Two hollow fiber membrane biofilm reactors (HF-MBfRs) were operated for autotrophic nitrification and hydrogenotrophic denitrification for over 300 days. Oxygen and hydrogen were supplied through the hollow fiber membrane for nitrification and denitrification, respectively. During the period, the nitrogen was removed with the efficiency of 82-97% for ammonium and 87-97% for nitrate and with the nitrogen removal load of 0.09-0.26 kg NH4+-N/m3/d and 0.10-0.21 kg NO3--N/m3/d, depending on hydraulic retention time variation by the two HF-MBfRs for autotrophic nitrification and hydrogenotrophic denitrification, respectively. Biofilms were collected from diverse topological positions in the reactors, each at different nitrogen loading rates, and the microbial communities were analyzed with partial 16S rRNA gene sequences in denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Detected DGGE band sequences in the reactors were correlated with nitrification or denitrification. The profile of the DGGE bands depended on the NH4+ or NO3- loading rate, but it was hard to find a major strain affecting the nitrogen removal efficiency. Nitrospira-related phylum was detected in all biofilm samples from the nitrification reactors. Paracoccus sp. and Aquaspirillum sp., which are an autohydrogenotrophic bacterium and an oligotrophic denitrifier, respectively, were observed in the denitrification reactors. The distribution of microbial communities was relatively stable at different nitrogen loading rates, and DGGE analysis based on 16S rRNA (341f /534r) could successfully detect nitrate-oxidizing and hydrogen-oxidizing bacteria but not ammonium-oxidizing bacteria in the HF-MBfRs.
Liming of acidic soils can prevent aluminum toxicity and improve crop production. Some maize lines show aluminum (Al) tolerance, and exudation of organic acids by roots has been considered to represent an important mechanism involved in the tolerance. However, there is no information about the impact of liming on the structures of bacterial and fungal communities in Cerrado soil, nor if there are differences between the microbial communities from the rhizospheres of Al-tolerant and Al-sensitive maize lines. This study evaluated the effects of liming on the structure of bacterial and fungal communities in bulk soil and rhizospheres of Al-sensitive and Al-tolerant maize (Zea mays L.) lines cultivated in Cerrado soil by PCR-DGGE, 30 and 90 days after sowing. Bacterial fingerprints revealed that the bacterial communities from rhizospheres were more affected by aluminum stress in soil than by the maize line (Al-sensitive or Al-tolerant). Differences in bacterial communities were also observed over time (30 and 90 days after sowing), and these occurred mainly in the Actinobacteria. Conversely, fungal communities from the rhizosphere were weakly affected either by liming or by the rhizosphere, as observed from the DGGE profiles. Furthermore, only a few differences were observed in the DGGE profiles of the fungal populations during plant development when compared with bacterial communities. Cloning and sequencing of 16S rRNA gene fragments obtained from dominant DGGE bands detected in the bacterial profiles of the Cerrado bulk soil revealed that Actinomycetales and Rhizobiales were among the dominant ribotypes.
In this study, we investigated the microbial flora changes in Gugija-Liriope tuber Makgeolli during fermentation and storage periods. We brewed Gugija-Liriope tuber Makgeolli for a week through twostage fermentations and stored the fermentation broth for a month at $4^{\circ}C$ or $20^{\circ}C$. We collected the samples periodically and analyzed microbial flora changes using viable cell counts and PCR-denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Yeast viable cells were seen to have decreased to 13% of pre-storage levels after storage for 15 days at $20^{\circ}C$; however significant changes were not observed during storage at $4^{\circ}C$. Prolongation of storage time dramatically decreased the availability of viable cells. Yeast viable cell numbers had decreased to 38% of pre-storage levels at $4^{\circ}C$ and 4.8% at $20^{\circ}C$ after storage for 30 days. The results of the DGGE profile for yeast showed that Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces sp. were the predominant strains at the beginning of fermentation and throughout the whole period of storage. Viable cell counts for total bacteria had decreased to 36% of pre-storage levels after storage for 15 days but did not significantly change for the full 30 days of storage at $4^{\circ}C$. Similarly, viable cell counts for bacteria had decreased to 5% while viable cell numbers did not significantly change for the full 30 days at $20^{\circ}C$. Viable cell counts for lactic acid bacteria were performed and the results were similar to those for total bacteria. The results of the DGGE profile for bacteria showed that Weissella cibaria was the predominant strain at the beginning of fermentation. However it had disappeared by the end of fermentation, and Lactobacillus fermentum and Pediococcus acidilactici became the predominant species during storage.
