L'intensification de l'activité agricole depuis la deuxième moitié du 20e siècle, notamment l'utilisation de produits agrochimiques dans les bassins versants, a affecté la qualité des ressources d’eau douce. Des traces de produits agrochimiques, tels que les pesticides et les engrais, sont transportées par ruissellement de surface ou lixiviation, provoquant des effets directs ou indirects sur les organismes aquatiques. Se trouvant à la base des réseaux trophiques aquatiques, les micro-organismes sont des habitants indispensables dans les écosystèmes d’eau douce, où ils jouent également un rôle important pour les services écosystémiques en tant que propulseurs des cycles biogéochimiques. En faisant partie de l'écosystème, les communautés bactériennes sont susceptibles aux perturbations anthropiques croissantes qui se déroulent dans leurs milieux. Le but principal de cette thèse est d'étudier l'effet de perturbations agricoles simulées sur les bactéries d'eau douce par une approche expérimentale avec des réservoirs extérieurs (mésocosmes) et en utilisant le séquençage d’ADN à haut débit. Des mésocosmes ont été remplis de 1 000 litres d'eau provenant d'un lac bien préservé et, ensuite, ont été traités avec des pesticides largement utilisés au monde en combinaison avec des engrais. Les trois études présentées dans cette thèse explorent les réponses du bactérioplancton dans cette même expérience sous différents angles : la première (chapitre II) s'est concentrée sur les réponses écologiques des communautés bactériennes à de différentes combinaisons de produits agrochimiques; la deuxième (chapitre III) a examiné si les gènes de résistance aux antibiotiques pourraient changer le succès d'espèces soumises à une grave contamination par un herbicide et, finalement, la troisième (chapitre IV) a suivi les altérations évolutives parmi les espèces ayant des réponses écologiques similaires par rapport au traitement avec l’herbicide. En mettant l'accent sur la réaction des communautés exposées à un mélange de produits agrochimiques, le chapitre II complémente des études écotoxicologiques, qui se concentrent traditionnellement sur les réponses d'une seule espèce à des produits chimiques isolés. Les mésocosmes ont été exposés à de différentes concentrations d'un herbicide à base de glyphosate et d'un insecticide néonicotinoïde, séparés ou en combinaison, en plus d'apports faibles ou élevés en nutriments. Le séquençage des amplicons du gène de l'ARNr 16S et la prédiction des variantes de séquences ont étés faits pour étudier la diversité taxonomique, ainsi que le profilage de l'utilisation microbienne des sources de carbone pour décrire les changements de diversité fonctionnelle à travers le temps. Les résultats ont révélé que la stabilité des communautés microbiennes varie en fonction du type et de l'intensité de la perturbation. Bien que les communautés bactériennes n’aient pas réagi à l’introduction de l’insecticide ou d’engrais, elles sont modifiées de manière intensive sous des concentrations élevées de l'herbicide à base de glyphosate. Des aspects distincts de la diversité des communautés ont réagi différemment aux perturbations : alors que la composition fonctionnelle est restée stable face aux perturbations, la composition taxonomique au niveau taxonomique le plus fin a été sensible au glyphosate et résiliente aux échelles taxonomiques plus larges (c'est-à-dire, du genre au phylum). Ces résultats soulignent la complexité des réponses écologiques et fournissent des évidences de la redondance fonctionnelle concernant l'utilisation des sources de carbone dans les communautés microbiennes. Le chapitre III a testé l'hypothèse selon laquelle les gènes de résistance aux antibiotiques, en particulier les pompes d'efflux, favorisent la survie des bactéries en présence de l'herbicide à base de glyphosate. Cette hypothèse n'a été confirmée que par des études expérimentales en laboratoire avec des cultures bactériennes et plus récemment dans les microbiomes du sol. C'était donc la première fois que cette hypothèse a été testée dans un système aquatique. Au chapitre II, on a observé que l'herbicide à base de glyphosate favorisait la domination de nombreux taxons de l'embranchement des protéobactéries, dont Agrobacterium, un genre qui code pour l'enzyme cible du glyphosate appartenant à la classe des résistants. Cependant, d'autres espèces codant pour la classe de l'enzyme sensible au glyphosate étaient également favorisées, ce qui implique le rôle d'autres mécanismes de résistance. Dans le chapitre III, les analyses de métagénomes et des génomes assemblés par métagénomes ont révélé une augmentation de la fréquence de gènes de résistance aux antibiotiques après l'administration de fortes doses de l'herbicide. D’ailleurs, l'abondance relative des espèces présentes après qu’une forte dose de l'herbicide a été administrée était mieux prédite par la présence de gènes d'efflux d'antibiotiques dans leur génome que par la présence du gène codant pour l'enzyme résistante au glyphosate. Ces résultats renforcent les études récentes et contribuent aux premières évidences provenant des communautés bactériennes d'eau douce. L'objectif du chapitre IV était de vérifier si les bactéries ayant la même réponse écologique à la contamination par l'herbicide à base de glyphosate présenteraient également des réponses évolutives similaires. En plus, ce chapitre avait pour but de contribuer aux preuves expérimentales du modèle de l'écotype stable, un modèle proéminent sur l'évolution et l'origine de la diversité dans les espèces bactériennes. On a supposé que les espèces favorisées par l'herbicide subiraient des balayages sélectifs éliminant la variation génétique dans le génome, comme le prédit le modèle évolutif de l'écotype stable. Pour tester cette hypothèse, des polymorphismes nucléotidiques ont été quantifiés au sein des populations bactériennes au cours du temps dans 12 populations bien représentées dans le séquençage métagénomique qui a été fait dans le chapitre III. Contrairement à ce que l'on attendait, les populations écologiquement prospères ont montré une variété de réponses évolutives et la diversité n'a été supprimée que dans quelques-unes d'entre elles. Les résultats montrent que d'autres mécanismes évolutifs qui maintiennent la variation génétique, tels que des balayages sélectifs à l'échelle du gène plutôt qu’à l'échelle du génome, peuvent être plus souvent impliqués dans le succès des espèces qui survivent au stress anthropique. Mis ensemble, ces résultats soulignent la complexité des réponses bactériennes face à une perturbation anthropique au niveau des communautés, des populations, des gènes et des allèles. Les connaissances apportées par cette thèse