Globally disseminated bacterial pathogens frequently cause epidemics that are of major importance in public health. Of particular significance is the capacity for some of these bacteria to switch into a new environment leading to the emergence of pathogenic clones. Understanding the evolution and epidemiology of such pathogens is essential for designing rational ways for prevention, diagnosis and treatment of the diseases they cause. Whole-genome sequencing of multiple isolates facilitating comparative genomics and phylogenomic analyses provides high-resolution insights, which are revolutionizing our understanding of infectious diseases. In this thesis, a range of population genomic analyses are employed to study the molecular mechanisms and the evolutionary dynamics of bacterial pathogen niche adaptation, specifically between humans, animals and the environment. A large-scale population genomic approach was used to provide a global perspective of the host-switching events that have defined the evolution of Staphylococcus aureus in the context of its host-species. To investigate the genetic basis of host-adaptation, we performed genome-wide association analysis, revealing an array of accessory genes linked to S. aureus host-specificity. In addition, positive selection analysis identified biological pathways encoded in the core genome that are under diversifying selection in different host-species, suggesting a role in host-adaptation. These findings provide a high-resolution view of the evolutionary landscape of a model multi-host pathogen and its capacity to undergo changes in host ecology by genetic adaptation. To further explore S. aureus host-adaptive evolution, we examined the population dynamics of this pathogen after a simulated host-switch event. S. aureus strains of human origin were used to infect the mammary glands of sheep, and bacteria were passaged in multiple animals to simulate onward transmission events. Comparative genomics of passaged isolates allowed us to characterize the genetic changes acquired during the early stages of evolution in a novel host-species. Co-infection experiments using progenitor and passaged strains indicated that accumulated mutations contributed to enhanced fitness, indicating adaptation. Within-host population genomic analysis revealed the existence of population bottlenecks associated with transmission and establishment of infection in new hosts. Computational simulations of evolving genomes under regular bottlenecks supported that the fitness gain of beneficial mutations is high enough to overcome genetic drift and sweep through the population. Overall, these data provide new information relating to the critical early events associated with adaptation to novel host-species. Finally, population genomics was used to study the total diversity of Legionella longbeachae from patient and environmental sources and to investigate the epidemiology of a L. longbeachae outbreak in Scotland. We analysed the genomes of isolates from a cluster of legionellosis cases linked to commercial growing media in Scotland and of non-outbreak-associated strains from this and other countries. Extensive genetic diversity across the L. longbeachae species was identified, associated with intraspecies and interspecies gene flow, and a wide geographic distribution of closely related genotypes. Of note, a highly diverse pool of L. longbeachae genotypes within compost samples that precluded the genetic establishment of an infection source was observed. These data represent a view of the genomic diversity of this pathogen that will inform strategies for investigating future outbreaks. Overall, our findings demonstrate the application of population genomics to understand the molecular mechanisms and the evolutionary dynamics of bacterial adaptation to different ecological niches, and provide new insights relevant to other major bacterial pathogens with the capacity to spread between environments.

Il est aujourd'hui bien établi que les amibes libres jouent le rôle de vecteurs à la bactérie pathogène Legionella pneumophila favorisant ainsi son développement et sa propagation dans l'environnement. Ainsi, et jusqu'à maintenant, toutes les espèces d'amibes libres étudiées ont démontré une capacité à soutenir et favoriser la croissance de la bactérie responsable des légionelloses. Toutefois, l'ensemble des études a porté sur un nombre restreint d'espèces amibiennes, et leurs capacités relatives à soutenir la croissance bactérienne n'ont que très peu été abordées. Nous avons comparé la capacité de différentes espèces amibiennes à soutenir la prolifération de différentes souches de L. pneumophila du sérogroupe 1. Ces études ont mis en évidence les propriétés particulières d'une souche d'amibe appartenant à l'espèce Willaertia magna. Cette souche présente, au contraire de toutes les autres espèces, la capacité à inhiber et diminuer la prolifération de certaines souches de L. pneumophila. Nous avons par ailleurs pu démontrer l'existence d'une phagocytose interamibienne entre différentes espèces d'amibes, un phénomène jamais mis en évidence à notre connaissance. Les conséquences de cette phagocytose interamibienne sur la croissance et la prolifération de L. pneumophila sont aussi rapportées. La microscopie électronique suggère fortement que la bactérie L. pneumophila ne peut inhiber la fusion phagolysosomale chez W. magna à l'inverse du phénomène observé chez les espèces amibiennes permissives. Ces observations démontrent l'importance de phénomènes membranaires dans la capacité des bactéries à parasiter leur hôte amibien. L'analyse comparée de la composition lipidique des membranes de différentes espèces amibiennes montre chez W. magna une expression élevée de phosphatidylcholine. L'inhibition de la voie de biosynthèse de ce phospholipide par méthylation de phosphatidyléthanolamine résulte en une forte diminution de la croissance amibienne, suggérant que cette voie métabolique joue un rôle important dans les capacités de résistance de W. magna.

