A study on the phylogeny and the ecology of ammonia-oxidizing bacteria using a new molecular marker based on the gene amoB

L'agricultura i la industrialització han causat un augment significatiu del nombre d'ambients rics en amoni. La presència de compostos nitrogenats redueix la qualitat de l'aigua, causant problemes de toxicitat, deteriorant el medi ambient i fins i tot afectant la salut humana. En conseqüència, la nitrificació s'ha convertit en un procés global que afecta al cicle del nitrogen a la biosfera. Els bacteris oxidadors d'amoni (AOB) són els responsables de l'oxidació de l'amoni a nitrit, i juguen un paper essencial en el cicle del nitrogen. Els primers oxidadors d'amoni foren aïllats a finals del segle XIX, però la lentitud del seu creixement i les dificultats per cultivar-los feren que fins als anys 80, amb els primers estudis emprant el gen 16SrDNA, no s'assolís un coneixement complert d'aquest grup bacterià. Actualment les bases de dades contenen multitud d'entrades amb seqüències corresponents a AOB. L'objectiu d'aquest treball era trobar, desenvolupar i avaluar eines útils i fiables per a l'estudi dels AOB en mostres ambientals. En aquest treball primer descrivim la utilització de la hibridació in situ amb fluorescència (FISH), mitjançant l'aplicació de sondes amb diana en el 16SrRNA dels AOB. La FISH ens va permetre detectar i recomptar aquest grup bacterià; no obstant, aquest mètode no permetia la detecció de noves seqüències, pel que es necessitava una nova eina. Amb aquesta intenció vam aplicar la seqüència de la sonda Nso1225 en una PCR. El fet d'amplificar específicament un fragment del 16SrDNA dels AOB va suposar el desenvolupament d'una nova eina molecular que permetia detectar la presència i diversitat d'aquests bacteris en ambients naturals. Malgrat tot, algunes seqüències pertanyents a bacteris no oxidadors d'amoni del subgrup β dels proteobacteris, eren també obtingudes amb aquesta tècnica. Així mateix, un dels inconvenients de l'ús del 16SrDNA com a marcador és la impossibilitat de detectar simultàniament els AOB que pertanyen als subgrups β i γ dels proteobacteris. El gen amoA, que codifica per la subunitat A de l'enzim amoni monooxigenasa (AMO), era aleshores àmpliament utilitzat com a marcador per a la detecció dels AOB. En aquest treball també descrivim la utilització d'aquest marcador en mostres procedents d'un reactor SBR. Aquest marcador ens va permetre identificar seqüències de AOB en la mostra, però la necessitat de detectar amoA mitjançant clonatge fa que l'ús d'aquest marcador requereixi massa temps per a la seva utilització com a eina en estudis d'ecologia microbiana amb moltes mostres. Per altra banda, alguns autors han assenyalat l'obtenció de seqüències de no AOB en utilitzar amoA en un protocol de PCR-DGGE. Amb la finalitat d'obtenir una eina ràpida i rigorosa per detectar i identificar els AOB, vam desenvolupar un joc nou d'oligonucleòtids amb diana en el gen amoB, que codifica per a la subunitat transmembrana de l'enzim AMO. Aquest gen ha demostrat ser un bon marcador molecular pels AOB, oferint, sense tenir en compte afiliacions filogenètiques, una elevada especificitat, sensibilitat i fiabilitat. En aquest treball també presentem una anàlisi de RT-PCR basada en la detecció del gen amoB per a la quantificació del gènere Nitrosococcus. El nou joc d'oligonucleòtids dissenyat permet una enumeració altament específica i sensible de tots els γ-Nitrosococcus coneguts. Finalment, vam realitzar un estudi poligènic, comparant i avaluant els marcadors amoA, amoB i 16SrDNA, i vàrem construir un arbre filogenètic combinat. Com a resultat concloem que amoB és un marcador adequat per a la detecció i identificació dels AOB en mostres ambientals, proporcionant alhora agrupacions consistents en fer inferències filogenètiques. Per altra banda, la seqüència sencera del gen 16S rDNA és indicada com a marcador en estudis amb finalitats taxonòmiques i filogenètiques en treballar amb cultius purs de AOB.

