DNA-based detection and characterisation of strictly anaerobic beer-spoilage bacteria

Megasphaera cerevisiae, Pectinatus cerevisiiphilus, Pectinatus frisingensis, Selenomonas lacticifex, Zymophilus paucivorans and Zymophilus raffinosivorans are strictly anaerobic Gram-stain-negative bacteria that are able to spoil beer by producing off-flavours and turbidity. They have only been isolated from the beer production chain. The species are phylogenetically affiliated to the Sporomusa sub-branch in the class "Clostridia". Routine cultivation methods for detection of strictly anaerobic bacteria in breweries are time-consuming and do not allow species identification. The main aim of this study was to utilise DNA-based techniques in order to improve detection and identification of the Sporomusa sub-branch beer-spoilage bacteria and to increase understanding of their biodiversity, evolution and natural sources. Practical PCR-based assays were developed for monitoring of M. cerevisiae, Pectinatus species and the group of Sporomusa sub-branch beer spoilers throughout the beer production process. The developed assays reliably differentiated the target bacteria from other brewery-related microbes. The contaminant detection in process samples (10 1,000 cfu/ml) could be accomplished in 2 8 h. Low levels of viable cells in finished beer (≤10 cfu/100 ml) were usually detected after 1 3 d culture enrichment. Time saving compared to cultivation methods was up to 6 d. Based on a polyphasic approach, this study revealed the existence of three new anaerobic spoilage species in the beer production chain, i.e. Megasphaera paucivorans, Megasphaera sueciensis and Pectinatus haikarae. The description of these species enabled establishment of phenotypic and DNA-based methods for their detection and identification. The 16S rRNA gene based phylogenetic analysis of the Sporomusa sub-branch showed that the genus Selenomonas originates from several ancestors and will require reclassification. Moreover, Z. paucivorans and Z. raffinosivorans were found to be in fact members of the genus Propionispira. This relationship implies that they were carried to breweries along with plant material. The brewery-related Megasphaera species formed a distinct sub-group that did not include any sequences from other sources, suggesting that M. cerevisiae, M. paucivorans and M. sueciensis may be uniquely adapted to the brewery ecosystem. M. cerevisiae was also shown to exhibit remarkable resistance against many brewery-related stress conditions. This may partly explain why it is a brewery contaminant. This study showed that DNA-based techniques provide useful tools for obtaining more rapid and specific information about the presence and identity of the strictly anaerobic spoilage bacteria in the beer production chain than is possible using cultivation methods. This should ensure financial benefits to the industry and better product quality to customers. In addition, DNA-based analyses provided new insight into the biodiversity as well as natural sources and relations of the Sporomusa sub-branch bacteria. The data can be exploited for taxonomic classification of these bacteria and for surveillance and control of contaminations.

Radiative transfer, interception and scattering in coniferous forests : models and applications for production ecology and remote sensing

This work develops methods to account for shoot structure in models of coniferous canopy radiative transfer. Shoot structure, as it varies along the light gradient inside canopy, affects the efficiency of light interception per unit needle area, foliage biomass, or foliage nitrogen. The clumping of needles in the shoot volume also causes a notable amount of multiple scattering of light within coniferous shoots. The effect of shoot structure on light interception is treated in the context of canopy level photosynthesis and resource use models, and the phenomenon of within-shoot multiple scattering in the context of physical canopy reflectance models for remote sensing purposes. Light interception. A method for estimating the amount of PAR (Photosynthetically Active Radiation) intercepted by a conifer shoot is presented. The method combines modelling of the directional distribution of radiation above canopy, fish-eye photographs taken at shoot locations to measure canopy gap fraction, and geometrical measurements of shoot orientation and structure. Data on light availability, shoot and needle structure and nitrogen content has been collected from canopies of Pacific silver fir (Abies amabilis (Dougl.) Forbes) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Shoot structure acclimated to light gradient inside canopy so that more shaded shoots have better light interception efficiency. Light interception efficiency of shoots varied about two-fold per needle area, about four-fold per needle dry mass, and about five-fold per nitrogen content. Comparison of fertilized and control stands of Norway spruce indicated that light interception efficiency is not greatly affected by fertilization. Light scattering. Structure of coniferous shoots gives rise to multiple scattering of light between the needles of the shoot. Using geometric models of shoots, multiple scattering was studied by photon tracing simulations. Based on simulation results, the dependence of the scattering coefficient of shoot from the scattering coefficient of needles is shown to follow a simple one-parameter model. The single parameter, termed the recollision probability, describes the level of clumping of the needles in the shoot, is wavelength independent, and can be connected to previously used clumping indices. By using the recollision probability to correct for the within-shoot multiple scattering, canopy radiative transfer models which have used leaves as basic elements can use shoots as basic elements, and thus be applied for coniferous forests. Preliminary testing of this approach seems to explain, at least partially, why coniferous forests appear darker than broadleaved forests in satellite data.