This review inquired the recently applied molecular biological and biochemical methods analyzing the microbial community structure of groundwater and, as a result, summarized the functional or taxonomic groups of active microorganisms with major contaminants in groundwater. The development of gene amplification through PCR has been possible to figure out microbial population and identification. Active microbial community structures have been analyzed using a variety of fingerprinting techniques such as DGGE, SSCP, RISA, and microarray and fatty acid analyses such as PLFA and FAME, and the activity of a specific strain has been examined using FISH. Also, this review included the dominant microflora in groundwater contaminated with fuel components such as n-alkanes, BTEX, MTBE, and ethanol and chlorinated compounds such as TCE, PCE, PCB, CE, carbon tetrachloride, and chlorobenzene.
Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) is one of the most frequently used methods for analysis of soil microbial community structure. Unbiased PCR amplification of target DNA templates is crucial for efficient detection of multiple microbial populations mixed in soil. In this study, DGGE profiles were compared using different pairs of primers targeting different hypervariable regions of thirteen representative soil bacteria and clones. The primer set (1070f-1392r) for the E. coli numbering 1,071-1,391 region could not resolve all the 16S rDNA fragments of the representative bacteria and clones, and moreover, yielded spurious bands in DGGE profiles. For the E. coli numbering 353-514 region, various forward primers were designed to investigate the efficiency of PCR amplification. A degenerate forward primer (F357IW) often yielded multiple bands for a certain single 16S rDNA fragment in DGGE analysis, whereas nondegenerate primers (338f, F338T2, F338I2) differentially amplified each of the fragments in the mixture according to the position and the number of primer-template mismatches. A forward primer (F352T) designed to have one internal mismatch commonly with all the thirteen 16S rDNA fragments efficiently produced and separated all the target DNA bands with similar intensities in the DGGE profiles. This primer set F352T-519r consistently yielded the best DGGE banding profiles when tested with various soil samples. Touchdown PCR intensified the uneven amplification, and lowering the annealing temperature had no significant effect on the DGGE profiles. These results showed that PCR amplification bias could be much improved by properly designing primers for use in fingerprinting soil bacterial communities with the DGGE technique.
BACKGROUND: Soybean [Glycine max (L.) Merrill] is a legume and an important oil crop worldwide. This study was conducted to evaluate the possible impact of transgenic soybean cultivation on the soil microbial community. METHODS AND RESULTS: Microorganisms were isolated from the rhizosphere soils. Microbial community was identified based on the culture-dependent and molecular biology methods. The total numbers of bacteria, fungi, and actinomycete in the rhizosphere soils cultivated with transgenic and non-transgenic soybeans were similar to each other, and there was no significant difference between transgenic and non-transgenic soybeans. Dominant bacterial phyla in the rhizosphere soils cultivated with transgenic or non-transgenic soybeans were Actinobacteria, Firmicutes, and Proteobacteria. The microbial communities in transgenic and non-transgenic soybean soils were characterized using the denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). The DGGE profiles showed the different patterns, but didn't show significant difference to each other at 0.05 significance level. DNAs were isolated from soils cultivating transgenic or non-transgenic soybeans and analyzed for persistence of transgenes in the soil by using PCR. PCR analysis revealed that there were no amplified ${\gamma}$-tmt and bar gene in soil DNA. CONCLUSION(S): The results of this study suggested that microbial community of soybean field were not significantly affected by cultivation of the transgenic soybeans.
