Calcium-dependent enzyme activation and vacuole formation in the apical granular region of pancreatic acinar cells

The pancreatic acinar cell produces powerful digestive enzymes packaged in zymogen granules in the apical pole. Ca2+ signals elicited by acetylcholine or cholecystokinin (CCK) initiate enzyme secretion by exocytosis through the apical membrane. Intracellular enzyme activation is normally kept to a minimum, but in the often-fatal human disease acute pancreatitis, autodigestion occurs. How the enzymes become inappropriately activated is unknown. We monitored the cytosolic Ca2+ concentration ([Ca2+]i), intracellular trypsin activation, and its localization in isolated living cells with specific fluorescent probes and studied intracellular vacuole formation by electron microscopy as well as quantitative image analysis (light microscopy). A physiological CCK level (10 pM) eliciting regular Ca2+ spiking did not evoke intracellular trypsin activation or vacuole formation. However, stimulation with 10 nM CCK, evoking a sustained rise in [Ca2+]i, induced pronounced trypsin activation and extensive vacuole formation, both localized in the apical pole. Both processes were abolished by preventing abnormal [Ca2+]i elevation, either by preincubation with the specific Ca2+ chelator 1,2-bis(O-aminophenoxy)ethane-N,N-N′,N′-tetraacetic acid (BAPTA) or by removal of external Ca2+. CCK hyperstimulation evokes intracellular trypsin activation and vacuole formation in the apical granular pole. Both of these processes are mediated by an abnormal sustained rise in [Ca2+]i.

Altering the anaerobic transcription factor FNR confers a hemolytic phenotype on Escherichia coli K12

The recent outbreaks of Escherichia coli 0157-associated food poisoning have focused attention on the virulence determinants of E. coli. Here, it is reported that single base substitutions in the fnr gene encoding the oxygen-responsive transcription regulator FNR (fumarate and nitrate reduction regulator) are sufficient to confer a hemolytic phenotype on E. coli K12, the widely used laboratory strain. The mechanism involves enhancing the expression of a normally dormant hemolysin gene (hlyE) located in the E. coli chromosome. The mutations direct single amino acid substitutions in the activating regions (AR1 and AR3) of FNR that contact RNA polymerase. It is concluded that altering a resident transcription regulator, or acquisition of a competent heterologous regulator, could generate a pool of hemolytic, and therefore more virulent, strains of E. coli in nature.

Induction and repression of DAN1 and the family of anaerobic mannoprotein genes in Saccharomyces cerevisiae occurs through a complex array of regulatory sites

The DAN/TIR mannoprotein genes of Saccharomyces cerevisiae (DAN1, DAN2, DAN3, DAN4, TIR1, TIR2, TIR3 and TIR4) are expressed in anaerobic cells while the predominant cell wall proteins Cwp1 and Cwp2 are down-regulated. Elements involved in activation and repression of the DAN/TIR genes were defined in this study, using the DAN1 promoter as a model. Nested deletions in a DAN1/lacZ reporter pinpointed regions carrying activation and repression elements. Inspection revealed two consensus sequences subsequently shown to be independent anaerobic response elements (AR1, consensus TCGTTYAG; AR2, consensus AAAAATTGTTGA). AR1 is found in all of the DAN/TIR promoters; AR2 is found in DAN1, DAN2 and DAN3. A 120 bp segment carrying two copies of AR1 preferentially activated transcription of lacZ under anaerobic conditions. A fusion of three synthetic copies of AR1 to MEL1 was also expressed anaerobically. Mutations in either AR1 site within the 120 bp segment caused a drastic loss of expression, indicating that both are necessary for activation and implying cooperativity between adjacent transcriptional activation complexes. A single AR2 site carried on a 46 bp fragment from the DAN1 promoter activated lacZ transcription under anaerobic conditions, as did a 26 bp synthetic AR2 fragment fused to MEL1. Nucleotide substitutions within the AR2 sequence eliminated the activity of the 46 bp segment. Ablation of the AR2 sequences in the full promoter caused a partial reduction of expression. The presence of the ATTGTT core (recognized by HMG proteins) in the AR2 sequence suggests that an HMG protein may activate through AR2. One region was implicated in aerobic repression of DAN1. It contains sites for the heme-induced Mot3 and Rox1 repressors.

