مقالة منهجية

وصف الإلكترون النقل عبر الأغشية الحيوية الحية

DOI:

10.3791/54671

⸱

يونيو 1, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Center for Bio/Molecular Science and Engineering, Naval Research Laboratory, 2George Mason University, 3Chemistry Division, Naval Research Laboratory, 4Departments of Physics, Biological Sciences, and Chemistry, University of Southern California, 5Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويرد على بروتوكول لقياس الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية الميكروبية الحية تحت الظروف ذات الصلة فسيولوجيا.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا نظهر طريقة النابضة الكهروكيميائية المستخدمة لوصف الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية الميكروبية نابعة من قطب كهربائي في ظل الظروف ذات الصلة فسيولوجيا. 1 هذه القياسات يتم أداؤها على الأغشية الحيوية الحية في وسط مائي باستخدام المصدر واستنزاف أقطاب منقوشة على سطح زجاج في تكوين متخصصة المشار إليها كمصفوفة إينتيرديجيتاتيد كهربائي (IDA). ويزرع بيوفيلم التي تمتد عبر الفجوة الاتصال بالمصدر واستنزاف. إمكانات تطبق على أقطاب كهربائية (ES و Eد) توليد تيار مصدر استنزاف (طSD) من خلال بيوفيلم بين الأقطاب. تبعية الموصلية الكهربائية على إمكانات بوابة (متوسط المصدر واستنزاف الإمكانات، هز = [هد + هS]/2) يتحدد بتغيير البوابة المحتملة بصورة منتظمة وقياس المصدر-استنزاف الناتجة الحالية. التبعية للتوصيل على بوابة المحتملة يوفر المعلومات آليا حول عملية نقل الإلكترون خارج الخلية الأساسية الموصلية الكهربائية بيوفيلم محددة قيد التحقيق. تقوم طريقة القياس النابضة الكهروكيميائية الموصوفة هنا مباشرة على أن يستخدمها رايتون س. م.2،3 والزملاء وموراي ر. دبليو4،،من56 والزملاء في في عام 1980 التحقيق رقيقة البوليمرات الموصلة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقل الإلكترون خارج الخلية (EET) هي عملية التي تمكن بعض الكائنات المجهرية لنقل الإلكترونات بين العمليات الأيضية داخل الخلية ومتقبلون إلكترون غير قابلة للذوبان أو المانحين الذين يقيمون خارج الخلية، بدءاً من المعادن الطبيعية إلى أقطاب كهربائية. وفي بعض الحالات، تمكن EET الكائنات الدقيقة لتشكيل موصلة كهربائياً متعددة الخلايا الأغشية الحيوية سميكة على الأسطح القطب، الذي الخلايا لا في اتصال مباشر مع مسرى يمكن لا يزال الاستفادة منها يقبلون الإلكترون الأيضية أو الجهات المانحة. وهناك اهتمام كبير بهذه الأغشية الحيوية كعوامل حفازة الكهربائي لمختلف التطبيقات، مثل اليكتروسينثيسيس الجرثومية والملوث الاستشعار/إزالة، وتوليد الطاقة البعيد والتخزين،7،8،9 ،،من1011،12،،من1314 نظراً لتنوع العمليات الأيضية التي يؤديها الكائنات المجهرية ومتانة الأغشية الحيوية الميكروبية مقارنة للقائم على إنزيم بيوليكتروديس. 15 , 16 وبالإضافة إلى ذلك، قد يحتمل أن يستفاد من التغييرات كهربائياً إشارة أو التحكم في شكل طبيعي مسارات EET أو المهندسة وراثيا العمليات الأيضية الجرثومية تنطوي، على سبيل المثال، في إنتاج المنتج المطلوب أو الكشف عن أكثر هدف أو حافز. الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية اليكتروكاتاليتيك، الذي يحدد لهم وبصرف النظر عن غيرها من المواد البيولوجية، جانبا أساسيا من خصائصها اليكتروكاتاليتيك، ولكن القليل من المفهوم حول عملية EET الكامنة في بيئة القطب، ومما هو معروف جداً هو المتنازع عليها. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

