Molecular phylogeny of Archaea in boreal forest soil, freshwater and temperate estuarine sediment

Suurin osa luonnossa havaitsemistamme mikrobeista on sellaisia, joita emme edelleenkään osaa kasvattaa laboratorio-oloissa, vaikka tietomme mikrobien monimuotoisuudesta paranevat koko ajan. Luonnontilaisen mikrobieliöstön kokoonpano eri ympäristöissä on paljolti epäselvä ja ymmärrämme vielä hyvin puutteellisesti mikrobien ekologiaa ja niiden rooleja eliöyhteisöissä. Nykyaikaiset molekulaariset tutkimusmenetelmät auttavat selvittämään mikrobien monimuotoisuutta kokonaisvaltaisesti ja nopeasti. Ympäristöstä kemiallisesti puhdistetut ribosomaalista RNA:ta koodaavat geenit edustavat periaatteessa kaikkia eliöyhteisön geneettisesti toisistaan poikkeavia eliöitä. Niistä voidaan valikoida halutut genomit jatkotutkimuksia varten. Uusien menetelmien käyttö on tuonut esiin sen merkittävän seikan, että "tavanomaisten" elinympäristöjen eliöyhteisöihin kuuluu suuri joukko entuudestaan tuntemattomia arkkieliöitä. Aiemmin kuviteltiin, että arkkieliöt asuttavat vain sellaisia "epätavallisia" tai "äärimmäisiä" elinympäristöjä, joita luonnehtii joku seuraavista ominaisuuksista: hyvin korkea lämpötila, korkea suolapitoisuus, korkea happamuus tai emäksisyys, hapettomuus. Tutkijat ovat viimeisen noin kymmenen vuoden aikana osoittaneet, että arkkieliöt asuttavat hyvin monenlaisia kylmän ja lauhkean vyöhykkeen ympäristöjä, yhtä hyvin maaperää kuin suolaisen ja makean veden pohjaa tai pintakerroksia. Nämä löydöt ovat avanneet uuden alun arkkieliöiden tutkimukselle, erityisesti sen selvittämiselle, mitkä ovat niiden fysiologiset ja ekologiset roolit monimuotoisissa mikrobiyhteisöissä. Tämä väitöskirja kuvaa entuudestaan tuntemattomien arkkieliöiden löytymistä havumetsävyöhykkeen metsämaasta. Arkkieliöitä löytyi myös lauhkean vyöhykkeen vuorovesialueelta, murtoveden huuhtelemasta pohjasta. Nämä löydöt ovat perustavalaatuisia vuorovesialueen eliöyhteisöjen ymmärtämiseksi. Suomalaisen metsäjärven vedestä määritettiin molempien arkkieliöiden pääryhmien - tieteellisiltä nimiltään Crenarchaeota ja Euryarchaeota - edustajia. Euryarchaeota-ryhmän edustajia voitiin havainnoida myös fluoresenssi-mikroskopoinnilla. Löydöt viittaavat siihen, että arkkieliöillä on oma biogeokemiallinen roolinsa makeanveden ravintoketjujen hiilen käytössä. Tässä työssä määritetyt uudet arkkieliöiden genomien nukleotidisekvenssit on toimitettu ARB-tietokantaan, jonka kasvava vertailuaineisto edelleen parantaa uusien arkkieliösekvenssien analyysiä ja auttaa hybridisaatiokoetinten ja polymeraasiketjureaktioalukkeiden suunnittelussa ja arvioinnissa. Tässä väitöskirjassa esitellyt tulokset yhdessä lukuisien vesi-, maaperä- ja muiden ympäristöjen arkkieliöitä käsittelevien julkaisujen kanssa osoittavat, että arkkieliöt asuttavat monia erilaisia elinympäristöjä ja että ne ovat ekologisesti paljon menestyneempiä, kuin tieteenalalla on kuviteltu. Voimme olettaa, että heti kun joitain näistä eliöistä onnistutaan kasvattamaan ja ylläpitämään laboratorio-oloissa, niiden joukosta löydetään aivan uusia, entuudestaan tuntemattomia fysiologisia fenotyyppejä, jotka avaavat mielenkiintoisia näkymiä aineenvaihdunnan ja perinnöllisten ominaisuuksien tutkimukselle.

