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Analyses of microbial activity in biomass-recycle reactors using denaturing gradient gel electrophoresis of 16S rDNA and 16S rRNA PCR products

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Abstract:

The relationship between mixed microbial community structure and physiology when grown under substrate-limited conditions was investigated using continuous-flow bioreactors with 100% biomass recycle. Community structure was analyzed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of the PCR and RT-PCR amplified V3 region of 16S rDNA and 16S rRNA templates, respectively. Comparisons were made of communities exposed to different types of transient conditions (e.g., long- and short-term starvation, increasing nutrients). With progressively more stringent substrate limitation over time, the specific content of community RNA declined by more than 10-fold and closely followed the decline in specific growth rate. In contrast, the DNA content was variable (up to 3-fold differences) and did not follow the same trend. Cluster analysis of the presence or absence of individual bands indicated that the fingerprints generated by the two templates were different, and community response was first observed in the rRNA fraction. However, both the rDNA and rRNA fingerprints provided a picture of temporal population dynamics. Dice similarity coefficients gave a quantitative measure of the differences and changes between the communities. In comparison, standard cultivation techniques yielded only a quarter of the phylotypes detected by DGGE, but included the most dominant population based on rRNA. Nucleotide-sequence analyses of the almost complete 16S rRNA genes of these isolates place them in the same group of organisms that is typically cultivated from environmental samples: α, , and  Proteobacteria and the high GC and the low GC Gram-positive divisions.Key words: 16S rRNA, DGGE, community analysis, biomass-recycle reactor.

Nous avons évalué les relations entre l'organisation d'une population microbienne mixte et ses propriétés physiologiques dans des cultures limitées en substrats. Les cultures ont été faites dans des bioréacteurs en flux continu capables de recycler 100% de la biomasse. La structure de la communauté microbienne a été évaluée par électrophorèse dans un gradient de gel dénaturant (DGGE) des composés de la région V3 amplifiée par PCR et RT-PCR de matrices d'ADN16Sr et d'ARN16Sr respectivement. Les comparaisons ont été faites sur des populations placées dans diverses conditions passagères (e.g. jeûne à court et à long terme et augmentation des nutriments). Conséquemment à une augmentation progressive de la limitation en substrats, le contenu spécifique de l`ARN de la population a diminué de plus de 10 fois et ce phénomène se juxtaposait avec la diminution du taux de la croissance spécifique. Par contre, le contenu en ADN variait (jusqu'à des différences de 3 fois) et ne suivait pas la même tendance. Des analyses de regroupement basées sur la présence ou l'absence de bandes individuelles ont indiqué que les empreintes générées par les deux matrices étaient différentes et que la réponse de la communauté microbienne était d'abord observée avec la fraction ARNr. Par contre, les empreintes d'ADNr et d'ARNr ont fourni une description de la dynamique temporelle des populations. Des coefficients de similitude ont permis d'obtenir une mesure quantitative des différences et des changements dans les populations. Par comparaison, les techniques habituelles de culture ont révélé seulement le quart des phylotypes détectés par DGGE, mais on y retrouve les populations les plus dominantes d`après l'ARNr. Des analyses de la séquence des nucléotides des gènes de l'ARNr16S presque complets de ces isolats ont permis de les classer dans le même groupe d'organismes qui à la culture sont typiques d'échantillons environnementaux : Protéobactéries α,  et , et les groupes d'organismes à Gram positif ayant un GC élevé et ceux ayant un GC faible.Mots-clés : ARNr16S, analyse d'une communauté microbienne, réacteur de recyclage de la biomasse.[Traduit par la Rédaction]

Keywords: 16S rRNA; DGGE; biomass-recycle reactor; community analysis

Document Type: Research Article

Publication date: April 1, 2002

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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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