peuvent améliorer les évaluations des risques de déversements accidentels en eau douce. Le changement permanent à des niveaux taxonomiques fins et la sélection croisée pour les gènes de résistance aux antibiotiques en présence de concentrations élevées d'herbicides indiquent des risques qui devraient être mieux compris par rapport à leur prédominance et les mécanismes qui les causent. D’ailleurs, la dynamique évolutive décrite ici sur une échelle de temps de courte durée fournit des données pour soutenir une importante théorie sur la différenciation et la spéciation bactériennes. / Agriculture intensification in the second half of the 20th century, particularly the use of agrochemicals within watersheds, has affected freshwater quality. Traces of agrochemicals, such as pesticides and fertilizers, reach freshwater systems through runoff or leaching, causing direct or indirect effects on aquatic organisms. Microorganisms are essential inhabitants of aquatic systems as they are at the foundation of food webs and play roles in ecosystem functioning as important drivers of biogeochemical cycles. By being part of the ecosystem, bacterial communities are subject to the increasing anthropogenic perturbations in their environment. The main objective of this thesis is to investigate the effect of simulated agricultural perturbations on freshwater bacteria through an experimental approach with outdoor tanks (mesocosms) and using high-throughput DNA sequencing. Mesocosms were filled with 1,000 L of water from a pristine freshwater lake and treated with widely used pesticides in combination with fertilizers. The three main studies in this thesis explored the bacterioplankton responses in this experiment through different angles: the first study (chapter II) focused on ecological responses to a combination of agrochemicals; the second (chapter III) explored how changes in antibiotic resistance genes could explain the ecological success of species facing severe herbicide contamination and the third study (chapter IV) tracked evolutionary changes among species with similar ecological responses to the herbicide treatment. Chapter II aimed to complement ecotoxicological studies, that traditionally focus on single species responses to individual chemicals, by focusing on communities exposed to a mixture of agrochemicals, as typically observed in nature. For that, the mesocosms were exposed to different concentrations of a glyphosate-based herbicide and a neonicotinoid insecticide, isolated or in combination, in addition to low or high nutrient inputs. Sequencing of 16S rRNA gene amplicons and inference of amplicon sequence variants were done to study taxonomic diversity, as well as profiling microbial use of carbon sources to describe functional diversity changes through time. The results revealed that the stability of microbial communities varies according to the type and intensity of the disturbance. The highest dose of the glyphosate-based herbicide was the major driver of ecological responses within bacterial communities, which were not altered by the insecticide nor by nutrient fertilization. Distinct aspects of community diversity responded differently to perturbation: while functional composition remained stable in face of disturbances, taxonomic composition was sensitive to glyphosate at the finest taxonomic level and resilient at higher taxonomic units (i.e. genus to phylum). These results highlight the complexity of ecological responses and provide evidence of functional redundancy regarding the use of carbon sources in these communities. Chapter III tested the hypothesis that antibiotic resistance genes, particularly efflux pumps, would favour bacterial survival in the presence of the glyphosate-based herbicide. This hypothesis has only been confirmed through experimental laboratory studies with bacterial cultures and more recently in soil microbiomes, it was thus the first time it was tested in an aquatic system. As observed in chapter II, glyphosate-based herbicide favoured the dominance of many taxa of the phylum Proteobacteria, including Agrobacterium, a genus that encodes the glyphosate-resistant target enzyme. However, other species encoding the glyphosate-sensitive version of the enzyme were also favoured, implying other resistance mechanisms. In chapter III, the analysis of metagenomes and metagenome-assembled genomes revealed an increased frequency of antibiotic resistance genes following high doses of the herbicide. Additionally, the relative abundance of species after a severe herbicide pulse was better predicted by the presence of antibiotic efflux genes in their genome than by the presence of the gene encoding the resistant glyphosate target enzyme. These results reinforce recent studies and contribute to the first evidence from freshwater bacterial communities. The goal of chapter IV was to test if bacteria with the same ecological response to the contamination with the glyphosate-based herbicide would also show similar evolutionary responses. Furthermore, this chapter aimed to contribute to experimental evidence to the stable ecotype model, a prominent model on the evolution and origin of diversity in bacterial species. If assumptions of the stable ecotype model were confirmed by the experiment, species favoured by the herbicide would experience selective sweeps purging genetic variation across the genome. To test this hypothesis, single nucleotide variants were quantified within bacterial populations over time in 12 populations well-represented in the metagenomic sequencing that was performed in chapter III. Differently than expected, ecologically successful populations showed a variety of evolutionary responses and diversity was purged only in a few of them. The results show that other evolutionary mechanisms that maintain genetic variation, such as gene-wide specific sweeps rather than genome-wide sweeps, may be more often involved in the success of species surviving anthropogenic stress. Together, these results highlight the complexity of bacterial responses in the face of an anthropogenic disturbance at the level of communities, populations, genes, and alleles. The knowledge provided by this thesis may improve assessments of the potential risks of accidental spills in freshwater. The permanent change at fine taxonomic levels and the cross-selection for antibiotic resistance genes in the presence of high concentrations of herbicide indicate risks that should be better understood regarding their predominance and causing mechanisms. Moreover, the evolutionary dynamics here described in a short-term time scale provide observational data to support a theoretical background on bacterial differentiation and speciation.

