Caracterização do microbioma e dos perfis de resistência nos afluentes e efluentes de ETAR

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Engenharia Clínica)

Diversitat de bacteris desnitrificants en un sistema d'aiguamolls construïts

Estudi elaborat a partir d’una estada al Swedish University of Agricultural Sciences (Suècia ) entre setembre i desembre del 2006. El SAC-Empuriabrava va ser dissenyat per dur a terme el tractament terciari de l’aigua que prové d’una estació depuradora. La purificació en un sistema d’aiguamolls construïts engloba una complexa barreja de processos on es troben implicats el sediment, la vegetació i les comunitats microbianes relacionades amb aquests. Un dels passos clau en l’eliminació de nitrogen és la desnitrificació, coneguda com la reducció seqüencial d’òxids de nitrogen que desemboca en la pèrdua neta de nitrogen molecular a l’atmosfera, catalitzada exclusivament per microorganismes. Els bacteris desnitrificants es troben àmpliament distribuïts en les divisions de l’arbre filogenètic procariota, fet que restringeix la seva anàlisi a marcadors moleculars basats en gens funcionals dels enzims implicats en la desnitrificació tals com narG nirS, nirK, nrfA nosZ. Tot i que l’estudi del marcador molecular nirS de desnitrificants s’ha dut a terme amb èxit, no ha estat possible analitzar altres marcadors com nosZ, que codifica la òxid nitrós reductasa, responsable de l’últim pas de la desnitrificació. L’ interès principal ha estat doncs estendre l’ àrea d’estudi a aquest marcador per tal de proveir una visió complerta de la comunitat desnitrificant. S’ha analitzat la comunitat desnitrificant de la rizosfera i sediment del SACEmpuriabrava a través del monitoreig del gen nosZ per PCR-DGGE, comparant alhora diferents períodes de temps afectats per diferents condicions hídriques. Amb la mateixa intenció, s’ha dut a terme assajos d’activitat desnitrificant mitjançant cromatografia de gasos, mesurant en aquest cas la producció de nitrogen gas que representa la consecució de la desnitrificació completa.

Gut microbiota in children with type 1 diabetes differs from that in healthy children: a case-control study.

BACKGROUND A recent study using a rat model found significant differences at the time of diabetes onset in the bacterial communities responsible for type 1 diabetes modulation. We hypothesized that type 1 diabetes in humans could also be linked to a specific gut microbiota. Our aim was to quantify and evaluate the difference in the composition of gut microbiota between children with type 1 diabetes and healthy children and to determine the possible relationship of the gut microbiota of children with type 1 diabetes with the glycemic level. METHODS A case-control study was carried out with 16 children with type 1 diabetes and 16 healthy children. The fecal bacteria composition was investigated by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis and real-time quantitative polymerase chain reaction. RESULTS The mean similarity index was 47.39% for the healthy children and 37.56% for the children with diabetes, whereas the intergroup similarity index was 26.69%. In the children with diabetes, the bacterial number of Actinobacteria and Firmicutes, and the Firmicutes to Bacteroidetes ratio were all significantly decreased, with the quantity of Bacteroidetes significantly increased with respect to healthy children. At the genus level, we found a significant increase in the number of Clostridium, Bacteroides and Veillonella and a significant decrease in the number of Lactobacillus, Bifidobacterium, Blautia coccoides/Eubacterium rectale group and Prevotella in the children with diabetes. We also found that the number of Bifidobacterium and Lactobacillus, and the Firmicutes to Bacteroidetes ratio correlated negatively and significantly with the plasma glucose level while the quantity of Clostridium correlated positively and significantly with the plasma glucose level in the diabetes group. CONCLUSIONS This is the first study showing that type 1 diabetes is associated with compositional changes in gut microbiota. The significant differences in the number of Bifidobacterium, Lactobacillus and Clostridium and in the Firmicutes to Bacteroidetes ratio observed between the two groups could be related to the glycemic level in the group with diabetes. Moreover, the quantity of bacteria essential to maintain gut integrity was significantly lower in the children with diabetes than the healthy children. These findings could be useful for developing strategies to control the development of type 1 diabetes by modifying the gut microbiota.

Use of the frc gene as a molecular marker to characterize oxalate-oxidizing bacterial abundance and diversity structure in soil.

