Abstract Cyanate (NCO - ) can serve as a nitrogen and/or carbon source for different microorganisms and even additionally as an energy source for autotrophic ammonia oxidizers. Despite the widely distributed genetic potential for direct cyanate utilization among bacteria, archaea and fungi, the availability and environmental significance of cyanate is largely unknown, especially in terrestrial ecosystems. We found relatively low concentrations of soil cyanate, but its turnover was rapid. Contrary to our expectations, cyanate consumption was clearly dominated by biotic processes, and, notably, cyanate was produced in-situ at rates similar to that of cyanate formation from urea fertilizer, which is believed to be one of the major sources of cyanate in the environment. Our study provides evidence that cyanate is actively turned over in soils and represents a small but continuous nitrogen/energy source for soil microbes, potentially contributing to a selective advantage of microorganisms capable of direct cyanate utilization. One-sentence summary Cyanate represents a small but continuously available nitrogen source for soil microbes, contributing to a selective advantage of microorganisms capable of direct cyanate utilization.

ABSTRACT Oysters naturally harbor the human gastric pathogen Vibrio parahaemolyticus , but the nature of this association is unknown. Because microbial interactions could influence the accumulation of V. parahaemolyticus in oysters, we investigated the composition of the microbiome in water and oysters at two ecologically unique sites in the Great Bay Estuary, New Hampshire using 16s rRNA profiling. We then evaluated correlations between bacteria inhabiting the oyster with V. parahaemolyticus abundance quantified using a most probable number (MPN) analysis. Even though oysters filter-feed, their microbiomes were not a direct snapshot of the bacterial community in overlaying water, suggesting they selectively accumulate some bacterial phyla. The microbiome of individual oysters harvested more centrally in the bay were relatively more similar to each other and had fewer unique phylotypes, but overall more taxonomic and metabolic diversity, than the microbiomes from tributary-harvested oysters that were individually more variable with lower taxonomic and metabolic diversity. Oysters harvested from the same location varied in V. parahaemolyticus abundance, with the highest abundance oysters collected from one location. This study, which to our knowledge is the first of its kind to evaluate associations of V. parahaemolyticus abundance with members of individual oyster microbiomes, implies that sufficient sampling and depth of sequencing may reveal microbiome members that could impact V. parahaemolyticus abundance.

Shellfish-transmitted Vibrio parahaemolyticus infections have recently increased from locations with historically low disease incidence, such as the Northeast United States (US). This change coincided with a bacterial population shift towards human pathogenic variants occurring in part through the introduction of several Pacific native lineages (ST36, ST43 and ST636) to near-shore areas off the Atlantic coast of the Northeast US. Concomitantly, ST631 emerged as a major endemic pathogen. Phylogenetic trees of clinical and environmental isolates indicated that two clades diverged from a common ST631 ancestor, and in each of these clades, a human pathogenic variant evolved independently through acquisition of distinct Vibrio pathogenicity islands (VPaI). These VPaI differ from each other and bear little resemblance to hemolysin-containing VPaI from isolates of the pandemic clonal complex. Clade I ST631 isolates either harbored no hemolysins, or contained a chromosome I-inserted island we call VPaIβ that encodes a type three secretion system (T3SS2β) typical of Trh hemolysin-producers. The more clinically prevalent and clonal ST631 clade II had an island we call VPaIγ that encodes both tdh and trh and that was inserted in chromosome II. VPaIγ was derived from VPaIβ but with some additional acquired elements in common with VPaI carried by pandemic isolates, exemplifying the mosaic nature of pathogenicity islands. Genomics comparisons and amplicon assays identified VPaIγ-type islands containing tdh inserted adjacent to the ure cluster in the three introduced Pacific and most other emergent lineages. that collectively cause 67% of Northeast US infections as of 2016. The availability of three different hemolysin genotypes in the ST631 lineage provided a unique opportunity to employ genome comparisons to further our understanding of the processes underlying pathogen evolution. The fact that two different pathogenic clades arose in parallel from the same potentially benign lineage by independent VPaI acquisition is surprising considering the historically low prevalence of community members harboring VPaI in waters along the Northeast US Coast that could serve as the source of this material. This illustrates a possible predisposition of some lineages to not only acquire foreign DNA but also to become human pathogens. Whereas the underlying cause for the expansion of V. parahaemolyticus lineages harboring VPaIγ along the US Atlantic coast and spread of this element to multiple lineages that underlies disease emergence is not known, this work underscores the need to define the environment factors that favor bacteria harboring VPaI in locations of emergent disease.