A thesis submitted to the School of Graduate Studies in partial fulfillment of the requirements for the degree Master of Science / The effect of changing environmental conditions on microbial population structure can be observed at both the species and community level. Within the Escherichia coli species, null mutations in the RpoS stationary phase regulator are commonly selected by growth on poor carbon sources. In contrast, mutations which restore RpoS function may provide a selective advantage for cells exposed to environmental stress. The loss and subsequent restoration of RpoS form a population-level switch for adaptation within poor carbon and high stress environments. To investigate selection for RpoS reversion, we exposed rpoS-deficient E. coli to high salt concentrations and assessed the phenotype of presumptive mutants. 3-9% of salt-resistant mutants contained reversion mutations within rpoS, while in 91-97% the loss of RpoS function was maintained and mutations at alternative gene loci were identified. These results show that RpoS function can be restored in deficient E. coli under selective pressure. At the community level, the application of next-generation sequencing (NGS) technology to characterize environmental microbial diversity can potentially augment traditional water quality monitoring methods. To investigate the use of NGS in identifying microbial taxa within the Niagara Region, we collected water samples from Lake Erie, Lake Ontario, and nearby areas and examined the metagenome of microbial communities. A QIIME (Quantitative Insights Into Microbial Ecology) analysis of sequence data identified significant differences in relative microbial abundance with respect to sample metadata (e.g. location and subtype), significant correlations between relative abundance and quantitative parameters (e.g. Escherichia coli counts and fecal DNA markers), and detected pathogen-containing taxa at a relative abundance of 0.1-1.5%. These results show that sequence-based analyses can be used in conjunction with traditional identification methods to profile the metagenomic community of environmental samples and predict water quality. Both within-species and community-wide analyses thus offer insight into how microbial populations respond and adapt to environmental fluctuations. / Thesis / Master of Science (MSc) / The effect of changing environmental conditions on microbial population structure can be observed at both the species and community level. Within the Escherichia coli species, we investigated reversion of loss of function mutations in the RpoS protein regulator in high salt conditions and identified RpoS restoration under selective pressure. At the community level, we examined the microbial DNA of water samples from the Niagara Region under select environmental conditions and assessed the viability of next-generation sequencing in augmenting traditional water quality monitoring methods. Both within-species and community-wide analyses offer insight into how microbial populations respond and adapt to environmental fluctuations.

Les communautés bactériennes sont constituées d’un grand éventail d’espèces pouvant interagir entre elles dans des environnements spatialement hétérogènes tels que le sol, les plantes ou l'intestin humain. À quel point ces interactions stimulent ou entravent la diversité du microbiome demeure inconnu. Historiquement, deux hypothèses ont été proposées pour expliquer comment les interactions interespèces pourraient influencer la diversité. L’hypothèse ‘l’écologie contrôle’ (EC) prédit une relation négative, dans laquelle l'évolution ou la migration de nouvelles espèces est freinée à mesure que les niches se saturent. En revanche, l’hypothèse ‘la diversité engendre la diversité’ (DBD) prédit une relation positive, où la diversité existante favorise l'accumulation d'une plus grande diversité à travers des interactions telles que la construction de niche. De nombreuses études ont investigué ces modèles chez les vertébrés ou les plantes, et certaines les ont testés sur des bactéries en culture ; mais le modèle qui régit les communautés bactériennes naturelles demeure inconnu. En utilisant les données du gène ARN ribosomique 16S provenant d’un large éventail de microbiomes, j'ai montré une relation positive générale entre la diversité des taxons et la diversité des communautés de niveaux taxonomiques plus élevés. Cette observation est conforme à l’hypothèse du DBD, mais cette tendance positive plafonne à des niveaux élevés de diversité en raison des limites physiques de la niche. Ensuite, j'ai observé que le modèle DBD restait valide à une résolution plus fine, en analysant la variation génétique intra espèce dans les métagénomes des microbiomes intestinaux humains. Conformément au DBD, j'ai observé que le polymorphisme génétique ainsi que le nombre de souches intra espèces étaient positivement corrélés avec la diversité Shannon de la communauté. Dans le chapitre 3, j'ai examiné les interactions antagonistes entre V. cholerae et ses phages virulents et la manière dont ces interactions affectaient le cours de l’infection et la diversité génétique de V. cholerae chez les patients infectés. J'ai