Sulfur-Cycling in Methane-Rich Ecosystems: Uncovering Microbial Processes and Novel Niches

Microbial sulfur cycling communities were investigated in two methane-rich ecosystems, terrestrial mud volcanoes (TMVs) and marine methane seeps, in order to investigate niches and processes that would likely be central to the functioning of these crucial ecosystems. Terrestrial mud volcanoes represent geochemically diverse habitats with varying sulfur sources and yet sulfur-cycling in these environments remains largely unexplored. Here we characterized the sulfur-metabolizing microorganisms and activity in 4 TMVs in Azerbaijan, supporting the presence of active sulfur-oxidizing and sulfate-reducing guilds in all 4 TMVs across a range of physiochemical conditions, with diversity of these guilds being unique to each TMV. We also found evidence for the anaerobic oxidation of methane coupled to sulfate reduction, a process which we explored further in the more tractable marine methane seeps. Diverse associations between methanotrophic archaea (ANME) and sulfate-reducing bacterial groups (SRB) often co-occur in marine methane seeps, however the ecophysiology of these different symbiotic associations has not been examined. Using a combination of molecular, geochemical and fluorescence in situ hybridization coupled to nano-scale secondary ion mass spectrometry (FISH-NanoSIMS) analyses of in situ seep sediments and methane-amended sediment incubations from diverse locations, we show that the unexplained diversity in SRB associated with ANME cells can be at least partially explained by preferential nitrate utilization by one particular partner, the seepDBB. This discovery reveals that nitrate is likely an important factor in community structuring and diversity in marine methane seep ecosystems. The thesis concludes with a study of the dynamics between ANME and their associated SRB partners. We inhibited sulfate reduction and followed the metabolic processes of the community as well as the effect of ANME/SRB aggregate composition and growth on a cellular level by tracking 15N substrate incorporation into biomass using FISH-NanoSIMS. We revealed that while sulfate-reducing bacteria gradually disappeared over time in incubations with an SRB inhibitor, the ANME archaea persisted in the form of ANME-only aggregates, which are capable of little to no growth when sulfate reduction is inhibited. These data suggest ANME are not able to synthesize new proteins when sulfate reduction is inhibited.

From lakes to lungs : assessing microbial activity in diverse environments

All major geochemical cycles on the Earth’s surface are mediated by microorganisms. Our understanding of how these microbes have interacted with their environments (and vice versa) throughout Earth's history, and how they will respond to changes in the future, is primarily based on studying their activity in different environments today. The overarching questions that motivate the research presented in the two parts of this thesis -- how do microorganisms shape their environment (and vice versa)? and how can we best study microbial activity in situ? -- have arisen from the ultimate goal of being able to predict microbial activity in response to changes within their environments both past and future.

Part one focuses on work related to microbial processes in iron-rich Lake Matano and, more broadly, microbial interactions with the biogeochemical cycling of iron. Primarily, we find that the chelation of ferrous iron by organic ligands can affect the role of iron in anoxic environmental systems, enabling photomixotrophic growth of anoxygenic microorganisms with ferrous iron, as well as catalyzing the oxidation of ferrous iron by denitrification intermediates. These results imply that the ability to grow photomixotrophically on ferrous iron might be more widespread than previously assumed, and that the co-occurrence of chemical and biological processes involved in the coupled biogeochemical cycling of iron and nitrogen likely dominate organic-rich environmental systems.

Part two switches focus to in situ measurements of growth activity and comprises work related to microbial processes in the Cystic Fibrosis lung, and more broadly, the physiology of slow growth. We introduce stable isotope labeling of microbial membrane fatty acids and whole cells with heavy water as a new technique to measure microbial activity in a wide range of environments, demonstrate its application in continuous culture in the laboratory at the population and single cell level, and apply the tool to measure the in situ activity of the opportunistic pathogen Staphylococcus aureus within the environment of expectorated mucus from cystic fibrosis patients. We find that the average in situ growth rates of S. aureus fall into a range of generation times between ~12 hours and ~4 days, with substantial heterogeneity at the single-cell level. These data illustrate the use of heavy water as a universal environmental tracer for microbial activity, and highlight the crucial importance of studying the physiology of slow growth in representative laboratory systems in order to understand the role of these microorganisms in their native environments.

