Microbial quantification in activated sludge: the hits and misses

Since the implementation of the activated sludge process for treating wastewater, there has been a reliance on chemical and physical parameters to monitor the system. However, in biological nutrient removal (BNR) processes, the microorganisms responsible for some of the transformations should be used to monitor the processes with the overall goal to achieve better treatment performance. The development of in situ identification and rapid quantification techniques for key microorganisms involved in BNR are required to achieve this goal. This study explored the quantification of Nitrospira, a key organism in the oxidation of nitrite to nitrate in BNR. Two molecular genetic microbial quantification techniques were evaluated: real-time polymerase chain reaction (PCR) and fluorescence in situ hybridisation (FISH) followed by digital image analysis. A correlation between the Nitrospira quantitative data and the nitrate production rate, determined in batch tests, was attempted. The disadvantages and advantages of both methods will be discussed.

Comparison of microbial numbers in soils by using various culture media and temperatures

The influence of different media and incubation temperatures on the quantification of microbial populations in sorghum, eucalyptus and forest soils was evaluated. Microbial growth was compared by using complex (tryptone soybean agar, TSA, casein-starch, CS, and Martin) and saline (Thorton, M3, Czapeck) media and incubation temperatures of 25 and 30° C. Higher numbers of total bacterial. and fungal colony-forming units (CFU) were observed in sorghum soils, and of spore-forming and Gram-negative bacteria in forest soils than other soils. Actinomycetes counts were highest in forest soil when using CS medium at 30° C and in sorghum soil at 25° C in M3 medium. Microorganism counts were dependent on the media and incubation temperatures. The counts at temperatures of 30° C were significantly higher than at 25° C. Microbial quantification was best when using TSA medium for total. and spore-forming bacteria, Thorton for Gram-negative bacteria, M3 for actinomycetes, and Martin for fungi. © 2005 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Avaliação clínica do efeito de dois métodos de desinfecção sobre a rugosidade, estabilidade de cor e formação de biofilme de próteses reembasadas

Pós-graduação em Reabilitação Oral - FOAR

In vitro fermentation parameters and biohydrogenation of vegetable oils without glycerol

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Glycerol combined with oils did not limit biohydrogenation of unsaturated fatty acid but reduced methane production in vitro

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Differential distribution of ammonia- and nitrite-oxidising bacteria in flocs and granules from a nitrifying/denitrifying sequencing batch reactor

A lab-scale sequencing batch reactor was operated with alternating anoxic/aerobic conditions for nitrogen removal. Flocs and granules co-existed in the same reactor, with distinct aggregate structure and size, for over 180 days of reactor operation' Process data showed complete nitrogen removal, with temporary nitrite accumulation before full depletion of ammonia in the aerobic phase. Microbial quantification of the biomass by fluorescence in situ hybridisation showed that granules contained most of the nitrite-oxidising bacteria (NOB) whereas the ammonium-oxidising bacteria (AOB) seemed to be more abundant in the flocs. This was supported by microsensor measurements, which showed a higher potential of NO2- uptake than NH4 uptake in the granules. The segregation is possibly linked to the different growth rates of the two types of nitrifiers and the reactor operational conditions, which produced different sludge retention time for flocs and granules. The apparent physical separation of AOB and NOB in two growth forms could potentially affect mass transfer of NO2- from AOB to NOB, but the data presented here shows that it did not impact negatively on the overall nitrogen removal. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Full-scale biological phosphorus removal: quantification of storage polymers, microbial performance and metabolic modelling

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

Effects of tubers of the Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and potatoes (Solanum tuberosum) on the intestinal microbiota of pigs and evaluation of a procedure for quantification of microbial mass in pig faeces