Oxalate catabolism, which can have both medical and environmental implications, is performed by phylogenetically diverse bacteria. The formyl-CoA-transferase gene was chosen as a molecular marker of the oxalotrophic function. Degenerated primers were deduced from an alignment of frc gene sequences available in databases. The specificity of primers was tested on a variety of frc-containing and frc-lacking bacteria. The frc-primers were then used to develop PCR-DGGE and real-time SybrGreen PCR assays in soils containing various amounts of oxalate. Some PCR products from pure cultures and from soil samples were cloned and sequenced. Data were used to generate a phylogenetic tree showing that environmental PCR products belonged to the target physiological group. The extent of diversity visualised on DGGE pattern was higher for soil samples containing carbonate resulting from oxalate catabolism. Moreover, the amount of frc gene copies in the investigated soils was detected in the range of 1.64x10(7) to 1.75x10(8)/g of dry soil under oxalogenic tree (representing 0.5 to 1.2% of total 16S rRNA gene copies), whereas the number of frc gene copies in the reference soil was 6.4x10(6) (or 0.2% of 16S rRNA gene copies). This indicates that oxalotrophic bacteria are numerous and widespread in soils and that a relationship exists between the presence of the oxalogenic trees Milicia excelsa and Afzelia africana and the relative abundance of oxalotrophic guilds in the total bacterial communities. This is obviously related to the accomplishment of the oxalate-carbonate pathway, which explains the alkalinization and calcium carbonate accumulation occurring below these trees in an otherwise acidic soil. The molecular tools developed in this study will allow in-depth understanding of the functional implication of these bacteria on carbonate accumulation as a way of atmospheric CO(2) sequestration.

Bacteria diversity and microbial biomass in forest, pasture and fallow soils in the southwestern Amazon basin

It is well-known that Amazon tropical forest soils contain high microbial biodiversity. However, anthropogenic actions of slash and burn, mainly for pasture establishment, induce profound changes in the well-balanced biogeochemical cycles. After a few years the grass yield usually declines, the pasture is abandoned and is transformed into a secondary vegetation called "capoeira" or fallow. The aim of this study was to examine how the clearing of Amazon rainforest for pasture affects: (1) the diversity of the Bacteria domain evaluated by Polymerase Chain Reaction and Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (PCR-DGGE), (2) microbial biomass and some soil chemical properties (pH, moisture, P, K, Ca, Mg, Al, H + Al, and BS), and (3) the influence of environmental variables on the genetic structure of bacterial community. In the pasture soil, total carbon (C) was between 30 to 42 % higher than in the fallow, and almost 47 % higher than in the forest soil over a year. The same pattern was observed for N. Microbial biomass in the pasture was about 38 and 26 % higher than at fallow and forest sites, respectively, in the rainy season. DGGE profiling revealed a lower number of bands per area in the dry season, but differences in the structure of bacterial communities among sites were better defined than in the wet season. The bacterial DNA fingerprints in the forest were stronger related to Al content and the Cmic:Ctot and Nmic:Ntot ratios. For pasture and fallow sites, the structure of the Bacteria domain was more associated with pH, sum of bases, moisture, total C and N and the microbial biomass. In general microbial biomass in the soils was influenced by total C and N, which were associated with the Bacteria domain, since the bacterial community is a component and active fraction of the microbial biomass. Results show that the genetic composition of bacterial communities in Amazonian soils changed along the sequence forest-pasture-fallow.

Land-use systems affect Archaeal community structure and functional diversity in western Amazon soils