Metsikön rakenteen vaikutus säteilyn sammumiskertoimeen

Kasvuston G-funktio kuvaa säteilyn vähenemistä tai ”sammumista” auringon eri korkeuskulmissa varjostavan lehtialan suhteen. Sen vuoksi sitä kutsutaan sammumiskertoimeksi. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää vaihteleeko G-funktion muoto eri puulajien metsiköissä, ja voidaanko puulajit erottaa toisistaan G-funktion muodon avulla. Arvioin lisäksi G-funktioiden muodossa kasvukaudenaikana tapahtuvia muutoksia. Muita tutkimuksen kannalta mielenkiintoisia tutkimuskysymyksiä olivat voidaanko ryhmittymistä tai latvusmuotoa arvioida G-funktion muodon avulla. Maastomittaukset suoritettiin 3.5.2010 -30.9.2010 välisenä aikana. Tutkimusalueena oli Hyytiälän metsäaseman (68?59`N, 35?72`E) ympäristö, jonka metsät edustavat tyypillistä boreaalista havu- ja lehtimetsää. Tutkimusta varten perustettiin kuusi yhden puulajin koealaa, kaksi kutakin puulajia kohden. Tutkittavat puulajit olivat mänty (Pinus sylvestris), kuusi (Picea abies) ja rauduskoivu (Betula pendula). Koealaparit valittiin niin, että kullekin puulajille muodostui varttuneesta metsästä ja taimikosta muodostuva pari tai vaihtoehtoisesti tiheämpi ja harvempi koeala. Koealoille perustettiin 81 mittauspistettä sisältävä mittaushila, jossa kunkin pisteen aukkoisuustiedot mitattiin kahden viikon välein. Mittaukset suoritettiin kahdella LAI-2000 Plant Canopy Analyzer -laitteella. Laitteiden tulosteista koealoille saatiin aukkoisuustiedot T(?) ja LAI, joiden avulla saatiin laskettua tarkasteltavat G-funktiot. Saman puulajin G-funktiota vertailtiin toisiinsa puulajityypillisten trendien havaitsemiseksi. Keskikesällä eri puulajien G-funktioita verrattiin toisiinsa. Teoreettisten simulointien avulla tutkittiin latvuksen dimensioiden (latvuksen pituus ja säde) ja sisäisen ryhmittäisyyden vaikutusta puulajikohtaiseen G-funktioon. Simuloinneissa käytettiin hyväksi tietoa koealojen puustotunnuksista, lehtialasta sekä runkoluvusta. Puulajikohtaiset G-funktiot ovat erotettavissa toisistaan funktion minimi- ja maksimiarvojen sijoittumisen sekä suhteellisen vaihteluvälin perusteella. Havupuualojen G-funktiot eivät juuri muuttuneet kasvukauden aikana. Koivualoilla G-funktion kasvukaudenaikaiset muutokset (pelkät oksat, hiirenkorvat ja täysikasvuiset lehdet) olivat sitä vastoin helposti havaittavissa. G-funktion muodon avulla voidaan myös arvioida latvusmuotoa ja ryhmittymistä. Mäntyjen latvusmuoto on approksimoitavissa parhaiten ympyräkartion avulla. Kuusien ja koivujen latvusmuodon approksimointiin parhaana vaihtoehtona voidaan pitää ellipsoidia. Teoreettisten simulointien perusteella nuori kuusikko on muita havupuualoja ryhmittyneempi. Tutkimuksen mukaan säteily sammuu satelliittien yleisimmässä kuvaussuunnassa tehokkaammin kuin kaikkien suuntien yli laskettu keskiarvo (0,5) antaa olettaa. Puulajikohtaisten G-funktioiden avulla voidaan epäsuorasti arvioida sekä metsästä tapahtuvaa heijastusta että metsikön sisäisiä säteilyolosuhteita, sillä puulaji yhdessä metsikön rakenteen kanssa vaikuttaa metsästä heijastuvaan säteilyyn. Puulajikohtainen G-funktio on parametri, jonka avulla voidaan kalibroida malleja, joissa tarvitaan tietoa säteilyn kulusta erilaisissa kasvustoissa.