quantifié les abondances relatives de V. cholerae et des phages virulents associés dans plus de 300 métagénomes provenant de selles de patients atteints de choléra, tout en tenant compte de leur exposition aux antibiotiques. Les phages et les antibiotiques ont supprimé V. cholerae et ont été associés à une déshydratation légère chez les patients. J'ai également investigué les mécanismes de défense contre les phages dans V. cholerae et découvert que les éléments connus de résistance aux phages (integrative conjugative elements, ICEs) étaient associés à de faibles rapports phage: V. cholerae. J’ai pu montrer aussi que lorsque les ICEs ne sont pas détectés, la résistance aux phages semble être acquise par l’accumulation de mutations ponctuelles non synonymes. Mes résultats valident que les phages virulents sont un facteur qui protège contre le choléra tout en sélectionnant la résistance dans le génome de V. cholerae. / Bacterial communities harbor a broad range of species interacting within spatially heterogeneous environments such as soil, plants or the human gut. The extent to which these interactions drive or impede microbiome diversity is not well understood. Historically, two hypotheses have been suggested to explain how species interactions could influence diversity. The ‘Ecological Controls’ (EC) hypothesis predicts a negative relationship, where the evolution or migration of novel species is constrained as niches become filled. In contrast, the ‘Diversity Begets Diversity’ (DBD) hypothesis predicts a positive relationship, with existing diversity promoting the accumulation of further diversity via niche construction and other interactions. Many studies investigated these models in vertebrates or plants, some focused on cultured bacteria, but we still lack insights into how natural communities are assembled in the context of these two hypotheses. Using 16S RNA gene amplicon data across a broad range of microbiomes, I showed a general positive relationship between taxa diversity and community diversity at higher taxonomic levels, consistent with DBD. Due to niche’ limits, this positive trend plateaus at high levels of community diversity. Then, I found that DBD holds at a finer resolution by analyzing intra-species strain and nucleotide variation in sampled metagenomes from human gut microbiomes. Consistent with DBD, I observed that both intra-species polymorphism and strain number were positively correlated with community Shannon diversity. In Chapter 3, I investigated the antagonistic interactions between V. cholerae and its virulent phages and how these interactions affect the course of the infection and the within V. cholerae genetic diversity in natural infections. I quantified relative abundances of Vibrio cholerae (Vc) and associated phages in 300 metagenomes from cholera patients stool, while accounting for antibiotic exposure. Both phages and antibiotics suppressed V. cholerae and were inversely associated with severe dehydration. I also looked at V. cholerae phage-defense mechanisms and found that known phage-resistance elements (integrative conjugative elements, ICEs) were associated with lower phage:V. cholerae ratios. In the absence of detectable ICEs, phages selected for nonsynonymous point mutations in the V. cholerae genome. My findings validate that phages may protect against severe cholera while also selecting for resistance in the V. cholerae genome within infected patients.

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Dans les écosystèmes forestiers pauvres en nutriments, les minéraux du sol constituent la principale source de nutriments inorganiques nécessaires à leur bon fonctionnement. Néanmoins ces nutriments ne sont pas directement accessibles aux racines des arbres. C'est l'action conjointe de facteurs abiotiques, comme le pH ou la circulation de l'eau, et biotiques comme les racines ou les microorganismes du sol dont les bactéries, qui vont conduire à l'altération de ces minéraux. A ce jour, nos connaissances sur les communautés bactériennes impliquées dans le processus d'altération et leur distribution dans des sols forestiers restent limitées, notamment à des habitats tels que la rhizosphère et la mycorhizosphère. Les objectifs de cette thèse étaient de caractériser les communautés bactériennes colonisant les minéraux du sol et leur aptitude à altérer les minéraux et enfin d'identifier les gènes bactériens impliqués. La combinaison d'approches cultivable, non cultivable et de biogéochimie sur des minéraux enterrés pendant 4 ans dans un sol forestier, a démontré que leur surface était colonisée par des communautés bactériennes spécifiques, capables d'altérer les minéraux et présentant des capacités métaboliques limitées, suggérant que ce support pourrait être considéré comme un habitat : la minéralosphère. La relation minéral/bactéries a été testée in situ via un amendement minéral sur une plantation et a mis en évidence l'impact de la disponibilité en nutriments sur la structuration des communautés bactériennes capables d'altérer les minéraux. L'étude génétique réalisée sur la souche modèle PML1(12) a révélé l'implication de plusieurs mécanismes dans la fonction altération / In nutrient-poor forest ecosystems, minerals are the main source of inorganic nutrients for the long lasting functioning of the forests. However, these nutrients are not directly accessible to the tree roots. It is the joined action of abiotic factors, such as pH and water circulation, and biotic factors such as tree roots and soil microorganisms, and notably bacteria, which leads to the solubilisation of these minerals. To date, our knowledge of the bacterial communities involved in the mineral weathering process and their distribution in forest soils is very limited and remains restricted to habitats such as the rhizosphere and mycorrhizosphere. The goals of this PhD thesis were to characterise the mineral associated bacterial communities, their ability to weather minerals and finally to identify the bacterial genes involved in the mineral weathering process. The combination of geochemical, cultivation-dependent and -independent approaches applied on minerals grounded in a forest soil during 4 years, revealed that the mineral associated bacterial communities were specific, able to weather minerals and had restricted metabolic abilities. These results suggest that minerals could be considered as a true ecological habitat: the mineralosphere. The mineral/bacteria relationship was tested in situ through a mineral amendment applied on a small-scale plantation, which has highlighted that the nutrient availability impacted the functional structure of the mineral weathering bacterial communities. At least, random mutagenesis applied on a model mineral weathering bacterial strain revealed that its mineral weathering ability resulted from several molecular mechanisms

Humans evolved in a world of giant creatures. Current evidence suggests that most ice age megafauna went extinct around the transition to our current Holocene epoch. The ecological reverberations associated with the loss of over 65% of Earth’s largest terrestrial animals transformed ecosystems and human lifeways forever thereafter. However, there is still substantial debate as to the cause of this mass extinction. Evidence variously supports climate change and anthropogenic factors as primary drivers in the restructuring of the terrestrial biosphere. Much of the ongoing debate is driven by the insufficient resolution accessible via macro-remains. To help fill in the gaps in our understandings of the Pleistocene-Holocene transition, I utilized the growing power of sedimentary ancient DNA (sedaDNA) to reconstruct shifting signals of plants and animals in central Yukon. To date, sedaDNA has typically been analyzed by amplifying small, taxonomically informative regions. However, this approach is not ideally suited to the degraded characteristics of sedaDNA and ignores most of the potential data. Means of isolating sedaDNA have also suffered from the use of overly aggressive purification techniques resulting in substantial loss. To address these limitations, I first experimentally developed a novel means of releasing and isolating sedaDNA. Secondly, I developed a novel environmental bait-set designed to simultaneously capture DNA informative of macro-scale ecosystems. When combined, we identify a substantial improvement in the quantity and breadth of biomolecules recovered. These optimizations facilitated the unexpected discovery of horse and mammoth surviving thousands of years after their supposed extirpation. I followed up these results by extracting DNA from multiple permafrost cores where we confirm the late survival signal and identify a far more complex and high-resolution dataset beyond those identifiable by complementary methods. I was also able to reconstruct mitochondrial genomes from multiple megafauna simultaneously solely from sediment, demonstrating the information potential of sedaDNA. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD) / A new addition to the rapidly growing field of palaeogenetics is environmental DNA (eDNA) with its immense wealth of biomolecules preserved over millennia outside of biological tissues. Organisms are constantly shedding cells, and while most of this DNA is metabolized or otherwise degraded, some small fraction is preserved through sedimentary mineral-binding. I experimentally developed new ancient eDNA methods for recovery, isolation, and analysis to maximize our access to these biomolecules and demonstrate that this novel approach outperforms alternative protocols. Thereafter, I used these methods to extract DNA from ice age permafrost samples dating between 30,000–6,000 years before present. These data demonstrate the power of ancient eDNA for reconstructing ecosystem change through time, as well as identifying evidence for the Holocene survival of caballine horse and woolly mammoth in continental North America. This late persistence of Pleistocene fauna has implications for understanding the human ecological and climatological factors involved in the Late Pleistocene mass extinction event. This effort is paralleled with megafaunal mitogenomic assembly and phylogenetics solely from sediment. This thesis demonstrates that environmental DNA can significantly augment macro-scale buried records in palaeoecology.