Heterotrophic Bacteria Associated with Cyanobacteria in Recreational and Drinking Water

Cyanobacterial mass occurrences, also known as water blooms, have been associated with adverse health effects of both humans and animals. They can also be a burden to drinking water treatment facilities. Risk assessments of the blooms have generally focused on the cyanobacteria themselves and their toxins. However, heterotrophic bacteria thriving among cyanobacteria may also be responsible for many of the adverse health effects, but their role as the etiological agents of these health problems is poorly known. In addition, studies on the water purification efficiency of operating water treatment plants during cyanobacterial mass occurrences in their water sources are rare. In the present study, over 600 heterotrophic bacterial strains were isolated from natural freshwater, brackish water or from treated drinking water. The sampling sites were selected as having frequent cyanobacterial occurrences in the water bodies or in the water sources of the drinking water treatment plants. In addition, samples were taken from sites where cyanobacterial water blooms were surmised to have caused human health problems. The isolated strains represented bacteria from 57 different genera of the Gamma-, Alpha- or Betaproteobacteria, Actinobacteria, Flavobacteria, Sphingobacteria, Bacilli and Deinococci classes, based on their partial 16S rRNA sequences. Several isolates had no close relatives among previously isolated bacteria or cloned 16S rRNA genes of uncultivated bacteria. The results show that water blooms are associated with a diverse community of cultivable heterotrophic bacteria. Chosen subsets of the isolated strains were analysed for features such as their virulence gene content and possible effect on cyanobacterial growth. Of the putatively pathogenic haemolytic strains isolated in the study, the majority represented the genus Aeromonas. Therefore, the Aeromonas spp. strains isolated from water samples associated with adverse health effects were screened for the virulence gene types encoding for enterotoxins (ast, alt and act/aerA/hlyA), flagellin subunits (flaA/flaB), lipase (lip/pla/lipH3/alp-1) and elastase (ahyB) by PCR. The majority (90%) of the Aeromonas strains included one or more of the six screened Aeromonas virulence gene types. The most common gene type was act, which was present in 77% of the strains. The fla, ahyB and lip genes were present in 30 37% of the strains. The prevalence of the virulence genes implies that the Aeromonas may be a factor in some of the cyanobacterial associated health problems. Of the 183 isolated bacterial strains that were studied for possible effects on cyanobacterial growth, the majority (60%) either enhanced or inhibited growth of cyanobacteria. In most cases, they enhanced the growth, which implies mutualistic interactions. The results indicate that the heterotrophic bacteria have a role in the rise and fall of the cyanobacterial water blooms. The genetic and phenotypic characteristics and the ability to degrade cyanobacterial hepatotoxins of 13 previously isolated Betaproteobacteria strains, were also studied. The strains originated from Finnish lakes with frequent cyanobacterial occurrence. Tested strains degraded microcystins -LR and -YR and nodularin. The strains could not be assigned to any described bacterial genus or species based on their genetic or phenotypic features. On the basis of their characteristics a new genus and species Paucibacter toxinivorans was proposed for them. The water purification efficiency of the drinking water treatment processes during cyanobacterial water bloom in water source was assessed at an operating surface water treatment plant. Large phytoplankton, cyanobacterial hepatotoxins, endotoxins and cultivable heterotrophic bacteria were efficiently reduced to low concentrations, often below the detection limits. In contrast, small planktonic cells, including also possible bacterial cells, regularly passed though the water treatment. The passing cells may contribute to biofilm formation within the water distribution system, and therefore lower the obtained drinking water quality. The bacterial strains of this study offer a rich source of isolated strains for examining interactions between cyanobacteria and the heterotrophic bacteria associated with them. The degraders of cyanobacterial hepatotoxins could perhaps be utilized to assist the removal of the hepatotoxins during water treatment, whereas inhibitors of cyanobacterial growth might be useful in controlling cyanobacterial water blooms. The putative pathogenicity of the strains suggests that the health risk assessment of the cyanobacterial blooms should also cover the heterotrophic bacteria.

