Microbiology of sugar-rich environments: Diversity, ecology and system constraints

Microbial habitats that contain an excess of carbohydrate in the form of sugar are widespread in the microbial biosphere. Depending on the type of sugar, prevailing water activity and other substances present, sugar-rich environments can be highly dynamic or relatively stable, osmotically stressful, and/or destabilizing for macromolecular systems, and can thereby strongly impact the microbial ecology. Here, we review the microbiology of different high-sugar habitats, including their microbial diversity and physicochemical parameters, which act to impact microbial community assembly and constrain the ecosystem. Saturated sugar beet juice and floral nectar are used as case studies to explore the differences between the microbial ecologies of low and higher water-activity habitats respectively. Nectar is a paradigm of an open, dynamic and biodiverse habitat populated by many microbial taxa, often yeasts and bacteria such as, amongst many others, Metschnikowia spp. and Acinetobacter spp., respectively. By contrast, thick juice is a relatively stable, species-poor habitat and is typically dominated by a single, xerotolerant bacterium (Tetragenococcus halophilus). A number of high-sugar habitats contain chaotropic solutes (e.g. ethyl acetate, phenols, ethanol, fructose and glycerol) and hydrophobic stressors (e.g. ethyl octanoate, hexane, octanol and isoamyl acetate), all of which can induce chaotropicity-mediated stresses that inhibit or prevent multiplication of microbes. Additionally, temperature, pH, nutrition, microbial dispersion and habitat history can determine or constrain the microbiology of high-sugar milieux. Findings are discussed in relation to a number of unanswered scientific questions.

Effects of KCl concentration on accumulation of acyclic sugar alcohols and trehalose in conidia of three entomopathogenic fungi

Beauveria bassiana, Metarhizium anisopliae and Paecilomyces farinosus were grown on Sabouraud Dextrose Agar (SDA) modified with KCl to give a range of water activity (a(w)) from 0.938 to 0.998. Growth of all three species was optimal at 0.983 a(w) and growth occurred over the a(w) range tested. Acyclic sugar alcohol (polyol) and trehalose content of conidia was determined by HPLC and found to vary with species and a(w). Conidia of B. bassiana and P. farinosus were found to contain totals of 1.5% and 2.3% polyols respectively at 0.998 a(w), and double these amounts at <0.950 a(w). Conidia of M. anisopliae contained from 5.7% to 6.8% polyols at each a(w) tested. In conidia of all three species the predominant polyol was mannitol. The lower molecular weight polyols, arabitol and erythritol, were found to accumulate at reduced a(w). Small amounts of glycerol were present in conidia of each species; <15% total polyols. Conidia of B. bassiana and M. anisopliae contained about 0.5% trehalose from 0.970 to 0.998 a(w), but only trace amounts below 0.950 a(w). Conidia of P. farinosus contained 2.1% trehalose at 0.998 a(w) and this decreased to <0.1% below 0.950 a(w). Potential to manipulate the endogenous reserves of conidia of these biological control agents to enhance viability and desiccation tolerance is discussed.

The use of water soluble mucoadhesive gels for the intravesical delivery of epirubicin to the bladder for the treatment of non-muscle invasive bladder cancer

Objectives: To develop an epirubicin-loaded, water-soluble mucoadhesive gels that have the correct rheological properties to facilitate their delivery into the bladder via a catheter, while allowing for their spread across the bladder wall with limited expansion of the bladder and increasing the retention of epirubicin in the bladder and flushing with urine.

Methods: Epirubicin-loaded hydroxyl ethyl cellulose (HEC) and hydroxy propyl methyl cellulose (HPMC) gels were manufactured and tested for their rheological properties. Their ability to be pushed through a catheter was also assessed as was their in-vitro drug release, spreading in a bladder and retention of epirubicin after flushing with simulated urine.

Key findings: Epirubicin drug release was viscosity-dependent. The 1 and 1.5% HEC gels and the 1, 1.5 and 2% HPMC gels had the correct viscosity to be administered through a model catheter and spread evenly across the bladder wall under the pressure of the detrusor muscle. The epirubicin-loaded gels had an increased retention time in the bladder when compared with a standard intravesical solution of epirubicin, even after successive flushes with simulated urine.

Conclusion: The increased retention of epirubicin in the bladder by the HEC and HPMC gels warrant further investigation, using an in-vivo model, to assess their potential for use as treatment for non-muscle-invasive bladder cancer.

Process for the preparation of water-soluble cellulose hydrolysis products.