The role of fungi and bacteria on the organic matter decomposition process in streams: interaction and relevance in biofilms

L'objectiu d'aquest estudi és el d'investigar sobre l'ús de matèria orgànica per part dels fongs i bacteris que colonitzen diferents substrats bentònics en rius Mediterranis i analitzar l'efecte dels factors ambientals i antròpics sobre l'estabilitat estructural i funcional de les comunitats del biofilm. La metodologia emprada en aquest estudi consisteix en: i) anàlisi de la biomassa bacteriana i fúngica, ii) anàlisi de la composició de les comunitats bentòniques (identificació d'hifomicets aquàtics i anàlisi del 16S rDNA bacterià), i iii) anàlisi de l'activitat enzimàtica extracel·lular relacionada amb el reciclatge de matèria orgànica en rius.

Lactic acid bacteria as bioprotective agents against foodborne pathogens and spoilage microorganisms in fresh fruits and vegetables

La present tesi doctoral es centra en l'aplicació dels bacteris de l'àcid lactic (BAL) com a agents bioprotectors davant microorganismes patògens i deteriorants.Es van aïllar i seleccionar BAL de fruites i hortalisses fresques i es van assajar in vitro davant 5 microorganismes fitopatògens i 5 patògens humans.Es van realitzar assajos d'eficàcia en pomes Golden Delicious amb tots els aïllats enfront les infeccions causades pel fong Penicillium expansum. La soca més eficaç era Weissella cibaria TM128, que reduïa el diàmetre de les infeccions en un 50%.Les soques seleccionades es van assajar enfront els patògens Salmonella typhimurium, Escherichia coli i Listeria monocytogenes en enciams Iceberg i pomes Golden Delicious.Els BAL interferien eficientment amb el creixemet de S. typhimurium, and L. monocytogenes, però van mostrar poc efecte enfront E. coli.Finalment, es van realitzar assajos dosi-resposta amb les soques Leuconostoc mesenteroides CM135, CM160 and PM249 enfront L. monocytogenes. De totes les soques assajades, la soca CM160 va ser la més efectiva.

Contributions of labile and resistant organic materials to the immobilization of inorganic soil N when used in the restoration of abandoned agricultural fields

We have examined the contributions sucrose and sawdust make to the net immobilization of inorganic soil N and assimilation of both C and N into microbial biomass when they are used as part of a restoration plan to promote the establishment of indigenous vegetation on abandoned agricultural fields on the Central Hungarian Plain. Both amendments led to net N immobilization. Sucrose addition also led to mobilization of N from the soil organic N pool and its immobilization into microbial biomass, whereas sawdust addition apparently immobilized soil N into a non-biomass compartment or a biomass component that was not detected by the conventional biomass N assay (CHCl3 fumigation and extraction). This suggests that the N was either cycled through the biomass, but not immobilized within it, or that it was immobilized in a protected biomass fraction different to the fraction into which N was immobilized in response to sucrose addition.

Promoting microbial immobilization of soil nitrogen during restoration of abandoned agricultural fields by organic additions

Application of organic materials to soils to enhance N immobilization into microbial biomass, thereby reducing inorganic N concentrations, was studied as a management option to accelerate the reestablishment of the native vegetation on abandoned arable fields on sandy soils the Kiskunsag National Park, Hungary. Sucrose and sawdust were used at three different topographic sites over 4 years. N availability and extractable inorganic N concentrations were significantly reduced in all sites. Soil microbial biomass C and microbial biomass N increased significantly following C additions, but the microbial C to microbial N ratio remained unaffected. It is concluded that the combined application of the rapidly utilized C source (sucrose) promoted N immobilization, whereas the addition of the slowly utilized C source (sawdust) maintained the elevated microbial biomass C and microbial biomass N in the field.

