La contamination des milieux aquatiques urbains se caractérise aujourd'hui par un mélange de micropolluants d'origines et de types variés. Les conséquences de ce type de contamination, multiples mais faibles et chroniques, sur les écosystèmes aquatiques sont difficiles à évaluer. En effet, il est difficile d'une part de dresser un état des lieux précis de la contamination et d'autre part, de relier cette contamination à la réponse biologique des organismes exposés puisqu'elle n'engendre pas nécessairement des effets visibles et immédiats. Cette étude a pour objectif de développer une méthodologie permettant d'utiliser le périphyton pour évaluer l'impact d'une contamination urbaine typique. Les biofilms sont des communautés aquatiques complexes jouant un rôle primordial dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Leur réponse biologique à une perturbation peut s'évaluer au niveau structurel comme au niveau fonctionnel. Une première étape de ce travail a consisté à développer d'une part un test de toxicité aiguë permettant d'évaluer la tolérance de la composante hétérotrophe des biofilms selon le concept PICT, et d'autre part l'utilisation de la technique d'empreinte génétique ARISA pour évaluer des modifications de structure des communautés bactériennes et eucaryotes des biofilms. Les méthodologies développées ont ensuite été testées au laboratoire par des expositions de périphyton à des métaux à des concentrations environnementales. Par la suite, elles ont pu être déployées in situ : d'abord dans un gradient de contamination multi-métallique sur la Seine avec des prélèvements ponctuels de biofilms naturels ainsi qu'une expérience de transposition (amont/aval de l'agglomération parisienne). Enfin, le lien entre la tolérance du périphyton et la contamination métallique globale du milieu a été exploré à l'échelle d'un bassin versant. Les résultats sont prometteurs quant à l'utilisation du périphyton pour évaluer l'impact d'une contamination urbaine

Alors que les premières formes de vie sont apparues dans les océans il y a près de 4 milliards d'années, les premières espèces terrestres remontent seulement à 400 millions d'années. Malgré cela, les substances naturelles d'origine marine ne représentent que 10% de l'ensemble des molécules isolées à ce jour à partir d'organismes vivants. Ces composés chimiques sont pourtant très spécifiques du fait des particularités du Monde Marin. Au sein des organismes qui les biosynthétisent, ils peuvent notamment intervenir dans la défense chimique contre les parasites et les autres compétiteurs. Ces molécules apparaissent donc comme des alternatives potentielles aux oxydes du tributylétain (TBTO) présents dans les revêtements antifouling et interdits depuis 2008 en raison de leur toxicité. Dans ce contexte et dans le cadre d'un partenariat avec le Parc national de Port-Cros, l'étude de la composition chimique de plusieurs organismes marins méditerranéens, des algues vertes (Caulerpa taxifolia) et brunes (Dictyota sp., Dictyota dichotoma, Cystoseira foeniculacea) ainsi que des bryozoaires, a été entreprise. Ces travaux ont permis l'isolement et la caractérisation structurale d'une vingtaine de métabolites secondaires (dérivés terpéniques et lipidiques, stérols), parmi lesquels huit sont originaux. L'identification de l'ensemble de ces molécules a été réalisée par le biais de l'utilisation de différentes méthodes spectroscopiques (RMN 1D et 2D, SM-HR) et la stéréochimie de certaines d'entre-elles a été établie par RMN (expérience NOESY 1H-1H) et modélisation moléculaire. Des corrections de données spectrales ont été également proposées pour cinq composés connus. Par ailleurs, l'activité anti-adhésion de plusieurs métabolites issus d'algues a été évaluée vis-à-vis d'un biofilm bactérien marin (Pseudoalteromonas sp.) afin de déterminer leur potentiel en tant qu'agents antifouling : plusieurs de ces composés présente une activité intéressante (CE50 = 30 μM), certes inférieure à celle du TBTO (CE50 = 10 μM), mais largement supérieure à celles de co-biocides utilisés actuellement. Parallèlement à ces travaux, l'analyse des variations temporelles et spatiales de l'expression métabolique de certaines des espèces étudiées a été réalisée à des fins écologiques. D'une part, les extraits mensuels de C. taxifolia présentent généralement une activité anti-adhésion importante quand le taux de caulerpényne dans l'extrait est élevé. D'autre part, d'importantes fluctuations ont notamment été observées dans la composition chimique des bryozoaires Myriapora truncata et Pentapora fascialis en fonction de leur lieu de récolte.

