Soil microbiological properties and enzyme activity in agroforestry systems compared with monoculture, natural regeneration, and native Caatinga / Propriedades microbiológicas e atividade enzimática do solo sob sistemas agroflorestais comparado com monocultura, regeneração natural e caatinga nativa

The objective of this study was to evaluate the influence of agroforestry systems of different ages (AFS1: one-year old; AFS5: five-years old) on the biological attributes of soil; the following systems were used for comparison: a slash-and-burn (SBF) farming area, Caatinga which has been undergoing regeneration for 6 years (CaR6), and native Caatinga (NCa) in Brazil. Enzyme activity, abundance and composition of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), and production of glomalin-related soil proteins (GRSP) were evaluated at soil depths of 0­0.05 m. AMF species composition in the AFS was more similar to that in the NCa than in the SBF and CaR6 systems. In the rainy season, sporulation was most abundant in the AFS-1, CaR6, and SBF systems, whereas GRSP concentrations were highest in the AFS5 during the dry season. Acid phosphatase and arylsulfatase enzyme activity was lower in the AFS1 soils than in the NCa and SBF soils (rainy period), and levels of ß-glucosidase and fluorescein diacetate hydrolysis in the AFS were equal to or higher than those in the NCa in the dry season but lower in the rainy season. AFS thus appear to promote the maintenance of soil biological quality, and may be more sustainable than SBF farming systems in the Brazilian Caatinga over the long term.

O objetivo do estudo foi avaliar a influência de sistemas agroflorestais (AFS1: um ano de idade; AFS5: cinco anos de idade), nos atributos biológicos do solo usando como referência, uma área de agricultura de corte e queima (SBF), Caatinga em regeneração há 6 anos (CaR6), e Caatinga nativa (NCa), in Brasil. A atividade enzimática, a abundância e composição dos fungos micorrízicos arbusculares (AMF), e a produção de proteína do solo relacionada à glomalina (GRSP) foram avaliados, na profundidade de 0-5 cm do solo. A composição das espécies de AMF nos AFS foi mais semelhante a observada na NCa, do que os sistemas SBF e CaR6. Na estação chuvosa, a esporulação foi mais abundante em AFS-1, CaR6 and SBF quando comparada as outras áreas, enquanto a GRSP apresentou maiores teores no AFS5 no período seco. AFS1 apresentou atividade da fosfatase ácida e arilsulfatase inferiores tanto a NCa quanto a SBF, no período chuvoso. No período seco, a atividade de ß-glicosidase e a hidrólise do diacetato de fluoresceína (FDA) na AFS foram iguais ou superiores a Nca, mas menor no período chuvoso. Verifica-se que os AFS são potenciais para a manutenção da qualidade biológica do solo, podendo, em longo prazo, serem mais sustentáveis que a SBF, em ambiente de Caatinga.

Production and characterization of a thermostable ß-glucosidase from Myceliophthora heterothallica / Produção e caracterização de uma ß-glicosidase termoestável de Myceliophthora heterothallica

The conversion of biomass from agro-industrial residues into bioproducts is of great interest, especially to Brazil, where bioenergy has a huge potential for development. Enzymes involved in biodegradation of lignocellulosic biomass are those of the cellulase system, of which ß-glucosidase is a constituent. The production and characterization of ß-glucosidase by the thermophilic fungus Myceliophthora heterothallica by solid-state cultivation on different agro-industrial residues (sugarcane bagasse, sugarcane straw, wheat bran and a mixture of these three materials (1:1:1 w/w) was evaluated. Solid-state cultivation were conducted in 250 mL Erlenmeyer flasks, with 5 g of each substrate. Different culture parameters, such as supplementary nutrient solution to the substrate, supplementary nutrient solution pH, initial substrate moisture and fungus incubation temperature, were evaluated to establish conditions of higher enzyme production by the fungus The greatest production of enzymes occurred in a mixture of wheat bran, sugarcane bagasse and straw bagasse (1:1:1). The activity of ß-glucosidase was greater under the following conditions: nutrient solution composed of NH4NO3, MgSO4.7H2O and (NH4)2SO4 (0.1%), at pH 4.5 or 6.0, fungus incubation at 40°C or 45°C, initial moisture of substrate at 80%. Enzyme presented optimum pH at pH 5.0 and good pH stability. Best temperature was 65°C and enzyme showed 100% stability for 1h, up to 60°C. The use of agro-industrial residues provided good production of ß-glucosidase by fungus, with enzyme having the characteristics desirable from the industrial application.

