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abstract: Rhodoferax antarcticus strain ANT.BR, a purple nonsulfur bacterium isolated from a microbial mat in Ross Island, Antarctica, is the first described anoxygenic phototrophic bacterium that is adapted to cold habitats and is the first beta-proteobacterium to undergo complete genome sequencing. R. antarcticus has unique absorption spectra and there are no obvious intracytoplasmic membranes in cells grown phototrophically, even under low light intensity. Analysis of the finished genome sequence reveals a single chromosome (3,809,266 bp) and a large plasmid (198,615 bp) that together harbor 4,262 putative genes. The genome contains two types of Rubiscos, Form IAq and Form II, which are known to exhibit quite different kinetic properties in other bacteria. The presence of multiple Rubisco forms could give R. antarcticus high metabolic flexibility in diverse environments. Annotation of the complete genome sequence along with previous experimental results predict the presence of structural genes for three types of light-harvesting (LH) complexes, LH I (B875), LH II (B800/850), and LH III (B800/820). There is evidence that expression of genes for the LH II complex might be inhibited when R. antarcticus is under low temperature and/or low light intensity. These interesting condition-dependent light-harvesting apparatuses and the control of their expression are very valuable for the further understanding of photosynthesis in cold environments. Finally, R. antarcticus exhibits a highly motile lifestyle. The genome content and organization of all putative polar flagella genes are characterized and discussed. / Dissertation/Thesis / M.S. Molecular and Cellular Biology 2011

Abundance and diversity of microbial phototrophic communities (cyanobacteria and eukaryotic microalgae) were investigated at two localities in main mountain ranges of Ladakh (Tibetan Plateau and Eastern Karakoram), India. Samples were collected along a two representative altitudinal gradients at each locality (E Karkoram 4620 - 5100 m asl., Tibetan Plateau 5346 - 5833 m asl.) in alpine and subnival zones in the vicinity of cushion plant Thylacospermum caespitosum (Caryophyllaceae). At each altitude 6 soil samples were taken from below cushion and 6 samples from outside the cushion. The epifluorescent microscopy and DGGE-method were used to determine diversity and biomass of phototrophs in the studied soils. Physico-chemical analyses (pH, texture, organic matter, nitrogen, ammonia and phosphorus content, concentration of chlorophylls and carotenoids) were also performed on the samples. The effect of altitude, mountain ranges and T. caespitosum on the composition and biomass of phototrophs and physico-chemical parameters of soil was tested by multivariate redundancy analysis and variance partitioning procedure. This study shows that the semiarid and arid soil of high elevation in Ladakh Mts. is suitable place for the development of microbial phototrophic communities and is important part of the ecosystem. The...

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A remoção de compostos sulfurosos (sulfeto/sulfato) de águas residuárias tem grande importância para a saúde humana e para o ambiente. A biorremediação desses compostos, através da utilização de bactérias fototróficas anoxigênicas apresenta-se como alternativa viável ecológica e economicamente. Neste projeto de pesquisa realizaram-se ensaios em reatores em batelada expostos à iluminação fluorescente, com a finalidade de avaliar a utilização de sulfeto por cultura enriquecida de sulfubactérias fototróficas verdes, proveniente de sedimento de lagoa de estabilização. A avaliação da utilização de sulfeto e os resultados da cinética de crescimento da cultura visam a possibilidade de aplicação das bactérias fototróficas anoxigênicas no tratamento de águas residuárias. Na avaliação cinética de crescimento da cultura enriquecida de sulfubactérias fototróficas verdes foi verificado diminuição na velocidade de crescimento de 0,0346 h-1 para 0,0035 h-1 com o aumento da concentração inicial de sulfeto de 11,4 para 529,6 mg-S/L, respectivamente. O tempo de geração apresentou comportamento crescente com valores iguais a 19,98 h e 119,18 h, respectivamente. Os valores do coeficiente de conversão de sulfeto relativo ao crescimento de microrganismos (Yx/s), apresentaram