The biodegradation kinetics of Geropon TC-42 (trademark) by an acclimated culture was investigated in anoxic batch reactors to determine biokinetic coefficients to be implemented in two biofilm mathematical models. Geropon TC-42 (trademark) is the surfactant commonly used in space habitation. The two biofilm models differ in that one assumes a constant biofilm density and the other allows biofilm density changes based on space occupancy theory. Extant kinetic analysis of a mixed microbial culture using Geropon TC-42 (trademark) as sole carbon source was used to determine cell yield, specific growth rate, and the half-saturation constant for S0/X0 ratios of 4, 12.5, and 34.5. To estimate cell yield, linear regression analysis was performed on data obtained from three sets of simultaneous batch experiments for three S0/X0 ratios. The regressions showed non-zero intercepts, suggesting that cell multiplication is not possible at low substrate concentrations. Non-linear least-squares analysis of the integrated equation was used to estimate the specific growth rate and the half-saturation constant. Net specific growth rate dependence on substrate concentration indicates a self-inhibitory effect of Geropon TC-42 (trademark). The flow rate and the ratio of the concentrations of surfactant to nitrate were the factors that most affected the simulations. Higher flow rates resulted in a shorter hydraulic retention time, shorter startup periods, and faster approach to a steady-state biofilm. At steady-state, higher flow resulted in lower surfactant removal. Higher influent surfactant/nitrate concentration ratios caused a longer startup period, supported more surfactant utilization, and biofilm growth. Both models correlate to the empirical data. A model assuming constant biofilm density is computationally simpler and easier to implement. Therefore, a suitable anoxic packed bed reactor for the removal of the surfactant Geropon TC-42 (trademark) can be designed by using the estimated kinetic values and a model assuming constant biofilm density.

<p>Aim: To determine whether there was any significant difference in the antimicrobial activity of 4 herbal toothpastes against cultures of 3 primary plaque colonizers (Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis and a non-specific &alpha / -heamolytic streptococcus).</p>

Dental restorative materials interact with their surrounding oral environment. Interaction factors can be release of toxic components and/or effects on biofilm formation and gingiva. In the end of the nineties, a calcium aluminate cement (CAC) was manufactured as a “bioceramic” alternative to resin composite. Dental ceramics are considered to be chemically stable and not to favour dental biofilm formation. Since the influence of aged, resin-bonded ceramic coverages is not fully investigated and the effect of CAC restorations on the dental biofilm formation and gingival response is unknown, those issues were evaluated in this thesis. With or without oral hygiene, in clinical trials including cervical surfaces of CAC, and approximal surfaces of a leucite-reinforced bonded ceramic; biofilm growth, presence of caries-associated bacteria, clinical expressions of gingivitis, the amounts of gingival crevicular fluid (GCF) and its levels of IL-1α, IL-1β and IL-1 ra were investigated in comparison with resin composite and enamel. In addition, the unknown cytotoxic effect of specimens of CAC on fibroblasts was assessed in vitro. With current oral hygiene a similar biofilm formation and gingival response, as evaluated, were observed at sites of CAC, resin composite and enamel. After ceased oral hygiene, more biofilm was assembled on CAC and on resin composite than on enamel. Neither with, nor without oral hygiene, biofilm formation, presence of caries-associated bacteria, clinical gingivitis and the levels of IL-1α, IL-1β and IL-1 ra differed between sites of ceramic, resin composite and enamel. Higher volumes of GCF were collected at ceramic sites compared to enamel. Fresh specimens of CAC showed the lowest cytotoxic effects on fibroblasts compared with three resin composites, zinc phosphate and glass ionomer cements. In conclusion, the low cytotoxic effect of CAC and the limited increase in dental biofilm formation on that material compared with enamel suggest CAC to be a biocompatible dental material with respect to dental biofilm formation, presence of caries-associated microflora and gingival response. This finding, together with the observation that the influence of bonded ceramic on dental biofilm formation, caries-associated microflora and clinical gingivitis was not different from that of enamel, implicates for both CAC restorations and bonded ceramic that the need of oral hygiene and professional oral health care is not reduced.