A conversão da biomassa vegetal proveniente de resíduos agroindustriais em bioprodutos é de grande interesse, principalmente para o Brasil, onde a agroenergia possui grande potencial de desenvolvimento. Enzimas envolvidas na biodegradação da biomassa lignocelulósica fazem parte do grupo das celulases, no qual a 훽-glucosidase é um constituinte. O presente estudo avaliou a produção e caracterização de uma ß-glicosidase pelo fungo termofílico Myceliophthora heterothallica por cultivo em estado sólido de diferentes resíduos agroindustriais (bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, farelo de trigo e em uma mistura dos três materiais (1:1: 1 p/p). O cultivo em estado sólido foi realizado em frascos Erlenmeyer de 250 mL, contendo 5 g de cada substrato. Diferentes parâmetros de cultivo, como solução nutriente suplementar ao substrato, pH da solução nutriente suplementar, umidade inicial do substrato e temperatura de incubação do fungo foram avaliados, visando estabelecer condições para maior produção da enzima pelo fungo. A maior produção da enzima ocorreu na mistura de farelo de trigo, e bagaço e palha de cana-de-açúcar (1:1:1). A atividade da ß-glicosidase foi maior nas seguintes condições: solução nutriente composta por NH4NO3, MgSO4.7H2O e (NH4)2SO4 (0,1%) com pH 4,5 e 6,0, temperatura de incubação do fungo a 40°C e 45°C, com umidade inicial do substrato em 80%. A enzima apresentou pH ótimo de 5,0, e boa estabilidade ao pH. A temperatura ótima foi de 65°C, e a enzima apresentou 100% de estabilidade por 1h, até 60°C. A utilização de resíduos agroindustriais proporcionou boa produção de ß-glicosidase pelo fungo, com a enzima apresentando características desejáveis para aplicação industrial.

Enhanced production of ß- glucosidase by locally isolated fungal strain employing submerged fermentation / Aumento da produção de ß-glucosidase por estirpe fúngica isolada localmente, por fermentação submersa

ß-glucosidase has wide spectrum of biotechnological applications in different industries including food, textile, laundry detergents, pulp and paper, pharmaceutical and biofuel industry. The present investigation related to isolation, screening, and process optimization of fungal strain for enhanced production of ß-glucosidase (BGL). For this purpose, different fungal stains were isolated from different sources including soil, fruits, bark of tree as well as from the compost. The screening of fungal strain for BGL production was carried out via submerged fermentation. All the tested strains were identified on the basis of micro and macroscopic features. The fungal strain having greater ability for BGL synthesis among tested ones wasidentified as Aspergillus niger and given the code SBT-15. The process parameter including fermentation media, temperature, pH, rate of fermentation, carbon and nitrogen sources, volume of media were optimized. Five different fermentation media were evaluatedM3medium gave maximum production. The optimal conditions for BGL production was 72 hours of incubation at 40°C, pH 6 and 50 ml fermentation medium. Glucose (1%) and ammonium sulphate(3%) were optimized as best carbon and nitrogen sources, respectively.

A ß-glicosidase possui amplo espectro de aplicações biotecnológicas em diferentes indústrias, incluindo alimentos, têxteis, detergentes para lavanderia, papel e celulose, indústria farmacêutica e de biocombustíveis, etc. A presente investigação relaciona-se ao isolamento e triagem e otimização de processos de cepas fúngicas para produção aumentada de ß- glucosidase (BGL). Para este efeito, diferentes manchas fúngicas foram isoladas a partir de diferentes fontes, incluindo solo, frutos, casca de árvore, bem como a partir do composto. A triagem da linhagem fúngica para produção de BGL foi realizada via fermentaçãosubmersa. Todas as cepas testadas foram identificadas com base em características micro e macroscópicas. A linhagem fúngica com maior capacidade de síntese de BGL entre os testados foi identificada como Aspergillus niger e recebeu o código SBT-15. O parâmetro do processo, incluindo meios de fermentação, temperatura, pH, taxa de fermentação, fontes de carbono e nitrogênio, volume de mídia foram otimizados. Cinco meios de fermentação diferentes foram avaliados. O meio M3 deu a produção máxima. As condições ótimas para a produção de BGL foram 72 horas de incubação a 40 ° C, pH 6 e 50ml de meio de fermentação. Glicose (1%) e sulfato de amônio (3%) foram otimizados como melhores fontes de carbono e nitrogênio, respectivamente.

