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Quantifying functional gene populations: comparing gene abundance and corresponding enzymatic activity using denitrification and nitrogen fixation in pulp and paper mill effluent treatment systems

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Abstract:

The relationship between the abundance of three functional genes and their corresponding biochemical reaction rates was investigated in several activated sludge and mill effluent microbial communities. Gene probes were prepared for two key denitrification genes (nirS and nirK) and for one nitrogen-fixation gene (nifH) and were validated using a variety of strains of known nir and nif genotype. ATP-based measures of viable cell numbers were used to provide total population sizes. In certain microbial communities (activated sludge enrichment cultures and multiple samples taken from the same mill primary clarifier), a strong correlation was observed between gene abundance and biochemical activity rates. However, when comparing several different nonenriched activated sludge bioreactors and separate primary clarifier microbial communities, the ratio of specific gene abundance to biochemical activity rates varied widely. These results suggest that in cases where a microbial community is not fully induced for a given biochemical activity or when very different communities are compared, quantitative gene probing can give a better measure of a community's potential to carry out the encoded function than can the relevant biochemical assay. However, the gene quantitation method employed here probably underestimated the true number of probed genes present in the microbial communities due to nirS and nifH genes in the communities having reduced DNA sequence similarity with the probes used.Key words: denitrification, nitrogen fixation, quantitative hybridization, activated sludge, primary clarifier.

Nous avons examiné les liens existant entre l'abondance de trois gènes fonctionnels et la vitesse des réactions biochimiques correspondantes dans plusieurs communautés microbiennes de boues activées et d'effluents de papetières. Des sondes génétiques furent conçues pour des gènes clés de la dénitrification (nirS et nirK) et pour un gène de la fixation de l'azote (nifH), et furent validées à l'aide d'une panoplie de souches aux génotypes nir et nif connus. Des mesures de nombres de cellules viables se basant sur l'ATP ont été utilisées afin de procurer une estimation des tailles totales des populations. Dans certaines communautés microbiennes (cultures d'enrichissement de boues activées et échantillons multiples recueillis à partir d'un même clarificateur primaire de papetière), une forte corrélation a été observée entre l'abondance des gènes et les taux d'activités métaboliques. Toutefois, le rapport de l'abondance génétique spécifique sur les taux d'activité métabolique ont varié largement lorsque nous avons comparé divers bioréacteurs de boues non enrichies, ainsi que des communautés microbiennes de clarificateurs primaires de papetière distincts. Ces résultats nous indiquent que dans les cas où une activité biochimique n'est pas complètement induite chez une communauté bactérienne ou lorsque des communautés très différentes sont comparées, le sondage génétique quantitatif est d'avantage apte à fournir une mesure du potentiel d'une communauté à accomplir la fonction codée, que l'analyse biochimique pertinente. Cependant, la méthode de quantification des gènes employée ici a probablement sous-estimé le nombre véritable de gènes sondés présents dans la communauté microbienne, puisque les gènes nirS et nifH dans les communautés microbiennes avaient une similitude de séquence inférieure par rapport aux sondes utilisées.Mots clés : dénitrification, fixation de l'azote, hybridation quantitative, boues activées, clarificateur primaire.[Traduit par la Rédaction]

Keywords: activated sludge; boues activées; clarificateur primaire; denitrification; dénitrification; fixation de l'azote; hybridation quantitative; nitrogen fixation; primary clarifier; quantitative hybridization

Document Type: Research Article

Publication date: October 1, 2001

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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nrc/cjm/2001/00000047/00000010/art00006
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