The legal requirements for wastewater discharge into environment, especially to zones exposed to eutrophication, lately became stricter. Nowadays wastewater treatment plants have to manage with the new rules and assure better biogenic elements’ removal, in comparison with the past. There are some well-known methods of diminishing concentrations of these compounds, but they are ineffective in case of nitrogen-rich streams, as landfill leachate or reject waters from dewatering of digested sludge. This wastewater disturbs conventional processes of nitrification-denitrification and raise necessity of building bigger tanks. The partial nitritation followed by Anaerobic Ammonium Oxidation (Anammox) process appear to be an excellent alternative for traditional nitrification/denitrification. The process was investigated in three different reactors – Membrane Bioreactor (MBR), Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) and Rotating Biological Contactor (RBC). The process was evaluated in two options: as a two-stage process performed in two separate reactors and as a one-stage process. The two-step process, in spite of very low nitrogen removal rates, assured very high nitrogen removal efficiency, exceeding even 90% in case of the MBBR. However, obtained results revealed that the one-step system is a better option than the two-step system, no matter, what kind of nitrogen-rich stream is taken into consideration. Moreover, the one-step process was much less complicated in operation. Performed research confirmed a hypothesis, that the oxygen concentration in the bulk liquid and the nitrite production rate are the limiting factors for the Anammox reaction in a single reactor. In order to make a quick and simple determination of bacteria activity, the Oxygen Uptake Rate (OUR) tests were shown as an excellent tool for evaluation of the current bacteria activity reliably, and without a need of using expensive reagents. It was also shown, that partial nitritation/Anammox process, could be successfully applied at temperatures much lower than the optimum value. Performed Fluorescent in situ Hybridization (FISH) analyses, proved that the Anammox bacteria were mainly responsible for the nitrogen removal process. / QC 20100707

Research performed at the Division of Environmental Microbiology has over the last years resulted in the isolation of possible bacterial key-organisms with efficient nutrient removal properties (Comamonas denitrificans, Brachymonas denitrificans, Aeromonas hydrophila). Effective use of these organisms for enhanced nutrient removal in wastewater treatment applications requires the strains to be retained, to proliferate and to maintain biological activity within theprocess. This can be achieved by immobilization of the organisms using an appropriate system.Two putative immobilization systems, agar entrapment and biofilm formation, wereassessed. Surface attached biofilm growth provided better results with respect to cell retention,proliferation and microbial activity than immobilization in agar beads. Thus, biofilm physiology was further characterized using simplified systems of single, dual or multi strain bacterial consortia containing the key-organisms as well as other wastewater treatment isolates. Mechanisms for initial adherence, biofilm formation over time, dynamics and characteristics of extracellular polymeric substances (EPS) and exopolysaccharides, nutrient removal activity as well as the effect of bacterial interactions were investigated. The results showed that all theassessed bacterial strains could form single strain biofilm providing that a suitable nutrientsupply was given. Production of EPS was found to be critical for biofilm development and both EPS and polysaccharide residue composition varied with bacterial strain, culture conditions and biofilm age. Denitrification and phosphorus removal activity of the keyorganisms was maintained in biofilm growth. Co-culturing of two or more strains resulted in both synergistic and antagonistic effects on biofilm formation as well as the microbial activitywithin the biofilm. Bacterial interactions also induced the synthesis of new polysaccharideswhich were not produced in pure strain biofilms.The complexity of single and mixed strain biofilm development and the implications of interactions on biofilm performance were underlined in this study. The data presented can be useful for modeling of biofilm systems, serve as a tool for selection of bacterial strain combinations to use for bioaugmentation/bioremediation or provide a base for further experiment design. / QC 20100622