Defining Adequate Vitamin D Intake : Cross-sectional and Intervention Studies

D-vitamiini ylläpitää normaalia luun kasvua ja uudistumista koko elämän ajan. Suomessa, kuten monissa muissakin länsimaissa, väestön D-vitamiinitilanne on riittämätön – talvisin osalla jopa puutteellinen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, lisääkö D-vitamiini luumassan kertymistä kasvuiässä, ja ylläpitäkö D-vitamiini luuston tasapainoista aineenvaihduntaa aikuisiällä. Nämä vaikutukset saattavat ehkäisi osteoporoosin kehittymistä eri ikäkausina. Väitöskirjatyössä tutkittiin erisuuruisten D-vitamiinilisäysten vaikutuksia kolmessa eri ikäryhmässä, jotka olivat 11-12 -vuotiaat tytöt (N=228), 21-49 -vuotiaat miehet (N=54) ja 65-85 -vuotiaat naiset (N=52). Tutkittavat satunnaistettiin ryhmiin, jotka nauttivat joko lumevalmistetta tai 5-20 µg D3-vitamiinia vitamiinilisänä. Tutkimukset olivat kaksoissokkoutettuja. Tutkimuksen aikana tutkittavilta otettiin paastoveri- ja virtsanäytteitä. Lisäksi he täyttivät tutkimuslomakkeen taustatietojen kartoittamiseksi sekä frekvenssikyselylomakkeen kalsiumin ja D-vitamiinin saannin selvittämiseksi. Tyttöjen luunmineraalitiheys (BMD) mitattiin DXA–laitteella ja miesten volumetrinen luuntiheys pQCT-menetelmällä. Näytteistä määritettiin mm. seerumin 25-hydroksi-D-vitamiinin (=S-25-OHD), lisäkilpirauhashormonin (=S-PTH) ja luun aineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Murrosikäisten tyttöjen poikkileikkaustutkimuksessa S-25-OHD- ja luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudet vaihtelivat kuukausien välillä; suurimmat pitoisuudet mitattiin syyskuussa ja pienimmät maaliskuussa, mikä kuvastaa vuodenaikaisvaihtelua. Vastaava vaihtelu havaittiin lannerangan ja reisiluun BMD:ssä. D-vitamiinilisäyksellä oli myönteinen vaikutus tyttöjen luumassan lisääntymiseen. Suurin D-vitamiinilisä (10 µg/vrk) lisäsi luumassaa 17.2% enemmän reisiluussa ja 12.5% enemmän lannerangassa verrattuna lumevalmistetta nauttivien tyttöjen vastaaviin tuloksiin, mutta tulos riippui hoitomyöntyvyydestä. D-vitamiinin vaikutus luustoon välittyi vähentyneen luun hajotuksen kautta. Tutkimustuloksiin perustuen riittävä D-vitamiinin saanti murrosikäisille tytöille on 15 µg/vrk. D-vitamiinilisän vaikutus 65-85 -vuotiaiden naisten S-25-OHD-pitoisuuteen vakioitui kuudessa viikossa annoksen ollessa 5-20 µg/vrk. Näillä D-vitamiiniannoksilla ei saavutettu tavoiteltavaa S-25-OHD-pitoisuutta, joka on 80 nmol/l. Arvioimme, että 60 nmol/l -pitoisuuden, jota esiintyy kesäisin tämän ikäryhmän suomalaisilla, tämän ikäryhmän naiset saavuttaisivat 24 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla. Terveillä miehillä havaittiin vuodenaikaisvaihtelu S-25-OHD- ja S-PTH-pitoisuudessa sekä luun hajotusta kuvaavassa merkkiainepitoisuudessa. Toisaalta vaihtelua ei havaittu radiuksen volumetrisessä luuntiheydessä eikä luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudessa. Vuodenaikaisvaihtelu estettiin 17 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla, mutta tämän ei havaittu vaikuttavan radiuksen luuntiheyteen kuusi kuukautta kestävän tutkimuksen aikana. Yhteenvetona todetaan, että D-vitamiinin saanti on edelleenkin riittämätöntä tutkimusten kohderyhmillä. Tämä näkyy S-25-OHD- ja PTH-pitoisuuden sekä luunaineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden vuodenaikaisvaihteluna, mikä on haitallista luuston hyvinvoinnille. D-vitamiinin saantia tulisi lisätä, jotta vähintäänkin riittävä D-vitamiinitilanne (S-25-OHD>50 nmol/l) tai mahdollisesti jopa tavoiteltava D-vitaminitilanne (S-25-OHD≥80 nmol/l) saavutettaisiin. Jotta D-vitamiinin saannin lisääminen olisi kaikissa ikäryhmissä mahdollista, on suunniteltava nykyistä enemmän D-vitamiinilla täydennettyjä elintarvikkeita.