Die Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) spielt eine bedeutende Rolle beim Fermentationsprozess im Bezug auf die Nährstoffversorgung sowie die Gesundheit des Darms und des gesamten Organismus. Inulin und resistente Stärke (RS) konnten als präbiotisch wirksame Substanzen identifiziert werden und sind jeweils auch in den Knollen der Topinamburpflanze (Helianthus tuberosus) und in Kartoffeln (Solanum tuberosum) enthalten. Da sie ebenfalls energiereiche Futtermittel für Schweine sind, war es das Ziel der ersten beiden Studien, die Auswirkungen der Aufnahme von Topinamburknollen und Kartoffeln auf die intestinale Mikrobiota und Parameter des Immunsystems bei Endmastschweinen zu bestimmen. In der dritten Studie wurde die mikrobielle Biomasse quantitativ mit einem Verfahren zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit durch Hochgeschwindigkeits-Zentrifugation erfasst und der bakteriell gebundene Stickstoff (MP-N) mit dem bakteriellen und endogenem Kotstickstoff (BEDN) verglichen. Im ersten Versuch wurden 72 Endmastschweine in einem Freilandhaltungssystem in eine Kontroll- (CT), die mit Kraftfutter entsprechend des Bedarfs der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g täglichem Lebendmassezuwachs versorgt wurde, und eine Versuchsvariante (ET) aufgeteilt. In der Versuchsvariante erhielten die Tiere nur 70% der Kraftfuttermenge der Kontrollvariante, hatten aber Zugang zu einer abgeteilten Fläche, auf der Topinamburknollen angebaut waren. Die freie Aufnahme von Topinamburknollen wurde auf 1•24 kg Trockenmasse (TM)/Tag bestimmt, entsprechend einer Inulinaufnahme von durchschnittlich 800 g/Tag. Während sich die Wachstumsleistung in der Kontrollvariante auf 0•642 ± 0•014 kg/Tag belief, war sie in der Versuchsvariante mit 0•765 ± 0•015 kg/Tag (P=0•000) höher. Die freie Verfügbarkeit von Inulin und Fructo-oligosacchariden (FOS) im GIT der Schweine erhöhte die Keimzahlen der anaeroben Bakterien (P=0•000), Laktobazillen (P=0•046) und Hefen (P=0•000) signifikant und verringerte das Vorkommen von Clostridium perfringens im Schweinekot erheblich von lg 5•24 ± 0•17 kolonie-bildende Einheiten pro g Frischmasse (KbE/ g FM) in der Kontrollvariante auf lg 0•96 ± 0•20 KbE/ g FM in der Versuchsvariante (P=0•000). C-reaktives Protein (CRP) und Antikörper gegen Lipopolysaccharide (LPS) von Escherichia coli J5 ließen keine Unterschiede zwischen den Fütterungsvarianten erkennen. In der zweiten Untersuchung wurden 58 Endmastschweine einer Kontrollvariante (CT), die bedarfsgerecht mit einer Kraftfuttermischung für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen gefüttert wurde, und zwei Versuchsvarianten zugeteilt. Die Versuchsvarianten erhielten eine Menge von 1•2 kg TM gedämpften Kartoffeln (potato treatment, PT) oder gedämpften und einsilierten Kartoffeln (silage treatment, ST) pro Tag und nur 46% bzw. 43% der Menge des Kraftfutters der Kontrollvariante. Die Wachstumsleistung und Schlachtkörperzusammensetzung ließen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennen. Im PT und ST waren gegenüber dem CT im Kot der pH-Wert sowie die Gehalte von TM, Neutral-Detergenz-Faser (NDF), unverdautem Futterstickstoff (UDN) und teilweise von Säure-Detergenz-Faser (ADF) signifikant niedriger (P=0•000) und die von Ammonium (NH4) und Ammoniumstickstoff (NH4-N) signifikant höher (P=0•000). Das hohe Angebot von hitzebehandelten Kartoffeln führte zu einer erheblichen Verringerung von E. coli (P=0•000), C. perfringens (P=0•000) und Immunoglobulin A gegen LPS von E. coli J5 (P=0•001). Darüber hinaus waren in der ersten Versuchsperiode im ST die aeroben und anaeroben Gesamtkeimzahlen sowie die Laktobazillen und Hefen gegenüber dem PT signifikant erhöht. Die Unterschiede in der Mikrobiota zwischen der Kontroll- und Versuchsvarianten weisen auf die positiven Auswirkungen von Topinamburknollen und hitzebehandelten Kartoffeln auf die Mikrobiota im hinteren Darmabschnitt hin. Das Ziel der dritten Untersuchung war die Modifizierung des Verfahrens zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit mittels verschiedener Zentrifugationsschritte, um ein mikrobielles Pellet (MP) zu erhalten, welches die quantitative Abtrennung und Erfassung der Bakterien in Schweinekot ermöglicht. Zusätzlich wurde der BEDN Anteil sowie die Gehalte der Aminozucker Galactosamin, Glucosamin, Mannosamin und Muraminsäure im Kot und im MP bestimmt. Die untersuchten Kotproben stammten von Schweinen eines Phosphor (P) Stoffwechselversuch. Zehn männlich-kastrierte Schweine mit einem durchschnittlichen Lebendgewicht von 51•1 ± 8•5 kg wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten. Die Tiere wurden fünf Fütterungsvarianten zugeteilt, die dem Bedarf der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen entsprachen, in den Rationen 2 bis 5 jedoch eine P-Gehalt unter dem Tagesbedarf der Tiere aufwiesen und in den Rationen 3 bis 5 mit abgestuften Gehalten von 50, 100 sowie 200 mg/kg einer experimentellen Phytase ergänz waren. Die Absenkung des P Gehaltes im Futter verringerte den Asche- (P=0•024) und Trockenmassegehalt im Kot (P=0•017) sowie die P Konzentration im MP (P=0•000) signifikant. Die mikrobielle Biomasse im Kot wurde durch die Wiegung des MP auf durchschnittlich 467 g/kg TM bestimmt. Der Stickstoffgehalt im Kot betrug im Mittel 46•1 g/kg TM und der in die Bakterienmasse eingebaute Stickstoffanteil 27•1 g/kg TM bzw. 58% vom Gesamtstickstoffgehalt im Kot. Die BEDN Fraktion wurde auf 73% am Kotstickstoff bestimmt. Der P-Gehalt im Kot sowie der N Gehalt im MP mit durchschnittlichen 10•4 und 57•9 g/kg TM lagen im Bereich von Literaturangaben. Die P Gehalte im MP schwankten in Abhängigkeit von der Zugabe von Phytase signifikant (P=0•000) von 1•8 bis 4•8 g/kg TM. Die Aminozucker wiesen keine signifikanten unterschiede zwischen Fütterungsvarianten auf und lagen im Bereich von Werten von Rinderkot. Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angewandte Methode zur direkten Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse geeignet ist.