Legionella pneumophila est la bact��rie responsable de la l��gionellose, une pneumonie atypique dans les pays industrialis��s. Les souches pathog��nes sont issues de notre environnement apr��s multiplication �� l'int��rieur d'amibes, sont diss��min��es par la technologie humaine, puis peuvent infecter les macrophages alv��olaires humains. Ce travail vise �� caract��riser une famille d'effecteurs du syst��me de s��cr��tion de type IV Dot/Icm transloqu��s dans le cytoplasme de la cellule h��te, des prot��ine kinases, et en particulier �� ��tablir le r��le de la prot��ine kinase LegK2 dans la virulence. L'analyse in silico et des tests de phosphorylation in vitro ont permis d'identifier 5 prot��ine kinases fonctionnelles, LegK1-LegK5, cod��es par la souche ��pid��mique L. pneumophila Lens. Des tests de translocation ont montr�� qu'�� l'exception de LegK5, les prot��ine kinases de Legionella sont transloqu��es dans la cellule h��te de fa��on Icm/Dot d��pendante. LegK2 joue un r��le cl�� dans la virulence, comme d��montr�� par inactivation de g��ne. Les vacuoles contenant le mutant legK2 pr��sentent un recrutement moins efficace de reticulum endoplasmique, ce qui entraine une r��plication intracellulaire retard��e. Un mutant de substitution d��ficient pour l'activit�� kinase pr��sente les m��mes d��fauts de virulence, ce qui d��montre le r��le central de la phosphorylation dans le contr��le de ce processus. Les m��canismes mol��culaires contr��l��s par LegK2 sont actuellement recherch��s par identification de partenaires et/ou substrats prot��iques.

L'étude s'intéresse à la bactérie Legionella pneumophila (Lpn) dans les biofilms des affluents du lac du Bourget. Elle confirme le caractère ubiquiste de cette bactérie, principalement sous sa forme non cultivable. Elle met aussi en évidence, le caractère local des facteurs naturels de régulation : seule la température de l'eau intervient dans la majorité des sites. Ce déterminisme local a aussi été mis en évidence avec l'étude du réseau hydrographique aixois qui reçoit à la fois des eaux thermales et celles de la rivière Le Tillet. Les perturbations thermique et chimique liées aux arrivées d'eau chaude sont détectables jusqu'à la partie aval du réseau. L'effet d'enrichissement des apports en Lpn qui leur correspondent reste localisé ce qui peut être la manifestation de processus naturels d'autoépuration. Nos résultats montrent également un comportement différent des organismes du groupe des Pseudomonas et des bactéries apparentées vis-à-vis des caractéristiques physico-chimiques. Des expériences effectuées en réacteurs biologiques ont montré qu'une augmentation de la vitesse ou de la température de l'eau est favorable à la présence de Lpn. Un modèle de transport de charges a été construit à partir duquel une gestion de l'utilisation du jet d'eau situé à proximité de la plage municipale d'Aix-les-Bains pourrait être faite pour tenir compte des périodes durant lesquelles des fragments de biofilms susceptibles de contenir des Lpn sont transportés en masse par le réseau aixois en direction de la plage.

L'implication des tours aéro-réfrigérantes dites " ouvertes ", dans les cas de légionellose, demeure à l'heure actuel un problème de santé public malgré la multitude de composés biocides disponibles qui, parfois, sont écotoxiques et appliqués à de forte concentrations. L'efficacité de la majorité de ces biocides est étudiée vis-à-vis des formes planctoniques des microorganismes. Cette étude s'intéresse à la mise au point de deux procédés de traitement du risque Legionella pneumophila : H2O2/UV et ClO2, avec la prise en compte particulière des communautés microbiennes fixées et notamment des protozoaires qui constituent l'hôte naturel de cette bactérie. La démarche expérimentale adoptée pour l'étude de l'efficacité de ces traitements, s'est appuyée sur des biofilms environnementaux naturellement contaminés par des légionelles et issus d'une source thermale. La caractérisation des légionelles isolées des biofilms de cette source montre le maintien du sérogroupe 1 de L. pneumophila et l'apparition de deux autres sérogroupes non reportés dans des études précédentes (sg10 et sg12), avec toutefois une prédominance du sérogroupe 12. Quel que soit le sérogroupe, ces souches environnementales se sont avérées plus virulentes vis-à-vis de l'amibe Acantamoeba castellanii, que les souches cliniques de Lp1 répertoriées. A l'état planctonique elles se sont également avérées très sensibles aux traitements H2O2/UV et UV seul. A l'échelle expérimentale, les deux traitements, H2O2/UV et ClO2, montrent une performance élevée vis-à-vis des biofilms. L'étude a particulièrement mis en évidence le rôle du facteur trophique et de l'adaptation des bactéries au stress oxydatif dans la performance des traitements mais aussi dans l'apparition de la reviviscence. L'application des traitements à des installations en vraie grandeur a permis de conforter les résultats expérimentaux et de mettre l'accent, dans le contexte des sites étudiés, sur les limites de leur efficacité et sur la nécessité d'ajustements des doses appliquées (concentrations des biocides, flux d'irradiation UV, mode d'application) aux particularités des contextes industriels.

