Isolierung von Essigsäure-, Propionsäure- und Buttersäure-bildenden Bakterien aus Biogasanlagen

In der vorliegenden Arbeit wurden Essigsäure-, Propionsäure und Buttersäure-bildende Bakterien aus einer thermophilen und drei mesophilen Biogasanlagen sowie aus zwei Hochdruck-Biogas-Laborfermentern isoliert. Die Fermenter waren mit dem nachwachsenden Rohstoff Maissilage, teilweise mit Rinder- oder Schweinegülle und weiteren festen Inputstoffen gefüttert. Für die Isolierung von Säure-bildenden Bakterien wurde ein Mineralsalzmedium verwendet, welchem als Kohlenstoffquelle Na-DL-Laktat, Succinat, Ethanol, Glycerin, Glucose oder eine Aminosäuremischung (Alanin, Serin, Threonin, Glutaminsäure, Methionin und Cystein) hinzugefügt wurde. Hierbei handelt es sich um Substrate, welche beim anaeroben Abbau während der Hydrolyse oder der primären Gärung entstehen können. Die erhaltenen Isolate waren in der Lage, aus diesen Substraten Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure zu bilden. Insgesamt wurden aus den beprobten Anlagen 49 Isolate gewonnen, welche zu den Phyla Firmicutes, Tenericutes oder Thermotogae gehörten. Mit Hilfe von 16S rDNA-Sequenzen konnten die meisten Isolate als Clostridium sporosphaeroides, Defluviitoga tunisiensis und Dendrosporobacter sp. identifiziert werden. Die Bildung von Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure wurde in Kulturen von Isolaten festgestellt, welche als folgende Arten identifiziert wurden: Bacillus thermoamylovorans, Clostridium aminovalericum, Clostridium cochlearium/Clostridium tetani, Clostridium sporosphaeroides, Dendrosporobacter sp., Proteiniborus sp., Selenomonas bovis und Tepidanaerobacter sp. Zwei Isolate, verwandt mit Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, konnten Buttersäure und Milchsäure bilden. In Kulturen von Defluviitoga tunisiensis wurde Essigsäurebildung festgestellt. Ein Vergleich der 16S rDNA-Sequenzen mit Datenbanken und die Ergebnisse der PCR-Amplifikationen mit Isolat-spezifischen Primerpaaren ergaben zusätzlich Hinweise, dass es sich bei einigen Isolaten um neue Arten handeln könnte (z. B. Stamm Tepidanaerobacter sp. AS34, Stamm Proteiniborus sp. ASG1.4, Stamm Dendrosporobacter sp. LG2.4, Stamm Desulfotomaculum sp. EG2.4, Stamm Gallicola sp. SG1.4B und Stamm Acholeplasma sp. ASSH51). Durch die Entwicklung Isolat-spezifischer Primerpaare, abgeleitet von 16S rDNA-Sequenzen der Isolate oder Referenzstämmen, konnten die Isolate in Biogasanlagen detektiert und mittels qPCR quantifiziert werden (hauptsächlich im Bereich zwischen 1000 bis 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Weiterhin konnten die Isolate mit Hilfe physiologischer Versuche charakterisiert und deren Rolle in der anaeroben Abbaukette diskutiert werden. Die Art Defluviitoga tunisiensis scheint eine große Bedeutung in Biogasanlagen zu spielen. Defluviitoga tunisiensis wurde am häufigsten in Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit isoliert und konnte auch mit Hilfe des entwickelten Primerpaares in hohen Abundanzen in den beprobten Biogasanlagen detektiert werden (10000 - 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Die manuelle Annotation des Gesamtgenoms sowie die Substratverwertungsversuche haben gezeigt, dass Defluviitoga tunisiensis ein sehr breites Substratspektrum in der Verwertung von Kohlenhydraten besitzt und dadurch möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Verwertung von Biomasse in Biogasanlagen einnimmt. Mit Hilfe der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten somit neue Einblicke in die zweite Stufe des anaeroben Abbaus, die Acidogenese, in Biogasanlagen gegeben werden. rn

Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Production, purification, properties and application of the cellulases from a wild type strain of a yeast isolate