Physical, Metabolic, and Energetic Investigations of Methane-Metabolizing Microbial Communities

Understanding the roles of microorganisms in environmental settings by linking phylogenetic identity to metabolic function is a key challenge in delineating their broad-scale impact and functional diversity throughout the biosphere. This work addresses and extends such questions in the context of marine methane seeps, which represent globally relevant conduits for an important greenhouse gas. Through the application and development of a range of culture-independent tools, novel habitats for methanotrophic microbial communities were identified, established settings were characterized in new ways, and potential past conditions amenable to methane-based metabolism were proposed. Biomass abundance and metabolic activity measures – both catabolic and anabolic – demonstrated that authigenic carbonates associated with seep environments retain methanotrophic activity, not only within high-flow seep settings but also in adjacent locations exhibiting no visual evidence of chemosynthetic communities. Across this newly extended habitat, microbial diversity surveys revealed archaeal assemblages that were shaped primarily by seepage activity level and bacterial assemblages influenced more substantially by physical substrate type. In order to reliably measure methane consumption rates in these and other methanotrophic settings, a novel method was developed that traces deuterium atoms from the methane substrate into aqueous medium and uses empirically established scaling factors linked to radiotracer rate techniques to arrive at absolute methane consumption values. Stable isotope probing metaproteomic investigations exposed an array of functional diversity both within and beyond methane oxidation- and sulfate reduction-linked metabolisms, identifying components of each proposed enzyme in both pathways. A core set of commonly occurring unannotated protein products was identified as promising targets for future biochemical investigation. Physicochemical and energetic principles governing anaerobic methane oxidation were incorporated into a reaction transport model that was applied to putative settings on ancient Mars. Many conditions enabled exergonic model reactions, marking the metabolism and its attendant biomarkers as potentially promising targets for future astrobiological investigations. This set of inter-related investigations targeting methane metabolism extends the known and potential habitat of methanotrophic microbial communities and provides a more detailed understanding of their activity and functional diversity.

Avaliação de diferentes estratégias de biorremediação no tratamento de solo contaminado por diesel B5

No Brasil, a contaminação do solo por derramamentos de combustíveis representa um dos mais graves problemas ambientais e o impacto da introdução de novas misturas como diesel/biodiesel na matriz energética requer investigação quanto a tecnologias apropriadas de remediação. O presente estudo teve por objetivo avaliar diferentes estratégias de biorremediação no tratamento de solo contaminado experimentalmente com óleo diesel B5. Foram conduzidos três experimentos. No primeiro, quatro microcosmos em duplicata, contendo 500 g de solo e 5% (p/p) de óleo diesel B5, todos suplementados com oxigênio através de revolvimento manual e com ajuste de umidade, tiveram como tratamentos: bioestímulo com ajuste de pH (BE1); bioestímulo com ajuste de pH e nutrientes (BE2); bioaumento com ajuste de pH, nutrientes e adição de consórcio microbiano comercial KMA (BAM) e; controle abiótico, com ajuste de pH e solo esterilizado em autoclave (PA). Paralelamente, foi conduzido tratamento por bioaumento com ajuste de pH e nutrientes, suplementação de oxigênio e consórcio KMA, em solo contaminado apenas por diesel a 5% (BAD). A população microbiana foi monitorada através da contagem de UFC e os tratamentos, avaliados pela remoção de carbono orgânico e de hidrocarbonetos de petróleo (n-alcanos C10-C36). No segundo experimento, o metabolismo microbiano aeróbio foi avaliado através da produção de CO2 em respirômetros de Bartha (triplicatas), em solo contaminado com 5% (p/p) de óleo diesel B5, ajustado para pH e umidade, nas seguintes condições: solo com adição do consórcio KMA; solo com adição de cultura microbiana obtida a partir de outro solo proveniente de um posto de combustível com histórico de vazamento de tanques (RES) e; solo esterilizado por adição de azida de sódio a 0,3% (p/p). Como controle, solo sem contaminação, com sua população microbiana autóctone. No terceiro experimento, a capacidade da microbiota autóctone (EX), assim como do consórcio KMA e da cultura RES, em biodegradar óleo diesel B5, diesel e biodiesel de soja foi testada através do uso de indicadores de oxirredução DCPIP e TTC. Os experimentos em microcosmos indicam que houve uma complementaridade metabólica entre a população nativa e o consórcio comercial de microorganismos KMA, cuja presença promoveu um decaimento mais rápido de n-alcanos nas primeiras semanas do experimento. No entanto, após 63 dias de experimento, os tratamentos BAM, BAD e BE2 apresentaram, respectivamente, em média, 92,7%, 89,4% e 81,7% de remoção dos hidrocarbonetos n-alcanos C10-C36, sendo tais diferenças, sem significância estatística. Nos respirômetros, o bioaumento com cultura microbiana RES apresentou a maior produção de CO2 e a maior remoção de hidrocarbonetos (46,2%) após 29 dias. Tanto nos ensaios em microcosmos quanto nos respirométricos, não foi possível estimar a contribuição dos processos abióticos, tendo em vista evidências da existência de atividade microbiana no solo esterilizado térmica ou quimicamente. Os ensaios com os dois indicadores redox mostraram que apenas a microbiota nativa do solo em estudo e a cultura microbiana RES apresentaram potencial para degradar óleo diesel B5, biodiesel de soja ou diesel, quando colocadas em meio mineral contendo tais combustíveis como única fonte de carbono.