In vitro evaluation, in vivo quantification, and microbial diversity studies of nutritional strategies for reducing enteric methane production

The main objective of the present work was to study nutritive strategies for lessening the CH4 formation associated to ruminant tropical diets. In vitro gas production technique was used for evaluating the effect of tannin-rich plants, essential oils, and biodiesel co-products on CH4 formation in three individual studies and a small chamber system to measure CH4 released by sheep for in vivo studies was developed. Microbial rumen population diversity from in vitro assays was studied using qPCR. In vitro studies with tanniniferous plants, herbal plant essential oils derived from thyme, fennel, ginger, black seed, and Eucalyptus oil (EuO) added to the basal diet and cakes of oleaginous plants (cotton, palm, castor plant, turnip, and lupine), which were included in the basal diet to replace soybean meal, presented significant differences regarding fermentation gas production and CH4 formation. In vivo assays were performed according to the results of the in vitro assays. , when supplemented to a basal diet (Tifton-85 hay sp, corn grain, soybean meal, cotton seed meal, and mineral mixture) fed to adult Santa Ines sheep reduced enteric CH4 emission but the supplementation of the basal diet with EuO did not affect ( > 0.05) methane released. Regarding the microbial studies of rumen population diversity using qPCR with DNA samples collected from the in vitro trials, the results showed shifts in microbial communities of the tannin-rich plants in relation to control plant. This research demonstrated that tannin-rich , essential oil from eucalyptus, and biodiesel co-products either in vitro or in vivo assays showed potential to mitigate CH4 emission in ruminants. The microbial community study suggested that the reduction in CH4 production may be attributed to a decrease in fermentable substrate rather than to a direct effect on methanogenesis.

