Carbonic anhydrase is an ancient enzyme widespread in prokaryotes

Carbonic anhydrases catalyze the reversible hydration of CO2 and are ubiquitous in highly evolved eukaryotes. The recent identification of a third class of carbonic anhydrase (γ class) in a methanoarchaeon and our present finding that the β class also extends into thermophilic species from the Archaea domain led us to initiate a systematic search for these enzymes in metabolically and phylogenetically diverse prokaryotes. Here we show that carbonic anhydrase is widespread in the Archaea and Bacteria domains, and is an ancient enzyme. The occurrence in chemolithoautotrophic species occupying deep branches of the universal phylogenetic tree suggests a role for this enzyme in the proposed autotrophic origin of life. The presence of the β and γ classes in metabolically diverse species spanning the Archaea and Bacteria domains demonstrates that carbonic anhydrases have a far more extensive and fundamental role in prokaryotic biology than previously recognized.

Stepwise Photoinhibition of Photosystem II1 : Studies with Synechocystis Species PCC 6803 Mutants with a Modified D-E Loop of the Reaction Center Polypeptide D1

Several mutant strains of Synechocystis sp. PCC 6803 with large deletions in the D-E loop of the photosystem II (PSII) reaction center polypeptide D1 were subjected to high light to investigate the role of this hydrophilic loop in the photoinhibition cascade of PSII. The tolerance of PSII to photoinhibition in the autotrophic mutant ΔR225-F239 (PD), when oxygen evolution was monitored with 2,6-dichloro-p-benzoquinone and the equal susceptibility compared with control when monitored with bicarbonate, suggested an inactivation of the QB-binding niche as the first event in the photoinhibition cascade in vivo. This step in PD was largely reversible at low light without the need for protein synthesis. Only the next event, inactivation of QA reduction, was irreversible and gave a signal for D1 polypeptide degradation. The heterotrophic deletion mutants ΔG240-V249 and ΔR225-V249 had severely modified QB pockets, yet exhibited high rates of 2,6-dichloro-p-benzoquinone-mediated oxygen evolution and less tolerance to photoinhibition than PD. Moreover, the protein-synthesis-dependent recovery of PSII from photoinhibition was impaired in the ΔG240-V249 and ΔR225-V249 mutants because of the effects of the mutations on the expression of the psbA-2 gene. No specific sequences in the D-E loop were found to be essential for high rates of D1 polypeptide degradation.

Investigation of the prebiotic synthesis of amino acids and RNA bases from CO2 using FeS/H2S as a reducing agent.

An autotrophic theory of the origin of metabolism and life has been proposed in which carbon dioxide is reduced by ferrous sulfide and hydrogen sulfide by means of a reversed citric acid cycle, leading to the production of amino acids. Similar processes have been proposed for purine synthesis. Ferrous sulfide is a strong reducing agent in the presence of hydrogen sulfide and can produce hydrogen as well as reduce alkenes, alkynes, and thiols to saturated hydrocarbons and reduce ketones to thiols. However, the reduction of carbon dioxide has not been demonstrated. We show here that no amino acids, purines, or pyrimidines are produced from carbon dioxide with the ferrous sulfide and hydrogen sulfide system. Furthermore, this system does not produce amino acids from carboxylic acids by reductive amination and carboxylation. Thus, the proposed autotrophic theory, using carbon dioxide, ferrous sulfide, and hydrogen sulfide, lacks the robustness needed to be a geological process and is, therefore, unlikely to have played a role in the origin of metabolism or the origin of life.

Estratégia operacional de sistema formado por reator não compartimentado com setores com aeração/sem aeração precedido por reator anaeróbio