Preparation, structural analysis and prebiotic potential of arabinoxylo-oligosaccharides

Arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) can be prepared enzymatically from arabinoxylans (AX) and AXOS are known to possess prebiotic potential. Here the structural features of 10 cereal AX were examined. AX were hydrolysed by Shearzyme® to prepare AXOS, and their structures were fully analysed. The prebiotic potential of the purified AXOS was studied in the fermentation experiments with bifidobacteria and faecal microbiota. In AX extracted from flours and bran, high amounts of a-L-Araf units are attached to the b-D-Xylp main chain, whereas moderate or low degree of substitution was found from husks, cob and straw. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy showed that flour and bran AX contain high amounts of a-L-Araf units bound to the O-3 of b-D-Xylp residues and doubly substituted b-D-Xylp units with a-L-Araf substituents at O-2 and O-3. Barley husk and corn cob AX contain high amounts of b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chains, which can also be found in AX from oat spelts and rice husks, and in lesser amounts in wheat straw AX. Rye and wheat flour AX and oat spelt AX were hydrolysed by Shearzyme® (with Aspergillus aculeatus GH10 endo-1,4-b-D-xylanase as the main enzyme) for the production of AXOS on a milligram scale. The AXOS were purified and their structures fully analysed, using mass spectrometry (MS) and 1D and 2D NMR spectroscopy. Monosubstituted xylobiose and xylotriose with a-L-Araf attached to the O-3 or O-2 of the nonreducing end b-D-Xylp unit and disubstituted AXOS with two a-L-Araf units at the nonreducing end b-D-Xylp unit of xylobiose or xylotriose were produced. Xylobiose with b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chain was also purified. These AXOS were used as standards in further identification and quantification of corresponding AXOS from the hydrolysates in high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) analysis. The prebiotic potential of AXOS was tested in in vitro fermentation experiments. Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703 and B. longum ATCC 15707 utilized AXOS from the AX hydrolysates. Both species released L-arabinose from AXOS, but B. adolescentis consumed the XOS formed, whereas B. longum fermented the L-arabinose released. The third species tested, B. breve ATCC 15700, grew poorly on these substrates. When cultivated on pure AXOS, the bifidobacterial mixture utilized pure singly substituted AXOS almost completely, but no growth was detected with pure doubly substituted AXOS as substrates. However, doubly substituted AXOS were utilized from the mixture of xylose, XOS and AXOS. Faecal microbiota utilized both pure singly and doubly substituted AXOS. Thus, a mixture of singly and doubly substituted AXOS could function as a suitable, slowly fermenting prebiotic substance. This thesis contributes to the structural information on cereal AX and preparation of mono and doubly substituted AXOS from AX. Understanding the utilization strategies is fundamental in evaluating the prebiotic potential of AXOS. Further research is still required before AXOS can be used in applications for human consumption.