diminuição progressiva com o aumento da concentração inicial de sulfeto, sendo esta queda mais acentuada no intervalo de concentrações de 40,5 a 147,2 mg-S/L. / The removal of sulphur compounds (sulfide/sulfate) from wastewaters is very important for human and for the environmental. The bioremediation of these compounds, applying anoxigenic phototrophic bacteria has been presented as a possible alternative. The aim of this work is to evaluate the utilization of sulfide by the enrichment of green sulphur bacteria proceeding from stabilization pond sediment, through the realization of batch reactors assays, which are exposed to fluorescent ilumination. The determination of the sulfide utilization and the results of the kinetic growth were done to clarify the possibility of the application of anoxigenic phototrophic bacteria in the wasterwater systems. In kinetic experiments it was observed that the specific rate of bacterial growth changed from 0.0346 h-1 to 0.0035 h-1. Then the initial sulfide concentration was increased form 11.4 mg-S/L to 529.6 mg-L. The doubling time showed an increase from 19.98 h to 119.18 h. The sulfide conversion to microorganism biomass (Yx/s) progressively decrease with the increase of sulfide concentration. Such a decrease was higher in between sulfide concentrations of 40.5 mg-S/L to 147.2 mg-S/L.

As necessidades de energia global são, na sua maioria, dependentes de combustíveis fósseis. Hidrogênio é uma energia limpa alternativa a esses combustíveis fósseis. Bactérias fototróficas produzem hidrogênio a partir de compostos orgânicos por meio de processo anaeróbio dependente de luz. Assim, este trabalho visou avaliar o efeito das concentrações iniciais de ácido acético e biomassa, e a influência da intensidade luminosa, na produção de hidrogênio por bactéria fototrófica púrpura não-sulfurosa. Foram utilizados reatores em batelada de 2000 mL, com volume útil de 1000 mL e headspace de 1000 mL preenchido com hélio. Nos reatores foi adicionado ácido acético e glutamato de sódio (0,8 mmol/L) como fontes de carbono e nitrogênio, respectivamente, e cultura de bactéria fototrófica púrpura não-sulfurosa previamente purificada. O aumento da concentração inicial de ácido acético de 10 mmol/L para 17 mmol/L não promoveu mudanças significativas tanto no crescimento celular, quanto, na produção de hidrogênio (8,3 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h e 8,8 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h, respectivamente), para intensidade luminosa de 9000 - 10.000 lux. Nessa mesma intensidade luminosa, o aumento da concentração de biomassa inicial de 0,02 g/L para 0,04 g/L favoreceu o aumento da produção de hidrogênio de 8,8 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h para 10,6 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h, respectivamente. A produção de hidrogênio diminuiu acentuadamente de 10,6 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h para 1,0 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h com a diminuição da intensidade luminosa de 9000 - 10.000 lux para 4000 - 5000 lux. Na ausência de luz não ocorreu crescimento e produção de hidrogênio. A cultura manteve-se predominantemente avermelhada e as análise microscópicas mostraram a predominância de bacilos curvos, gram-negativos, aglomerados em formações de roseta; características típicas de alguns gêneros de bactérias fototróficas púrpuras não-sulfurosas. Todos os ensaios foram realizados à temperatura de 30 \'+ OU -\' 1 grau Celsius. A análise da estrutura da comunidade microbiana foi realizada por reação de polimerização em cadeia (PCR) de fragmentos de gene RNAr 16S, seguida de eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE), e revelou que não houve variações relevantes na estrutura das populações microbianas em função das diferentes condições de cultivo. / The global energy requirements are mostly dependent on fossil fuels. Hydrogen is a clean energy alternative to these fuels. Phototrophic bacteria produce hydrogen from organic compounds by an anaerobic light-dependent electron transfer process. Therefore, this study aimed at to evaluate the effect of the initial concentrations of acetic acid and biomass, and the influence of the light intensity on hydrogen production by purple non-sulfur phototrophic bacteria. The experiments were performed in batch operation, in reactors of 2000 mL, with