The link between the ecology of the prokaryotic rare biosphere and its biotechnological potential

Current research on the prokaryotic low abundance taxa, the prokaryotic rare biosphere, is growing, leading to a greater understanding of the mechanisms underlying organismal rarity and its relevance in ecology. From this emerging knowledge it is possible to envision innovative approaches in biotechnology applicable to several sectors. Bioremediation and bioprospecting are two of the most promising areas where such approaches could find feasible implementation, involving possible new solutions to the decontamination of polluted sites and to the discovery of novel gene variants and pathways based on the attributes of rare microbial communities. Bioremediation can be improved through the realization that diverse rare species can grow abundant and degrade different pollutants or possibly transfer useful genes. Further, most of the prokaryotic diversity found in virtually all environments belongs in the rare biosphere and remains uncultivatable, suggesting great bioprospecting potential within this vast and understudied genetic pool. This Mini Review argues that knowledge of the ecophysiology of rare prokaryotes can aid the development of future, efficient biotechnology-based processes, products and services. However, this promise may only be fulfilled through improvements in (and optimal blending of) advanced microbial culturing and physiology, metagenomics, genome annotation and editing, and synthetic biology, to name a few areas of relevance. In the future, it will be important to understand how activity profiles relate with abundance, as some rare taxa can remain rare and increase activity, whereas other taxa can grow abundant. The metabolic mechanisms behind those patterns can be useful in designing biotechnological processes.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

SWINE WASTE PHYTOREMEDIATION USING DUCKWEED (Landoltia punctata, Les & Crawford) IN A FULL SCALE PLANT

Banner Apresentado em Congresso: 11th International Conference, Heraklion, Crete, Greece PhytotechnologiesThe large amount of nitrogen and phosphorous compounds found in pig manure has caused ecological imbalances, with eutrophication of major river basins in the producing regions. Therefore, the aquatic macrophytes group named duckweeds (Araceae; Lemnoideae) have been successfully used for phytoextraction and rhizodegradation of nutrient and heavy metals from swine waste, generating further a biomass with high protein content. The present study evaluated the phytoremediation of nitrogen and phosphorus from swine waste using the duckweed Landoltia punctata and also their protein biomass production as by-product

On the use of spectral element methods for under-resolved simulations of transitional and turbulent flows

The present thesis comprises a sequence of studies that investigate the suitability of spectral element methods for model-free under-resolved computations of transitional and turbulent flows. More specifically, the continuous and the discontinuous Galerkin (i.e. CG and DG) methods have their performance assessed for under-resolved direct numerical simulations (uDNS) / implicit large eddy simulations (iLES). In these approaches, the governing equations of fluid motion are solved in unfiltered form, as in a typical direct numerical simulation, but the degrees of freedom employed are insufficient to capture all the turbulent scales. Numerical dissipation introduced by appropriate stabilisation techniques complements molecular viscosity in providing small-scale regularisation at very large Reynolds numbers. Added spectral vanishing viscosity (SVV) is considered for CG, while upwind dissipation is relied upon for DG-based computations. In both cases, the use of polynomial dealiasing strategies is assumed. Focus is given to the so-called eigensolution analysis framework, where numerical dispersion and diffusion errors are appraised in wavenumber/frequency space for simplified model problems, such as the one-dimensional linear advection equation. In the assessment of CG and DG, both temporal and spatial eigenanalyses are considered. While the former assumes periodic boundary conditions and is better suited for temporally evolving problems, the latter considers inflow / outflow type boundaries and should be favoured for spatially developing flows. Despite the simplicity of linear eigensolution analyses, surprisingly useful insights can be obtained from them and verified in actual turbulence problems. In fact, one of the most important contributions of this thesis is to highlight how linear eigenanalysis can be helpful in explaining why and how to use spectral element methods (particularly CG and DG) in uDNS/iLES approaches. Various aspects of solution quality and numerical stability are discussed by connecting observations from eigensolution analyses and under-resolved turbulence computations. First, DG’s temporal eigenanalysis is revisited and a simple criterion named "the 1% rule" is devised to estimate DG’s effective resolution power in spectral space. This criterion is shown to pinpoint the wavenumber beyond which a numerically induced dissipation range appears in the energy spectra of Burgers turbulence simulations in one dimension. Next, the temporal eigenanalysis of CG is discussed with and without SVV. A modified SVV operator based on DG’s upwind dissipation is proposed to enhance CG’s accuracy and robustness for uDNS / iLES. In the sequence, an extensive set of DG computations of the inviscid Taylor-Green vortex model problem is considered. These are used for the validation of the 1% rule in actual three-dimensional transitional / turbulent flows. The performance of various Riemann solvers is also discussed in this infinite Reynolds number scenario, with high quality solutions being achieved. Subsequently, the capabilities of CG for uDNS/iLES are tested through a complex turbulent boundary layer (periodic) test problem. While LES results of this test case are known to require sophisticated modelling and relatively fine grids, high-order CG approaches are shown to deliver surprisingly good quality with significantly less degrees of freedom, even without SVV. Finally, spatial eigenanalyses are conducted for DG and CG. Differences caused by upwinding levels and Riemann solvers are explored in the DG case, while robust SVV design is considered for CG, again by reference to DG’s upwind dissipation. These aspects are then tested in a two-dimensional test problem that mimics spatially developing grid turbulence. In summary, a point is made that uDNS/iLES approaches based on high-order spectral element methods, when properly stabilised, are very powerful tools for the computation of practically all types of transitional and turbulent flows. This capability is argued to stem essentially from their superior resolution power per degree of freedom and the absence of (often restrictive) modelling assumptions. Conscientious usage is however necessary as solution quality and numerical robustness may depend strongly on discretisation variables such as polynomial order, appropriate mesh spacing, Riemann solver, SVV parameters, dealiasing strategy and alternative stabilisation techniques.Open Acces

