Microbial community shifts, associated with performance data, were investigated in an anaerobic batch digester treating high-solid food waste under mesophilic conditions using, a combination of molecular techniques and chemical analysis methods. The batch process was successfully operated with an organic removal efficiency of 44.5% associated with a biogas yield of 0.82 L/g $VS_{removal}$. Microbial community structures were examined by denaturing gel gradient electrophoresis. Clostridium and Symbiobacterium organisms were suggested to be mainly responsible for the organic matter catabolism in hydrolysis and acidogenesis reactions. The dynamics of archaeal and methanogenic populations were monitored using real-time PCR targeting 16S rRNA genes. Methanosarcina was the predominant methanogen, suggesting that the methanogenesis took place mainly via an aceticlastic pathway. Hydrogenotrophic methanogens were also supported in high-solid anaerobic digestion of food waste through syntrophism with syntrophic bacterium. Microbial community shifts showed good agreement with the performance parameters in anaerobic digestion, implying the possibility of diagnosing a high-solid anaerobic digestion process by monitoring microbial community shifts. On the other hand, the batch results could be relevant to the start-up period of a continuous system and could also provide useful information to set up a continuous operation.
Leaves of Aloe vera Linne and bloods of domestic animal were composted in a soild state fermentation reactor (SSFR) by using microbial additive including a bulking and moisture controlling agent. From solid-culture of microbial additive, 10 species of bacteria and 10 species of fungi were isolated and, their enzyme activities including amylase, carboxy methyl cellulase CMCase, lipase and protease were detected. Optimum fermentation conditions of Aloe leaves and domestic animal bloods in SSFR were obtained from the studies of response surface analysis employing microbial additive content, initial moisture content, and fermentation temperature as the independent variables. The optimum conditions for SSFR using Aloe leaves were obtained at 9.45$\pm$73%(w/w) of microbial additives, 62.73$\pm$4.54%(w/w) of initial moisture content and 55.32$\pm$3.14$^{\circ}C$ of fermentation temperature while those for SSFR using domestic animal bloods were obtained at 10.25$\pm$2.04%, 58.68$\pm$4.97% and 57.85$\pm$5.$65^{\circ}C$, respectively. Composting process in SSFR was initially proceeded through fermentation and solid materials were decomposed within 24 hours by maintaining higher moisture level, and maturing and drying steps are followed later. After the fermentation step, the concentrations of solid phase inorganic components were increased while that of organic components were decreased. Also, concentrations of total organic carbon(TOC), peptides, amino acids, polysaccharides, and low fatty acids in water extracts were increased. As fermentation in composting process depends on initial C/N ratios in water extracts of two samples were increased because of increased water-soluble TOC. From these results, it was revealed that solid state fermentation reactor using microbial additives can be used in composting process of organic wastes with broad C/N ratio.
Jang, Ja Yeong;Baek, Seul Gi;Choi, Jung-Hye;Kim, Sosoo;Kim, Jeomsoon;Kim, Da-Woon;Yun, Sung-Hwan;Lee, Theresa
The Plant Pathology Journal
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v.35
no.6
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pp.543-552
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2019
Fusarium asiaticum of the F. graminearum species complex causes head blight in small-grain cereals. The nivalenol (NIV) chemotypes of F. asiaticum is more common than the deoxynivalenol (DON) chemotypes of F. asiaticum or F. graminearum in Korea. To understand the prevalence of F. asiaticum-NIV in Korean cereals, we characterized the biological traits of 80 cereal isolates of F. asiaticum producing NIV or 3-acetyl-deoxynivalenol (3-ADON), and 54 F. graminearum with 3-ADON or 15-acetyl-deoxynivalenol (15-ADON). There was no significant difference in mycelial growth between the chemotypes, but F. asiaticum isolates grew approximately 30% faster than F. graminearum isolates on potato dextrose agar. Sexual and asexual reproduction capacities differed markedly between the two species. Both chemotypes of F. graminearum (3-ADON and 15-ADON) produced significantly higher numbers of perithecia and conidia than F. asiaticum-NIV. The highest level of mycotoxins (sum of trichothecenes and zearalenone) was produced by F. graminearum-3-ADON on rice medium, followed by F. graminearum-15-ADON, F. asiaticum-3-ADON, and F. asiaticum-NIV. Zearalenone levels were correlated with DON levels in some chemotypes, but not with NIV levels. Disease assessment on barley, maize, rice, and wheat revealed that both F. asiaticum and F. graminearum isolates were virulent toward all crops tested. However, there is a tendency that virulence levels of F. asiaticum-NIV isolates on rice were higher than those of F. graminearum isolates. Taken together, the phenotypic traits found among the Korean F. asiaticum-NIV isolates suggest an association with their host adaptation to certain environments in Korea.