Kurzzusammenfassung Produktion, Reinigung, Eigenschaften und Anwendung von Cellulasen eines Wildtyp-Hefeisolates. Die effiziente Verwendung von Cellulose wird in naher Zukonft ein wichtiges Instrument zur Vermeidung einer Nahrungsmittel- und Energieknappheit werden. Deshalb haben wir uns intensiv mit Cellulasen befaßt, die aus Hefestämmen isoliert wurden. Die Fähigkeit der Cellulase-produktion eines Hefe-Stammes der Feuerwanze Pyrrhocoris apterus wurde genauer untersucht. Die systematische Stellung des Hefe-Isolates PAG1 wurde durch Sequenzierung der 18S rDNA bestimmt. Es zeigte eine nahe Verwandtschaft zu einem bereits beschriebenen Stämme der Gattung Trichosporon. Außerdem wurden die Wachstums-bedingungen für eine optimale Cellulase–Produktion bestimmt. Anschließend konnte eine der produzierten Cellulasen mit FPLC aufgereinigt und deren biochemische Eigenschaften (z.B. Substratspezifität, Temperatur optimum, optimaler pH-Wert, Einfluß von Chemikalien) untersucht werden. Eine Analyse der Abbau-Produkte zeigte, daß kristalline Cellulose und CMC zu Cellobiose, Cellulotriose, Cellulotetraose und Cellulopentaose in einem molaren Verhältnis von 32:16:8:1 umgesetezt wurden. Bei Zusatz von ?-Glykosidase aus demselben Hefestamm entstand nur Glucose und Cellobiose in einem molaren Verhältnis von 1:10. Da bisher nur eine Publikation über Cellulase-produzierende Hefe-Stämme erschienen ist, zeigen auch unsere Untersuchungen, daß Wildtyp-Hefestämme Cellulasen mit interessanten Eigenschaften produzieren können.

Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

Antibiosis and dark-pigments secretion by the phytopathogenic and environmental fungal species after interaction in vitro with a Bacillus subtilis isolate

In this work, different reactions in vitro between an environmental bacterial isolate and fungal species were related. The Gram-positive bacteria had terminal and subterminal endospores, presented metabolic characteristics of mesophilic and acidophilic growth, halotolerance, positive to nitrate reduction and enzyme production, as caseinase and catalase. The analysis of partial sequences containing 400 to 700 bases of the 16S ribosomal RNA gene showed identity with the genus Bacillus. However, its identity as B. subtilis was confirmed after analyses of the rpoB, gyrA, and 16S rRNA near-full-length sequences. Strong inhibitory activity of environmental microorganisms, such as Penicillium sp, Aspergillus flavus, A. niger, and phytopathogens, such as Colletotrichum sp, Alternaria alternata, Fusarium solani and F. oxysporum f.sp vasinfectum, was shown on co-cultures with B. subtilis strain, particularly on Sabouraud dextrose agar (SDA) and DNase media. Red and red-ochre color pigments, probably phaeomelanins, were secreted by A. alternata and A. niger respectively after seven days of co-culture.

BALB/c Mice Infected with Antimony Treatment Refractory Isolate of Leishmania braziliensis Present Severe Lesions due to IL-4 Production

Background: Leishmania braziliensis is the main causative agent of cutaneous leishmaniasis in Brazil. Protection against infection is related to development of Th1 responses, but the mechanisms that mediate susceptibility are still poorly understood. Murine models have been the most important tools in understanding the immunopathogenesis of L. major infection and have shown that Th2 responses favor parasite survival. In contrast, L. braziliensis-infected mice develop strong Th1 responses and easily resolve the infection, thus making the study of factors affecting susceptibility to this parasite difficult. Methodology/Principal Findings: Here, we describe an experimental model for the evaluation of the mechanisms mediating susceptibility to L. braziliensis infection. BALB/c mice were inoculated with stationary phase promastigotes of L. braziliensis, isolates LTCP393(R) and LTCP15171(S), which are resistant and susceptible to antimony and nitric oxide (NO), respectively. Mice inoculated with LTCP393(R) presented larger lesions that healed more slowly and contained higher parasite loads than lesions caused by LTCP15171(S). Inflammatory infiltrates in the lesions and production of IFN-gamma, TNF-alpha, IL-10 and TGF-beta were similar in mice inoculated with either isolate, indicating that these factors did not contribute to the different disease manifestations observed. In contrast, IL-4 production was strongly increased in LTCP393(R)-inoculated animals and also arginase I (Arg I) expression. Moreover, anti-IL-4 monoclonal antibody (mAb) treatment resulted in decreased lesion thickness and parasite burden in animals inoculated with LTCP393(R), but not in those inoculated with LTCP15171(S). Conclusion/Significance: We conclude that the ability of L. braziliensis isolates to induce Th2 responses affects the susceptibility to infection with these isolates and contributes to the increased virulence and severity of disease associated with them. Since these data reflect what happens in human infection, this model could be useful to study the pathogenesis of the L. braziliensis infection, as well as to design new strategies of therapeutic intervention.

