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

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

Disseny d'agents físics: inclusió de capacitats específiques per a l'avaluació de l'eficiència d'accions

L'experiència de l'autor en la temàtica d'agents intel·ligents i la seva aplicació als robots que emulen el joc de futbol han donat el bagatge suficient per poder encetar i proposar la temàtica plantejada en aquesta tesi: com fer que un complicat robot pugui treure el màxim suc de l'autoconeixement de l'estructura de control inclosa al seu propi cos físic, i així poder cooperar millor amb d'altres agents per optimitzar el rendiment a l'hora de resoldre problemes de cooperació. Per resoldre aquesta qüestió es proposa incorporar la dinàmica del cos físic en les decisions cooperatives dels agents físics unificant els móns de l'automàtica, la robòtica i la intel·ligència artificial a través de la noció de capacitat: la capacitat vista com a entitat on els enginyers de control dipositen el seu coneixement, i a la vegada la capacitat vista com la utilitat on un agent hi diposita el seu autoconeixement del seu cos físic que ha obtingut per introspecció. En aquesta tesi es presenta l'arquitectura DPAA que s'organitza seguint una jerarquia vertical en tres nivells d'abstracció o mòduls control, supervisor i agent, els quals presenten una estructura interna homogènia que facilita les tasques de disseny de l'agent. Aquests mòduls disposen d'un conjunt específic de capacitats que els permeten avaluar com seran les accions que s'executaran en un futur. En concret, al mòdul de control (baix nivell d'abstracció) les capacitats consisteixen en paràmetres que descriuen el comportament dinàmic i estàtic que resulta d'executar un controlador determinat, és a dir, encapsulen el coneixement de l'enginyer de control. Així, a través dels mecanismes de comunicació entre mòduls aquest coneixement pot anar introduint-se als mecanismes de decisió dels mòduls superiors (supervisor i agent) de forma que quan els paràmetres dinàmics i estàtics indiquin que pot haver-hi problemes a baix nivell, els mòduls superiors es poden responsabilitzar d'inhibir o no l'execució d'algunes accions. Aquest procés top-down intern d'avaluació de la viabilitat d'executar una acció determinada s'anomena procés d'introspecció. Es presenten diversos exemples per tal d'il·lustrar com es pot dissenyar un agent físic amb dinàmica pròpia utilitzant l'arquitectura DPAA com a referent. En concret, es mostra tot el procés a seguir per dissenyar un sistema real format per dos robots en formació de comboi, i es mostra com es pot resoldre el problema de la col·lisió utilitzant les capacitats a partir de les especificacions de disseny de l'arquitectura DPAA. Al cinquè capítol s'hi exposa el procés d'anàlisi i disseny en un domini més complex: un grup de robots que emulen el joc del futbol. Els resultats que s'hi mostren fan referència a l'avaluació de la validesa de l'arquitectura per resoldre el problema de la passada de la pilota. S'hi mostren diversos resultats on es veu que és possible avaluar si una passada de pilota és viable o no. Encara que aquesta possibilitat ja ha estat demostrada en altres treballs, l'aportació d'aquesta tesi està en el fet que és possible avaluar la viabilitat a partir de l'encapsulament de la dinàmica en unes capacitats específiques, és a dir, és possible saber quines seran les característiques de la passada: el temps del xut, la precisió o inclòs la geometria del moviment del robot xutador. Els resultats mostren que la negociació de les condicions de la passada de la pilota és possible a partir de capacitats atòmiques, les quals inclouen informació sobre les característiques de la dinàmica dels controladors. La complexitat del domini proposat fa difícil comparar els resultats amb els altres treballs. Cal tenir present que els resultats mostrats s'han obtingut utilitzant un simulador fet a mida que incorpora les dinàmiques dels motors dels robots i de la pilota. En aquest sentit cal comentar que no existeixen treballs publicats sobre el problema de la passada en què es tingui en compte la dinàmica dels robots. El present treball permet assegurar que la inclusió de paràmetres dinàmics en el conjunt de les capacitats de l'agent físic permet obtenir un millor comportament col·lectiu dels robots, i que aquesta millora es deu al fet que en les etapes de decisió els agents utilitzen informació relativa a la viabilitat sobre les seves accions: aquesta viabilitat es pot calcular a partir del comportament dinàmic dels controladors. De fet, la definició de capacitats a partir de paràmetres dinàmics permet treballar fàcilment amb sistemes autònoms heterogenis: l'agent físic pot ser conscient de les seves capacitats d'actuació a través de mecanismes interns d'introspecció, i això permet que pugui prendre compromisos amb altres agents físics.