Biofilms are communities of sessile microorganisms attached to a surface and imbeddedin a matrix of extracellular polysaccharide substances. These communities can be foundin diverse aquatic environments, such as in industrial pipes and in humans. By formingmicrocolony structures, which are highly resistant to adverse physical conditions as wellas antimicrobial agents, biofilms are very problematic when associated with e.g.persistent infections. In order to find new ways of controlling biofilm growth, theprocesses involved in biofilm development must be investigated further. The maininterest of this study is the occurrence of void formation inside biofilms. Thisphenomenon has been observed in several studies and has been correlated to cell deathinside the microcolonies. The occurrence of cell death has recently been associated withthe presence of nitric oxide in the biofilm. In this study, the implications of nitric oxideaccumulation on biofilm development were investigated using an individual-basedmodel. Specifically, the role of nitric oxide in void formation was considered. A largenumber of simulations were run using different parameter settings in order to determine ifnitric oxide could account for the occurrence of void formation observed experimentally.The general predictions made by the model system showed agreement to someexperimental data, but not to others. Sloughing, the detachment of chunks of cells fromthe biofilm, was observed in the majority of simulations. In some cases, the model alsopredicted the presence of live cells inside the voids, which has been observedexperimentally.

Le nickel est connu pour son utilisation dans la préparation d'alliages réputés peu sensibles à la contamination bactérienne, très utilisés dans les secteurs agro-alimentaires et médicaux. Cependant, les bactéries apparaissent capables d'adhérer même à ce type de matériau et de le coloniser sous forme de biofilms. Les biofilms sont des communautés de micro-organismes, adhérant entre eux et à une surface, grâce à la sécrétion d'une matrice adhésive offrant une protection contre la dessiccation, les défenses de l'hôte et un grand nombre d'agents antimicrobiens. Ces biofilms manifestent des propriétés de multirésistances aux biocides qui causent des problèmes sanitaires majeurs dans les installations hospitalières et industrielles. D'importantes modifications de l'expression génétique accompagnent la vie en biofilm et induisent des caractères spécifiques dont des résistances accrues aux biocides et la production de facteurs de virulence. Parmi ces derniers, les curli, qui sont un composé protéique majeur de la matrice extracellulaire chez les bactéries Escherichia coli et Salmonella spp., jouent un rôle clé dans la formation de biofilms sur surfaces inertes et biologiques. Ce travail a consisté à explorer la contribution de la vie en biofilm à la survie des bactéries Escherichia coli K-12 productrices de curli en présence de nickel. Pour cela, l'effet physiologique d'ions solubles de nickel sur la survie des bactéries a été testé sur des supports inertes en polystyrène ou en acier. Nous avons montré que des concentrations sub-inhibitrices de nickel induisent une augmentation de l'épaisseur et de la densité du biofilm. Cet effet ne dépend pas des modifications physico-chimiques de la surface cellulaire par le nickel, ni de l'activité de la seule pompe d'efflux à nickel connue d'E. coli, RcnA. Par contre, le nickel à faible concentration induit l'expression des curli, ainsi que leur production. C'est donc via l'activation transcriptionnelle des gènes codant les curli que l'augmentation du biofilm par le nickel se produit. Ce travail s'est également appliqué à rechercher la nature du relais gouvernant la mise en place des curli en réponse à la présence de nickel. Aucun des régulateurs principaux de l'expression des curli ne joue un rôle décisif. Nos résultats nous conduisent à suggérer que l'effet du nickel repose sur un phénomène global de réponse au stress oxydant dont le mécanisme reste à déterminer.