A opção por sistemas biológicos prevalece para o tratamento do esgoto sanitário. Nas décadas recentes, sistemas que possuem regiões e/ou zonas anaeróbia, anóxica e aeróbia têm-se mostrado como alternativas atraentes para remoção simultânea de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo. No entanto, os aspectos operacionais ainda merecem ser objeto de estudo para alcançar desempenho otimizado. Nesse cenário, com intuito de comparar alternativas para a operação das unidades de tratamento de esgoto, o presente trabalho propôs-se a estudar estratégias operacionais associadas ao monitoramento, em tempo real, sem adição de fonte externa de carbono, para um reator aerado não compartimentado com crescimento suspenso e fluxo contínuo precedido de reator anaeróbio. O sistema experimental, em escala de bancada, era constituído de um reator anaeróbio, com volume útil de 43,54 L, e reator aerado, com volume útil de 68,07 L; sendo que este era formado por sete setores, em série, sem separação física. O estudo foi dividido em duas etapas: I - estudo da variação dos volumes da região aerada e da não aerada; II - estudo da aeração intermitente com ciclo de aeração/agitação pré-fixado e controlado em tempo real por sistema informatizado. Em todas as Etapas do estudo ocorreu elevada remoção de DBO e conversão de NTK para nitrato, contudo não se conseguiu obter desnitrificação em nível desejado. O uso de reatores com setores sequenciais sem divisão física (Etapa I) dificultou a obtenção de regiões distintas predominantemente anóxica e aeróbia, comprometendo a remoção de nitrogênio (principalmente a desnitrificação). A maior eficiência média de remoção de nitrogênio alcançada no reator aerado foi de 35,6% (Etapa II), quando o reator era operado com aeração intermitente sendo o ciclo de aeração/agitação controlado em tempo real. A estratégia de operação com aeração intermitente, estudada na Etapa II, favoreceu a remoção de nitrogênio. A aeração intermitente demonstrou ser uma opção promissora comparada à aeração contínua em setores específicos do reator. O controle automatizado e informatizado em tempo real dos ciclos de aeração/agitação pode ser aplicado no aperfeiçoamento da operação dos sistemas de tratamento de esgoto sanitário.

Remoção de matérias orgânica e nitrogenada de esgoto sanitário em reator de leito estruturado, em escala piloto

O processo de nitrificação e desnitrificação simultâneas (NDS) permite alcançar a remoção combinada de matérias carbonácea e nitrogenada em uma única unidade. O reator de leito estruturado, com biomassa imobilizada e recirculação interna, apresenta características positivas para que estes processos envolvidos ocorram, tais como propiciar a formação de biofilme e evitar a colmatação do leito. Esta configuração tem sido estudada com êxito em reatores em escala de bancada para tratamento de esgoto. Nesta pesquisa foi utilizado um reator de leito estruturado em escala piloto com a finalidade de avaliar sua implantação, eficiência e estabilidade tratando esgoto doméstico em condições reais para futura aplicação em pequenas comunidades, condomínios residenciais entre outros como sistema descentralizado. O reator foi construído em fibra de vidro, de formato cilíndrico, com diâmetro interno de aproximadamente 0,80 m e 2,0 m de altura. O volume total foi de aproximadamente 0,905 m3 e o volume útil de 0,642 m3. A operação foi realizada sob condições de aeração contínua e intermitente e os tempos de detenção hidráulica (TDH) testados foram de 48, 36 e 24 horas. A remoção de DQO manteve-se acima de 90% com TDH de 48 e 36 horas. A melhor eficiência de remoção de nitrogênio total foi de 72,4 ± 6,4%, sob TDH de 48 horas e a aeração intermitente, com 2 horas de aeração e 1 hora não aerada. A concentração de oxigênio dissolvido (OD) média de 2,8 ± 0,5 mg.L-1 na fase aerada e temperatura média de 24,7 ± 1,0 °C. Nesse mesmo período, a eficiência média de remoção de DQO foi de 94 ± 4 %. Apesar das dificuldades apresentadas no controle da aeração, as eficiências das remoções obtidas indicaram que o reator de leito estruturado e aeração intermitente (LEAI) se apresenta como uma alternativa promissora em escala plena, requerendo ajustes para construção e incremento da estabilidade da NDS.

Análise dos parâmetros que interferem no metabolismo da microbiota anaeróbia e anóxica na remoção de bifenilas policloradas

A elevada concentração de cloro das bifenilas policloradas provoca alta toxicidade do composto, o qual dificulta sua biodegradação. A contaminação de PCB no Brasil foi confirmada em estudo realizado na Bahia de Santos-São Vicente (São Paulo), o qual revelou a necessidade de um plano de ação para o controle e remoção de PCB no Brasil. Pretendeu-se assim, na realização da presente pesquisa, verificar quatro hipóteses: (1) A técnica de Microextração em fase sólida é uma metodologia eficaz para avaliação de bifenilas policloradas de amostras de reatores; (2) A condição fermentativa-metanogênica abriga comunidade resistente ao PCB, e removê-lo; (3) A condição desnitrificante abriga comunidade resistente ao PCB, e removê-lo e (4) A remoção de PCB, bem como, a composição microbiana é distinta em cada condição metabólica. Para tanto, reatores em batelada foram montados separadamente com biomassa anaeróbia proveniente de reator UASB usado no tratamento de água residuária de avicultura e biomassa de sistemas de lodos ativados de tratamento de esgoto sanitário. Os reatores operados em condição mesófila foram alimentados com meio sintético, co-substratos, sendo etanol (457 mg.L-1) e formiato de sódio (680 mg.L-1) para os reatores anaeróbios, e somente etanol (598 mg.L-1) para os reatores anóxicos, além de PCB padrão Sigma (congêneres PCBs 10, 28, 52, 153, 138 e 180) em diferentes concentrações, dependendo do objetivo do ensaio. A aplicação do método de extração por SPME com análise em cromatógrafo gasoso com detector por captura de elétrons foi adequada para a determinação dos seis congêneres de PCB. Obteve-se ampla faixa de linearidade, seletividade frente aos vários interferentes, além da robustez do método, utilidade e confiabilidade na identificação e quantificação específica dos seis congêneres de PCB. A Hipótese 1 foi aceita; ou seja, por meio da aplicação da metodologia SPME foi possível quantificar os PCB nos reatores em batelada. Apesar de ter sido comprovada a inibição metanogênica na presença de PCB, com IC50 de 0,03 mg.L