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High-throughput Sequencing (HTS)-tekniker fortsätter att utvecklas snabbt, vilket ökar genomströmningen och minskar sannolikheten för fel. MGI Tech Co., Ltd. (MGI) är ett ledande HTS-varumärke som använder DNBSEQ-teknologi och finns i Center for Translational Microbiome (CTMR). MGI:s sequencers har en hög känslighet och det är viktigt att följa protokollen när proverna hanteras för att undvika introduktion av kontaminering. Detta projekt kommer att utforska tidigare genererade data vid CTMR för att fastställa hur och var i sekvenseringsprocessen kontaminering har introducerats. Data delas in i två huvudkategorier: primärdata, eller verkliga data (RD), och sekundära data, vidare uppdelad i Never Used Barcodes (NUB) och Non-Sequenced (NS). RD:n är sann mot provet, medan NUB och NS anses vara hämtade från bakgrundsbrus. RD, NUB och NS var föremål för taxonomiska analyser, på släkt- och artnivå, och streckkodsanalyser med hjälp av RStudio-gränssnittet för att identifiera och kontrastera de vanligaste i varje kategori. Dessutom var RD också föremål för dekontamineringsanalys på två databaser, VaMyGyn och KOLBIBAKT. Dekontaminering används för att identifiera förorenande arter i ett samhälle. Efter analysen fanns det inga starka bevis som tydde på laboratoriekontamination eller kontaminerade reagenser. Några av dessa NUB delade subsekvenser med RD barcodes, där antal reads för varje par var korrelerade mellan prover. Det kan vara en indikation på att RD barcoded med sekvenseringsfel blir inkorrekt tolkade som NUB. En djupare analys skulle krävas för att bekräfta det.CTMR är numera medveten om att kontaminering från laboratoriet, reagenser eller manipulation inte är orsaken till hämtning av bakgrundsljud. / High-throughput sequencing (HTS) technologies keep developing rapidly, increasing throughput and lowering probabilities of errors. MGI Tech Co., Ltd. (MGI) is a leading HTS brand that uses DNBSEQ technology and is present in the Centre for Translational Microbiome (CTMR). MGI’s sequencers have a high sensitivity and it is critical to follow the protocols when the samples are being handled to avoid introduction of contamination. This project will explore the previously generated data at CTMR to determine how and where in the sequencing process contamination has been introduced. Data is divided into two main categories: the primary data, or real data (RD), and secondary data, further divided into Never Used Barcodes (NUB) and Non-Sequenced (NS). The RD is true to the sample, while NUB and NS are considered background noise retrieved. The RD, NUB, and NS were subject to taxonomic analyses, at genus and species level, and barcode analyses using the RStudio interface to identify and contrast the most frequent in each category. Moreover, RD was also subject to decontam analysis on two databases, VaMyGyn and KOLBIBAKT. Decontam is used for the identification of contaminant species in a community. After the analysis, there was no strong evidence suggesting lab contamination or contaminated reagents. Some of the barcodes from NUB shared substrings with RD barcodes for which the amount of reads were correlated across samples. This may indicate that RD barcodes with sequencing errors are falsely identified as NUB, however, more analyses are needed to verify this. CTMR is now aware that contamination from the lab, reagents, or manipulation are not the causes for the background noise retrieval.

Kanalrhodopsine (ChRs), lichtgesteuerte Ionenkanäle, vermitteln phototaktische Reaktionen in beweglichen Algen und sind als optogenetische Werkzeuge zur Manipulation der Zellaktivität mittels Lichts weit verbreitet. Viele Kationen- und Anionen-leitende ChRs (CCRs und ACRs) wurden aus kultivierbaren Chlorophyten- und Cryptophytenarten identifiziert. Die meisten mikrobiellen Organismen kann jedoch nicht kultiviert werden, was zu einem unvollständigen Bild der ChR-Vielfalt führt. Die Metagenomik öffnet die Tür für Erkenntnisse über die Verteilung von ChRs in unkultivierten Organismen. Diese Arbeit beschreibt die biophysikalische Charakterisierung von zwei Gruppen metagenomisch identifizierter ChRs. Die MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) sind eine neue ChR-Familie und zeigen nahezu komplette Photostrom-Inaktivierung unter Dauerlicht. Die Photoströme lassen sich durch einen Photozyklus erklären, der zur Akkumulation eines langlebigen und nicht-leitenden Photointermediats führt. Ein konserviertes Cystein ist für dieses Phänomen entscheidend, da seine Substitution zu einer stark reduzierten Inaktivierung führt. Die Prasinophyten ChRs, die große carboxyterminale Domänen aufweisen, wurden in großen, marinen Viren identifiziert, die sie von ihren beweglichen und einzelligen Grünalgen-Wirten durch lateralen Gentransfer übernommen haben. Heterolog exprimiert, sind die viralen ChRs nur nach Ergänzung von Transportsequenzen und carboxyterminaler Kürzung funktional. Die Grünalgen- und viralen ChRs sind Anionen-leitend mit nicht-inaktivierenden Photoströmen, wenn sie in Säugetierzellen exprimiert werden, obwohl die viralen Vertreter weniger leitfähig und zytotoxisch sind. Nichtsdestotrotz repräsentiert diese ChR-Gruppe die ersten Grünalgen- und Virus-ACRs. Diese Arbeit zeigt eine breite Verteilung der ACRs unter marinen mikrobiellen Organismen und die Bedeutung der Funktionsmetagenomik bei der Entdeckung neuer ChRs. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels mediating phototactic responses in motile algae and widely used as optogenetic tools to manipulate cellular activity using light. Many cation- and anion-conducting ChRs (CCRs and ACRs) have been identified from culturable chlorophyte and cryptophyte species. However, most microbial organisms cannot be cultured, resulting in an incomplete view of the diversity of ChRs. Metagenomics opens the door to gather insights on the distribution of ChRs in uncultured organisms. Here, the biophysical characterization of two groups of metagenomically identified ChRs is described. The MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) represent a new ChR family with near-complete photocurrent desensitization under continuous illumination. The photocurrents can be explained by a single photocycle leading to the accumulation of a long-lived and non-conducting photointermediate. A conserved cysteine is critical for this phenomenon, as its substitution results in a strongly reduced desensitization. The prasinophyte ChRs, harboring large carboxy-terminal extensions, were identified in marine giant viruses that acquired them from their motile and unicellular green algal hosts via lateral gene transfer. Expressed in cell culture, the viral ChRs are only functional upon the addition of trafficking sequences and carboxy-terminal truncation. The green algal and viral ChRs are anion-conducting and display non-desensitizing photocurrents when expressed in mammalian cells, though the viral representatives are less conductive and cytotoxic. Nonetheless, this group of ChRs represents the first green algal and viral ACRs. This thesis highlights a broad distribution of ACRs among marine microbial organisms and the importance of functional metagenomics in discovering new ChRs.