culture volume of 1000 mL and headspace of 1000 mL, filled with helium. Acetic acid and sodium glutamate (0.8 mmol/L) were used as sources of carbon and nitrogen, respectively, and culture of purple non-sulfur phototrophic bacteria previously purifided. The increase of the initial acetic acid concentration from 10 mmol/L to 17 mmol/L did not promote significant changes in the cell growth and in the hydrogen production (8.3 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h and 8.8 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h, respectively), under a light intensity of 9000 - 10,000 lux. In this same light intensity, the increase of the initial biomass concentration from 0.02 g/L to 0.04 g/L resulted in an increase in the hydrogen production from 8.8 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h to 10.6 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h, respectively. The hydrogen production suddenly decreased from 10.6 mL \'H IND.2\'/g dry weigh.h to 1.0 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h with the reduction of the light intensity from 9000 - 10,000 lux to 4000 - 5000 lux. Hydrogen production was not observed in absence of light. The culture remained predominantly purple and the microscopic analysis showed the predominance of rod-shaped cells, gram-negative, accumulated in formation of rosettes; typical characteristics of some types of purple non-sulfur phototrophic bacteria. The analysis of the structure of the microbial community was carried out by reaction of polymerization in chain (PCR) of the RNAr 16S, followed of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and reveled that the structure of the microbial populations did not change significantly in function of the different conditions of culture.

A remoção de compostos sulfurosos (sulfeto/sulfato) de águas residuárias tem grande importância para a saúde humana e para o ambiente. A biorremediação desses compostos, através da utilização de bactérias fototróficas anoxigênicas apresenta-se como alternativa viável ecológica e economicamente. Neste projeto de pesquisa realizaram-se ensaios em reatores em batelada expostos à iluminação fluorescente, com a finalidade de avaliar a utilização de sulfeto por cultura enriquecida de sulfubactérias fototróficas verdes, proveniente de sedimento de lagoa de estabilização. A avaliação da utilização de sulfeto e os resultados da cinética de crescimento da cultura visam a possibilidade de aplicação das bactérias fototróficas anoxigênicas no tratamento de águas residuárias. Na avaliação cinética de crescimento da cultura enriquecida de sulfubactérias fototróficas verdes foi verificado diminuição na velocidade de crescimento de 0,0346 h-1 para 0,0035 h-1 com o aumento da concentração inicial de sulfeto de 11,4 para 529,6 mg-S/L, respectivamente. O tempo de geração apresentou comportamento crescente com valores iguais a 19,98 h e 119,18 h, respectivamente. Os valores do coeficiente de conversão de sulfeto relativo ao crescimento de microrganismos (Yx/s), apresentaram diminuição progressiva com o aumento da concentração inicial de sulfeto, sendo esta queda mais acentuada no intervalo de concentrações de 40,5 a 147,2 mg-S/L. / The removal of sulphur compounds (sulfide/sulfate) from wastewaters is very important for human and for the environmental. The bioremediation of these compounds, applying anoxigenic phototrophic bacteria has been presented as a possible alternative. The aim of this work is to evaluate the utilization of sulfide by the enrichment of green sulphur bacteria proceeding from stabilization pond sediment, through the realization of batch reactors assays, which are exposed to fluorescent ilumination. The determination of the sulfide utilization and the results of the kinetic growth were done to clarify the possibility of the application of anoxigenic phototrophic bacteria in the wasterwater systems. In kinetic experiments it was observed that the specific rate of bacterial growth changed from 0.0346 h-1 to 0.0035 h-1. Then the initial sulfide concentration was increased form 11.4 mg-S/L to 529.6 mg-L. The doubling time showed an increase from 19.98 h to 119.18 h. The sulfide conversion to microorganism biomass (Yx/s) progressively decrease with the increase of sulfide concentration. Such a decrease was higher in between sulfide concentrations of 40.5 mg-S/L to 147.2 mg-S/L.