In vivo assay to identify bacteria with ß-glucosidase activity

Background: ß-Glucosidase assay is performed with purified or semipurified enzymes extracted from cell lysis. However, in screening studies, to find bacteria with ß-glucosidase activity among many tested bacteria, a fast method without cell lysis is desirable. In that objective, we report an in vivo ß-glucosidase assay as a fast method to find a ß-glucosidase producer strain. Results: The method consists in growing the strains for testing in a medium supplemented with the artificial substrate p-nitrophenyl-ß-glucopyranoside (pNPG). The presence of ß-glucosidases converts the substrate to p-nitrophenol (pNP), a molecule that can be easily measured in the supernatant spectrophotometrically at 405 nm. The assay was evaluated using two Bifidobacterium strains: Bifidobacterium longum B7254 strain that lacks ß-glucosidase activity and Bifidobacterium pseudocatenulatum B7003 strain that shows ß-glucosidase activity. The addition of sodium carbonate during pNP measurement increases the sensitivity of pNP detection and avoids the masking of absorbance by the culture medium. Furthermore, we show that pNP is a stable enzymatic product, not metabolized by bacteria, but with an inhibitory effect on cell growth. The ß-glucosidase activity was measured as units of enzyme per gram per minute per dry cell weight. This method also allowed the identification of Lactobacillus strains with higher ß-glucosidase activity among several lactobacillus species. Conclusion: This in vivo ß-glucosidase assay can be used as an enzymatic test on living cells without cell disruption. The method is simple, quantitative, and recommended, especially in studies screening for bacteria not only with ß-glucosidase activity but also with high ß-glucosidase activity.

Valores de referencia de β-glucosidasa y quitotriosidasa en gotas de sangre seca de lactantes venezolanos / Reference Values for β-glucosidase and chitotriosidase using dried blood spots in Venezuelan infants

La enfermedad de Gaucher es un trastorno de herencia autosómica recesiva y la enfermedad de depósito lisosomal más frecuente causada por deficiencia de la actividad enzimática de la β-Glucosidasa. Objetivo: establecer valores de referencia de actividad enzimática lisosomal de β-glucosidasa y quitotriosidasa en lactantes en población Venezolana. Método: Se realizó un estudio prospectivo y transversal en 98 lactantes sanos con edades comprendidas entre 1 mes y 24 meses, de ambos sexos (48 femeninos y 50 masculinos). La actividad enzimática de β-glucosidasa y quitotriosidasa fue determinada en gotas de sangre seca (siglas en inglés, DBS) siguiendo el protocolo propuesto por Chamoles y col. El análisis estadístico de los datos se realizó con el programa estadístico SPSS Statistics 17.0 para Windows. Resultados: El rango de actividad enzimática para la β-Glucosidasa obtenido en esta investigación fue 2,3 - 12 nmol/ml/h, con una media de 6,7 ± 2,5 y para la Quitotriosidasa 0 - 44,2 nmol/ml/h con una media de 18,4 ± 10,4 nmol/ml/h, utilizando discos de papel de filtro de 3mm de diámetro con sangre seca (aproximadamente 3,6 μl de sangre). Conclusión: Los valores de referencia de actividad enzimática lisosomal en DBS para β-glucosidasa y quitotriosidasa son establecidos por vez primera en lactantes sanos venezolanos; no obstante, estos resultados difieren con los reportados en estudios internacionales, recomendándose la determinación de valores de referencias autóctonos en diferentes grupos etarios.