Tesis por compendio / [ES] El mercado de bebidas vegetales está experimentando un crecimiento constante debido a la creciente demanda de productos de origen vegetal. Dentro de este mercado, la bebida de almendra, perteneciente al grupo de las oleaginosas, destaca por su alto contenido en nutrientes, compuestos fenólicos y sus propiedades antioxidantes. Por otra parte, la generación masiva de residuos y subproductos por parte de la industria alimentaria representa uno de los mayores desafíos a nivel global. De acuerdo con la Comisión Europea, aproximadamente se desperdicia un 13% de la producción alimentaria mundial, equivalente a 366 millones de toneladas dentro de la Unión Europea. La industria alimentaria ha estado trabajando en la implementación de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) adoptados por las Naciones Unidas en 2015, con especial atención en el ODS 12, que promueve la producción responsable y sostenible. Este objetivo busca prevenir el desperdicio de alimentos, revalorizar residuos y promover la economía circular como parte de la Agenda 2030. En este contexto, el objetivo general de la presente tesis fue estudiar las posibilidades de revalorización del subproducto resultante del proceso de obtención de la bebida vegetal de almendra. Determinar las propiedades fisicoquímicas, tecnológicas y funcionales de la materia prima. Evaluar el efecto de la deshidratación (secado con aire caliente y liofilización) sobre las propiedades fisicoquímicas, el contenido de componentes bioactivos, su bioaccesibilidad y su influencia sobre la microbiota. Finalmente, se consideró la posibilidad de obtener un producto deshidratado con probióticos. La consecución de este objetivo se abordó desde tres enfoques que se presentan en tres capítulos en los que se ha estructurado el apartado de resultados. En el primer capítulo se evaluó el impacto del secado por aire caliente a 60 °C y 70 °C y de la liofilización, sobre las propiedades tecno-funcionales del bagazo de almendra. Se analizaron las curvas de secado y las isotermas de sorción. Luego, se evaluó el efecto del almacenamiento a temperatura ambiente y en condiciones aceleradas de los polvos obtenidos por ambos métodos de secado; durante 6 meses, se monitoreó el crecimiento microbiológico, la acidez, el índice de peróxidos, la capacidad antioxidante y el contenido de polifenoles. Finalmente, se evaluó la idoneidad del polvo de bagazo de almendra como sustituto en la elaboración de productos de panadería, concretamente galletas. Tanto el secado por aire caliente como la liofilización resultaron ser operaciones adecuadas para estabilizar el bagazo de almendra. Ambos métodos de secado, combinados con un triturado adecuado, proporcionaron polvos con propiedades favorables para su uso en la industria alimentaria. En relación con la actividad antirradical, no se presentaron diferencias significativas entre las muestras deshidratadas, si bien el contenido en fenoles totales fue mayor en las muestras liofilizadas. En cuanto al almacenamiento durante 6 meses, al finalizar dicho periodo se observó un aumento en la capacidad antirradical, así como en el contenido de fenoles totales, especialmente notable en las muestras secadas por aire caliente y sometidas a almacenamiento acelerado. Los valores de acidez e índice de peróxido aumentaron considerablemente durante el almacenamiento acelerado, posiblemente debido a la descomposición de los ácidos grasos. Finalmente, se evaluó la idoneidad del polvo de bagazo de almendra como ingrediente sustitutivo en la elaboración de productos de panadería. Los resultados mostraron la idoneidad del subproducto para ser utilizado como sustituto de la harina de trigo en la elaboración de galletas ya que proporcionó un producto de textura adecuada con mayor contenido en fibra y componentes con capacidad antirradical. / [CA] El mercat de begudes vegetals està experimentant un creixement constant a causa de la demanda creixent de productes d'origen vegetal. Dins aquest mercat, la beguda d'ametlla, pertanyent al grup de les oleaginoses, destaca pel seu alt contingut en nutrients, compostos fenòlics i propietats antioxidants. D'altra banda, la generació massiva de residus i subproductes per part de la indústria alimentària representa un dels desafiaments més grans a nivell global. D'acord amb la Comissió Europea, aproximadament es desaprofita un 13% de la producció alimentària mundial, equivalent a 366 milions de tones dins de la Unió Europea. La indústria alimentària ha estat treballant en la implementació dels Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) adoptats per les Nacions Unides el 2015, amb especial atenció a l'ODS 12, que promou la producció responsable i sostenible. Aquest objectiu cerca prevenir el malbaratament d'aliments, revalorar residus i promoure l'economia circular com a part de l'Agenda 2030. En aquest context, l'objectiu general de la present tesi va ser estudiar les possibilitats de revaloració del subproducte resultant del procés d'obtenció de la beguda vegetal d'ametlla. Determinar les propietats fisicoquímiques, tecnològiques i funcionals de la matèria primera. Avaluar l'efecte de la deshidratació (assecat amb aire calent i liofilització) sobre les propietats fisicoquímiques, el contingut de components bioactius, la bioaccessibilitat i la influència sobre la microbiota. Finalment, es va considerar la possibilitat d'obtenir un producte deshidratat amb probiòtics. La consecució d'aquest objectiu es va abordar des de tres enfocaments que es presenten en tres capítols en el que s'ha estructurat l'apartat de resultats. En el