The study of the ecology of soil microbial communities at relevant spatial scales is primordial in the wide Amazon region due to the current land use changes. In this study, the diversity of the Archaea domain (community structure) and ammonia-oxidizing Archaea (richness and community composition) were investigated using molecular biology-based techniques in different land-use systems in western Amazonia, Brazil. Soil samples were collected in two periods with high precipitation (March 2008 and January 2009) from Inceptisols under primary tropical rainforest, secondary forest (5-20 year old), agricultural systems of indigenous people and cattle pasture. Denaturing gradient gel electrophoresis of polymerase chain reaction-amplified DNA (PCR-DGGE) using the 16S rRNA gene as a biomarker showed that archaeal community structures in crops and pasture soils are different from those in primary forest soil, which is more similar to the community structure in secondary forest soil. Sequence analysis of excised DGGE bands indicated the presence of crenarchaeal and euryarchaeal organisms. Based on clone library analysis of the gene coding the subunit of the enzyme ammonia monooxygenase (amoA) of Archaea (306 sequences), the Shannon-Wiener function and Simpson's index showed a greater ammonia-oxidizing archaeal diversity in primary forest soils (H' = 2.1486; D = 0.1366), followed by a lower diversity in soils under pasture (H' = 1.9629; D = 0.1715), crops (H' = 1.4613; D = 0.3309) and secondary forest (H' = 0.8633; D = 0.5405). All cloned inserts were similar to the Crenarchaeota amoA gene clones (identity > 95 %) previously found in soils and sediments and distributed primarily in three major phylogenetic clusters. The findings indicate that agricultural systems of indigenous people and cattle pasture affect the archaeal community structure and diversity of ammonia-oxidizing Archaea in western Amazon soils.

Composição diferencial das comunidades bacterianas na rizosfera de variedas de cana-de-açúcar

A cultura da cana-de-açúcar é de extrema importância no cenário agrícola nacional. No entanto, pouco se sabe sobre a estruturação das comunidades microbianas associadas aos solos e às rizosferas de tais plantas. O objetivo deste trabalho foi avaliar a estrutura e diversidade das comunidades de bactérias associadas ao solo e à rizosfera de seis variedades de cana-de-açúcar cultivadas no Estado de São Paulo (Brasil). As análises foram realizadas com base em métodos independentes de cultivo, em que a técnica de PCR-DGGE revelou alterações na rizosfera para os grupos de bactérias totais e também para os grupos de Alphaproteobacteria e Betaproteobacteria. Após essa análise, quatro amostras (três de rizosfera e uma de solo) foram usadas para o sequenciamento da região V6 do gene 16S DNAr na plataforma Ion Torrent TM. Essa análise gerou um total de 95.812 sequências, dentro das quais houve a predominância das afiliadas aos filos Actinobacteria, Proteobacteria e Acidobateria . Os resultados revelaram que as comunidades bacterianas na rizosfera são distintas daquelas encontradas no solo. Foi possível ainda observar efeito diferencial de plantas das variedades. Alguns grupos bacterianos apresentaram menor frequência na rizosfera (Acidobacteria ), enquanto outros se mostraram fortemente estimulados pela presença das raízes, comumente para todas as variedades (Betaproteobacteria , Nitrospora e Chloroflexi ), ou em respostas variedade-específicas (Bacilli e Sphingobacteria ).

Early Changes in Soil Metabolic Diversity and Bacterial Community Structure in Sugarcane under Two Harvest Management Systems

Preharvest burning is widely used in Brazil for sugarcane cropping. However, due to environmental restrictions, harvest without burning is becoming the predominant option. Consequently, changes in the microbial community are expected from crop residue accumulation on the soil surface, as well as alterations in soil metabolic diversity as of the first harvest. Because biological properties respond quickly and can be used to monitor environmental changes, we evaluated soil metabolic diversity and bacterial community structure after the first harvest under sugarcane management without burning compared to management with preharvest burning. Soil samples were collected under three sugarcane varieties (SP813250, SP801842 and RB72454) and two harvest management systems (without and with preharvest burning). Microbial biomass C (MBC), carbon (C) substrate utilization profiles, bacterial community structure (based on profiles of 16S rRNA gene amplicons), and soil chemical properties were determined. MBC was not different among the treatments. C-substrate utilization and metabolic diversity were lower in soil without burning, except for the evenness index of C-substrate utilization. Soil samples under the variety SP801842 showed the greatest changes in substrate utilization and metabolic diversity, but showed no differences in bacterial community structure, regardless of the harvest management system. In conclusion, combined analysis of soil chemical and microbiological data can detect early changes in microbial metabolic capacity and diversity, with lower values in management without burning. However, after the first harvest, there were no changes in the soil bacterial community structure detected by PCR-DGGE under the sugarcane variety SP801842. Therefore, the metabolic profile is a more sensitive indicator of early changes in the soil microbial community caused by the harvest management system.