Characterization and Experimental Host Range of a Brazilian Tomato Isolate of Tomato severe rugose virus

We report the complete molecular characterization of the DNA-A and DNA-B of a Brazilian tomato isolate of Tomato severe rugose virus (ToSRV) and the experimental host range of the virus determined using white-fly transmission tests. Genome analysis showed that ToSRV has a close evolutionary relationship with Tomato rugose mosaic virus. Of 33 plants species inoculated with viruliferous Bemisia tabaci biotype B, 13 species were susceptible to ToSRV, nine asymptomatically. Therefore, ToSRV disease management strategy should include the control of infected weeds close to tomato fields.

A mosaic of beach bean (Canavalia rosea) caused by an isolate of Cowpea aphid-borne mosaic virus (CABMV) in Brazil

Beach bean (Canavalia rosea) plants showing mosaic symptoms were found at Massaguacu beach, Caraguatatuba, Brazil. A potyvirus was found to be responsible for the symptoms, based on transmission assays and electron microscopy. A positive reaction in ELISA was obtained against cowpea aphid-borne mosaic (CABMV) antisera. Viral identity was confirmed by RT-PCR using specific primers to amplify part of the NIb and the entire CP coding region of the genome and the 3`NTR. Comparison of the amplified sequences with that of CABMV showed a nucleotide sequence identity of 97% for the CP coding region. Thus, the potyvirus from beach bean should be considered a CABMV isolate, referred to as CABMV-Cr.

Identification and partial characterization of a Carica papaya-infecting isolate of Alfalfa mosaic virus in Brazil

A Carica papaya plant with severe yellow leaf mosaic, leaf distortion, and systemic necrosis was found in the municipality of Piracicaba, state of So Paulo, Brazil. Transmission electron microscopy (TEM) analysis revealed the presence of potyvirus-like particles and bacilliform particles similar to those of the Alfamovirus genus. The potyvirus was identified as Papaya ringspot virus-type P (PRSV-P). Biological, serological, and molecular studies confirmed the bacilliform virus as an isolate of Alfalfa mosaic virus (AMV). Partial nucleotide and amino acid sequences of the coat protein gene of this AMV isolate shared 97-98% identity with the AMV isolates in the GenBank database. This report is the first of the natural infection of papaya plants by AMV.

Characterization of a microcystin and detection of microcystin synthetase genes from a Brazilian isolate of Nostoc

A nostocalean nitrogen-fixing cyanobacterium isolated from an eutrophic freshwater reservoir located in Piracicaba, Sao Paulo, Brazil, was evaluated for the production of hepatotoxic cyclic heptapeptides, microcystins. Morphologically this new cyanobacterium strain appears closest to Nostoc, however, in the phylogenetic analysis of 165 rRNA gene it falls into a highly stable cluster distantly only related to the typical Nostoc cluster. Extracts of Nostoc sp. CENA88 cultured cells, investigated using ELISA assay, gave positive results and the microcystin profile revealed by ESI-Q-TOF/MS/MS analysis confirmed the production of [Dha(7)]MCYST-YR. Further, Nostoc sp. CENA88 genomic DNA was analyzed by PCR for sequences of mcyD, mcyE and mcyG genes of microcystin synthetase (mcy) cluster. The result revealed the presence of mcyD, mcyE and mcyG genes with similarities to those from mcy of Nostoc sp. strains 152 and IO-102-I and other cyanobacterial genera. The phylogenetic tree based on concatenated McyG, McyD and McyE amino acids clustered the sequences according to cyanobacterial genera, with exception of the Nostoc sp. CENA88 sequence, which was placed in a clade distantly related from other Nostoc strains, as previously observed also in the 165 rRNA phylogenetic analysis. The present study describes for the first time a Brazilian Nostoc microcystin producer and also the occurrence of demethyl MCYST-YR variant in this genus. The sequenced Nostoc genes involved in the microcystin synthesis can contribute to a better understanding of the toxigenicity and evolution of this cyanotoxin. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Complete genome analysis of a rabies virus isolate from Brazilian wild fox