The title process comprises admixing cellulose with an ionic liq. capable of solvating or dissolving at least some of the cellulose, the ionic liq. being a compd. comprised solely of cations and anions (e.g., 1-ethyl-3-methylimidazolium sulfate) and which exists in a liq. state at a temp. at or below 150°, and in which the anions are selected from sulfate, hydrogen sulfate and nitrate; and treating the resulting solvate or soln. with an acid in the presence of water, the acid having a pKa in water of less than 2 at 25°. [on SciFinder(R)]

Process for the preparation of water-soluble cellulose hydrolysis products.

The title process comprises admixing cellulose with an ionic liq. capable of solvating or dissolving at least some of the cellulose, the ionic liq. being a compd. comprised solely of cations and anions (e.g., 1-ethyl-3-methylimidazolium sulfate) and which exists in a liq. state at a temp. at or below 150°, the cations in the ionic liq. having the general formula R1Z(R2)(R3)R4: in which Z represents a nitrogen or phosphorus atom, R1 represents a Me or Et group, each of R2 and R3, which may be the same or different, is selected from C4-8alkyl, optionally-substituted benzyl, optionally-substituted Ph, and C5-7cycloalkyl, and R4 represents C1-8 alkyl, optionally-substituted benzyl, optionally-substituted Ph or C5-7cyclohexyl; in which the optional substituents on a benzyl or Ph ring are one, two or three substituents selected from C1-4alkyl or alkoxy groups, halogen atoms and nitro groups; and treating the resulting solvate or soln. with an acid in the presence of water, the acid having a pKa in water of less than 2 at 25°. [on SciFinder(R)]

Bioavailability of 2,4-dichlorophenol associated with soil water-soluble humic material

Interaction of organic xenobiotics with soil water-soluble humic material (WSHM) may influence their environmental fate and bioavailability. We utilized bacterial assays (lux-based toxicity and mineralization by Burkholderia sp. RASC) to assess temporal changes in the bioavailability of [¹⁴C]-2,4-dichlorophenol (2,4-DCP) in soil water extracts (29.5 μg mL^-1 2,4-DCP; 840.2 μg mL^-1 organic carbon). HPLC determined and bioavailable concentrations were compared. Gel permeation chromatography (GPC) was used to confirm the association of a fraction (>50%) of [¹⁴C]-2,4-DCP with WSHM. Subtle differences in parameters describing 2,4-DCP mineralization curves were recorded for different soil-2,4-DCP contact times. Problems regarding the interpretation of mineralization data when assessing the bioavailability of toxic compounds are discussed. The lux-bioassay revealed a time-dependent reduction in 2,4-DCP bioavailability: after 7 d, less than 20% was bioavailable. However, GPC showed no quantitative difference in the amount of WSHM-associated 2,4-DCP over this time. These data suggest qualitative changes in the nature of the 2,4-DCP-WSHM association and that associated 2,4-DCP may exert a toxic effect. Although GPC distinguished between free- and WSHM-associated 2,4-DCP, it did not resolve the temporal shift in bioavailability revealed by the lux biosensor. These results stress that assessment of risk posed by chemicals must be considered using appropriate biological assays.

The Use of High Surface Area Silica and Supercritical Carbon Dioxide to Enhance Solubility of Poorly Water-Soluble Drugs

Purpose Poor water-solubility of BCS class II drugs can limit their commercialization because of reduced oral bioavailability. It has been reported that loading of drug by adsorption onto porous silica would enhance drug solubility due to the increased surface area available for solvent diffusion. In this work, solid dispersions are formed using supercritical carbon dioxide (scCO2). The aim of this research was to characterise the solid-state properties of scCO2 dispersion and to investigate the impact of altering scCO2 processing conditions on final amorphous product performance that could lead to enhancement of drug dissolution rate for BCS class II drugs. Methods Indomethacin (IND) was purchased from Sigma-Aldrich (Dorset, UK) and was used as a model drug with two grades of high surface area silica (average particle sizes 3&[micro] and 7&[micro]), which were obtained directly from Grace-Davison (Germany). Material crystallinity was evaluated using powder X-ray diffraction (PXRD, Rigaku™, miniflex II, Japan) and high-speed differential scanning calorimetry (Hyper-DSC 8000, Perkin Elmer, USA). Materials were placed in a high-pressure vessel consisting of a CO2 cylinder, a Thar™ Technologies P50 high-pressure pump and a 750 ml high-pressure vessel (Thar, USA). Physical mixtures were exposed to CO2 gas above its critical conditions. SEM imaging and elemental analysis were conducted using a Jeol 6500 FEGSEM (Advanced MicroBeam Inc., Austria). Drug release was examined using USP type II dissolution tester (Caleva™, UK). Results The two grades of silica were found to be amorphous using PXRD and Hyper-DSC. Using PXRD, it was shown that an increase in incubation time and pressure resulted in a decrease in the crystalline content. Drug release profiles from the two different silica formulations prepared under the same conditions are shown in Figure 1. It was found that there was a significant enhancement in drug release, which was influenced, by silica type and other experiment conditions such as temperature, pressure and exposure time. SEM imaging and elemental analysis showed drug deposited inside silica pores as well as on the outer surface. Conclusion This project has shown that silica carrier platforms may be used as an alternative approach to generating polymeric solid dispersions of amorphous drugs exhibiting enhanced solubility.