As necessidades de energia global são, na sua maioria, dependentes de combustíveis fósseis. Hidrogênio é uma energia limpa alternativa a esses combustíveis fósseis. Bactérias fototróficas produzem hidrogênio a partir de compostos orgânicos por meio de processo anaeróbio dependente de luz. Assim, este trabalho visou avaliar o efeito das concentrações iniciais de ácido acético e biomassa, e a influência da intensidade luminosa, na produção de hidrogênio por bactéria fototrófica púrpura não-sulfurosa. Foram utilizados reatores em batelada de 2000 mL, com volume útil de 1000 mL e headspace de 1000 mL preenchido com hélio. Nos reatores foi adicionado ácido acético e glutamato de sódio (0,8 mmol/L) como fontes de carbono e nitrogênio, respectivamente, e cultura de bactéria fototrófica púrpura não-sulfurosa previamente purificada. O aumento da concentração inicial de ácido acético de 10 mmol/L para 17 mmol/L não promoveu mudanças significativas tanto no crescimento celular, quanto, na produção de hidrogênio (8,3 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h e 8,8 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h, respectivamente), para intensidade luminosa de 9000 - 10.000 lux. Nessa mesma intensidade luminosa, o aumento da concentração de biomassa inicial de 0,02 g/L para 0,04 g/L favoreceu o aumento da produção de hidrogênio de 8,8 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h para 10,6 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h, respectivamente. A produção de hidrogênio diminuiu acentuadamente de 10,6 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h para 1,0 mL \'H IND.2\'/g massa seca.h com a diminuição da intensidade luminosa de 9000 - 10.000 lux para 4000 - 5000 lux. Na ausência de luz não ocorreu crescimento e produção de hidrogênio. A cultura manteve-se predominantemente avermelhada e as análise microscópicas mostraram a predominância de bacilos curvos, gram-negativos, aglomerados em formações de roseta; características típicas de alguns gêneros de bactérias fototróficas púrpuras não-sulfurosas. Todos os ensaios foram realizados à temperatura de 30 \'+ OU -\' 1 grau Celsius. A análise da estrutura da comunidade microbiana foi realizada por reação de polimerização em cadeia (PCR) de fragmentos de gene RNAr 16S, seguida de eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE), e revelou que não houve variações relevantes na estrutura das populações microbianas em função das diferentes condições de cultivo. / The global energy requirements are mostly dependent on fossil fuels. Hydrogen is a clean energy alternative to these fuels. Phototrophic bacteria produce hydrogen from organic compounds by an anaerobic light-dependent electron transfer process. Therefore, this study aimed at to evaluate the effect of the initial concentrations of acetic acid and biomass, and the influence of the light intensity on hydrogen production by purple non-sulfur phototrophic bacteria. The experiments were performed in batch operation, in reactors of 2000 mL, with culture volume of 1000 mL and headspace of 1000 mL, filled with helium. Acetic acid and sodium glutamate (0.8 mmol/L) were used as sources of carbon and nitrogen, respectively, and culture of purple non-sulfur phototrophic bacteria previously purifided. The increase of the initial acetic acid concentration from 10 mmol/L to 17 mmol/L did not promote significant changes in the cell growth and in the hydrogen production (8.3 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h and 8.8 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h, respectively), under a light intensity of 9000 - 10,000 lux. In this same light intensity, the increase of the initial biomass concentration from 0.02 g/L to 0.04 g/L resulted in an increase in the hydrogen production from 8.8 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h to 10.6 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h, respectively. The hydrogen production suddenly decreased from 10.6 mL \'H IND.2\'/g dry weigh.h to 1.0 mL \'H IND.2\'/g dry weight.h with the reduction of the light intensity from 9000 - 10,000 lux to 4000 - 5000 lux. Hydrogen production was not observed in absence of light. The culture remained predominantly purple and the microscopic analysis showed the predominance of rod-shaped cells, gram-negative, accumulated in formation of rosettes; typical characteristics of some types of purple non-sulfur phototrophic bacteria. The analysis of the structure of the microbial community was carried out by reaction of polymerization in chain (PCR) of the RNAr 16S, followed of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and reveled that the structure of the microbial populations did not change significantly in function of the different conditions of culture.