Gaucher´s Disease is an autosomal recessive disorder and the most common lysosomal storage disease caused by deficiency of β-glucosidase enzyme activity. Objetive: to establish reference values for lysosomal enzyme activity of β-glucosidase and chitotriosidase in Venezuelan infants. Methods:A prospective cross-sectional study was conducted in 98 healthy infants with ages ranging from 1 month to 24 months (48 females and 50 males). Enzymatic activity of β-glucosidase and chitotriosidase were determined in dried blood spots (DBS) following the protocol by Chamoles et al. Statistical analysis of data was performed with software SPSS 17.0 for Windows Statistics. Results: The range of enzymatic activity for β-glucosidase was 2.3 to 12 nmol/ml/h, with an average of 6.7 ± 2.5. Chitotriosidase activity was from 0 to 44.2 nmol/ml/h with an average of 18.4 ± 10.4 using 3mm diameter discs of filter paper with dried blood (approximately 3.6 μl of blood). Conclusions: The reference values of lysosomal enzyme activity in DBS for β-Glucosidase and quitotriosidase were established for the first time in healthy Venezuelan infants; however, these results differ from those reported in international studies, for which reason autochthonous reference values should be determined in different age groups.

Influência da textura do solo na atividade microbiana, decomposição e mineralização do carbono de serapilheira de sítios do bioma cerrado sob condições de incubação / Influence of soil texture on microbial activity, carbon decomposition and mineralization of litter in soils of the brazilian cerrado under incubation

A decomposição e mineralização da serapilheira são processos de fundamental importância no funcionamento do cerrado. Objetivou-se verificar a atividade microbiana e o potencial de decomposição e mineralização da serapilheira de vegetação de cerradão em solos de quatro classes texturais. As amostras foram coletadas na camada de 0- 10 cm de profundidade em quatro sítios de cerrado em solos classificados como Latossolo Amarelo distrófico típico (LAd), Latossolo Vermelho distroférrico típico (LVdf), Neossolo Quartzarênico órtico típico (RQo) e Latossolo Amarelo ácrico típico (LAw), apresentando textura média, muito argilosa, arenosa e muito argilosa, respectivamente. Quantidades de 0, 0,1, 1,0 e 10 % de resíduo de serapilheira foram adicionadas em 100 g de amostras de solo e incubados por 10 dias a 25 oC. No ensaio, foram realizadas as seguintes análises: atividade microbiana (liberação de CO2), carbono orgânico total no início e final do ensaio, atividade de ß-glicosidase e urease. A atividade microbiana aumentou significativamente com adição de 1 e 10% de resíduo da serapilheira em relação ao controle, sendo que adição de 0,1 % não mostrou diferença para o controle. O solo RQo apresentou maior atividade quando adicionado 10% de resíduo de serapilheira em relação aos demais solos. A ordem de mineralização do carbono orgânico foi LVdf > LAw > LAd > RQo, mostrando que os solos de textura muito argilosa apresentaram maior porcentagem de mineralização. A atividade de ß-glicosidase aumentou significativamente com adição de apenas 10% de resíduos de serapilheira em todos os sítios, sendo as maiores atividades observadas no RQo. A atividade de urease não foi alterada com a adição de resíduo de serapilheira. Porém, o LVdf apresentou aumento significativo em relação aos demais sítios estudados, sugerindo que a maior mineralização do carbono em LVdf pode estar relacionada a atividade dessa enzima. Os resultados mostram que a textura do solo pode ter implicações importantes sobre a atividade microbiana, a mineralização e a decomposição do resíduo de serapilheira em sítios do bioma cerrado.

Litter decomposition and mineralization are fundamentally important to Cerrado function. The aim of this study was to compare the soil microbial activity, potential decomposition and mineralization of savanna litter, under laboratory incubation, in soils from four textural classes. Soil samples were collected at a depth of 10 cm from four Cerrado sites and classified as Latossolo Amarelo distrófico típico (LAd), (sandy clay loam); Latossolo Vermelho distroférrico típico (LVdf), (clay); Neossolo Quartzarênico órtico típico (Rqo), (sandy) and Latosso Amarelo ácrico típico (LAw), (clay). Litter was added to 100 g soil at rates of 0, 0.1, 1.0 and 10% and incubated for 10 days at 25 oC. Soil microbial activity (CO2 release), total organic carbon (at the beginning and end of the assay), and ß-glucosidase and urease activity were measured. Relative to the control, soil microbial activity increased significantly with 1 and 10% litter. With 10% litter, microbial activity was higher in soil from RQo than in soils from the other sites. The order of organic carbon mineralization was LVdf > LAw > LAd > RQo, suggesting that clayey soils have higher mineralization rates. At all sites, ß-glucosidase activity increased significantly in response to addition of 10% litter only, and was highest in RQo. Urease activity did not respond to litter addition. However, urease activity in LVdf was significantly higher than in the other soils. The results show that soil texture may have important implications for soil microbial activity and decomposition and mineralization of savanna litter.