Formation of soluble mercury oxide coatings: transformation of elemental mercury in soils

The impact of mercury (Hg) on human and ecological health has been known for decades. Although a treaty signed in 2013 by 147 nations regulates future large-scale mercury emissions, legacy Hg contamination exists worldwide and small scale releases will continue. The fate of elemental mercury, Hg(0), lost to the subsurface and its potential chemical transformation that can lead to changes in speciation and mobility are poorly understood. Here we show that Hg(0) beads interact with soil or manganese oxide solids and x-ray spectroscopic analysis indicates that the soluble mercury coatings are HgO. Dissolution studies show that after reacting with a composite soil, > 20 times more Hg is released into water from the coated beads than from a pure liquid mercury bead. An even larger, > 700 times, release occurs from coated Hg(0) beads that have been reacted with manganese oxide, suggesting that manganese oxides are involved in the transformation of the Hg(0) beads and creation of the soluble mercury coatings. Although the coatings may inhibit Hg(0) evaporation, the high solubility of the coatings can enhance Hg(II) migration away from the Hg(0)-spill site and result in potential changes in mercury speciation in the soil and increased mercury mobility.

Exogenous RNA interference exposes contrasting roles for sugar exudation in host-finding by plant pathogens

Plant parasitic nematodes (PPN) locate host plants by following concentration gradients of root exudate chemicals in the soil. We present a simple method for RNA interference (RNAi)-induced knockdown of genes in tomato seedling roots, facilitating the study of root exudate composition, and PPN responses. Knockdown of sugar transporter genes, STP1 and STP2, in tomato seedlings triggered corresponding reductions of glucose and fructose, but not xylose, in collected root exudate. This corresponded directly with reduced infectivity and stylet thrusting of the promiscuous PPN Meloidogyne incognita, however we observed no impact on the infectivity or stylet thrusting of the selective Solanaceae PPN Globodera pallida. This approach can underpin future efforts to understand the early stages of plant-pathogen interactions in tomato and potentially other crop plants.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

Characterization of bioactive compounds of dealcoholized wine: valuation of distillation process