Quantification of microbial communities in subsurface marine sediments of the Black Sea and off Namibia

Organic-rich subsurface marine sediments were taken by gravity coring up to a depth of 10 m below seafloor at six stations from the anoxic Black Sea and the Benguela upwelling system off Namibia during the research cruises Meteor 72-5 and 76-1, respectively. The quantitative microbial community composition at various sediment depths was analyzed using total cell counting, catalyzed reporter deposition fluorescence in situ hybridization (CARD FISH) and quantitative real-time PCR (Q-PCR). Total cell counts decreased with depths from 10(9) to 10(10) cells/mL at the sediment surface to 10(7)-10(9) cells/mL below one meter depth. Based on CARD FISH and Q-PCR analyses overall similar proportions of Bacteria and Archaea were found. The down-core distribution of prokaryotic and eukaryotic small subunit ribosomal RNA genes (16S and 18S rRNA) as well as functional genes involved in different biogeochemical processes was quantified using Q-PCR. Crenarchaeota and the bacterial candidate division JS-1 as well as the classes Anaerolineae and Caldilineae of the phylum Chloroflexi were highly abundant. Less abundant but detectable in most of the samples were Eukarya as well as the metal and sulfate-reducing Geobacteraceae (only in the Benguela upwelling influenced sediments). The functional genes cbbL, encoding for the large subunit of RuBisCO, the genes dsrA and aprA, indicative of sulfate-reducers as well as the mcrA gene of methanogens were detected in the Benguela upwelling and Black Sea sediments. Overall, the high organic carbon content of the sediments goes along with high cell counts and high gene copy numbers, as well as an equal abundance of Bacteria and Archaea.

The impact of bioavailability limitations on microbial stable isotope fractionation in a multiphase system

Stable isotope fractionation analysis of contaminants is a promising method for assessing biodegradation of contaminants in natural systems. However, standard procedures to determine stable isotope fractionation factors, so far, neglect the influence of pollutant bioavailability on stable isotope fractionation. On a microscale, bioavailability may vary due to the spatio-temporal variability of local contaminant concentrations, limited effective diffusivities of the contaminants and cell densities, and thus, the pollutant supply might not meet the intrinsic degradation capacity of the microorganisms. The aim of this study was to demonstrate the effect of bioavailability on the apparent stable isotope fractionation, using a multiphase laboratory setup. The data gained show that the apparent isotope fractionation factors observed during biodegradation processes depend on the amount of biomass and/or the rate of toluene mass transfer from a second to the aqueous phase. They indicate that physico-chemical processes need to be taken into account when stable isotope fractionation analysis is used for the quantification of environmental contaminant degradation.

Development of molecular-based techniques for the detection, identification and quantification of food-borne pathogens