O objetivo deste trabalho foi enriquecer consórcio microbiano a partir de mistura de lodo granular de digestor anaeróbio de fluxo ascendente sob condições fototróficas anoxigênicas. Por meio de técnica de biologia molecular foi possível identificar 17 unidades taxonômicas operacionais (UTO) no consórcio microbiano, dentre as quais seqüências similares a Rhodobacter, gênero amplamente citado nos estudos de produção de gás hidrogênio por bactérias fototróficas. Exames microscópicos do consórcio fototrófico indicaram predomínio de bacilos Gram-negativos. Ensaios sob condições fototróficas foram realizados com dois meios de cultivo (RCVB e FANG) e os seguintes substratos orgânicos: ácido acético, butírico, cítrico, lático e málico, empregados como fonte de carbono, tanto para o crescimento celular, como para a produção do gás hidrogênio. A relação C/N inicial foi 30/4 e posteriormente 15/2, com o objetivo de favorecer o crescimento celular e a produção do \'H IND.2\'. A concentração dos substratos foi determinada de forma com que essa relação se mantivesse a mesma. O crescimento celular e consumo dos ácidos orgânicos foram similares para os dois meios de cultivo empregados. Entretanto, a produção do gás hidrogênio foi maior nos ensaios com o meio FANG. Dentre os substratos utilizados o consumo dos ácidos cítrico e málico foram os maiores (~100%), para concentrações iniciais de 3,3 g/L e 2,6 g/L, respectivamente. O menor consumo 25% foi observado em meio RCVB e ácido acético (2,5 g/L). O crescimento da biomassa variou de 0,06 g/L a 1,1 g/L, enquanto que a velocidade máxima específica de crescimento variou de 0,4 a 0,2 g SSV/L.d entre os substratos utilizados. A menor e maior concentração de hidrogênio foram de 8,5 e 22 mmol \'H IND.2\'/L, para os reatores alimentados com ácido lático e málico em meio FANG, respectivamente. Pôde-se concluir que o consórcio fototrófico enriquecido foi capaz de utilizar os ácidos orgânicos para produção do gás hidrogênio. / The aim of this work was enrich a mixture of granular sludge of an up flow anaerobic sludge blanket (UASB) under anoxygenic phototrophic conditions. The techniques of molecular biology identified 17 operational taxonomic units (UTO) in the microbial consortium among the sequences analised, which were similar to Rhodobacter, genus widely cited in studies of hydrogen gas production by phototrophic bacteria. Microscopic examinations of the phototrophic consortium showed predominance of Gram-negative bacilli. Tests were conducted under phototrophic conditions with two culture media (RCVB and FANG) and the following organic substrates: acetic, butyric, citric, lactic and malic acids that were used as carbon source for both cell growth and for the hydrogen gas production. The carbon nitrogen ratio (C/N) in the preliminaries tests was 30/4 and then it was changed to15/2 in order to improve the cell growth and hydrogen production. The concentration of substrates was determined for remain the same carbon/nitrogen ratio among the substrates. The cell growth and consumption of organic acids were similar for the two culture media used. However, the production of hydrogen gas was higher in trials with the medium FANG. Among the substrates used, the consumption of malic and citric acids were the highest (~100%) for initial concentrations of 3.3 g/L and 2.6 g/L, respectively. The shortest consumption (25%) was observed for the cells that grew on acetic acid, 2.5 g/L in RCVB culture medium. The growth of the biomass varied from 0.06 g/L to 1.1 g/L, whereas the maximum specific growth rate ranged from 0.4 to 0.2 g VSS/L.d between the substrates used. The lowest and highest concentrations of hydrogen were 8.5 and 22 mmol \'H IND.2\'/L for the reactor fed with lactic acid and malic acid in FANG\'s medium, respectively. It was concluded that the phototrophic consortium was able to use those organic acids for the production of hydrogen gas.