Predictive Maintenance Support System in Industry 4.0 Scenario

The fourth industrial revolution that is being witnessed nowadays, also known as Industry 4.0, is heavily related to the digitization of manufacturing systems and the integration of different technologies to optimize manufacturing. By combining data acquisition using specific sensors and machine learning algorithms to analyze this data and predict a failure before it happens, Predictive Maintenance is a critical tool to implement towards reducing downtime due to unpredicted stoppages caused by malfunctions. Based on the reality of Commercial Specialty Tires factory at Continental Mabor - Indústria de Pneus, S.A., the present work describes several problems faced regarding equipment maintenance. Taking advantage of the information gathered from studying the processes incorporated in the factory, it is designed a solution model for applying predictive maintenance in these processes. The model is divided into two primary layers, hardware, and software. Concerning hardware, sensors and respective applications are delineated. In terms of software, techniques of data analysis namely machine learning algorithms are described so that the collected data is studied to detect possible failures

Enzimas β-Glucanases: aplicações da hidrólise de polissacarídeos /β-Glucanases enzymes – Appliance of polysaccharides hydrolisis

The enzymatic degradation of polysaccharides is accomplished through the action of several hydrolases with different specificities and way of action. For this reason, there is now a growing interest in the study of these enzymes related to its potential industry. The β-glucanases enzymes belong to this group of hydrolases because of its ability to hydrolyze glycosidiclinkages β-D-glucosides 1,3-β-glucans and 1,6-β-glucans. Its applications are fairly comprehensive, with utility from conventional industry to the biotechnology and pharmaceutical industry

Identification of SNPs in genes potentially affected by domestication to efficiently detect hybridization between wild and domestic cats