Evaluation of reanalysis rainfall estimates over Ethiopia

There is a pressing need for good rainfall data for the African continent both for humanitarian and climatological purposes. Given the sparseness of ground-based observations, one source of rainfall information is Numerical Weather Prediction (NWP) model outputs. The aim of this article is to investigate the quality of two NWP products using Ethiopia as a test case. The two products evaluated are the ERA-40 and NCEP reanalysis rainfall products. Spatial, seasonal and interannual variability of rainfall have been evaluated for Kiremt (JJAS) and Belg (FMAM) seasons at a spatial scale that reflects the local variability of the rainfall climate using a method which makes optimum use of sparse gauge validation data. We found that the spatial pattern of the rainfall climatology is captured well by both models especially for the main rainy season Kiremt. However, both models tend to overestimate the mean rainfall in the northwest, west and central regions but underestimate in the south and east. The overestimation is greater for NCEP in Belg season and greater for ERA-40 in Kiremt Season. ERA-40 captures the annual cycle over most of the country better than NCEP, but strongly exaggerates the Kiremt peak in the northwest and west. The overestimation in Kiremt appears to have been reduced since the assimilation of satellite data increased around 1990. For both models the interannual variability is less well captured than the spatial and seasonal variability. Copyright © 2008 Royal Meteorological Society

An objective climatology of the dynamical forcing of polar lows in the Nordic seas

A new objective climatology of polar lows in the Nordic (Norwegian and Barents) seas has been derived from a database of diagnostics of objectively identified cyclones spanning the period January 2000 to April 2004. There are two distinct parts to this study: the development of the objective climatology and a characterization of the dynamical forcing of the polar lows identified. Polar lows are an intense subset of polar mesocyclones. Polar mesocyclones are distinguished from other cyclones in the database as those that occur in cold air outbreaks over the open ocean. The difference between the wet-bulb potential temperature at 700 hPa and the sea surface temperature (SST) is found to be an effective discriminator between the atmospheric conditions associated with polar lows and other cyclones in the Nordic seas. A verification study shows that the objective identification method is reliable in the Nordic seas region. After demonstrating success at identifying polar lows using the above method, the dynamical forcing of the polar lows in the Nordic seas is characterized. Diagnostics of the ratio of mid-level vertical motion attributable to quasi-geostrophic forcing from upper and lower levels (U/L ratio) are used to determine the prevalence of a recently proposed category of extratropical cyclogenesis, type C, for which latent heat release is crucial to development. Thirty-one percent of the objectively identified polar low events (36 from 115) exceeded the U/L ratio of 4.0, previously identified as a threshold for type C cyclones. There is a contrast between polar lows to the north and south of the Nordic seas. In the southern Norwegian Sea, the population of polar low events is dominated by type C cyclones. These possess strong convection and weak low-level baroclinicity. Over the Barents and northern Norwegian seas, the well-known cyclogenesis types A and B dominate. These possess stronger low-level baroclinicity and weaker convection.

Variability in the summer season hydrological cycle over the Atlantic-Europe region 1979-2007

Variability in aspects of the hydrological cycle over the Europe-Atlantic region during the summer season is analysed for the period 1979-2007, using observational estimates, reanalyses and climate model simulations. Warming and moistening trends are evident in observations and models although decadal changes in water vapour are not well represented by reanalyses, including the new European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) Interim reanalysis. Over the north Atlantic and northern Europe, observed water vapour trends are close to that expected from the temperature trends and Clausius-Clapeyron equation (7% K-1), larger than the model simulations. Precipitation over Europe is dominated by large-scale dynamics with positive phases of the North Atlantic Oscillation coinciding with drier conditions over north Europe and wetter conditions over the Mediterranean region. Evaporation trends over Europe are positive in reanalyses and models, especially for the Mediterranean region (1-3% per decade in reanalyses and climate models). Over the north Atlantic, declining precipitation combined with increased moisture contributed to an apparent rise in water vapour residence time. Maximum precipitation minus evaporation over the north Atlantic occurred during summer 1991, declining thereafter.

Evidence for long-term regional changes in precipitation on the East Coast Mountains in Mauritius

Global climate change and its impacts are being increasingly studied and precipitation trends are one of the measures of quantifying climate change especially in the tropics. This study uses daily rainfall data to determine if there are changes in the long-term trends in rainfall variability in the East Coast Mountains of Mauritius during the last few decades, and to investigate the factors influencing the trends in the inter-annual to inter-decadal rainfall variability. Statistical modelling has been used to investigate the trends in total seasonal rainfall, the number of rain days and the mean amount of rain per rainy days and the local, regional and large-scale factors that affect them on inter-annual to inter-decadal time scales. The strongest inter-decadal trend was found in the number of rain days for both rainfall seasons, and the other variables were found to have weak or insignificant trends. Both local factors, such as the surrounding sea surface temperatures and large-scale phenomena such as Indian Monsoon and the El Niño Southern Oscillation were found to influence rainfall patterns.