Avaliação da remoção de nitrogênio via nitrificação e desnitrificação simultânea em um reator biológico com leito móvel (IFAS).

O fenômeno conhecido como Nitrificação e Desnitrificação Simultânea (SND) significa que em um mesmo reator ocorre simultaneamente a nitrificação e a desnitrificação, sob condições de operações idênticas, podendo ser justificada principalmente pela teoria de microambiente no floco ou biofilme. Assim, em um único reator, sob condições controladas de oxigênio dissolvido (OD) e elevados tempos de residênciacelular épossível que ocorra a nitrificação e a criação de zonas anóxicas no interior dos flocos ou biofilme para a ocorrência da desnitrificação. Neste sentido, a tecnologia MBBR/IFAStem como característicaelevado tempo de residência celular do biofilme formado nos meios suporte presentes no reator. Deste modo, neste estudo avaliou-se a remoção de nitrogênio via SND em um sistema IFAS quando submetido a diferentes concentrações de OD e Tempo de DetençãoHidraulica de 5,5 e 11 horas, tratando efluente sanitário e efluente sintético. Os resultados experimentais demonstraram que pode ser possível desenvolver efetiva SND com concentrações de OD média de 1,0 mg.L-1 e 1,5 mg.L-1. Sendo que, foram obtidas eficiência média de remoção de NTde cerca de 68% e concentrações médias efluente de N-NH4 de aproximadamente 5,0 mg L-1, de N-NO3 inferiores a 4,5 mg L-1 e de N-NO2 em torno de 0,1 mg L-1, e com eficiência média de remoção DQO solúvel acima de 90%, quando empregado efluente sintético. Ademais, por meio da avaliação da emissão de Óxido Nitroso (N2O), foi possível comprovar que a desnitrificação ocorreu de forma efetiva.

Utilização de metanol, etanol e metano como doadores de elétrons para a desnitrificação

Esta tese apresenta e discute os dados obtidos a partir de trabalho experimental projetado para avaliar comparativamente o desempenho de reatores desnitrificantes em batelada, tendo etanol, metanol e gás metano como doadores de elétrons. Os experimentos foram realizados em reatores em escala de bancada. Os ensaios com gás metano objetivaram verificar a efetividade deste sub-produto de reatores anaeróbios em substituir os doadores exógenos de elétrons comumente utilizados, tais como metanol e etanol. Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, os parâmetros cinéticos de desnitrificação, para os doadores de elétrons ensaiados, foram determinados nas diferentes condições operacionais. Além disso, as alterações ocorridas na população microbiana, ao longo do período experimental, foram avaliadas em relação à diversidade microbiana, por meio de análises microscópicas (óptica, de fluorescência e eletrônica de varredura) e da técnica de Biologia Molecular de PCR/DGGE. A completa desnitrificação foi alcançada para todos os compostos testados, e o etanol foi o doador de elétrons mais eficiente para a desnitrificação. A melhor razão carbono-nitrogênio para a desnitrificação foi igual a 1,0. Contudo, este parâmetro foi encontrado ser inadequado para utilização no processo de desnitrificação, uma vez que não expressa a capacidade real do composto usado em doar elétrons. A desnitrificação com metano ocorreu tanto na presença como na ausência de oxigênio, embora a baixas velocidades quando comparado com os outros compostos. No entanto, a configuração do reator utilizado neste estudo não foi adequada para promover a efetiva dissolução do gás metano na fase líquida. Por essa razão, sugere-se o desenvolvimento de configurações de reatores apropriadas para minimizar as resistências à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e também desta para a biomassa.