Tese de mestrado em Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018A crescente desflorestação e expansão das áreas afectadas pela presença e actividade humana no planeta têm tido inúmeras consequências directas e indirectas na abundância e sobrevivência de espécies sensíveis aos impactos antropogénicos. Entre estas espécies em Portugal destaca-se o gato-bravo europeu (Felis silvestris silvestris). A fragmentação e a degradação do habitat e a perseguição e a caça pelo Homem obrigaram este carnívoro de médio porte a refugiar-se em áreas geográficas restritas, isoladas e dispersas da Europa. Uma ameaça adicional, críptica e ainda pouco estudada, e potencialmente uma grande ameaça à conservação do gato-bravo europeu, é o seu contacto e interacção com o gato doméstico (Felis catus ou Felis silvestris catus). O gato doméstico é um animal de estimação popular, com uma população mundial estimada em 600 milhões de indivíduos. Estudos anteriores concluíram que o gato doméstico é o resultado de gerações de seleção artificial iniciada em gatos-bravos na pré-história humana, existindo evidências arqueológicas de relações entre gatos e homens desde há 9500 anos. Análises genéticas sugeriram que a área de origem do gato doméstico terá sido o Cresceste Fértil no Médio Oriente, nos primórdios da agricultura e da pecuária, onde a função dos gatos seria principalmente de controlo de roedores. Desde essa altura até tempos recentes a seleção artificial no gato doméstico terá tido uma intensidade relativamente moderada, mas a partir do século XIX esta selecção intensificou-se e, por razões de preferências estéticas, gerou uma abundância de raças com diferentes cores e padrões de pelagem, ainda que mantendo em geral a morfologia anatómica típica da espécie ancestral. Além de outros potenciais impactos, incluindo ecológicos, comportamentais, parasitológicos e epidemiológicos, um maior contacto entre gatos domésticos e gatos-bravos, tendo em conta a raridade da segunda espécie, aumenta o risco de hibridação entre as duas espécies. Observações de campo e capturas de indivíduos têm demonstrado a existência de híbridos. Sendo estes férteis e capazes de hibridar com indivíduos parentais, a hibridação entre as duas espécies, especialmente se for comum ou frequente, pode assim constituir uma grave ameaça para o gato-bravo, uma vez que os retrocruzamentos entre híbridos e gatos-bravos puros podem levar à introgressão de genes de gato doméstico no genoma do gato-bravo. Este processo pode conduzir à quebra da integridade genética do gato-bravo e, em última análise, à extinção da espécie. Como o gato-bravo é um predador de topo em muitos ecossistemas, a sua extinção pode ter consequências graves nas cadeias tróficas e redes ecológicas. Por conseguinte, é importante implementar medidas de conservação para o gato-bravo. A fim de monitorizar, controlar e reduzir a hibridação, são necessários métodos que sejam capazes de distinguir gatos-bravos puros de híbridos. Os primeiros métodos propostos com este objectivo eram baseados em caracteres anatómicos ou morfológicos, especialmente medidas cranianas e padrões da pelagem. Contudo, vários estudos demonstraram a dificuldade em utilizar estes métodos, bem como a sua ineficiência em certos casos, devido à grande semelhança morfológica frequentemente observada entre gatos-bravos puros e híbridos. Consequentemente, tem crescido o interesse no desenvolvimento e aplicação de abordagens baseadas em marcadores moleculares. Um dos marcadores genéticos com resultados promissores neste contexto são os microssatélites, que são unidades de pequenas repetições da mesma sequência de nucleótidos (por exemplo, AGAGAGAG) e que têm elevadas taxas de mutação em comparação com outras regiões do genoma. Através do uso de microssatélites, foi possível avaliar o grau de hibridação em várias regiões europeias, desde países como a Itália e Alemanha em que as populações de gatos-bravos e gatos domésticos ainda se encontram bastante diferenciadas, até aos casos da Escócia e Hungria, onde os níveis de introgressão são elevados. No entanto, devido à sua elevada taxa mutacional, os microssatélites tendem a sofrer de homoplasia, o que pode levar à falsa detecção de híbridos e a dificuldades em identificar e distinguir híbridos de gerações diferentes e retrocruzamentos. Assim, as atenções têm-se voltado para outro tipo de marcador molecular potencialmente útil em estudos de hibridação e que, devido à sua baixa taxa de mutação têm menos problemas de homoplasia do que os microssatélites: os “single nucleotide polymorphisms” (SNPs). Os SNPs consistem em variações na sequência de ADN num só nucleótido, o que faz com que sejam os polimorfismos mais abundantes no genoma. Tendo os SNPs frequentemente apenas duas variações alélicas, se estas tiverem frequências muito diferentes entre duas espécies ou populações, e considerando a geralmente limitada homoplasia nos SNPs, nesses casos os SNPs podem revelar-se altamente diagnósticos. Estudos anteriores têm apresentado painéis de SNPs com capacidade de identificar e distinguir gatos-bravos puros, gatos domésticos puros, e híbridos até à segunda geração. Porém, esses painéis contêm um elevado número de marcadores, não sendo portanto testes prácticos e eficientes. O facto de o poder estatístico desses painéis depender aparentemente do uso de um número elevado de SNPs é possivelmente consequência da maioria deles não estar fixada para alelos diferentes nas duas espécies. É expectável que esses SNPs fixados