Thesis (M.SIS)--University of Adelaide, Dept. of Geographical and Environmental Studies and GISCA - The National Key Centre for Social Applications of GIS, 2000. / Includes bibliographical references (leaves 115-120).

Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2006. / Includes vita. Includes bibliographical references (leaves 86-105). Also available online.

The pace at which change is occurring in the life of human beings, due to technological advancement, could be described as logarithmic. This fast-paced change is not just of consequence to the individual, but to countries, governments, companies, big and small systems like villages and sports clubs and the like, as well. This study case was inspired by the fact that what was a little-known threat yesterday, could suddenly become a crippling matter. It is, therefore, critical for individuals and businesses to consider risk not just in the usual context but with an open mind. This is especially true for systems in the Third World or developing nations where evolutionary stages of advancement and development are known to have been skipped due to forced or influenced adoption by the advanced or First World dictates. An example is the adoption of Carbon Emission Minimisa tion Pacts that have also been mooted for developing nations, even though their participation in causing the past Industrial Revolution pollution was minimal. A small operation in the Eastern Cape may, today, see no need to attract an overseas customer, not realising that the local customer may enter a merger or be bought out by an international organisation which would demand international protocols on the local supplier. Such is the risk with Globalisation. Local businesses should embrace global competitive practices for sustainability in the global business arena that is surely upon the business place today and the short term. South African businesses are no longer protected by the country borders, or the government and political systems such as the apartheid-born sanctions and tariff regimes. The objective of this study of Legionella bacteria risk management by business firms in the Eastern Cape (East London and Border Areas) is to obtain an insight into how they fare on one of the risks that, in Europe, is legislated and, in many parts of the First World, is regarded as fundamental. Beside the globalisation issues mentioned above, the South African workforce has been noted as highly affected by HIV and TB, which are symptomatic of people susceptible to Legionnaire‟s Disease. The high cost and skills shortage in the South African industry demand great care in order to prevent further loss, due to sick absenteeism or the death of workers. The study included a comprehensive literature review of issues around Legionella bacteria in industrial operations and how ill effects could be prevented and managed. A questionnaire was then drawn up and used to check for awareness, capability and ascertain what motivational factors could influence Legionella risk management by businesses in the geographical study area. All businesses with facilities utilising water cooling towers, safety showers, waste water treatment plants, humidifier air conditioning and water fountains, were presented with the questionnaire. A 56 percent return was achieved and responses were processed and analysed using Microsoft Excel on a Windows XP computer package. The findings showed that there was a poor awareness of Legionella bacteria and the risk they posed, a factor that may be used to explain the poor questionnaire returns. The capability assessment also showed a weak status. Legislation, proof of outbreak and fines were determined as effective would-be motivators for full Legionella risk management. The study concluded with recommendations for awareness programmes by interested bodies like the Legionella Action Group, Department of Labour and companies providing Legionella consulting services. While legislation and, therefore, fines, were not yet applied in South Africa, the drive for employee and community welfare should be adequate motivating factors for businesses to manage Legionella risk. Foreign capital inflow into the South African economy was also a factor that should be considered by businesses that looked to expand and need to access these funds through mergers or acquisitions. These funds would require financial as well as technical audits that show adequate risk protection.