Initial results from Phase 2 of the international urban energy balance model comparison

Urban land surface schemes have been developed to model the distinct features of the urban surface and the associated energy exchange processes. These models have been developed for a range of purposes and make different assumptions related to the inclusion and representation of the relevant processes. Here, the first results of Phase 2 from an international comparison project to evaluate 32 urban land surface schemes are presented. This is the first large-scale systematic evaluation of these models. In four stages, participants were given increasingly detailed information about an urban site for which urban fluxes were directly observed. At each stage, each group returned their models' calculated surface energy balance fluxes. Wide variations are evident in the performance of the models for individual fluxes. No individual model performs best for all fluxes. Providing additional information about the surface generally results in better performance. However, there is clear evidence that poor choice of parameter values can cause a large drop in performance for models that otherwise perform well. As many models do not perform well across all fluxes, there is need for caution in their application, and users should be aware of the implications for applications and decision making.

Synthesis, x-ray structure and anion binding properties of a cryptand-like hybrid calixpyrrole

The novel cryptand in/out-3, containing two tripyrrolemethane units briged by three 1,3- diisopropylidenbenzene arms was readily synthesized by a convergent three-step synthesis. It binds fluoride by inclusion with excellent selectivity with respect to a number of other tested anions. The structure of the free receptor and that of its fluoride complex were investigated in solution by NMR spectroscopy. The solid state X-ray structure of the free cryptand 3 was also determined.

A review of climate risk information for adaptation and development planning

Although the use of climate scenarios for impact assessment has grown steadily since the 1990s, uptake of such information for adaptation is lagging by nearly a decade in terms of scientific output. Nonetheless, integration of climate risk information in development planning is now a priority for donor agencies because of the need to prepare for climate change impacts across different sectors and countries. This urgency stems from concerns that progress made against Millennium Development Goals (MDGs) could be threatened by anthropogenic climate change beyond 2015. Up to this time the human signal, though detectable and growing, will be a relatively small component of climate variability and change. This implies the need for a twin-track approach: on the one hand, vulnerability assessments of social and economic strategies for coping with present climate extremes and variability, and, on the other hand, development of climate forecast tools and scenarios to evaluate sector-specific, incremental changes in risk over the next few decades. This review starts by describing the climate outlook for the next couple of decades and the implications for adaptation assessments. We then review ways in which climate risk information is already being used in adaptation assessments and evaluate the strengths and weaknesses of three groups of techniques. Next we identify knowledge gaps and opportunities for improving the production and uptake of climate risk information for the 2020s. We assert that climate change scenarios can meet some, but not all, of the needs of adaptation planning. Even then, the choice of scenario technique must be matched to the intended application, taking into account local constraints of time, resources, human capacity and supporting infrastructure. We also show that much greater attention should be given to improving and critiquing models used for climate impact assessment, as standard practice. Finally, we highlight the over-arching need for the scientific community to provide more information and guidance on adapting to the risks of climate variability and change over nearer time horizons (i.e. the 2020s). Although the focus of the review is on information provision and uptake in developing regions, it is clear that many developed countries are facing the same challenges. Copyright © 2009 Royal Meteorological Society

Climatic and oceanic associations with daily rainfall extremes over southern Africa

Changes in climate variability and, in particular, changes in extreme climate events are likely to be of far more significance for environmentally vulnerable regions than changes in the mean state. It is generally accepted that sea-surface temperatures (SSTs) play an important role in modulating rainfall variability. Consequently, SSTs can be prescribed in global and regional climate modelling in order to study the physical mechanisms behind rainfall and its extremes. Using a satellite-based daily rainfall historical data set, this paper describes the main patterns of rainfall variability over southern Africa, identifies the dates when extreme rainfall occurs within these patterns, and shows the effect of resolution in trying to identify the location and intensity of SST anomalies associated with these extremes in the Atlantic and southwest Indian Ocean. Derived from a Principal Component Analysis (PCA), the results also suggest that, for the spatial pattern accounting for the highest amount of variability, extremes extracted at a higher spatial resolution do give a clearer indication regarding the location and intensity of anomalous SST regions. As the amount of variability explained by each spatial pattern defined by the PCA decreases, it would appear that extremes extracted at a lower resolution give a clearer indication of anomalous SST regions.

Trends in the start of the wet season over Africa

A quarter of a century of daily rainfall data from the Global Telecommunications System are used to define the temporal and spatial variability of the start of the wet season over Africa and surrounding extreme south of Europe and parts of the Middle East. From 1978 to 2002, the start of the wet season arrived later in the year for the majority of the region, as time progressed. In some parts of the continent, there was an annual increase in the start date of up to 4 days per year. On average, the start of the wet season arrived 9–21 days later from 1978 to 2002, depending on the threshold used to define the start of the rains (varying from 10–30 mm over 2 days, with no dry period in the following 10 days). It is noted that the inter-annual variability of the start of the wet season is high with the range of start dates varying on average from 116 to 142 days dependent on the threshold used to determine the start date. These results may have important implications for agriculturists on all levels (from the individual farmer to those responsible for regional food supply), as knowledge of potential future climate changes starts to play an increasingly important role in the agricultural decision-making process, such as sowing and harvesting times.