O vinho tinto é uma importante fonte de compostos fenólicos com atividade antioxidante e que estão relacionados com a prevenção de doenças cardiovasculares e cancro. Estes compostos são um sub-produto do processo de destilação vínica utilizado para produzir aguardente necessária para a produção de Vinho do Porto. Esta tese tem como objetivo valorizar os compostos fenólicos resultantes das destilarias de vinho, através do estudo da sua composição, das interações com o material polimérico do vinho, da sua estabilidade durante o armazenamento e avaliação dos seus potenciais efeitos biológicos in vitro. Isto irá permitir definir aplicações para estes compostos como ingredientes alimentares com propriedades funcionais. Dois vinhos tintos (RW1 e RW2) foram utilizados como fonte de compostos fenólicos. A fim de estudar estes compostos, cada vinho foi evaporado à pressão atmosférica, permitindo obter o respetivo vinho desalcolizado (DW1 e DW2). Os polissacarídeos e compostos fenólicos presentes nos vinhos desalcolizados foram fracionados por extração em fase sólida utilizando cartuchos C18 sep-pak. A fração hidrofóbica, rica em compostos fenólicos, foi separada em frações ricas em ácidos fenólicos, em procianidinas e em antocianinas, as quais foram usadas para avaliar a sua contribuição para a atividade antioxidante total e caracterização fenólica detalhada dos DW. Foram obtidas quantidades comparáveis de compostos fenólicos totais (1.3 g/L para RW1 e DW1, e 3.1 para RW2 e DW2), de taninos (1.2 g/L para RW1 e DW1 e 1.6 para RW2 e DW2) e de antocianinas (0.24 g/L para RW1 e DW1 e 0.41 para RW2 e DW2) para os vinhos e para os respetivos vinhos desalcolizados. A determinação da atividade antioxidante de RW e DW pelos métodos do DPPH e ABTS também originou valores semelhantes, permitindo inferir que o processo de destilação realizado não promoveu uma perda relevante de compostos fenólicos. A atividade antioxidante total de vinho deveu-se essencialmente à fração rica em antocianinas. Os dois DW foram dialisados para se obter o material polimérico dos vinhos (WPM1 e WPM2). O WPM1 e WPM2 apresentavam 1.1 e 1.3 g/L de material sólido, respetivamente. O WPM (WPM1 e WPM2) era composto por polissacarídeos (31 e 36%), proteínas (10 e 12%) e também por compostos fenólicos (32 e 43%). A análise de açúcares mostrou que as manoproteínas e as arabinogalactanas eram os principais polissacarídeos presentes. A extração do WPM com metanol deu origem a um material insolúvel em metanol (PMi) e a uma fração solúvel em metanol, que continuava a conter hidratos de carbono e compostos fenólicos, mostrando uma forte interação entre estes compostos. Para determinar a energia de ativação (Ea) da libertação dos compostos fenólicos de fracções de material polimérico do vinho, foram realizadas diálises do DW, WPM e PMi, utilizando-se quatro concentrações diferentes, a cinco temperaturas (5-40 °C). O valor da Ea foi 25 para o WPM e 61 kJ/mol para o PMi, mostrando que os compostos fenólicos do vinho podem estar associados de forma diferente à matriz polimérica e que uma fração pode estar, ainda, fortemente associada a esta matriz. A fim de avaliar a possível existência de interações seletivas com os compostos fenólicos, o WPM foi fracionado, permitindo a obtenção de uma fração rica em manoproteínas (MP), através de uma cromatografia de afinidade com concanavalina A e 3 frações ricas em arabinogalactanas (AG0, AG1 e AG2) obtidas por cromatografia de troca aniónica. Foi avaliada a difusão de nove antocianinas monoméricas através de uma membrana de diálise, em presença do WPM, e das frações ricas em MP e em AG. A diálise dos compostos fenólicos livres do vinho foi realizada como ensaio em branco. Todas as frações poliméricas mostraram capacidade para reter as antocianinas, embora em diferente extensão. Foi observada uma capacidade de retenção maior para as antocianinas acilglucosiladas do que para as antocianinas glucosiladas. A fração rica em AG teve uma maior contribuição para a capacidade de retenção das antocianinas pelo material polimérico vinho do que a fração rica em MP, principalmente quando as antocianinas estavam acetiladas. Com o objetivo de estudar formas para preservar, a longo prazo, as propriedades antioxidantes dos compostos fenólicos, o extrato de compostos fenólicos (PCE), em pó, foi armazenado em diferentes condições de luz e atmosfera, à temperatura ambiente durante 1 ano. Observou-se que o PCE armazenado no escuro, dentro de um exsicador sob atmosfera de azoto, preservou 95% da atividade antioxidante inicial. Também foram avaliadas as melhores condições para preservar as antocianinas quando em solução, armazenadas a duas temperaturas (5 e 30 ºC) durante 3 meses. A adição de 0.5 g/L de uma fração rica em polissacarídeos a um vinho armazenado a 30 ºC promoveu a proteção das antocianinas, especialmente das antocianinas cumaroiladas. Os potenciais efeitos biológicos dos compostos fenólicos foram avaliados em diferentes sistemas celulares in vitro utilizando as seguintes frações: WPM, WPS (polissacarídeos do vinho), WPC (compostos fenólicos do vinho), PA-E (fração rica em ácidos fenólicos), PR-E (fração rica em procianidinas) e APP-E (fração rica em antocianinas e procianidinas poliméricas). Foi observada uma maior viabilidade celular quando as células do carcinoma do cólon HT-29 foram expostas a dois agentes oxidantes (radiação UV e H2O2) em presença das frações PR-E e APP-E. Além disso, os extratos WPS, WPC, PR-E e APP-E mostraram propriedades anti-inflamatórias, avaliadas pela inibição da produção de NO por células de macrófagos RAW264.7, sendo o extrato APP-E (0.19 mg/mL) o que exibiu a maior capacidade anti-inflamatória. A fim de elucidar as propriedades antioxidantes dos extratos do vinho em células humanas, os glóbulos vermelhos (RBC) foram selecionados como um modelo metabolicamente simples. Os extratos WPM, WPS, WPC, PR-E, e APP-E mostraram efeito anti-hemolítico para a hemólise dos RBC provocada pelo peróxido de hidrogénio (H2O2) e pelo di-hidrocloreto de 2,2'-azo-bis(2-diaminopropano) (AAPH). Os resultados obtidos permitem concluir que o processo de desalcoolização dos vinhos à pressão atmosférica, preservou as principais características antioxidantes dos compostos fenólicos. Estes compostos podem contribuir para a defesa das células contra agentes oxidantes, nomeadamente por terem um potencial de atividades anti-inflamatória e anti-hemolítica, promovendo a viabilidade celular. A interação dos compostos fenólicos do vinho com o material polimérico permite inferir uma dosagem contínua e gradual das antocianinas vinho tinto após a sua ingestão, contribuindo para um período mais longo da sua exposição e, como consequência, dos seus potenciais benefícios para a saúde.