Atividade enzimática e perfil da comunidade bacteriana em solo submetido à solarização e biofumigação

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da solarização e da biofumigação sobre a comunidade microbiana do solo, por meio da atividade da enzima beta-glicosidase e do perfil do 16S rDNA, determinado com PCR-DGGE. A solarização do solo, com cobertura de plástico, foi feita por períodos de dois, quatro e seis meses, e a biofumigação foi realizada pela incorporação de 2 e 5% (v/v) de cama-de-frango ao solo. Logo após a retirada da cobertura de plástico e aos 30 dias após a remoção, a atividade da beta-glicosidase foi menor em relação ao tratamento não solarizado. Aos 60 dias, não foram mais observadas diferenças entre os tratamentos. A adição de cama-de-frango a 5% estimulou a atividade da beta-glicosidase. O perfil da estrutura da comunidade bacteriana foi influenciado pelo tempo de solarização, independentemente da época da retirada da cobertura de plástico. Não foi observado efeito da adição de cama-de-frango ao solo, no perfil da comunidade. A solarização afeta a atividade da beta-glicosidase, mas esses efeitos não são mais detectáveis após 60 dias da retirada da cobertura de plástico, diferentemente do que foi observado em relação à estrutura da comunidade bacteriana por PCR-DGGE. A biofumigação estimula a atividade da beta-glicosidase, mas não afeta o perfil da comunidade microbiana.

Diversidade bacteriana da rizosfera de genótipos de milho contrastantes na eficiência de uso de fósforo

O objetivo deste trabalho foi avaliar a diversidade funcional e genética de bactérias associadas à rizosfera de genótipos de milho contrastantes quanto à eficiência de uso de fósforo, por meio do teste de fontes de carbono no sistema EcoPlate e da eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE) dos fragmentos amplificados dos genes 16S ribossomais (rDNA) das bactérias. Foram coletadas amostras de solo da rizosfera de linhagens e híbridos contrastantes quanto à eficiência de uso de fósforo, cultivados em Latossolo Vermelho-Escuro fase cerrado, com baixo e alto teor de P. Bactérias da rizosfera de híbridos e linhagens eficientes, sob estresse de P, analisadas pelo sistema EcoPlate, tenderam a se agrupar conforme a análise de componentes principais, o que indica que utilizaram fontes de carbono semelhantes. Não houve diferença na diversidade bacteriana, analisada pela DGGE, entre bactérias associadas a genótipos eficientes e ineficientes no uso de P. Com base no sequenciamento do 16S rDNA, foi verificado que a rizosfera de genótipos de milho sob estresse de P parece selecionar grupos específicos de bactérias. A estrutura populacional genética e metabólica de bactérias da rizosfera foi mais influenciada pelo teor de fósforo no solo do que pela eficiência das plantas em usar o fósforo.

Comunidade bacteriana como indicadora do efeito de feijoeiro geneticamente modificado sobre organismos não alvo

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do feijoeiro geneticamente modificado quanto à resistência ao Bean Golden Mosaic Vírus, BGMV (Olathe M1-4), sobre organismos não alvo. De um experimento implantado no campo, em delineamento inteiramente casualizado, com dois tratamentos (Olathe Pinto e evento elite Olathe M1-4), dois períodos amostrais (estádio V4 e R6) e dez repetições, obtiveram-se células bacterianas cultivadas e não cultivadas da rizosfera e do solo não rizosférico, para as quais se procedeu à extração de DNA total. A região V6-V8 do 16S rDNA foi amplificada para a comunidade bacteriana total, e também realizou-se amplificação com iniciadores específicos para o subgrupo alfa (α) do filo Proteobacteria a partir de células não cultivadas. Foram obtidos dendrogramas comparativos entre a variedade Olathe Pinto (convencional) e o evento elite Olathe M1-4 (geneticamente modificado) utilizando-se o coeficiente de Jaccard e o método UPGMA (Unweighted pair-group method with arithmetic mean). Os agrupamentos obtidos dos perfis de 16S rDNA PCR-DGGE indicam alterações na comunidade bacteriana da rizosfera em função da transformação das plantas são mais notáveis nos perfis obtidos para alfa-proteobacteria. A origem das amostras e o estágio de desenvolvimento das plantas afetam a comunidade bacteriana.