Characterization of lignin-modifying enzymes of the selective white-rot fungus Physisporinus rivulosus

White-rot fungi are wood degrading organisms that are able to decompose all wood polymers; lignin, cellulose and hemicellulose. Especially the selective white-rot fungi that decompose preferentially wood lignin are promising for biopulping applications. In biopulping the pretreatment of wood chips with white-rot fungi enhances the subsequent pulping step and substantially reduces the refining energy consumption in mechanical pulping. Because it is not possible to carry out biopulping in industrial scale as a closed process it has been necessary to search for new selective strains of white-rot fungi which naturally occur in Finland and cause selective white-rot of Finnish wood raw-material. In a screening of 300 fungal strains a rare polypore, Physisporinus rivulosus strain T241i isolated from a forest burn research site, was found to be a selective lignin degrader and promising for the use in biopulping. Since selective lignin degradation is apparently essential for biopulping, knowledge on lignin-modifying enzymes and the regulation of their production by a biopulping fungus is needed. White-rot fungal enzymes that participate in lignin degradation are laccase, lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP), versatile peroxidase (VP) and hydrogen peroxide forming enzymes. In this study, P. rivulosus was observed to produce MnP, laccase and oxalic acid during growth on wood chips. In liquid cultures manganese and veratryl alcohol increased the production of acidic MnP isoforms detected also in wood chip cultures. Laccase production by P. rivulosus was low unless the cultures were supplemented with sawdust and charred wood, the components of natural growth environment of the fungus. In white-rot fungi the lignin-modifying enzymes are typically present as multiple isoforms. In this study, two MnP encoding genes, mnpA and mnpB, were cloned and characterized from P. rivulosus T241i. Analysis of the N-terminal amino acid sequences of two purified MnPs and putative amino acid sequence of the two cloned mnp genes suggested that P. rivulosus possesses at least four mnp genes. The genes mnpA and mnpB markedly differ from each other by the gene length, sequence and intron-exon structure. In addition, their expression is differentially affected by the addition of manganese and veratryl alcohol. P. rivulosus produced laccase as at least two isoforms. The results of this study revealed that the production of MnP and laccase was differentially regulated in P. rivulosus, which ensures the efficient lignin degradation under a variety of environmental conditions.

Responses of soil microbial communities to clonal variation of Norway spruce

In boreal forests, microorganisms have a pivotal role in nutrient and water supply of trees as well as in litter decomposition and nutrient cycling. This reinforces the link between above-ground and below-ground communities in the context of sustainable productivity of forest ecosystems. In northern boreal forests, the diversity of microbes associated with the trees is high compared to the number of distinct tree species. In this thesis, the aim was to study whether conspecific tree individuals harbour different soil microbes and whether the growth of the trees and the community structure of the associated microbes are connected. The study was performed in a clonal field trial of Norway spruce, which was established in a randomized block design in a clear-cut area. Since out-planting in 1994, the spruce clones showed two-fold growth differences. The fast-growing spruce clones were associated with a more diverse community of ectomycorrhizal fungi than the slow-growing spruce clones. These growth performance groups also differed with respect to other aspects of the associated soil microorganisms: the species composition of ectomycorrhizal fungi, in the amount of extraradical fungal mycelium, in the structure of bacterial community associated with the mycelium, and in the structure of microbial community in the organic layer. The communities of fungi colonizing needle litter of the spruce clones in the field did not differ and the loss of litter mass after two-years decomposition was equal. In vitro, needles of the slow-growing spruce clones were colonized by a more diverse community of endophytic fungi that were shown to be significant needle decomposers. This study showed a relationship between the growth of Norway spruce clones and the community structure of the associated soil microbes. Spatial heterogeneity in soil microbial community was connected with intraspecific variation of trees. The latter may therefore influence soil biodiversity in monospecific forests.