comunidad de cianobacterias y pequeños incrementos de la concentración de fósforo disuelto en el agua. En cuanto a la liberación de microcistinas, ha estado vinculada a distintas perturbaciones soportadas por la comunidad cianobacteriana, tanto asociadas a factores físicos naturales como antrópicos.

Modelling the growth and movement of cyanobacteria in river systems

Bloom-forming and toxin-producing cyanobacteria remain a persistent nuisance across the world. Modelling of cyanobacteria in freshwaters is an important tool for understanding their population dynamics and predicting the location and timing of the bloom events in lakes and rivers. In this article, a new deterministic model is introduced which simulates the growth and movement of cyanobacterial blooms in river systems. The model focuses on the mathematical description of the bloom formation, vertical migration and lateral transport of colonies within river environments by taking into account the four major factors that affect the cyanobacterial bloom formation in freshwaters: light, nutrients, temperature and river flow. The model consists of two sub-models: a vertical migration model with respect to growth of cyanobacteria in relation to light, nutrients and temperature; and a hydraulic model to simulate the horizontal movement of the bloom. This article presents the model algorithms and highlights some important model results. The effects of nutrient limitation, varying illumination and river flow characteristics on cyanobacterial movement are simulated. The results indicate that under high light intensities and in nutrient-rich waters colonies sink further as a result of carbohydrate accumulation in the cells. In turbulent environments, vertical migration is retarded by vertical velocity component generated by turbulent shear stress. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

The neuroprotective potential of flavonoids: a multiplicity of effects

Flavonoids exert a multiplicity of neuroprotective actions within the brain, including a potential to protect neurons against injury induced by neurotoxins, an ability to suppress neuroinflammation, and the potential to promote memory, learning and cognitive function. These effects appear to be underpinned by two common processes. Firstly, they interact with critical protein and lipid kinase signalling cascades in the brain leading to an inhibition of apoptosis triggered by neurotoxic species and to a promotion of neuronal survival and synaptic plasticity. Secondly, they induce beneficial effects on the vascular system leading to changes in cerebrovascular blood flow capable of causing angiogenesis, neurogenesis and changes in neuronal morphology. Through these mechanisms, the consumption of flavonoid-rich foods throughout life holds the potential to limit neurodegeneration and to prevent or reverse age-dependent loses in cognitive performance. The intense interest in the development of drugs capable of enhancing brain function means that flavonoids may represent important precursor molecules in the quest to develop of a new generation of brain enhancing drugs.

Flavonoids and brain health: multiple effects underpinned by common mechanisms

The neuroprotective actions of dietary flavonoids involve a number of effects within the brain, including a potential to protect neurons against injury induced by neurotoxins, an ability to suppress neuroinflammation, and the potential to promote memory, learning and cognitive function. This multiplicity of effects appears to be underpinned by two processes. Firstly, they interact with important neuronal signalling cascades leading to an inhibition of apoptosis triggered by neurotoxic species and to a promotion of neuronal survival and differentiation. These interactions include selective actions on a number of protein kinase and lipid kinase signalling cascades, most notably the PI3K/Akt and MAP kinase pathways which regulate pro-survival transcription factors and gene expression. Secondly, they induce peripheral and cerebral vascular blood flow in a manner which may lead to the induction of angiogenesis, and new nerve cell growth in the hippocampus. Therefore, the consumption of flavonoid-rich foods, such as berries and cocoa, throughout life holds a potential to limit the neurodegeneration associated with a variety of neurological disorders and to prevent or reverse normal or abnormal deteriorations in cognitive performance.

Beyond antioxidants: the cellular and molecular interactions of flavonoids and how these underpin their actions on the brain

The consumption of flavonoid-rich foods and beverages has been suggested to limit the neurodegeneration associated with a variety of neurological disorders and to prevent or reverse normal or abnormal deteriorations in cognitive performance. Flavonoids mediate these effects via a number of routes, including a potential to protect neurons against injury induced by neurotoxins, an ability to suppress neuroinflammation and a potential to promote memory, learning and cognitive function. Originally, it was thought that such actions were mediated by the antioxidant capacity of flavonoids. However, their limited absorption and their low bioavailability in the brain suggest that this explanation is unlikely. Instead, this multiplicity of effects appears to be underpinned by three separate processes: first, through their interactions with important neuronal and glial signalling cascades in the brain, most notably the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt and mitogen-activated protein kinase pathways that regulate pro-survival transcription factors and gene expression; second, through an ability to improve peripheral and cerebral blood flow and to trigger angiogenesis and neurogenesis in the hippocampus; third, by their capacity to directly react with and scavenge neurotoxic species and pro-inflammatory agents produced in the brain as a result of both normal and abnormal brain ageing. The present review explores the potential inhibitory or stimulatory actions of flavonoids within these three systems and describes how such interactions are likely to underlie neurological effects.

Signaling via NF-kappaB in the nervous system

Nuclear factor kappa B (NF-kappaB) is an inducible transcription factor present in neurons and glia. Recent genetic models identified a role for NF-kappaB in neuroprotection against various neurotoxins. Furthermore, genetic evidence for a role in learning and memory is now emerging. This review highlights our current understanding of neuronal NF-kappaB in response to synaptic transmission and summarizes potential physiological functions of NF-kappaB in the nervous system. This article contains a listing of NF-kappaB activators and inhibitors in the nervous system, furthermore specific target genes are discussed. Synaptic NF-kappaB activated by glutamate and Ca2+ will be presented in the context of retrograde signaling. A controversial role of NF-kappaB in neurodegenerative diseases will be discussed. A model is proposed explaining this paradox as deregulated physiological NF-kappaB activity, where novel results are integrated, showing that p65 could be turned from an activator to a repressor of anti-apoptotic genes.

Proteomics of the neurotoxic fraction from the sea anemone Bunodosoma cangicum venom: Novel peptides belonging to new classes of toxins

In contrast to the many studies on the venoms of scorpions, spiders, snakes and cone snails, tip to now there has been no report of the proteomic analysis of sea anemones venoms. In this work we report for the first time the peptide mass fingerprint and some novel peptides in the neurotoxic fraction (Fr III) of the sea anemone Bunodosoma cangicum venom. Fr III is neurotoxic to crabs and was purified by rp-HPLC in a C-18 column, yielding 41 fractions. By checking their molecular masses by ESI-Q-Tof and MALDI-Tof MS we found 81 components ranging from near 250 amu to approximately 6000 amu. Some of the peptidic molecules were partially sequenced through the automated Edman technique. Three of them are peptides with near 4500 amu belonging to the class of the BcIV, BDS-I, BDS-II, APETx1, APETx2 and Am-II toxins. Another three peptides represent a novel group of toxins (similar to 3200 amu). A further three molecules (similar to similar to 4900 amu) belong to the group of type 1 sodium channel neurotoxins. When assayed over the crab leg nerve compound action potentials, one of the BcIV- and APETx-like peptides exhibits an action similar to the type 1 sodium channel toxins in this preparation, suggesting the same target in this assay. On the other hand one of the novel peptides, with 3176 amu, displayed an action similar to potassium channel blockage in this experiment. In summary, the proteomic analysis and mass fingerprint of fractions from sea anemone venoms through MS are valuable tools, allowing us to rapidly predict the occurrence of different groups of toxins and facilitating the search and characterization of novel molecules without the need of full characterization of individual components by broader assays and bioassay-guided purifications. It also shows that sea anemones employ dozens of components for prey capture and defense. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.