Avaliação da eficácia da desinfecção de instrumentos usados durante o período transoperatório do tratamento endodôntico

Esta investigação objetivou a eficácia antimicrobiana de agentes desinfetantes utilizados na desinfecção dos instrumentos endodônticos, durante o período transoperatório do tratamento endodôntico. A atividade antimicrobiana dos desinfetantes álcool isopropílico, acetona e ácido peracético (PAA) foi avaliada sobre microrganismos planctônicos através de teste de contato (time kill assay), utilizando inóculo de 9,9 X 109 a 1,2 X 1012 unidades formadoras de colônia (UFC) e por determinação da concentração bactericida mínima (CBM), usando inóculo de aproximadamente 106 UFC. Os agentes químicos também foram avaliados sobre Enterococcus faecalis (E. faecalis) ATCC 29212 cultivada em matriz de dentina (ex vivo) visando a formação de biofilme. O biofilme (organismos sésseis) microbiano foi removido com limas tipo Kerr (LK), até as lâminas estarem visualmente preenchidas. As LK contaminadas foram usadas como carreadores (logo após a contaminação ou secas dentro de uma câmara de fluxo laminar por 10 minutos). As LK carreadoras foram imersas em álcool isopropílico ou acetona ambos a 80%, ou em Ácido peracético 2%, por 30 ou 60 segundos. As limas foram posteriormente colocadas em tubos de ensaio contendo caldo Enterococcosel para observar o crescimento dos enterococos viáveis. Depois, os experimentos in vivo foram realizados com LK contaminadas por material necrótico pulpar da região cervical de dentes indicados para tratamento endodôntico. As LK contaminadas foram imersas, por 30 ou 60 segundos, em 80% de acetona ou 80% de álcool isopropílico ou 2% de PAA. As limas foram então inoculadas em tubos de ensaio contendo meio tioglicolato. Os organismos que cresceram, foram identificados após o tratamento com PAA. A corrosão mediada pelos agentes químicos também foi testada, após a incubação de LK de aço inoxidável e de NiTi por 60 minutos, medindo o peso das LK antes e depois da imersão e por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Todos os agentes químicos foram capazes de eliminar ou reduzir a viabilidade das bactérias de espécies planctônicas Gram-negativas e Gram-positivas, embora a atividade dos produtos químicos sobre E. faecalis sésseis em testes de carreadores de LK demonstrou que o álcool isopropílico ou acetona foram incapazes de eliminar a contaminação bacteriana, especialmente, quando as limas foram secas previamente à exposição aos produtos químicos, por 15 ou 30 segundos. O PAA demonstrou a melhor atividade antimicrobiana e eliminou a viabilidade das células sésseis E. faecalis de ambas as limas endodônticas tipo K úmidas ou secas, após exposição por 15 segundos (100% de eliminação). Os experimentos desenvolvidos in vivo demonstraram que o PAA foi o agente mais eficaz (p<0,05), capaz de eliminar a viabilidade dos organismos em 92% das LK imersas depois de 60 segundos, quando comparado com acetona (64%) ou com álcool isopropílico (50%). O crescimento microbiano após o contato com o PAA demonstrou que somente o grupo dos Lactobacillus sp foi resistente a essa substância química. Os agentes químicos não demonstraram ser corrosivos, após a imersão por 1 hora, tanto por pesagem quanto por MEV. Foi observado que o PAA foi o agente mais eficaz para ser utilizado como desinfetante de instrumentos, durante o período transoperatório do tratamento endodôntico.