e altamente diagnósticos estejam em regiões do genoma onde exista elevada diferenciação entre gatos-bravos e gatos domésticos. Recentemente, um estudo procurou identificar as regiões que terão sido mais afectadas pela selecção e influentes na domesticação do gato doméstico. Esse estudo baseou-se na sequenciação do genoma de seis gatos-bravos e 22 gatos domésticos pertencentes a raças com origens geográficas distantes. Regiões do genoma exibindo elevados níveis de diferenciação genética entre gatos-bravos e gatos domésticos, identificados através de valores elevados do índice de fixação (Fst), e simultaneamente baixos níveis de variação intraespecífica, indicados por valores reduzidos de heterozigosidade (Hp), foram consideradas como potencialmente impactadas por selecção positiva. Assim, identificaram-se cinco regiões possivelmente influenciadas por seleção positiva. Estas regiões contêm vários genes envolvidos em diversos processos neurais, sendo muitos desses genes em particular determinantes do comportamento. Notavelmente, vários desses genes codificam proteínas que controlam a sobrevivência e migração das células da crista neural. Esta observação está de acordo e dá suporte à hipótese da síndrome da domesticação, uma teoria que postula que os caracteres morfológicos e comportamentais modificados em mamíferos domesticados têm origem em alterações na migração das células da crista neural durante o desenvolvimento embrionário. Com base nas descobertas desse estudo e de outros semelhantes em outros mamíferos domésticos, é possível focar em genes candidatos a pesquisa de marcadores potencialmente discriminantes entre mamíferos domésticos e os seus ancestrais selvagens. O presente estudo teve como objetivo descobrir, através da análise de genes candidatos, e testar um painel de SNPs com elevado poder diagnóstico para distinguir com fiabilidade diferentes classes de gatos puros e híbridos. Os genes candidatos estudados pertencem a três categorias funcionais diferentes: i) desenvolvimento neuronal, ii) cor e estrutura da pelagem, e iii) sistema sensorial. Para cada gene selecionado, um ou dois pares de “primers” foram desenhados para amplificar fragmentos de 700-900 pares de bases em amostras de gatos-bravos de Portugal, França e Roménia, e gatos domésticos portugueses. Um conjunto de 13 genes revelou SNPs com valores elevados de diferenciação (Fst > 0.8) entre gatos-bravos e gatos domésticos. Posteriormente, genótipos de híbridos de primeira geração (F1), segunda geração (F2), e retrocruzamentos com gatos-bravos (B x FSI) e com gatos domésticos (B x FCA) foram computacionalmente simulados com base nos genótipos das classes parentais amostrados. Usando os 13 SNPs, cerca de 90% dos indivíduos analisados foram corretamente identificados e atribuídos à sua categoria. Com base nestes resultados, constata-se preliminarmente que os SNPs identificados neste estudo possuem um valor diagnóstico potencialmente comparável ao de painéis com mais SNPs reportados em estudos anteriores. O painel aqui desenvolvido, carecendo obviamente de análises adicionais que confirmem os resultados obtidos, pode futuramente constituir um método eficaz e fiável para caracterizar padrões de hibridação e introgressão em populações de gato-bravo, facilitando o trabalho de indivíduos e instituições envolvidas na conservação da espécie na Europa.The European wildcat (F. s. silvestris) is a medium-sized carnivorous mammal that has suffered significant population decline and range contraction and fragmentation during the last century. The species is also currently threatened by human-mediated hybridization with domestic cats. Their hybrid offspring is fertile and can backcross with pure wildcats, leading to the introgression of domestic cat genes into the wildcat gene pool. This poses a danger to the genetic integrity of the European wildcat, and may contribute to its extinction. Hence, methods are urgently needed that are able to distinguish between pure wildcats and hybrids. However, the accurate detection of hybridization based on available morphological characters is particularly difficult, and even the panels of molecular markers that have been reported either are not highly reliable in detecting hybrids or are too cumbersome to be of practical value for routine use. Here, I aimed to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) located in genes that may have been affected during the domestication process of the domestic cat (F. s. catus). A total of 51 candidate genes were selected for sequencing of exonic and flanking intronic regions in samples of wildcats and domestic cats. Analysis of the resulting sequences revealed 13 SNPs with elevated genetic differentiation (Fst > 0.8) between the two species. Subsequently, genotypes of first-generation hybrids (F1), second-generation hybrids (F2), and backcrosses with wildcats (B x FSI) and with domestic cats (B x FCA), were simulated in order to evaluate the diagnostic power of the 13 SNP set. Admixture analysis of the simulated genotypes showed that the marker panel could identify and assign each genotype to the correct category, with an accuracy of about 90%. Given the current need for efficient and reliable tools to detect and discriminate samples from wildcats, domestic cats, and their hybrids, this small panel of 13 SNPs with apparently high diagnostic power offers the promise of a convenient and effective assay for surveying and monitoring the distribution and hybridization status of European wildcats