It was characterized the hexane biodegradation and mineralization using a hexane-degrading consortium, and analyzed its bacterial community structure by 16S rDNA PCR-DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis). The specific growth rate (${\mu}_{max}$) of the hexane-degrading consortium was 0.2 $h^{-1}$ in mineral salt medium supplemented with hexane as a sole carbon source. The maximum degradation rate ($V_{max}$) and saturation constant ($K_{s}$) of hexane of the consortium are 460 ${\mu}mol{\cdot}g-DCW^{-1}{\cdot}h^{-1}$ and 25.87 mM, respectively. In addition, this consortium could mineralize $49.1{\%}$ of $^{14}C$-hexane to $^{14}CO_2$, and $43.6{\%}$ of $^{14}C$-hexane) was used for the growth of biomass. The clones isolated from the DGGE bands were closely related to the bacteria which were capable of degrading pollutants such as oil, biphenyl, PCE, and waste gases. The hexane-degrading consortium obtained in this study can be applied for the biological treatment of hexane.
Changes in the bacterial populations of a 5-stage biological nutrient removal (BNR) process, with a step feed system for wastewater treatment, were monitored by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of PCR-amplified 16S ribosomal DNA fragments. DGGE analysis indicated seasonal community changes were observed, however, community profiles of the total bacteria of each reactor showed only minor differences in the samples obtained from the same season. The number of major bands was higher in the summer samples, and decreased during the winter period, indicating that the microbial community structure became simpler at low temperatures. Since the nitrogen and phosphate removal efficiencies were highly maintained throughout the winter operation period, the bacteria which still remaining in the winter sample can be considered important, playing a key role in the present 5-stage BNR sludge. The prominent DGGE bands were excised, and sequenced to gain insight into the identities of the predominant bacterial populations present, and most were found to not be closely related to previously characterized bacteria. These data suggest the importance of culture-independent methods for the quality control of wastewater treatment.
Symbiobacterium toebii has been reported as a thermophile exhibiting a commensal interaction with Geobacillus toebii. The distribution of the commensal thermophiles in various soils was investigated using a denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Based on the DGGE analysis, the enrichment condition for the growth of Symbiobacterium sp. was found to also enrich populations of several other microbial spp. as well as Symbiobacterium sp. In the enrichment experiment, several different 16S rDNA sequences of commensal thermophiles were detected in all of the soil samples tested, indicating that commensal thermophiles are widely distributed in various soils.
In this study, the identity and distribution of plants and the structure of their associated rhizobacterial communities were examined in an oil-contaminated site. The number of plant species that formed a community or were scattered was 24. The species living in soil highly contaminated with total petroleum hydrocarbon (TPH) (9,000-4,5000 mg/g-soil) were Cynodon dactylon, Persicaria lapathifolia, and Calystegia soldanella (a halophytic species). Among the 24 plant species, the following have been known to be effective for oil removal: C. dactylon, Digitaria sanguinalis, and Cyperus orthostachyus. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) profile analysis showed that the following pairs of plant species had highly similar (above 70%) rhizobacterial community structures: Artemisia princeps and Hemistepta lyrata; C. dactylon and P. lapathifolia; Carex kobomugi and Cardamine flexuosa; and Equisetum arvense and D. sanguinalis. The major groups of rhizobacteria were Beta-proteobacteria, Gamma-proteobacteria, Chloroflexi, Actinobacteria, and unknown. Based on DGGE analysis, P. lapathifolia, found for the first time in this study growing in the presence of high TPH, may be a good species for phytoremediation of oil-contaminated soils and in particular, C. soldanella may be useful for soils with high TPH and salt concentrations. Overall, this study suggests that the plant roots, regardless of plant species, may have a similar influence on the bacterial community structure in oil-contaminated soil.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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