Caracterização fenotípica e molecular de esporos de fungos micorrízicos arbusculares mantidos em banco de germoplasma

O objetivo deste trabalho foi caracterizar fenotípica e genotipicamente isolados de espécies de fungos micorrízicos arbusculares (FMA) mantidos em cultura pura e avaliar a aplicabilidade da técnica PCR-DGGE desenvolvida para Gigaspora, na identificação molecular de espécies de FMA pertencentes a outros gêneros. A caracterização fenotípica das espécies foi realizada de acordo com critérios morfológicos, descritos pela taxonomia, e com uso de descrições originais das espécies presentes na literatura especializada. A análise genotípica foi feita com base na discriminação específica da região V9 do 18S rDNA, que permitiu a diferenciação das espécies e não revelou qualquer diferença entre os isolados geográficos de Glomus clarum, e entre os de Glomus etunicatum. Isto indica a aplicabilidade da técnica para a avaliação da pureza genética e discriminação de espécies de FMA.

Análise da diversidade da microbiota intestinal de ratos submetidos à ressecção da valva ileocecal e criação de esfíncter artificial

OBJETIVO: analisar através de biologia molecular a diversidade da microbiota da junção ileocecal antes e após a ressecção da válvula ileocecal e reconstrução do trânsito com e sem a criação de "neoesfíncter". MÉTODOS: Os animais foram distribuídos em dois grupos: Grupo A (n=7) com ressecção da válvula ileocecal e anastomose ileocólica término-terminal em plano único, e Grupo B (n=7) com ressecção da válvula ileocecal e anastomose ileocólica término-terminal em plano único e confecção do esfíncter artificial. Reoperados com 20 dias coletou-se novamente conteúdo intraluminar do íleo e do cólon. Das amostras coletadas, extraiu-se DNA para reação de PCR-DGGE. Os padrões de bandas eletroforéticas , gerados na reação, foram submetidos ao programa Bionumerics para análise da similaridade e da diversidade da microbiota. RESULTADOS: a diversidade da microbiota foi maior e em mais amostras do íleo do que as do cólon. O grupo com a válvula apresentou os maiores valores e variações no cólon de 2,11 a 2,93. Em três animais de cada grupo estabeleceu-se comparação da similaridade e não se assemelharam ao controle. CONCLUSÃO: a ressecção da válvula ileocecal levou à mudanças da microbiota ileal e, com a criação de novo esfíncter, as variações foram maiores.

Étude de l’interaction entre le champignon mycorhizien Glomus irregulare et les bactéries du sol

Dans cette étude, nous avons isolé et cultivé des bactéries intimement liées aux spores du champignon mycorhizien Glomus irregulare prélevées dans la rhizosphère de plants d’Agrostis stolonifera L. récoltés dans un sol naturel. Le séquençage des 29 morphotypes isolés a révélé la présence de seulement sept taxons bactériens (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus et Kocuria rhizophila). Des isolats de chacun de ces sept taxons ont ensuite été cultivés in vitro sur le mycélium de G. irregulare afin d’observer par microscopie leur capacité à croitre et à s’attacher au mycélium en absence d’éléments nutritifs autres que ceux fournis par le champignon. Tous les isolats, sauf B. cereus, ont été capables de bien croitre dans le système expérimental et de s’attacher au mycélium en formant des structures ressemblant à des biofilms sur la surface du champignon. Toutefois, B. simplex formait ces structures plus rapidement, soit en 15 jours, alors que les autres isolats les ont formés après 30 jours (K. rhizophila et B. megaterium) ou 45 jours (V. paradoxus, M. ginsengiosoli et Sphingomonas sp.). D’autre part, la technique PCR-DGGE a permis d’analyser la diversité bactérienne associée aux spores. La diversité des taxons associés aux spores de G. irregulare qu’il a été possible d’isoler et de cultiver in vitro a été nettement moindre que celle qui était présente sur la surface des spores, alors que la biodiversité bactérienne totale du sol a été encore beaucoup plus élevée. Les bactéries associées aux champignons mycorhiziens jouent probablement un rôle important dans la capacité des plantes à résister aux stress biotiques et abiotiques auxquels elles sont soumises.

Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.