In Fluid-, Filter- und Sedimentproben von vier geothermischen Anlagen des Norddeutschen Beckens wurden mit molekulargenetischen Verfahren unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften nachgewiesen. Die mikrobielle Zusammensetzung in den Prozesswässern wurde dabei durch die Aquiferteufe, die Salinität, die Temperatur und den verfügbaren Elektronendonatoren und -akzeptoren beeinflusst. Die in den anoxischen Prozesswässern identifizierten Organismen zeichneten sich durch einen chemoheterotrophen oder chemoautotrophen Stoffwechsel aus, wobei Nitrat, Sulfat, Eisen (III) oder Bikarbonat als terminale Elektronenakzeptoren fungierten. Mikroorganismen beeinflussten den Betrieb von zwei Anlagen negativ. So reduzierten im Prozesswasser des Kältespeichers am Berliner Reichstag vorhandene Eisenoxidierer, nahe verwandt zu der Gattung Gallionella, die Injektivität der Bohrungen durch Eisenhydroxidausfällungen in den Filterschlitzen. Biofilme, die von schwefeloxidierenden Bakterien der Gattung Thiothrix in den Filtern der obertägigen Anlage gebildet wurden, führten ebenfalls zu Betriebsstörungen, indem sie die Injektion des Fluids in den Aquifer behinderten. Beim Wärmespeicher in Neubrandenburg waren Sulfatreduzierer vermutlich an der Bildung von Eisensulfidausfällungen in den obertägigen Filtern und im bohrlochnahen Bereich beteiligt und verstärkten Korrosionsprozesse an der Pumpe im Bohrloch der kalten Aquiferseite. Organische Säuren in den Fluiden sowie mineralische Ausfällungen in den Filtern der obertägigen Anlagen waren Belege für die Aktivität der in den verschiedenen Anlagen vorhandenen Mikroorganismen. Es wurde zudem deutlich, dass Mikroorganismen auf Grund der hohen Durchflussraten in den Anlagen chemische Veränderungen in den Prozesswässern deutlich sensitiver anzeigen als chemische Analyseverfahren. So deuteten Änderungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönosen und speziell die Identifikation von Indikatororganismen wie Eisen- und Schwefeloxidierern, fermentativen Bakterien und Sulfatreduzierern auf eine erhöhte Verfügbarkeit von Elektronendonatoren oder akzeptoren in den Prozesswässern hin. Die Ursachen für die an den Geothermieanlagen auftretenden Betriebsstörungen konnten dadurch erkannt werden. / Distinct microbial communities were found in fluid, filter, and sediment samples taken from four geothermal plants in the North German Basin by using molecular genetic techniques. The microbial composition in process fluids was influenced by aquifer depth, salinity, temperature, and available electron donors and acceptors. The organisms identified in the anoxic process fluids were closely related to chemoheterotrophs and chemoautotrophs that use nitrate, sulfate, ferric iron, and bicarbonate as the terminal electron acceptor. Microorganisms adversely affected operation of two geothermal plants. For example, Gallionella-related iron oxidizing bacteria, abundant in process fluids of the cold store at the Berliner Reichstag caused operation failures due to the formation of iron hydroxide scale that clogged the filter slots in the wells and led to a reduction of injectivity. In addition, biofilms formed by sulfur oxidizing Thiothrix sp. in filters of the topside facility drastically reduced injectivity. At the heat store in Neubrandenburg, sulfate reducing bacteria were probably involved in the formation of iron sulfides in filters of the topside facility and in the near wellbore area, and may have increased corrosion processes on the well pump at the cold side of the aquifer. Volatile fatty acids in process fluids and mineral scales in filters of the topside facility indicated the activity of microorganisms present in the different geothermal plants. In addition, it was shown that microorganisms react more sensitive than chemical analyses because of the high fluid flow in the plants, and thus indicate chemical changes in process fluids. Changes in the microbial community composition, and particularly the identification of indicator organisms, such as iron and sulfur oxidizer, fermentative, and sulfate reducing bacteria were suitable for the detection of increased availability of electron donors and acceptors. Thus, reasons for operation failures occurring at geothermal plants could be identified.