Abstract: The epidemiology of Vibrio parahaemolyticus, the leading cause of seafood-borne bacterial gastroenteritis of humans world-wide, dramatically changed in the United States following the establishment of a Pacific native lineage called sequence type (ST) 36 in the Atlantic. In this study we used phylogeography based on traceback to environmental source locations and comparative genomics to identify features that promoted evolution, dispersal, and competitive dominance of ST36. The major genomic differentiation and competitive success of ST36 was associated with a striking succession of filamentous prophage in the family Inoviridae (inoviruses), including loss of an inovirus prophage that had been maintained for decades in the endemic north Pacific population. Subsequently, at least five distinct progenitors arising from this diversification translocated from the Pacific into the Atlantic and established four geographically defined clonal subpopulations with remarkably low migration or mixing. Founders of two prevailing Atlantic subpopulations each acquired new stable and diagnostic inoviruses while other subpopulations that apparently declined did not. Broader surveys indicate inoviruses are common and active among the global population of V. parahaemolyticus and though inovirus replacements, such as in ST36, appear to be infrequent, they are notable in pathogenic lineages that dispersed. Importance: An understanding of the processes that contribute to emergence of pathogens from environmental reservoirs is critical as changing climate precipitates pathogen evolution and population expansion. Phylogeographic analysis of Vibrio parahaemolyticus hosts combined with analysis of their Inoviridae phage resolved ambiguities of diversification dynamics which preceded successful Atlantic invasion by the epidemiologically predominant ST36 lineage. It has been established experimentally that filamentous phage can limit host recombination, but here we show that phage loss is linked to rapid bacterial host diversification during epidemic spread in natural ecosystems alluding to a potential role for ubiquitous inoviruses in the adaptability of pathogens. This work paves the way for functional analyses to define the contribution of inoviruses in the evolutionary dynamics of environmentally transmitted pathogens.

ABSTRACT A Pacific native lineage of Vibrio parahaemolyticus ST36 serotype O4:K12 was introduced into the Atlantic, which increased local source illnesses. To identify genetic determinants of virulence and ecological resiliency and track their transfer into endemic populations, we constructed a complete genome of a 2013 Atlantic-traced clinical isolate by hybrid assembly.

Fecal pollution at coastal beaches in the Northeast, USA requires management efforts to address public health and economic concerns. Concentrations of fecal-borne bacteria are influenced by different fecal sources, environmental conditions, and ecosystem reservoirs, making their public health significance convoluted. In this study, we sought to delineate the influences of these factors on enterococci concentrations in southern Maine coastal recreational waters. Weekly water samples and water quality measurements were conducted at freshwater, estuarine, and marine beach sites from June through September 2016. Samples were analyzed for total and particle-associated enterococci concentrations, total suspended solids, and microbial source tracking markers for multiple sources. Water, soil, sediment, and marine sediment samples were also subjected to 16S rRNA sequencing and SourceTracker analysis to determine the influence from these environmental reservoirs on water sample microbial communities. Enterococci and particle-associated enterococci concentrations were elevated in freshwater, but suspended solids concentrations were relatively similar. Mammal fecal contamination was significantly elevated in the estuary, with human and bird fecal contaminant levels similar between sites. A partial least squares regression model indicated particle-associated enterococci and mammal marker concentrations had the most significant positive relationships with enterococci concentrations across marine, estuary, and freshwater environments. Freshwater microbial communities were significantly influenced by underlying sediment while estuarine/marine beach communities were influenced by freshwater, high tide height, and estuarine sediment. We found elevated enterococci levels are reflective of a combination of increased fecal source input, environmental sources, and environmental conditions, highlighting the need for encompassing MST approaches for managing water quality issues.

We assessed the impact of dodecane, n-hexane and gasoline on the microbial diversity of chronically polluted fringing tidal marsh sediment from the Great Bay Estuary of New Hampshire. Dilution cultures containing saturated alkane concentrations were sampled at zero, one and 10 days, and alkB and cyp153A1 alkane hydroxylase gene libraries and 16S rRNA sequences were analyzed. The initial sediment had the most diverse alkane hydroxylase sequences and phylogenetic composition whereas treated sediments became less functionally and phylogenetically diverse with alkane substrates apparently enriching a few dominant taxa. All 1- and 10-day samples were dominated by Pseudomonas-type alkane hydroxylase sequences except in dodecane treatments where primarily Rhodococcus-type alkane hydroxylases were detected. 16S rRNA profiling revealed that the Gammaproteobacteria, particularly Pseudomonas, dominated all one day samples, especially the n-hexane and gasoline treatments (63.2 and 47.2% respectively) and the 10-day n-hexane treatment (which contained 60.8% Pseudomonas and 18.6% Marinobacter). In contrast, the 10 days of dodecane treatment enriched for Actinobacteria (26.2% Rhodococcus and 32.4% Mycobacterium) and gasoline treatment enriched for Firmicutes (29.7%; mainly Bacillus, Lysinibacillus and Rumelibacillus). Our data indicate that fringing tidal marshes contain microbial communities with alkane-degrading abilities similar to larger meadow marshes, and support the hypothesis that alkane exposure reduces the functional and phylogenetic diversity of microbial communities in an alkane-specific manner. Further research to evaluate the ability of such fringing marsh communities to rebound to pre-pollutant diversity levels should be conducted to better assess the threat of petroleum to these habitats.