Il est aujourd’hui bien établi que les amibes libres jouent le rôle de vecteurs à la bactérie pathogène Legionella pneumophila favorisant ainsi son développement et sa propagation dans l’environnement. Ainsi, et jusqu’à maintenant, toutes les espèces d’amibes libres étudiées ont démontré une capacité à soutenir et favoriser la croissance de la bactérie responsable des légionelloses. Toutefois, l’ensemble des études a porté sur un nombre restreint d’espèces amibiennes, et leurs capacités relatives à soutenir la croissance bactérienne n’ont que très peu été abordées. Nous avons comparé la capacité de différentes espèces amibiennes à soutenir la prolifération de différentes souches de L. pneumophila du sérogroupe 1. Ces études ont mis en évidence les propriétés particulières d’une souche d’amibe appartenant à l’espèce Willaertia magna. Cette souche présente, au contraire de toutes les autres espèces, la capacité à inhiber et diminuer la prolifération de certaines souches de L. pneumophila. Nous avons par ailleurs pu démontrer l’existence d’une phagocytose interamibienne entre différentes espèces d’amibes, un phénomène jamais mis en évidence à notre connaissance. Les conséquences de cette phagocytose interamibienne sur la croissance et la prolifération de L. pneumophila sont aussi rapportées. La microscopie électronique suggère fortement que la bactérie L. pneumophila ne peut inhiber la fusion phagolysosomale chez W. magna à l’inverse du phénomène observé chez les espèces amibiennes permissives. Ces observations démontrent l’importance de phénomènes membranaires dans la capacité des bactéries à parasiter leur hôte amibien. L’analyse comparée de la composition lipidique des membranes de différentes espèces amibiennes montre chez W. magna une expression élevée de phosphatidylcholine. L’inhibition de la voie de biosynthèse de ce phospholipide par méthylation de phosphatidyléthanolamine résulte en une forte diminution de la croissance amibienne, suggérant que cette voie métabolique joue un rôle important dans les capacités de résistance de W. magna / Free living amoeba is a known vector of L. pneumophila in the environment and it has been shown to favour bacterial growth. Until now, all studied amoeba species showed a capacity to support the growth of the bacterium responsible for the Legionnaire’s disorder. However, these studies were related to a restricted number of amoebic species, and their relative capacity to support the bacterial growth. We compared the capacity of various amoebic species to support the proliferation of various strains of L. pneumophila. These studies highlighted the particular properties of a strain belonging to the Willaertia magna species. This amoeba has, contrary to all the other species, the capacity to inhibit and decrease L. pneumophila proliferation. We also demonstrate the existence of an inter-amoebic phagocytosis between various species of amoebas, a phenomenon never studied to our knowledge. The consequences of this inter-amoebic phagocytosis on the growth and proliferation of L. pneumophila are also reported. Electron microscopy strongly suggests that the bacterium cannot inhibit the phagolysosomal fusion in W. magna contrary to permissive amoebic species. These observations suggest the importance of membrane phenomena in the capacity of the bacteria to infest their amoebic host. Compared analysis of the lipidic composition of various amoebic species shows in W. magna a high expression of phosphatidylcholine the major phospholipid. The inhibition of the PE N-methyltransferase biosynthesis pathway of this phospholipid results in a strong reduction of the amoebic growth, suggesting that this metabolic pathway plays an important role in the resistance capacity of W. magna to L.pneumophila.

Early detection of pathogenic bacteria in food, drinking water and medicine products is one of the essential tasks of routine microbiological analysis. Through analytics, outbreaks can be discovered and consequently, countermeasures can be initiated to minimize health and economic damage. Cultivation of pathogens from contaminated specimens is routinely performed in microbiological laboratories worldwide. The procedure is easy to perform, requires little equipment and provides simple quantitative data in colony-forming units (CFUs) per sample volume. Only the time between preparation and confirmation of a positive (contaminated) sample usually extends over several days. The desired goal should be a technique that can retain the simplicity of cultivation while providing real-time information about the sample under investigation for early detection of potential contamination. Therefore, in the framework of this thesis, systematic heat flow measurements were performed on two model strains, Lactobacillus plantarum DSM 20205 and Pseudomonas putida mt-2 KT2440. The influence of cultivation techniques (in liquid, on solid and membrane filter placed onto solid medium) in static ampoule systems on calorimetric detection was investigated. In particular, the effect of contamination level (initial bacterial cell number), substrate amount (nutrients and oxygen), and detection limits were systematically evaluated. In addition, microcalorimetric measurements of Legionella pneumophila ATCC 33152, a waterborne pathogen, were conducted for the first time. Heat flow profiles demonstrated that high contamination levels (> 1000 CFU) were detected within 24 h. Compared to detection times of up to 10 days by ISO 11731:2017, calorimetric detection can serve as an early warning system. With this knowledge, a uniquely manufactured micro(bio-)calorimetric test system was designed to meet the requirements for detecting bacterial contaminations. In particular, the sample vessel geometry and the operating temperature perfectly matched the microbiological analysis. Within this development work, numerical models were established to investigate the temperature distribution of selected compounds as well as the complete calorimetric system. Based on these models, modifications to the test system were numerically simulated in advance to improve the instrument's performance stepwise. This thesis presents the methodological principles and a calorimetric test system designed as an early warning and detection tool for microbiological samples.