Role of the denitrifying Haloarchaea in the treatment of nitrite-brines

Haloferax mediterranei is a denitrifying halophilic archaeon able to reduce nitrate and nitrite under oxic and anoxic conditions. In the presence of oxygen, nitrate and nitrite are used as nitrogen sources for growth. Under oxygen scarcity,this haloarchaeon uses both ions as electron acceptors via a denitrification pathway. In the present work, the maximal nitriteconcentration tolerated by this organism was determined by studying the growth of H. mediterranei in minimal medium containing30, 40 and 50 mM nitrite as sole nitrogen source and under initial oxic conditions at 42 °C. The results showed theability of H. mediterranei to withstand nitrite concentrations up to 50 mM. At the beginning of the incubation, nitrate wasdetected in the medium, probably due to the spontaneous oxidation of nitrite under the initial oxic conditions. The completeremoval of nitrite and nitrate was accomplished in most of the tested conditions, except in culture medium containing 50 mMnitrite, suggesting that this concentration compromised the denitrification capacity of the cells. Nitrite and nitrate reductases activities were analyzed at different growth stages of H. mediterranei. In all cases, the activities of the respiratory enzymeswere higher than their assimilative counterparts; this was especially the case for NirK. The denitrifying and possibly detoxifyingrole of this enzyme might explain the high nitrite tolerance of H. mediterranei. This archaeon was also able to remove60 % of the nitrate and 75 % of the nitrite initially present in brine samples collected from a wastewater treatment facility.These results suggest that H. mediterranei, and probably other halophilic denitrifying Archaea, are suitable candidates for thebioremediation of brines with high nitrite and nitrate concentrations.

Culturable aerobic and facultative bacteria from the gut of the polyphagic dung beetle Thorectes lusitanicus Jeckel

Unlike other dung beetles, the Iberian geotrupid Thorectes lusitanicus exhibits polyphagous behavior; for example, it is able to eat acorns, fungi, fruits, and carrion in addition to the dung of different mammals. This adaptation to digest a wider diet has physiological and developmental advantages and requires key changes in the composition and diversity of the beetle's gut microbiota. In this study, we isolated aerobic, facultative anaerobic, and aerotolerant microbiota amenable to grow in culture from the gut contents of T. lusitanicus and resolved isolate identity to the species level by sequencing 16S rRNA gene fragments. Using BLAST similarity searches and maximum likelihood phylogenetic analyses, we were able to reveal that the analyzed fraction (culturable, aerobic, facultative anaerobic, and aerotolerant) of beetle gut microbiota is dominated by the phyla Proteobacteria, Firmicutes and Actinobacteria. Among Proteobacteria, members of the order Enterobacteriales (Gammaproteobacteria) were the most abundant. The main functions associated with the bacteria found in the gut of T. lusitanicus would likely include nitrogen fixation, denitrification, detoxification, and diverse defensive roles against pathogens.

Geochemical and Microbiological Studies of Nitrous Oxide Variations within the New NEEM Greenland Ice Core During the Last Glacial Period

Deep polar ice cores provide atmospheric records of nitrous oxide (N₂O) and other trace gases reflecting climate history along with a parallel archive of microbial cells transported with mineral dust, marine and volcanic aerosols from around the globe. Our interdisciplinary study of 32 samples from different depths of the recently drilled NEEM Greenland ice core addressed the question whether the identified microorganisms were capable of post-depositional biological production of N₂O in situ. We used high-resolution geochemical and microbiological approaches to examine the N₂O concentrations, the quantitative distributions of dust, Ca⁺², NH₄⁺ and NO₃⁻ ¡ons related to N cycle pathways, the microbial abundance and diversity at specific NEEM core depths from 1758 m to 1867.8 m. Results showed varying concentrations of N₂O (220 –271.5 ppb). Microbial abundance fluctuated between 3.3 x 10⁴ and 3.3 x 10⁶ cells mL⁻¹ in direct correlation with dust and Ca²⁺ concentrations with higher cell numbers deposited during colder periods. The average values of NH₄⁺ and NO₃⁻ indicated that substrates were available for the microorganisms capable of utilizing them. PCR amplification of selected functional genes involved in bacterial and archaeal nitrification and denitrification was not successful. Sanger and Illumina MiSeq sequence analyses of SSU rRNA genes showed variable representation of Alpha-, Beta- and Gammaproteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, chloroplasts and fungi. The metabolic potential of the dominant genera of Proteobacteria and Firmicutes as possible N₂O producers suggested that denitrification activity may have led to in-situ production and accumulation of N₂O.