The complete genome sequence of wild-type rabies virus (RABV) isolated from a wild Brazilian hoary fox (Dusicyon sp.), the BR-Pfx1 isolate, was determined and compared with fixed RABV strains. The genome structure and organization of the BR-Pfx1 isolate were composed of 11,924 nt and included the five standard genes of rhabdoviruses. Sequences of mRNA start and stop signals for transcription were highly conserved among all structural protein genes of the BR-Pfx1 isolate. All amino acid residues in the glycoprotein (G) gene associated with pathogenicity were retained in the BR-Pfx1 isolate, while unique amino acid substitutions were found in antigenic region I of the nucleoprotein gene and III of G. These results suggest that although the standard genome structure and organization of the RABV isolate are common between the BR-Pfx1 isolate and fixed RABV strains, the unique amino acid substitutions in functional sites of the BR-Pfx1 isolate may result in different biological characteristics from fixed RABV strains.

Clonal variation within a mucosal isolate derived from a patient with Leishmania (Viannia) braziliensis infection

Three isolates over 5 years from a patient with persistent relapsing mucosal leishmaniasis due to Leishmania (Viannia) braziliensis and 7 clones from one of these isolates were studied by zymodemes and scrodemes analysis. Results showed evidences of clonal phenotypic variation. Eight isoenzymes markers demonstrated clear differences on Cellulose Acetate (CA) and thin starch gel electrophoresis. Also a panel of specific monoclonal antibodies showed such differences. Our observations provide additional evidence that Leishmania (Viannia) braziliensis is composed by subpopulations of parasites with peculiar biochemical and antigenic characteristics.

Kindersport und soziale Lage : Was kann Sport zum Abbau sozialer Benachteiligungen bei Kindern beitragen?

[s.c.]

Untersuchung zur Verbesserung des Betriebs der Biogasanlage Stadtwerke Wanzleben (Notfackel, Entschwefelung, Hydraulik)

[s.c.]

Characterization and biological activity of a brazilian isolate of Bacillus sphaericus (Neide) highly toxic to mosquito larvae

Primary powders of Bacillus sphaericus strain S2 isolated from soil samples in Brazil, and strain 2362 were produced in a 14 liter fermentor. Growth patterns and sporulation observed in three trials with strains S2 and 2362 in the fermentor were similar. Second-instar larvae of Culex quinquefasciatus, Anopheles albimanus, Anopheles quadrimaculatus, and Aedes aegypti exposed for 48 hr to strain S2 responded with LC50 values of 0.25, 5.95, 12.28 and 140.0 ppb of lyophilized primary powder, respectively. Under the same conditions, strain 2362 resulted in LC50 values of 0.39, 7.16, 16.93 and 307.0 ppb of lyophilized primary powder, respectively, in those mosquito larvae. Statistical analysis of the bioassay data did not show significant differences among LC50 values observed in B. sphaericus strains S2 and 2362, at the 0.05 level. Toxins of strains S2 and 2362 were extracted at pH 12 with NaOH. Electrophoresis of the extracts in polyacrylamide gel under denaturing conditions revealed the 51 and 42 kDa toxins in both S2 and 2362 B. sphaericus strains. The presence of the 42 kDa peptide in the extracts was confirmed by Western blot and Elisa, with anti-42 kDa IgG previously prepared from strain 2362.