Amplicon metagenomics for elucidating microbial community changes associated to conventional and organic farming of Beta vulgaris and Solanum lycopersicum

Soil microbial community changes associated to conventional and organic farming of two relevant crops (Beta vulgaris and Solanum lycopersicum) were analysed through 16s rRNA amplicon sequencing. This study revealed microbial communities in the agricultural soils studied to be similar to other reported nutrient-rich microbiomes, and some significant differences between the microbial communities associated to the two farming practices were found. Some phyla (Chloroflexi and Thermi) were found to be present in different abundances according to soil treatment. As chloroplast interference can be a stumbling block in plant-associated 16s rRNA amplicon metagenomics analysis of aerial plant tissues, two protocols for bacterial cell detachment (orbital shaking and ultrasound treatment) and two protocols for microbial biomass recovery (centrifugation and filtration) were tested regarding their efficiency at excluding plant-DNA. An alternative method to the one proposed by Rastogi et al (2010) for evaluating the chloroplast-amplicon content in post-PCR samples was tested, and the method revealed that filtration was the most efficient protocol in minimising chloroplast interference.

Avaliação do possível impacto das técnicas de MEOR (Microbial Enhanced Oil Recovery) no fator de recuperação das reservas de petróleo e gás do Brasil

Os métodos tradicionais de estimular a produção de petróleo, envolvendo a injeção de água, vapor, gás ou outros produtos, estabeleceram a base conceitual para novos métodos de extração de óleo, utilizando micro-organismos e processos biológicos. As tecnologias que empregam os processos de bioestimulação e bioaumentação já são amplamente utilizadas em inúmeras aplicações industriais, farmacêuticas e agroindustriais, e mais recentemente, na indústria do petróleo. Dada a enorme dimensão econômica da indústria do petróleo, qualquer tecnologia que possa aumentar a produção ou o fator de recuperação de um campo petrolífero gera a expectativa de grandes benefícios técnicos, econômicos e estratégicos. Buscando avaliar o possível impacto de MEOR (microbial enhanced oil recovery) no fator de recuperação das reservas de óleo e gás no Brasil, e quais técnicas poderiam ser mais indicadas, foi feito um amplo estudo dessas técnicas e de diversos aspectos da geologia no Brasil. Também foram realizados estudos preliminares de uma técnica de MEOR (bioacidificação) com possível aplicabilidade em reservatórios brasileiros. Os resultados demonstram que as técnicas de MEOR podem ser eficazes na produção, solubilização, emulsificação ou transformação de diversos compostos, e que podem promover outros efeitos físicos no óleo ou na matriz da rocha reservatório. Também foram identificadas bacias petrolíferas brasileiras e recursos não convencionais com maior potencial para utilização de determinadas técnicas de MEOR. Finalmente, foram identificadas algumas técnicas de MEOR que merecem maiores estudos, entre as técnicas mais consolidadas (como a produção de biossurfatantes e biopolímeros, e o controle da biocorrosão), e as que ainda não foram completamente viabilizadas (como a gaseificação de carvão, óleo e matéria orgânica; a dissociação microbiana de hidratos de gás; a bioconversão de CO2 em metano; e a bioacidificação). Apesar de seu potencial ainda não ser amplamente reconhecido, as técnicas de MEOR representam o limiar de uma nova era na estimulação da produção de recursos petrolíferos existentes, e até mesmo para os planos de desenvolvimento de novas áreas petrolíferas e recursos energéticos. Este trabalho fornece o embasamento técnico para sugerir novas iniciativas, reconhecer o potencial estratégico de MEOR, e para ajudar a realizar seu pleno potencial e seus benefícios.