La presencia de microorganismos patógenos en alimentos es uno de los problemas esenciales en salud pública, y las enfermedades producidas por los mismos es una de las causas más importantes de enfermedad. Por tanto, la aplicación de controles microbiológicos dentro de los programas de aseguramiento de la calidad es una premisa para minimizar el riesgo de infección de los consumidores. Los métodos microbiológicos clásicos requieren, en general, el uso de pre-enriquecimientos no-selectivos, enriquecimientos selectivos, aislamiento en medios selectivos y la confirmación posterior usando pruebas basadas en la morfología, bioquímica y serología propias de cada uno de los microorganismos objeto de estudio. Por lo tanto, estos métodos son laboriosos, requieren un largo proceso para obtener resultados definitivos y, además, no siempre pueden realizarse. Para solucionar estos inconvenientes se han desarrollado diversas metodologías alternativas para la detección identificación y cuantificación de microorganismos patógenos de origen alimentario, entre las que destacan los métodos inmunológicos y moleculares. En esta última categoría, la técnica basada en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) se ha convertido en la técnica diagnóstica más popular en microbiología, y recientemente, la introducción de una mejora de ésta, la PCR a tiempo real, ha producido una segunda revolución en la metodología diagnóstica molecular, como pude observarse por el número creciente de publicaciones científicas y la aparición continua de nuevos kits comerciales. La PCR a tiempo real es una técnica altamente sensible -detección de hasta una molécula- que permite la cuantificación exacta de secuencias de ADN específicas de microorganismos patógenos de origen alimentario. Además, otras ventajas que favorecen su implantación potencial en laboratorios de análisis de alimentos son su rapidez, sencillez y el formato en tubo cerrado que puede evitar contaminaciones post-PCR y favorece la automatización y un alto rendimiento. En este trabajo se han desarrollado técnicas moleculares (PCR y NASBA) sensibles y fiables para la detección, identificación y cuantificación de bacterias patogénicas de origen alimentario (Listeria spp., Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis y Salmonella spp.). En concreto, se han diseñado y optimizado métodos basados en la técnica de PCR a tiempo real para cada uno de estos agentes: L. monocytogenes, L. innocua, Listeria spp. M. avium subsp. paratuberculosis, y también se ha optimizado y evaluado en diferentes centros un método previamente desarrollado para Salmonella spp. Además, se ha diseñado y optimizado un método basado en la técnica NASBA para la detección específica de M. avium subsp. paratuberculosis. También se evaluó la aplicación potencial de la técnica NASBA para la detección específica de formas viables de este microorganismo. Todos los métodos presentaron una especificidad del 100 % con una sensibilidad adecuada para su aplicación potencial a muestras reales de alimentos. Además, se han desarrollado y evaluado procedimientos de preparación de las muestras en productos cárnicos, productos pesqueros, leche y agua. De esta manera se han desarrollado métodos basados en la PCR a tiempo real totalmente específicos y altamente sensibles para la determinación cuantitativa de L. monocytogenes en productos cárnicos y en salmón y productos derivados como el salmón ahumado y de M. avium subsp. paratuberculosis en muestras de agua y leche. Además este último método ha sido también aplicado para evaluar la presencia de este microorganismo en el intestino de pacientes con la enfermedad de Crohn's, a partir de biopsias obtenidas de colonoscopia de voluntarios afectados. En conclusión, este estudio presenta ensayos moleculares selectivos y sensibles para la detección de patógenos en alimentos (Listeria spp., Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis) y para una rápida e inambigua identificación de Salmonella spp. La exactitud relativa de los ensayos ha sido excelente, si se comparan con los métodos microbiológicos de referencia y pueden serusados para la cuantificación de tanto ADN genómico como de suspensiones celulares. Por otro lado, la combinación con tratamientos de preamplificación ha resultado ser de gran eficiencia para el análisis de las bacterias objeto de estudio. Por tanto, pueden constituir una estrategia útil para la detección rápida y sensible de patógenos en alimentos y deberían ser una herramienta adicional al rango de herramientas diagnósticas disponibles para el estudio de patógenos de origen alimentario.

Predicting microbial pollution concentrations in UK rivers in response to land use change

The Water Framework Directive has caused a paradigm shift towards the integrated management of recreational water quality through the development of drainage basin-wide programmes of measures. This has increased the need for a cost-effective diagnostic tool capable of accurately predicting riverine faecal indicator organism (FIO) concentrations. This paper outlines the application of models developed to fulfil this need, which represent the first transferrable generic FIO models to be developed for the UK to incorporate direct measures of key FIO sources (namely human and livestock population data) as predictor variables. We apply a recently developed transfer methodology, which enables the quantification of geometric mean presumptive faecal coliforms and presumptive intestinal enterococci concentrations for base- and high-flow during the summer bathing season in unmonitored UK watercourses, to predict FIO concentrations in the Humber river basin district. Because the FIO models incorporate explanatory variables which allow the effects of policy measures which influence livestock stocking rates to be assessed, we carry out empirical analysis of the differential effects of seven land use management and policy instruments (fiscal constraint, production constraint, cost intervention, area intervention, demand-side constraint, input constraint, and micro-level land use management) all of which can be used to reduce riverine FIO concentrations. This research provides insights into FIO source apportionment, explores a selection of pollution remediation strategies and the spatial differentiation of land use policies which could be implemented to deliver river quality improvements. All of the policy tools we model reduce FIO concentrations in rivers but our research suggests that the installation of streamside fencing in intensive milk producing areas may be the single most effective land management strategy to reduce riverine microbial pollution.