a largely descriptive natural history was no longer adequate

“…a largely descriptive natural history was no longer
adequate. Natural history had to become explanatory. It
continued to do what natural history had always doneobserved and describe-but by applying other scientific
methods to the observations (comparison, experiment,
conjectures, testing, of explanatory theories), it became
ecology”.
Ernst Myar. 1997
This is Biology
Belknap/Havard
1
1
bioDIVERSIDAD
2
2
Los índices de diversidad deben reflejar la complejidad biológica de una comunidad.
Questions in Microbial Ecology
! Temporal Differences
Diferencias
Temporales
! Spatial Differences
Diferencias
Espaciales
! Treatment
Effects
Efecto
de Tratamientos
! Measures
of Diversity
Medidas
de Diversidad:
1. alfa-diversidad
de un lugar)
site
1. ! = within(dentro
2. beta-diversidad
site lugares)
2. " = between(entre
3. gama-diversidad
regiones)
regions
3. # = between(entre
! Descriptors of Diversity
Descripción
Biodiversidad:
richness
1. speciesde
1. Riqueza
de especies
evenness
2. species
2. Equitabilidad
de especies
3. species composition
3. Composición
Evenness
Abundance
Richness
‘Species’
Composition
Los índices de diversidad deben reflejar la complejidad biológica de una comunidad.
¿Cuál es la unidad
taxonómica básica del
mundo prokariótico?
8
Unidad Básica: Especie
(Sistema binomial, 200 años; Lineo)
• Especie, población donde sus miembros pueden intercambiar
genes unos con otros. Los miembros de una especie no pueden
intercambiar genes con miembros de otras especies [Jim Smith,
Ann. Rev. Ecol. Syst. 21:1-12].
...¿qué de especies que se reproducen asexualmente?
• Especie, un grupo de organismos parecidos, y un taxón definido
por sus propiedades colectivas del grupo suficientes para
distinguir la especie de otros grupos relacionados [Microbial
Diversity: Priorities for Research and Infrastructure. Report of a
conference held June 15-18, 1992, E. Lan., MI].
...¿cómo puede ser definida objetivamente la categoría de
especie? ¿qué características pueden ser consideradas como
diagnósticas? ¿cuánta diferenciación debe existir entre dos
poblaciones antes de que éstas sean reconocidas como especies
independientes?
• Especie, homología mayor de 70% DNA-DNA [Bergey's
Manual,
9
1984].
10
¿Cuál es la unidad taxonómica básica del mundo prokariótico?
En términos prácticos los ecólogos
microbianos acuñamos el término
Unidades Taxonómicas Operacionales
o OTU por sus siglas en inglés
(operating taxonomic units).
11
vimss.lbl.gov
http://vieques.uprm.edu
Monitoring prokaryotic communities in a
wastewater treatment plant using t-RFLP
and phylogenetic high density DNA
microarrays (PhyloChip)
Arturo Massol-Deyá, Ph.D.
Department of Biology
University of Puerto Rico
amassol@uprm.edu
Ernie Pérez, Eoin Brodie, Todd de Santis,
Gary Andersen and Terry C. Hazen
UPR-Mayagüez and Lawrence Berkeley National Lab
Municipal WWTP (Adjuntas)
Regional WWTP (Mayagüez)
Mix Liquor
Biorreactores de
Lodos Activados
Tratamiento Anóxico
B4
B3
B2
B1
Clarificador Secundario
Colección de Muestras del
Biorreactor #2 (Aerobio)
Tratamiento Aerobio
Specific Objectives
(i) Determine the biogeographical and temporal variations
in prokaryotic populations within bioreactors and correlate
these variations to operational and geographical factors.
(ii) Determine how spatial and temporal differences in
microbial community structure and function change during
a downshift shift to low oxygen operation.
(iii) Develop microarray technology for the analysis of
rRNA to identify metabolically active members of the
bioreactor communities.
Classical Microbiology Methods:

Identify bacteria by morphology
Bacillus
Pseudomonas
Spirulina
Staphylococcus
Clostridium
Escherichia
Streptococcus
Salmonella
http://www.denniskunkel.com/
Classical Microbiology Methods:

Many bacteria may not be cultured on
standard lab media




Nutritional requirements
Anaerobic
Require other bacteria (syntrophic)
Some typically culturable bacteria may
become non-culturable when stressed
Molecular Microbiology Methods:

Culture-independent techniques


Identification at a molecular level
Biomarkers (Proteins, Lipids, DNA)

Phylogenetic


Genetic relatives
Functional



Cytochromes, reductases
Antibiotic resistance genes
Virulence genes
Molecular Microbiology Methods:

Biomarkers

Small subunit rRNA (16S rRNA)

Found in prokaryotic ribosomes

Structurally conserved

Conserved regions – useful for
designing primers for PCR

Variable regions useful for inferring
phylogeny and distinguishing taxa
Molecular Microbiology Methods:
SSU rRNA gene (16S)
200,000
150,000
100,000
50,000




Chimera checked
Only long sequences (>1250 bases)
Updated every 1-2 weeks
Online tools for novices and experts
2005
2004
2003
2002
2001
2000
LBNL – Greengenes
1999

1998
Michigan State - Ribosomal Database
1997

0
1996
NCBI – Genbank
1995

1994

~ 1550 bases in length
Rapidly expanding public databases
1993

250,000
1992

16S rRNA gene analysis:
PCR amplify 16S rRNA gene to enrich from
chromosome
Range of primers available, some “universal”
Separate individual/similar amplicons
Cloning, DGGE, t-RFLP
Sequence individual amplicons
tRFLP
(Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism)
22
Mixed Liquor
Return Sludge
Adjuntas
Municipal
WWTP
Effluent
Anaerobic Tank
Aeration Tank
Mixed Liquor
(bp)
Return Sludge
Mayagüez
Regional
WWTP
700
650
600
565
530
500
495
460
400
364
350
300
Alexis Valentín
255
(Programa MS Biología)
Nelmarie Vélez
204
200
(Práctica Biotecnología Industrial)
145
100
Agradecemos la colaboración del
Ing. Jorge Jiménez ( AAA-Mayagüez),
Sr. Marcelo Rivera ( AAA-Mayagüez), y
Sr. Yamyl Lugo (AAA-Adjuntas).
50
M
M
Hae III