Calliandra calothyrsus preserved in silage is an alternative method for improving the crude protein content of feeds for sustainable ruminant production. The aim of this research was to evaluate the quality of silage which contained different levels of C. calothyrsus by examining the fermentation characteristics and microbial diversity. Silage was made in a completely randomized design consisting of five treatments with three replications i.e.: R0, Pennisetum purpureum 100%; R1, P. purpureum 75%+C. calothyrsus 25%;, R2, P. purpureum 50%+C. calothyrsus 50%; R3, P. purpureum 25%+C. calothyrsus 75%; and R4, C. calothyrsus 100%. All silages were prepared using plastic jar silos (600 g) and incubated at room temperature for 30 days. Silages were analyzed for fermentation characteristics and microbial diversity. Increased levels of C. calothyrsus in silage had a significant effect (p<0.01) on the fermentation characteristics. The microbial diversity index decreased and activity was inhibited with increasing levels of C. calothyrsus. The microbial community indicated that there was a population of Lactobacillus plantarum, L. casei, L. brevis, Lactococcus lactis, Chryseobacterium sp., and uncultured bacteria. The result confirmed that silage with a combination of grass and C. calothyrsus had good fermentation characteristics and microbial communities were dominated by L. plantarum.
When used for amplicon sequencing, Illumina platforms produce more than hundreds of sequence artefacts, which affects operational taxonomic units based analyses such as differential abundance and network analyses. Nevertheless it has become a major tool for fecal microbial community analysis. In addition, results from sequence-based fecal microbial community analysis vary depending on conditions of samples (i.e., freshness, time of storage and quantity). We investigated if freeze-drying samples could improve quality of sequence data. Our results showed reduced number of possible artefacts while maintaining overall microbial community structure. Therefore, freeze-drying feces prior to DNA extraction is recommended for Illumina-based microbial community analysis.
During the fermentation process of Saccharomyces cerevisiae, yeast cells must rapidly respond to a wide variety of external stresses in order to survive the constantly changing environment, including ethanol stress. The accumulation of ethanol can severely inhibit cell growth activity and productivity. Thus, the response to changing ethanol concentrations is one of the most important stress reactions in S. cerevisiae and worthy of thorough investigation. Therefore, this study examined the relationship between ethanol tolerance in S. cerevisiae and a unique protein called alcohol sensitive RING/PHD finger 1 protein (Asr1p). A real-time PCR showed that upon exposure to 8% ethanol, the expression of Asr1 was continuously enhanced, reaching a peak 2 h after stimulation. This result was confirmed by monitoring the fluorescence levels using a strain with a green fluorescent protein tagged to the C-terminal of Asr1p. The fluorescent microscopy also revealed a change in the subcellular localization before and after stimulation. Furthermore, the disruption of the Asr1 gene resulted in hypersensitivity on the medium containing ethanol, when compared with the wild-type strain. Thus, when taken together, the present results suggest that Asr1 is involved in the response to ethanol stress in the yeast S. cerevisiae.
The effects of microbial iron reduction and oxidation on the immobilization and mobilization of copper were investigated in a high concentration of sulfate with synthesized Fe(III) minerals and red earth soils rich in amorphous Fe (hydr)oxides. Batch microcosm experiments showed that red earth soil inoculated with subsurface sediments had a faster Fe(III) bioreduction rate than pure amorphous Fe(III) minerals and resulted in quicker immobilization of Cu in the aqueous fraction. Coinciding with the decrease of aqueous Cu, $SO_4{^{2-}}$ in the inoculated red earth soil decreased acutely after incubation. The shift in the microbial community composite in the inoculated soil was analyzed through denaturing gradient gel electrophoresis. Results revealed the potential cooperative effect of microbial Fe(III) reduction and sulfate reduction on copper immobilization. After exposure to air for 144 h, more than 50% of the immobilized Cu was remobilized from the anaerobic matrices; aqueous sulfate increased significantly. Sequential extraction analysis demonstrated that the organic matter/sulfide-bound Cu increased by 52% after anaerobic incubation relative to the abiotic treatment but decreased by 32% after oxidation, indicating the generation and oxidation of Cu-sulfide coprecipitates in the inoculated red earth soil. These findings suggest that the immobilization of copper could be enhanced by mediating microbial Fe(III) reduction with sulfate reduction under anaerobic conditions. The findings have an important implication for bioremediation in Cu-contaminated and Fe-rich soils, especially in acid-mine-drainage-affected sites.