Nitrogen isotope ratios of Cretaceous Atlantic sedimentary sequences

At two locations in the Atlantic Ocean (DSDP Sites 367 and 530) early to middle Cretaceous organic-carbon-rich beds (black shales) were found to have significantly lower delta15N values (lower 15N/14N ratios) than adjacent organic-carbon-poor beds (white limestones or green claystones). While these lithologies are of marine origin, the black strata in particular have delta15N values that are significantly lower than those previously found in the marine sediment record and most contemporary marine nitrogen pools. In contrast, black, organic-carbon-rich beds at a third site (DSDP Site 603) contain predominantly terrestrial organic matter and have C- and N-isotopic compositions similar to organic matter of modern terrestrial origin. The recurring 15N depletion in the marine-derived Cretaceous sequences prove that the nitrogen they contain is the end result of an episodic and atypical biogeochemistry. Existing isotopic and other data indicate that the low 15N relative abundance is the consequence of pelagic rather than post-depositional processes. Reduced ocean circulation, increased denitrification, and, hence, reduced euphoric zone nitrate availability may have led to Cretaceous phytoplankton assemblages that were periodically dominated by N2-fixing blue-green algae, a possible source of this sediment 15N-depletion. Lack of parallel isotopic shifts in Cretaceous terrestrially-derived nitrogen (Site 603) argues that the above change in nitrogen cycling during this period did not extend beyond the marine environment.

Physiology, growth and development of larval krill ''Euphausia superba'' in autumn and winter in the Lazarev Sea, Antarctica

The physiological condition of larval Antarctic krill was investigated during austral autumn 2004 and winter 2006 in the Lazarev Sea, to provide better understanding of a critical period of their life cycle. The condition of larvae was quantified in both seasons by determining their body length (BL), dry mass (DM), elemental- and biochemical composition, as well as stomach content analysis, and rates of metabolism and growth. Overall the larvae in autumn were in better condition under the ice than in open water, and for those under the ice there was a decrease in condition from autumn to winter. Thus growth rates of furcilia larvae in open water in autumn were similar to winter values under the ice (mean 0.008 mm/d), whereas autumn, under ice values were higher: 0.015 mm/d. Equivalent larval stages had up to 30% lower BL and 70% lower DM in winter compared to autumn, with mean oxygen consumption 44% lower (0.54 µl O2 DM/h). However, their ammonium excretion rates doubled (from 0.03-0.06 µg NH4 DM/h) so their mean O:N ratio was 46 in autumn and 15 in winter. Thus differing metabolic substrates were used between autumn and winter, suggesting a flexible overwintering strategy, as suggested for adults. The larvae were eating small copepods (Oithona spp.) and/or protozoans as well as autotrophic food under the ice. However, pelagic Chlorophyll a (Chl a) was a good predictor for growth in both seasons. The physics (current speed/ice topography) probably has a critical part to play in whether larval krill can exploit the food that may be associated with sea ice or be advected away from such suitable feeding habitat.

Benthic anammox and dentrification rates measured in a slurry incubation experiments at four different stations in the Arabian Sea off Pakistan during the METEOR cruise M74/2 in 2007

Vertical distributions of benthic denitrification and anammox rates within the sediment were estimated from slurry incubation experiments. Rates were used to calculate the contribution of anammox and denitrification to the total N-loss. Briefly, MUC sediment cores were sliced in 2 cm intervals and the sediment was diluted and incubated with degassed bottom water in a gas tight bag. After pre-incubating the bags for 2 h, 15N-labeled substrates were injected into the bags and the slurries were thoroughly mixed. Incubations were performed in the dark at in situ temperatures. The N2 isotope ratio (28N2, 29N2, and 30N2) was determined by gas chromatography-isotopic ratio mass spectrometry (VG Optima, Micromass) and calculated according to Kuypers et al. (2005) and Holtappels et al. (2011), respectively.Furthermore, total organic carbon and nitrogen concentrations were measured of core sediment layers corresponding to those used for rate measurements. Concentrations of organic carbon and nitrogen were determined by combustion/gas chromatography (Carlo Erba NA-1500 CNS analyzer) of dried sediment samples after acidification. The same sediment layer were also used to extract nucleic acids. The concentrations of the DNA in the samples were measured spectrophotometrically with a NanoDrop instrument (Thermo Fisher Scientific Inc.). The biomarker functional gene nirS, encoding the cd1-containing nitrite reductase, for both denitrifiers and marine anammox bacteria were quantified with real-time PCR, using the primers cd3aF/R3cd (5'-GTSAACGTSAAGGARACSGG-3' (Michotey et al., 2000)/5'-GASTTCGGRTGSGTCTTGA-3'; Throback et al., 2004) and Scnir372F/Scnir845R (5'-TGTAGCCAGCATTGTAGCGT-3'/5'-TCAAGCCAGACCCATTTGCT-3'; Lam et al., 2009).