Kinetics of high-level of ß-glucosidase production by a 2-deoxyglucose-resistant mutant of Humicola lanuginosa in submerged fermentation / Cinética de produção de ß-glucosidase por um mutante de Hemicola lanuginosa resistente a 2-deoxiglucose em fermentação submersa

A 2-deoxyglucose-resistant mutant (M7) of Humicola lanuginosa was obtained by exposing conidia to γ-rays and permitting expression in broth containing 0.6 percent 2-deoxyglucose (DG) and cellobiose (1 percent) before plating on DG esculin-ferric ammonium citrate agar medium from which colonies showing faster and bigger blackening zones were selected. Kinetic parameters for enhanced ß-glucosidase (BGL) synthesis by M7 were achieved when corncobs acted as the carbon source. The combination between corncobs and corn steep liquor was the best to support higher values of all product formation kinetic parameters. Effect of temperature on the kinetic and thermodynamic attributes of BGL production equilibrium in the wild organismand M7was studied using batch process at eight different temperatures in shake-flask studies. The best performance was found at 45ºC and 20 g L-1 corncobs in 64 h. Both growth and product formation (17.93 U mL-1) were remarkably high at 45ºC and both were coupled under optimum working conditions. Product yield of BGL from the mutant M7 (1556.5 U g-1 dry corncobs) was significantly higher than the values reported on all fungal and bacterial systems. Mutation had thermo-stabilization influence on the organism and mutant required lower activation energy for growth and lower magnitudes of enthalpy and entropy for product formation than those demanded by the wild organism, other mesophilic and thermo-tolerant organisms. In the inactivation phase, the organisms needed lower values of activation energy, enthalpy and entropy for product formation equilibrium, confirming thermophilic nature of metabolic network possessed by the mutant organism.

Um mutante de Hemicola lanuginosa resistente a 2-deoxiglucose(M7) foi obtido através de exposição de conídios a raios γ, permitindo a expressão em caldo contendo 0,6 por cento de 2-deoxiglucose (DG) e celobiose (1 por cento) antes da semeadura em ágar DG esculina citrato de ferro amoniacal, da qual foram selecionadas as colônias com halo negro. Os parâmetros cinéticos para produção aumentada de ß-glucosidase (BGL) foram obtidos empregando-se sabugo de milho como fonte de carbono. A combinação de espiga de milho com água de maceração de milho foi a que forneceu os valores mais altos nos parâmetros cinéticos de formação de todos os produtos. O efeito da temperatura na cinética e atributos termodinâmicos da produção de BGL pelas cepas selvagem e M7 foi avaliado empregando-se processo de batelada em oito temperaturas diferentes in frascos em agitação. O melhor desempenho foi observado a 45ºC e 20g.l-1 de espiga de milho em 64h. Tanto a multiplicação quanto a formação do produto foram muito altas a 45ºC e ambas estavam ligadas em condições ótimas de trabalho. O rendimento de BGL produzido pelo mutante M7 (1556 U.g-1 de espiga seca) foi significativamente superior aos valores reportados para todos os sistemas fúngicos e bacterianos. A mutação influenciou a termoestabilização no microrganismo, sendo que o mutante necessitou de energia de ativação mais baixa para multiplicação e valores mais baixos de entalpia e entropia para a formação do produto quando comparado à cepa selvagem e a outros microrganismos mesofilicos e termotolerantes. Na fase de inativação, os microrganismos necessitaram valores mais baixos de energia de ativação, entalpia e entropia para o equilíbrio da formação de produto, confirmando a natureza termofílica da máquina metabólica do mutante.