An extracellular protease (Mc1) was isolated from the nematode-trapping fungus Monacrosporium cystosporium by gel filtration, anion-exchange, and hydrophobic interaction chromatographies. This protease had a molecular mass of approximately 38 kDa and displayed an optimal activity at pH 7-9 and $56^{\circ}C$ (over 30 min). Its proteolytic activity was highly sensitive to the serine protease inhibitor PMSF (phenylmethylsulfonylfluoride, 0.1 mM), indicating that it belonged to the serine-type peptidase group. The Michaelis constant ($K_m$) and $V_max$ for substrate N-Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-pNA were $1.67{\times}10^{-4}\;M$ and 0.6071 $OD_{410}$ per 30 s, respectively. This protease could degrade a broad range of substrates including casein, gelatin, BSA (bovine serum albumin), and nematode cuticle. Moreover, the enzyme could immobilize the free-living nematode Panagrellus redivivus and the pine wood nematode Bursaphelenchus xylophilus, suggesting that it might playa role in infection against nematodes. The encoding gene of Mc1 was composed of one intron and two exons, coding for a polypeptide of 405 amino acid residues. The deduced amino acid sequence of Mcl showed 61.4-91.9% identity to serine proteases from other nematode-trapping fungi. Our results identified that Mcl possessed biochemical properties including optimal reaction condition and substrate preference that are different from previously identified serine proteases.
Low-quality soil for land reuse is a crucial problem in vegetation quality and especially to waste disposal sites in mining areas. It is necessary to find suitable materials to improve the soil quality and especially to increase soil microbial diversity and activity. In this study, pot experiments were conducted to investigate the effect of a mixed material of humic acid, super absorbent polymer and biochar on low-quality soil indexes and the microbial community response. The indexes included soil physicochemical properties and the corresponding plant growth. The results showed that the mixed material could improve chemical properties and physical structure of soil by increasing the bulk density, porosity, macro aggregate, and promote the mineralization of nutrient elements in soil. The best performance was achieved by adding 3 g·kg-1 super absorbent polymer, 3 g·kg-1 humic acid, and 10 g·kg-1 biochar to soil with plant total nitrogen, dry weight and height increased by 85.18%, 266.41% and 74.06%, respectively. Physicochemical properties caused changes in soil microbial diversity. Acidobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Cyanobacteria, Firmicutes, Nitrospirae, Planctomycetes, and Proteobacteria were significantly positively correlated with most of the physical, chemical and plant indicators. Actinobacteria and Armatimonadetes were significantly negatively correlated with most measurement factors. Therefore, this study can contribute to improving the understanding of low-quality soil and how it affects soil microbial functions and sustainability.
Xueqin Xu;Qianqian Wang;Longyan Yang;Zhiyan Chen;Yun Zhou;Hui Feng;Peng Zhang;Jie Wang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.34
no.8
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pp.1727-1737
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2024
The quality of tobacco is directly affected by macromolecular content, fermentation is an effective method to improve biochemical properties. In this study, we utilized CBHA (cellobiohydrolase A) glycosylase, which was expressed by Pichia pastoris, as an additive for fermentation. The contents of main chemical components of tobacco leaves after fermentation were determined, and the changes of microbial community structure and abundance in tobacco leaves during fermentation were analyzed. The relationship between chemical composition and changes in microbial composition was investigated, and the function of bacteria and fungi in fermentation was predicted to identify possible metabolic pathways. After 48 h of CBHA fermentation, the contents of starch, cellulose and total nitrogen in tobacco leaf decreased by 17.60%, 28.91% and 16.05%, respectively. The microbial community structure changed significantly, with Aspergillus abundance decreasing significantly, while Filobasidum, Cladosporium, Bullera, Komagataella, etc., increased in CBHA treated group. Soluble sugar was most affected by microbial community in tobacco leaves, which was negatively correlated with starch, cellulose and total nitrogen. During the fermentation process, the relative abundance of metabolism-related functional genes increased, and the expressions of cellulase and endopeptidase also increased. The results showed that the changes of bacterial community and dominant microbial community on tobacco leaves affected the content of chemical components in tobacco leaves, and adding CBHA for fermentation had a positive effect on improving the quality of tobacco leaves.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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