Contributions of labile and resistant organic materials to the immobilization of inorganic soil N when used in the restoration of abandoned agricultural fields

We have examined the contributions sucrose and sawdust make to the net immobilization of inorganic soil N and assimilation of both C and N into microbial biomass when they are used as part of a restoration plan to promote the establishment of indigenous vegetation on abandoned agricultural fields on the Central Hungarian Plain. Both amendments led to net N immobilization. Sucrose addition also led to mobilization of N from the soil organic N pool and its immobilization into microbial biomass, whereas sawdust addition apparently immobilized soil N into a non-biomass compartment or a biomass component that was not detected by the conventional biomass N assay (CHCl3 fumigation and extraction). This suggests that the N was either cycled through the biomass, but not immobilized within it, or that it was immobilized in a protected biomass fraction different to the fraction into which N was immobilized in response to sucrose addition.

Soft topographic map for clustering and classification of bacteria

In this work a new method for clustering and building a topographic representation of a bacteria taxonomy is presented. The method is based on the analysis of stable parts of the genome, the so-called “housekeeping genes”. The proposed method generates topographic maps of the bacteria taxonomy, where relations among different type strains can be visually inspected and verified. Two well known DNA alignement algorithms are applied to the genomic sequences. Topographic maps are optimized to represent the similarity among the sequences according to their evolutionary distances. The experimental analysis is carried out on 147 type strains of the Gammaprotebacteria class by means of the 16S rRNA housekeeping gene. Complete sequences of the gene have been retrieved from the NCBI public database. In the experimental tests the maps show clusters of homologous type strains and present some singular cases potentially due to incorrect classification or erroneous annotations in the database.

Optimal protection of stabilised dry live bacteria from bile toxicity in oral dosage forms by bile acid adsorbent resins

We previously found that dried live bacteria of a vaccine strain can be temporarily sensitive to bile acids and suggested that Bile Adsorbing Resins (BAR) can be used in oral vaccine tablets to protect dried bacteria from intestinal bile. Here, we report a quantitative analysis of the ability of BAR to exclude the dye bromophenol blue from penetrating into matrix tablets and also sections of hard capsule shells. Based on this quantitative analysis, we made a fully optimised formulation, comprising 25% w/w of cholestyramine in Vcaps™ HPMC capsules. This gave effectively 100% protection of viability from 4% bile, with 4200-fold more live bacteria recovered from this formulation compared to unprotected dry bacteria. From the image analysis, we found that the filler material or compaction force used had no measurable effect on dye exclusion but did affect the rate of tablet hydration. Increasing the mass fraction of BAR gave more exclusion of dye up to 25% w/w, after which a plateau was reached and no further dye exclusion was seen. More effective dye exclusion was seen with smaller particle sizes (i.e. cholestyramine) and when the BAR was thoroughly dried and disaggregated. Similar results were found when imaging dye penetration into capsule sections or tablets. The predictions of the dye penetration study were tested using capsules filled with dried attenuated Salmonella vaccine plus different BAR types, and the expected protection from bile was found, validating the imaging study. Surprisingly, depending on the capsule shell material, some protection was given by the capsule alone without adding BAR, with Vcaps™ HPMC capsules providing up to 174-fold protection against 1% bile; faster releasing Vcaps Plus™ HPMC capsules and Coni Snap™ gelatin capsules gave less protection.

Protection of live bacteria from bile acid toxicity using bile acid adsorbing resins

We previously demonstrated that a dry, room temperature stable formulation of a live bacterial vaccine was highly susceptible to bile, and suggested that this will lead to significant loss of viability of any live bacterial formulation released into the intestine using an enteric coating or capsule. We found that bile and acid tolerance is very rapidly recovered after rehydration with buffer or water, raising the possibility that rehydration in the absence of bile prior to release into the intestine might solve the problem of bile toxicity to dried cells. We describe here a novel formulation that combines extensively studied bile acid adsorbent resins with the dried bacteria, to temporarily adsorb bile acids and allow rehydration and recovery of bile resistance of bacteria in the intestine before release. Tablets containing the bile acid adsorbent cholestyramine release 250-fold more live bacteria when dissolved in a bile solution, compared to control tablets without cholestyramine or with a control resin that does not bind bile acids. We propose that a simple enteric coated oral dosage form containing bile acid adsorbent resins will allow improved live bacterial delivery to the intestine via the oral route, a major step towards room temperature stable, easily administered and distributed vaccine pills and other bacterial therapeutics