Does the granular matter?

Granular materials, such as sand, gravel, powders, and pharmaceutical pills, are large aggregates of macroscopic, individually solid particles, or “grains.” Far from being simple materials with simple properties, they display an astounding range of complex behavior that defies their categorization as solid, liquid, or gas. Just consider how sand can stream through the orifice of an hourglass yet support one's weight on the beach; how it can form patterns strikingly similar to a liquid when vibrated, yet respond to stirring by “unmixing” of large and small grains. Despite much effort, there still is no comprehensive understanding of other forms of matter, like ordinary fluids or solids. In what way, therefore, is granular matter special, and what makes it so difficult to understand? An emerging interdisciplinary approach to answering these questions focuses directly on the material's discontinuous granular nature.

Formate Dehydrogenase, an Enzyme of Anaerobic Metabolism, Is Induced by Iron Deficiency in Barley Roots1

To identify the proteins induced by Fe deficiency, we have compared the proteins of Fe-sufficient and Fe-deficient barley (Hordeum vulgare L.) roots by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. Peptide sequence analysis of induced proteins revealed that formate dehydrogenase (FDH), adenine phosphoribosyltransferase, and the Ids3 gene product (for Fe deficiency-specific) increased in Fe-deficient roots. FDH enzyme activity was detected in Fe-deficient roots but not in Fe-sufficient roots. A cDNA encoding FDH (Fdh) was cloned and sequenced. Fdh expression was induced by Fe deficiency. Fdh was also expressed under anaerobic stress and its expression was more rapid than that induced by Fe deficiency. Thus, the expression of Fdh observed in Fe-deficient barley roots appeared to be a secondary effect caused by oxygen deficiency in Fe-deficient plants.

Formate is the hydrogen donor for the anaerobic ribonucleotide reductase from Escherichia coli.

During anaerobic growth Escherichia coli uses a specific ribonucleoside-triphosphate reductase (class III enzyme) for the production of deoxyribonucleoside triphosphates. In its active form, the enzyme contains an iron-sulfur center and an oxygen-sensitive glycyl radical (Gly-681). The radical is generated in the inactive protein from S-adenosylmethionine by an auxiliary enzyme system present in E. coli. By modification of the previous purification procedure, we now prepared a glycyl radical-containing reductase, active in the absence of the auxiliary reducing enzyme system. This reductase uses formate as hydrogen donor in the reaction. During catalysis, formate is stoichiometrically oxidized to CO2, and isotope from [3H]formate appears in water. Thus E. coli uses completely different hydrogen donors for the reduction of ribonucleotides during anaerobic and aerobic growth. The aerobic class I reductase employs redox-active thiols from thioredoxin or glutaredoxin to this purpose. The present results strengthen speculations that class III enzymes arose early during the evolution of DNA.

A cyclophilin from the polycentric anaerobic rumen fungus Orpinomyces sp. strain PC-2 is highly homologous to vertebrate cyclophilin B.

A cyclophilin (CyP) purified to homogeneity from the polycentric anaerobic rumen fungus Orpinomyces sp. strain PC-2 had a molecular mass of 20.5 kDa and a pI of 8.1. The protein catalyzed the isomerization of the prolyl peptide bond of N-succinyl-Ala-Ala-(cis,trans)-Pro-Phe p-nitroanilide with a kcat/Km value of 9.3 x 10(6) M-1.s-1 at 10 degrees C and pH 7.8. Cyclosporin A strongly inhibited this peptidylprolyl cis-trans isomerase activity with an IC50 of 19.6 nM. The sequence of the first 30 N-terminal amino acids of this CyP had high homology with the N-terminal sequences of other eukaryotic CyPs. By use of a DNA hybridization probe amplified by PCR with degenerate oligonucleotide primers designed based on the amino acid sequences of the N terminus of this CyP and highly conserved internal regions of other CyPs, a full-length cDNA clone was isolated. It possessed an open reading frame encoding a polypeptide of 203 amino acids with a calculated molecular weight of 21,969, containing a putative hydrophobic signal peptide sequence of 22 amino acids preceding the N terminus of the mature enzyme and a C-terminal sequence, Lys-Ala-Glu-Leu, characteristic of an endoplasmic reticulum retention signal. The Orpinomyces PC-2 CyP is a typical type B CyP. The amino acid sequence of the Orpinomyces CyP exhibits striking degrees of identity with the corresponding human (70%), bovine (69%), mouse (68%), chicken (66%), maize (61%), and yeast (54%) proteins. Phylogenetic analysis based on the CyP sequences indicated that the evolutionary origin of the Orpinomyces CyP was closely related with CyPs of animals.