primer capítol es va avaluar l'impacte de l'assecat per aire calent a 60 °C i 70 °C, i de la liofilització, sobre les propietats tecno-funcionals del bagàs d'ametlla. Es van analitzar les corbes d'assecat i les isotermes de sorció. Després, es va avaluar l'efecte de l'emmagatzematge a temperatura ambient i en condicions accelerades de les pols obtingudes pels dos mètodes d'assecat; durant 6 mesos, es va monitoritzar el creixement microbiològic, l'acidesa, l'índex de peròxids, la capacitat antioxidant i el contingut de polifenols. Finalment, es va avaluar la idoneïtat de la pols de bagàs d'ametlla com a substitut en l'elaboració de productes enfornats, concretament galetes. Tant l'assecat per aire calent com la liofilització van resultar ser operacions adequades per estabilitzar el bagàs d'ametlla. Ambdós mètodes d'assecat, combinats amb un triturat adequat, van proporcionar pols amb propietats favorables per al seu ús a la indústria alimentària. En relació amb l'activitat antirradical, no es van presentar diferències significatives entre les mostres deshidratades, si bé el contingut en fenols totals va ser més gran en les mostres liofilitzades. En relació amb l'emmagatzematge durant 6 mesos, en finalitzar aquest període es va observar un augment en la capacitat antirradical, així com en el contingut de fenols totals, especialment notable a les mostres assecades per aire calent i sotmeses a emmagatzematge accelerat. Els valors d'acidesa i índex de peròxid van augmentar considerablement durant l'emmagatzematge accelerat, possiblement degut a la descomposició dels àcids grassos. Finalment, es va avaluar la idoneïtat de la pols de bagàs d'ametlla com a ingredient substitutiu en l'elaboració de productes enfornats. Els resultats van mostrar la idoneïtat del subproducte per ser utilitzat com a substitut de la farina de blat en l'elaboració de galetes ja que va proporcionar un producte de textura adequada amb més contingut en fibra i components amb capacitat antirradical. / [EN] The vegetable beverage market is experiencing steady growth due to the increasing demand for products of vegetable origin. Within this market, the almond beverage, which belongs to the oilseed group, stands out for its high content of nutrients, phenolic compounds and antioxidant properties. On the other hand, the massive generation of waste and by-products by the food industry represents one of the major global challenges. According to the European Commission, approximately 13% of the world's food production is wasted, equivalent to 366 million tonnes within the European Union. The food industry has been working on the implementation of the Sustainable Development Goals (SDGs) adopted by the United Nations in 2015, with a particular focus on SDG 12, which promotes responsible and sustainable production. This goal aims to prevent food waste, revalue waste and promote the circular economy as part of the 2030 Agenda. In this context, the general objective of this thesis was to study the possibilities of revaluing the by-product resulting from the process of obtaining almond plant-based beverage. To determine the physicochemical, technological and functional properties of the raw material. Evaluate the effect of dehydration (hot air drying and freeze-drying) on the physicochemical properties, the content of bioactive components, their bioaccessibility and their influence on the microbiota. Finally, the possibility of obtaining a dehydrated product with probiotics was considered. The achievement of this objective was approached through three perspectives presented in three chapters, structuring the results section accordingly. In the first chapter, the impact of hot air drying at 60 °C and 70 °C and freeze-drying on the techno-functional properties of almond bagasse was evaluated. Drying curves and sorption isotherms were analysed. Then, the effect of storage at room temperature and under accelerated conditions of the obtained powders by both drying methods was evaluated; over a period of 6 months, microbiological growth, acidity, peroxide index, antioxidant capacity, and polyphenol content were monitored. Finally, the suitability of almond bagasse powder as a substitute in the production of bakery products, specifically biscuits, was assessed. Both hot air drying and freeze drying proved to be suitable operations to stabilise almond bagasse. Both drying methods, combined with appropriate grinding, provided powders with favourable properties for use in the food industry. Regarding the antiradical activity, there were no significant differences between the dehydrated samples, although the total phenol content was higher in the freeze-dried samples. After a 6-month storage period, an increase in antiradical capacity and total phenolic content was observed, particularly noticeable in the samples dried by hot air and subjected to accelerated storage. Acidity and peroxide index values increased considerably during accelerated storage, possibly due to the decomposition of fatty acids. Finally, the suitability of almond bagasse powder as a substitute ingredient in the production of bakery products was evaluated. The results indicated its suitability as a substitute for wheat flour in the production of biscuits, providing a product with appropriate texture, increased fibre content, and components with antiradical capacity. / Duarte Serna, S. (2024). Caracterización fisicoquímica, tecnológica y funcional del residuo procedente de la obtención de la bebida vegetal de almendra. Estrategias de valorización [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204146 / Compendio