ABSTRACT Sulfate-reducing bacteria (SRB) are obligate anaerobes that can couple their growth to the reduction of sulfate. Despite the importance of SRB to global nutrient cycles and their damage to the petroleum industry, our molecular understanding of their physiology remains limited. To systematically provide new insights into SRB biology, we generated a randomly barcoded transposon mutant library in the model SRB Desulfovibrio vulgaris Hildenborough (DvH) and used this genome-wide resource to assay the importance of its genes under a range of metabolic and stress conditions. In addition to defining the essential gene set of DvH, we identified a conditional phenotype for 1,137 non-essential genes. Through examination of these conditional phenotypes, we were able to make a number of novel insights into our molecular understanding of DvH, including how this bacterium synthesizes vitamins. For example, we identified DVU0867 as an atypical L-aspartate decarboxylase required for the synthesis of pantothenic acid, provided the first experimental evidence that biotin synthesis in DvH occurs via a specialized acyl carrier protein and without methyl esters, and demonstrated that the uncharacterized dehydrogenase DVU0826:DVU0827 is necessary for the synthesis of pyridoxal phosphate. In addition, we used the mutant fitness data to identify genes involved in the assimilation of diverse nitrogen sources, and gained insights into the mechanism of inhibition of chlorate and molybdate. Our large-scale fitness dataset and RB-TnSeq mutant library are community-wide resources that can be used to generate further testable hypotheses into the gene functions of this environmentally and industrially important group of bacteria.

Abstract Root exudate composition can influence rhizosphere microbial recruitment and is tightly controlled by plant genetics. However, little research has profiled root exudate in vegetable crops or determined their role in rhizosphere microbial community and metabolite composition. It is also not well understood how root exudates and resulting rhizosphere dynamics shift across plant trait diversity and with the development of novel crop genotypes. To address these knowledge gaps, this study paired metabolomics and microbiome analyses to evaluate associations between the composition of exudates, soil bacterial and fungal communities, and soil metabolites across four genotypes of organically produced carrot of differential breeding histories, including two experimental genotypes. Plant genotypes modified soil microbial diversity and composition, and differentially recruited bacterial taxa with demonstrated potential for plant-growth related functions including ammonia oxidation, nitrogen fixation, and phytohormone production. Bacterial rhizosphere recruitment from bulk soil was genotype and root exudate-mediated, while fungal recruitment was not. Moreover, root exudate composition was distinct in an heirloom genotype and a novel nematode resistant genotype, compared to other genotypes tested. Root exudate and rhizosphere metabolite composition was decoupled, and soil metabolites strongly associated with fungal, but not bacterial communities. Taken together, the results of this study suggest that novel crop trait diversity and breeding histories hold consequences for the functional potential of soils through the diversification of root exudate mediated plant-microbe interactions.

Humans and animals encounter a summation of exposures during their lifetime (the exposome). In recent years, the scope of the exposome has begun to include microplastics. Microplastics (MPs) have increasingly been found in locations where there could be an interaction with Salmonella enterica Typhimurium, one of the commonly isolated serovars from processed chicken. In this study, the microbiota response to a 24-hour co-exposure to Salmonella enterica Typhimurium and/or low-density polyethylene (PE) microplastics in an in vitro broiler cecal model was determined using 16S rRNA amplicon sequencing (Illumina) and untargeted metabolomics. Community sequencing results indicated that PE fiber with and without S. Typhimurium yielded a lower Firmicutes/Bacteroides ratio compared to other treatment groups, which is associated with poor gut health, and overall had greater changes to the cecal microbial community composition. However, changes in the total metabolome were primarily driven by the presence of S. Typhimurium. Additionally, the co-exposure to PE Fiber and S. Typhimurium caused greater cecal microbial community and metabolome changes than either exposure alone. Our results indicate that polymer shape is an important factor in effects resulting from exposure. It also demonstrates that microplastic-pathogen interactions cause metabolic alterations to the chicken cecal microbiome in an in vitro chicken cecal model.

The processing of sediment to accurately characterize the spatially-resolved depth profiles of geophysical and geochemical properties along with signatures of microbial density and activity remains a challenge especially in complex contaminated environments. To provide site assessment for a larger study, we processed cores from two sediment boreholes from background and contaminated core sediments and surrounding groundwater from the ENIGMA Field Research Site at the United States Department of Energy (DOE) Oak Ridge Reservation (ORR). We compared fresh core sediments by depth to capture the changes in sediment structure, sediment minerals, biomass, and pore water geochemistry in terms of major and trace elements including contaminants, cations, anions, and organic acids. Soil porewater samples were matched to groundwater level, flow rate, and preferential flows and compared to homogenized groundwater-only samples from neighboring monitoring wells. This environmental systems approach provided detailed site-specific biogeochemical information from the various properties of subsurface media to reveal the influences of solid, liquid, and gas phases. Groundwater analysis of nearby wells only revealed high sulfate and nitrate concentrations while the same analysis using sediment pore water samples with depth was able to suggest areas high in sulfate- and nitrate- reducing bacteria based on their decreased concentration and production of reduced by-products that could not be seen in the groundwater samples. Positive correlations among porewater content, total organic carbon, trace metals and clay minerals revealed a more complicated relationship among contaminant, sediment texture, groundwater table, and biomass. This suggested that groundwater predominantly flowed through preferential paths with high flux and little mixing with water in the interstices of sediment particles, which could impact microbial activity. The abundant clay minerals with high surface area and high water-holding capacity of micro-pores of the fine clay rich layer suggest suppression of nutrient supply to microbes from the surface. The fluctuating capillary interface had high concentrations of Fe and Mn-oxides combined with trace elements including U, Th, Sr, Ba, Cu, and Co. This suggests the mobility of highly toxic elements, sediment structure, and biogeochemical factors are all linked together to impact microbial communities, emphasizing that solid interfaces play an important role in determining the abundance of bacteria in the sediments.