Avaliação do antagonismo do efeito do sódio sobre o tratamento de água residuária de Charqueada com elevada salinidade em reator anaeróbio de manta de lodo (UASB)

As águas residuárias provenientes da indústria do charque são conhecidas por apresentarem elevado teor de cloreto de sódio, aliado a grandes concentrações de matéria orgânica proveniente do sangue liberado ao longo do processo industrial. Esse tipo de água residuária apresenta potencial para degradação biológica, contudo, o cloreto de sódio, em concentração elevada, pode inibir a atividade dos microrganismos e, em alguns casos, levar sistemas biológicos à falência. No presente trabalho, foi avaliada a viabilidade de degradação anaeróbia de efluente sintético de Charqueada contendo elevado teor de cloreto de sódio, em reator anaeróbio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), em escala de laboratório. Foram utilizados 4 reatores, alimentados com água residuária sintética com características similares à água residuária de Charqueada. O reator 1 foi utilizado como controle, o reator 2 recebeu NaCl e os demais (3 e 4) foram operados na presença de NaCl acrescidos de: betaína e potássio com cálcio, respectivamente. Os compostos citados são conhecidos como antagonizantes, por possuirem capacidade de minimizar o efeito inibitório do sódio sobre o processo de digestão anaeróbia. Os reatores foram inoculados com lodo de reator UASB e submetidos à concentração de 5000 mg/L de matéria orgânica, como DQO. A carga orgânica aplicada foi de 5 Kg/m3.d e os reatores não suportaram tal carga. Reiniciou-se a operação com aumento progressivo da DQO de 500 a 2000 mg/L resultando em cargas orgânicas de 0,5 a 2,0 Kg/m3.d, respectivamente. Após estabilização dos reatores, iniciou-se a fase de introdução de cloreto de sódio (1.500 a 13.500 mg/L) e antagonizantes com aumento progressivo a cada fase. Na presença ou ausência de antagonizantes, os reatores 2, 3 e 4 não tiveram o desempenho alterado até a concentração de NaCl de 6000 mg/L. Na presença de 9000 mg/L de NaCl, a betaína se mostrou pouco efetiva como soluto compatível no reator 3 e os antagonizantes do reator 4, potássio e cálcio, apresentaram efeitos estimulatórios. As morfologias encontradas ao longo do experimento foram cocos, víbrios, bacilos, sarcinas, além de morfologias semelhantes a Methanosarcina sp. e Methanosaeta sp. O aumento da concentração de cloreto de sódio provocou a redição da população de Arqueas.

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

Produção de hidrogênio por fermentação por um novo isolado de Clostridium beijerinckii