Promotion of substrate based microbial biofilm in ponds: a low cost technology to boost fish production

Microbial biofilms have been found to increase fish production in ponds by increasing heterotrophic production through periphyton proliferation on available substrates. In this paper, the role of substrate based microbial biofilm in the production of Cyprinus carpio and Labeo rohita grown in ponds is investigated, using an easily available and biodegradable agricultural waste product (sugarcane bagasse) as substrate.

Efeito do Sistema de Secreção do Tipo VI de Pseudomonas aeruginosa em modelo murino de pneumonia aguda

O Sistema de Secreção do Tipo VI (SST6), o mais recente maquinário de secreção descrito em bactérias Gram-negativas, é amplamente distribuído entre as diversas espécies deste grupo de microrganismos. Esse aparato de secreção é capaz de injetar efetores proteicos em células alvo, eucarióticas e procarióticas. Estudos sobre o papel do SST6 na virulência microbiana revelaram que este sistema secretório participa ativamente do estabelecimento de infecções, contribuindo para a sobrevivência das bactérias no interior de fagócitos. O genoma da cepa PAO1 de Pseudomonas aeruginosa apresenta três loci que codificam aparatos de SST6, denominados de H1-SST6, H2-SST6 e H3-SST6, Porém, pouco se sabe sobre a participação do SST6 na patogênese de infecções por P. aeruginosa. Assim, o presente estudo investigou o papel de H1-SST6, H2-SST6 e H3-SST6 durante a infecção pulmonar aguda de camundongos. Para isso, camundongos C57/BL6 foram infectados com diferentes doses de bactérias da cepa selvagem PAO1 ou das cepas mutantes PAO1∆H1, PAO1∆H2, PAO1∆H3 ou PAO1∆H1∆H2∆H3. Após 24 horas, os lavados broncoalveolares (LBAs) de animais controle e infectados foram recuperados para a contagem de leucócitos totais e polimorfonucleares e para a quantificação, por ELISA, da quimiocina para neutrófilos, KC, e das citocinas pró-inflamatórias IL-1β e TNF-α. Em outros experimentos, os pulmões, fígados, baços e rins dos animais foram macerados para a pesquisa da carga bacteriana e da disseminação sistêmica das bactérias. A citotoxicidade do SST6 foi determinada, in vitro, em neutrófilos humanos, pela marcação com iodeto de propídeo (PI) e anexina-V seguida da análise em citometria de fluxo. Os resultados mostraram que a inativação dos três SST6 reduziu significativamente a concentração de neutrófilos nos LBAs quando os animais foram infectados com 10⁷ Unidades Formadoras de Colônias de P. aeruginosa. Nesta dose, foi observado que as medianas do número de bactérias detectadas nos animais infectados com as mutantes no SST6 foram menores do que as detectadas nos animais infectados com a cepa parental PAO1. As mutações no SST6 não afetaram a disseminação sistêmica da bactéria. A pesquisa da secreção de citocinas pró-inflamatórias mostrou que, embora tenha sido observada uma redução nas medianas das concentrações de TNF-α nos LBAs de camundongos infectados com a cepa PAO1∆H1∆H2∆H3, em relação aos LBAs de camundongos infectados com a cepa parental, essa diferença não foi significativa. Como a pesquisa de IL-1β e KC não contribuiu para a elucidação dos mecanismos envolvidos na redução da concentração de neutrófilos nos LBAs dos camundongos infectados pela cepa tripla mutante, foi pesquisado o possível efeito do SST6 na morte de neutrófilos humanos. Os resultados mostraram que não houve diferenças significativas quando as diferentes amostras de células infectadas foram comparedas entre si. Em conclusão, os resultados do presente estudo mostraram que o SST6 pode interferir na resposta de neutrófilos durante a pneumonia aguda, mas estudos adicionais são necessários para determinar o papel deste mecanismo de secreção na patogênese de P. aeruginosa.