Abstract Extracellular electron transfer (EET) propels microbial fuel cell (MFC) technology and contributes to the mobility of redox active minerals and microbial syntrophy in nature. Sulfate-reducing bacteria (SRB), especially the genus Desulfovibrio corrode metal electrodes but are of interest for sulfate-containing MFCs providing wastewater treatment. Although extensive studies on SRB-mediated metal electrode corrosion have been done, there remain knowledge gaps on SRB EET to electrodes. We aimed to determine SRB EET mechanisms towards improving SRB performance in MFC wastewater treatment. Our MFCs with Desulfovibrio vulgaris Hildenborough ( Dv H), a model SRB, indicated that Dv H can harvest and send electrons to the carbon cloth electrode. Electricity production with a maximum power density of ∼0.074 W/m 2 was observed when the ratio of lactate (electron and carbon donor) to sulfate (electron acceptor) was 60:20 and 0:10 in the anodic and cathodic chamber, respectively. Patterns in current production compared to variations of electron donor/acceptor ratios in the anode and cathode suggested that attachment of Dv H to the electrode and biofilm density were critical for effective electricity generation. Analysis of Dv H biofilms at different conditions (planktonic dissimilatory sulfate reduction respiration vs. electroactive respiration) by electron microscopy indicated Dv H utilized filaments that resemble nano-pili to attach on electrodes and facilitate EET from cell-to-cell and to the electrode. Proteomics profiling of electroactive respiration proteins indicated Dv H adapted to electroactive respiration by presenting more pili-, flagellar-related proteins and histidine kinases on electrodes. To investigate the role of pili and biofilm, we grew two Dv H mutants in MFCs under the same conditions. The mutant with a deletion of the major pilus-producing gene yielded less voltage and far less attachment to the electrode, suggesting the importance of pili in EET. The mutant with a deficiency in biofilm formation, however, did not eliminate current production indicating the existence of indirect EET. Untargeted metabolomics profiling showed flavin-based metabolites, potential electron shuttles, were dysregulated between respiration modes. This work revealed the metabolic flexibility of Dv H to thrive in less than ideal conditions with solid surfaces as both an electron acceptor (growth on anode) and donor (growth on cathode) by using a combination of direct and indirect EET mechanisms. Understanding Dv H EET mechanism could enhance the application of Dv H in MFCs treating wastewater. Importance We explored the application of Desulfovibrio vulgaris Hildenborough in microbial fuel cells (MFC) and investigated its potential extracellular electron transfer (EET) mechanism. We also conducted untargeted proteomics and metabolomics profiling, offering insights into how DvH adapts metabolically to different electron donors and acceptors. An understanding of the EET mechanism and metabolic flexibility of Dv H holds promise for future uses including bioremediation or enhancing efficacy in MFCs for wastewater treatment applications.

This study investigates the impact of casein hydrolysates on the poultry ceca inoculated with Campylobacter focusing on microbial molecular preferences for different protein sources in the presence of Campylobacter jejuni . Three casein sources (intact casein (IN), casein enzyme hydrolysate (EH), and casein acid hydrolysate (AH)) were introduced to cecal contents in combination with inoculated C . jejuni in an in vitro model system incubated for 48 h at 42°C under microaerophilic conditions. Samples were collected at 0, 24, and 48 h. Genomic DNA was extracted and amplified using custom dual-indexed primers, followed by sequencing on an Illumina MiSeq platform. The obtained sequencing data were then analyzed via QIIME2-2021.11. Metabolite extracts were analyzed with ultra-high-performance liquid orbitrap chromatography-mass spectrometry (UHPLC-MS). Statistical analysis of metabolites was conducted using MetaboAnalyst 5.0, while functional analysis was performed using Mummichog 2.0 with a significance threshold set at P < 0.00001. DNA sequencing and metabolomic analyses revealed that C . jejuni was most abundant in the EH group. Microbial diversity and richness improved in casein supplemented groups, with core microbial differences observed, compared to non-supplemented groups. Vitamin B-associated metabolites significantly increased in the supplemented groups, displaying distinct patterns in vitamin B6 and B9 metabolism between EH and AH groups (P < 0.05). Faecalibacterium and Phascolarctobacterium were associated with AH and EH groups, respectively. These findings suggest microbial interactions in the presence of C . jejuni and casein supplementation are influenced by microbial community preferences for casein hydrolysates impacting B vitamin production and shaping competitive dynamics within the cecal microbial community. These findings underscore the potential of nutritional interventions to modulate the poultry GIT microbiota for improved health outcomes.