O hidrogênio (H2) tem sido considerado uma fonte de energia limpa bastante promissora, pois sua combustão origina apenas moléculas de água, sendo uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis. Entretanto, os métodos atuais de produção de H2 demandam matérias-primas finitas e uma grande quantidade de energia, tornando a sua obtenção não sustentável. Mais recentemente, a via fermentativa tem sido considerada para a produção de H2, utilizando como matérias-primas efluentes industriais, materiais lignocelulósicos e biomassa de algas, denominado de bio-hidrogênio de primeira, segunda e terceira geração, respectivamente. Neste trabalho foi isolada uma bactéria anaeróbia a partir de uma cultura mista (lodo) de um sistema de tratamento de vinhaça, após pré-tratamento do lodo a pH 3 por 12 horas. Este microrganismo foi identificado com 99% de similaridade como Clostridium beijerinckii com base na sequência do gene RNAr 16S denominado de C. beijerinckii Br21. A temperatura e o pH mais adequados para o crescimento e produção de H2 por esta cultura foi 35 °C e pH inicial 7,0. A bactéria possui a capacidade de utilizar ampla variedade de fontes de carbono para a produção de H2 por fermentação, especialmente, monossacarídeos resultantes da hidrólise de biomassa de algas, tais como glicose, galactose e manose. Foram realizados ensaios em batelada para a produção de H2 com a bactéria isolada empregando diferentes concentrações de glicose e galactose, visando a sua futura utilização em hidrolisados de alga. Os parâmetros cinéticos dos ensaios de fermentação estimados pelo modelo de Gompertz modificado, como a velocidade máxima de produção (Rm), a quantidade máxima de hidrogênio produzido (Hmáx) e o tempo necessário para o início da produção de hidrogênio (fase lag) para a glicose (15 g/L) foram de: 58,27 mL de H2/h, 57,68 mmol de H2 e 8,29 h, respectivamente. Para a galactose (15 g/L), a Rm, Hmáx e foram de 67,64 mL de H2/h, 47,61 mmol de H2 e 17,22 horas, respectivamente. O principal metabólito detectado ao final dos ensaios de fermentação, foi o ácido butírico, seguido pelo ácido acético e o etanol, tanto para os ensaios com glicose, como com galactose. C. beijerinckii é um candidato bastante promissor para a produção de H2 por fermentação a partir de glicose e galactose e, consequentemente, a partir de biomassa de algas como substratos.

Pós-tratamento físico-químico por flotação de efluentes de reatores anaeróbios de manta de lodo (UASB)

O emprego da flotação por ar dissolvido (FAD) para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios aparenta ser atraente considerando algumas características desse processo físico-químico. A FAD é reconhecidamente um processo de alta taxa, particularmente eficiente na remoção de material particulado em suspensão e de flocos produzidos pela coagulação química de águas residuárias. Além disso, há produção de lodo espesso e provavelmente arraste de parcela de gases e de compostos voláteis, presentes nos efluentes anaeróbios. Entretanto, a concepção de sistemas de FAD deve ser precedida por ensaios em unidades de flotação em escala de laboratório, permitindo a determinação dos principais parâmetros do processo. Neste trabalho, são apresentados e discutidos os resultados obtidos em laboratório e em instalação piloto de flotação com escoamento contínuo recebendo efluente de reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), com 18 m3 de volume, tratando esgoto sanitário. Os ensaios em unidade em escala de laboratório foram realizados utilizando diferentes dosagens de cloreto férrico (entre 30 e 110 mg/L) ou de polímero catiônico (entre 1,0 e 16,0 mg/L), atuando como coagulantes. Além disso, foram estudadas as condições de floculação (tempo de 15 e de 25 min, e gradiente médio de velocidade de floculação entre 30 e 100 s-1) e diferentes valores de quantidade de ar fornecido ao processo (S*, entre 4,7 e 28,5 g de ar por m3 de efluente). Com a instalação piloto de FAD foram realizados apenas ensaios preliminares variando-se a taxa de aplicação superficial (140 e 210 m3/m2/d) para diferentes valores de S* (14,8 a 29,5 g de ar por m3 de efluente). Com o emprego de dosagem de 65 mg/L de cloreto férrico, de tempo de 15 min e gradiente médio de velocidade de floculação de 80 s-1 e de 19 g de ar por m3 de efluente, foram observados excelentes resultados em laboratório, com elevadas remoções de DQO (89%), de fosfato total (96%), de sólidos suspensos totais (96%), de turbidez (98%), de cor aparente (91%), de sulfetos (não detectado) e NTK (47%). Considerando o sistema UASB e FAD, nos testes em laboratório, foram observadas remoções globais de 97,7% de DQO, de 98,0% de fosfato total, de 98,9% de SST, de 99,5% de turbidez, de 97,8% de cor aparente e de 59,0% de NTK. Nos ensaios com a instalação piloto de FAD, o sistema apresentou remoções de 93,6% de DQO, de 87,1% de SST, de 90% de sulfetos e de 30% de NTK.

Disposição de resíduos gerados em estações de tratamento de água em estações de tratamento de esgoto

O presente trabalho foi realizado em duas fases. Na primeira, foram estimados os efeitos produzidos nos decantadores primários de uma ETE, após receber resíduo da ETA-SC, que utiliza sulfato de alumínio como coagulante. Foram realizados ensaios em colunas de sedimentação, onde os parâmetros SST, SSV, cor, turbidez, DQO, coliformes totais, Escherichia coli e parasitas, pesquisados no sobrenadante, diminuíram com o aumento da quantidade de resíduo adicionado. Com relação aos sedimentos obtidos nas colunas de sedimentação, foi encontrada maior quantidade de ST e menor resistência específica nos lodos provenientes das colunas que receberam os resíduos da ETA-SC. No teste de atividade metanogênica, a concentração molar de metano foi reduzida nos sistemas que receberam resíduo da ETA-SC, influenciando negativamente no desenvolvimento dos microrganismos metanogênicas. As espécies de microrganismos do gênero Methanothrix sp foram inibidas, sendo encontradas em maior número no frasco-reator controle e em menor quantidade a medida que se aumentou a quantidade do resíduo adicionado. Nesta etapa foi constatado que o resíduo da ETA-SC poderá apresentar interferências negativas sobre a digestão anaeróbia do lodo produzido em decantadores primários de uma ETE. Na segunda fase, na estação piloto, composta de lagoa de aeração seguida de lagoa de sedimentação, que recebeu resíduo da ETA-Fonte, que utiliza cloreto férrico como coagulante, foi verificado que tal resíduo melhorou a qualidade do efluente em termos de DQO, DBO, SST, turbidez, cor, amônio, nitrato, NTK e fosfato total. Os parâmetros ST, SDT, cloreto, nitrito, condutividade e pH não apresentaram diferenças significativas. Em relação ao exame microscópico não houve influências negativas no licor misto das lagoas de aeração. O lodo formado nas lagoas de sedimentação piloto apresentou-se em maior quantidade na lagoa que recebeu resíduo da ETA-Fonte. Neste lodo a resistência específica a filtração foi menor em comparação ao lodo da lagoa que não recebeu resíduo da ETA-Fonte. A desidratação deste lodo por centrifugação necessitou menor quantidade de polieletrólito. Baseado neste estudo não foi verificado interferências que possa impedir o lançamento do resíduo da ETA-Fonte na ETE-Araraquara.

Anaerobic Digestion Project Working Guide: A Case Study Analysis and Procedural Summary of Anaerobic Digester Projects for the United States Agricultural Sector

Renewable energy such as biomass has given markets, including dairy farms, an effective approach to reducing the costs of sustaining a profitable business. Anaerobic digestion systems offer dairy farms a very effective way to reduce manure odor, comply with soil and water pollution regulations, manufacture compost for general market sales, produce irrigation capacity and generate on-site electricity as well as the ability to sell excess electricity back to the local utilities. This project defines anaerobic digestion technologies and practices, analyzes case studies and presents a step-by-step anaerobic digestion project startup checklist. The result is an anaerobic digestion project working guide that acts as a tool to aid dairy farmers in their own potential anaerobic digestion project.

Removal of endocrine disrupting compounds from wastewater: a comparison between a conventional activated sludge with tertiary treatment and membrane bioreactors

Póster presentado en 19th International Congress of Chemical and Process Engineering, Prague, Czech Republic August 28th-September 1st, 2010.

Study of the thermal decomposition of petrochemical sludge in a pilot plant reactor

The pyrolysis of a sludge produced in the waste water treatment plant of an oil refinery was studied in a pilot plant reactor provided with a system for condensation of semivolatile matter. The study comprises experiments at 350, 400, 470 and 530 °C in nitrogen atmosphere. Analysis of all the products obtained (gases, liquids and chars) are presented, with a thermogravimetric study of the char produced and analysis of main components of the liquid. In the temperature range studied, the composition of the gas fraction does not appreciably vary. In the liquids, the light hidrocarbon yield increases with increasing temperature, whereas the aromatic compounds diminish. The decomposition of the solid fraction has been analysed, finding a material that reacts rapidly with oxygen regardless of the conditions it is formed.