الموصوفة هنا أسلوب 2-القطب لقياس التوصيل من خلال الأغشية الحيوية الحية، نمت القطب استخدام صفائف الكهربائي إينتيرديجيتاتيد (كيبوشي). كيبوشي تتكون موازية أقطاب مستطيلة منقوشة على سطح الزجاج المسطح حيث أن كل عصابة أخرى متصل على طرفي نقيض من المصفوفة الناتجة في أقطاب 2 (المصدر واستنزاف). دراسة متأنية المؤسسة الإنمائية الدولية (انظر على سبيل المثال، الرقم 6.12 b من ref #1) يكشف عن أن هذه الثغرات التي تفصل بين العصابات المجاورة أيضا متصلة بطريقة تسمح بشكل فجوة واحد أن ينسج ذهابا وإيابا عبر الصفيف فصل قطبين. والنتيجة وجود فجوة طويلة وضيقة تفصل بين أقطاب المصدر واستنزاف، تسفر عن التيارات استنزاف المصدر عالية جداً عند مادة موصلة تشكيل أو يلقي، بلمرة أو نما (في حالة نوع الأغشية الحيوية تعتبر هنا) على الصفيف. وبالإضافة إلى ذلك، يؤدي صغر حجم الأقطاب الصغيرة الخلفية الحالية بسبب اتهام السعة، وتغيير في حالة الأكسدة المواد موصلة مع التغيير في بوابة المحتملة، نظراً لكمية المواد اللازمة لجعل الموصلية القياسات باستخدام كيبوشي صغير جداً. النابضة الكهروكيميائية الموصوفة هنا، وضعت تقنية تستند إلى المؤسسة الدولية للتنمية لتوصيف البوليمرات الموصلة رقيقة،2،،من34،25 إلا في الآونة الأخيرة تم تطبيقه على نظم المعيشة. 18 تستخدم تقنية أخرى تستخدم لقياس موصلية للأغشية الحيوية الحية شكل كبير تقسيم أقطاب المصدر واستنزاف ومتر المصدر لتعيين البوابة المحتملة. 26 , 27 إلا أن المخاوف المتعلقة بهذه الأساليب قد تم مفصلة سابقا. 18

تغليف البروتوكول أدناه أن تجربتنا مع إجراء قياسات الموصلية للمعيشة سولفوريدوسينس جيوباكتير وبيوكاثودي MCL الأغشية الحيوية. زاي-سولفوريدوسينس قطب نموذجي تخفيض الكائن قادراً على استخدام مواد غير قابلة للذوبان، بما في ذلك أقطاب، كما يقبلون الإلكترون الأيضية الوحيد. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يشكل سميكة الأغشية الحيوية التي تكون قادرة على نقل الإلكترونات عبر أطوال الخلية متعددة، مما يجعل من كائن نموذج مثالي لدراسة نقل الإلكترون مسافات طويلة خارج الخلية انوديك. نحن تشمل أيضا تفاصيل لدراسة بيوكاثودي MCL، بيوفيلم الهوائية والتغذية المجتمعية مختلطة معزولة من القطب السالب لخلية الوقود الميكروبية القاعية. MCL بيوكاثودي (اسمه لمقومات الأساسية الثلاثة – مارينوباكتيرو تشروماتياسييا و لابرينزيا) قادر على المؤكسدة قطب كمانح الإلكترون الوحيد لها ونقل الإلكترونات عبر أطوال الخلية متعددة، مما يجعل أنه نظام الكاثودية مثيرة لاهتمام للدراسة. بالإضافة إلى ذلك، قد بيوكاثودي MCL الموصلية عنها أعلى لنظام معيشة حتى الآن باستخدام هذه الأساليب. والمقصود بإدراج هذه الأغشية الحيوية اليكترواكتيفي المتنوعة في هذا البروتوكول لتسليط الضوء على أن هذا الأسلوب المنطبق على قياس نقل الإلكترونات من خلال أي بيوفيلم الحية قادرة على التفاعل كهربائياً مع أقطاب.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1-إعداد مصفوفة (IDA) إينتيرديجيتاتيد ميكروليكترودي

  1. الحصول على إيدا المتاحة تجارياً أقطاب منقوشة على الركازة نونكوندوكتيفي أو توليفها باستخدام أساليب معدني القياسية. 28
    ملاحظة: أبعاد المؤسسة و/أو مواد يمكن أن تختلف استناداً إلى الشروط المطلوبة لتجارب مختلفة. كيبوشي المستخدمة هنا تم الحصول عليها تجارياً، ويتألف من اثنين ميكروليكتروديس الذهب إينتيرديجيتاتيد منقوشة على زجاج الركازة متصلاً رفائد كبيرة على طرفي نقيض من الصفيف. ويتعرض الأقطاب بينما خطوط الحافلات توصيل أقطاب كهربائية إلى منصات الاتصال الكبيرة هي مغطاة بطبقة رقيقة من المواد العازلة. كيبوشي المستخدمة هنا تتألف من اثنين مجموعات من 10 ميكرون على نطاق المنظومة ومم 2 ميكروليكترودي الذهب منذ فترة طويلة العصابات (المصدر واستنزاف) متباعدة عن بعضها 5 ميكرومتر منقوشة على سطح زجاج مسطح. كيبوشي المستخدمة هنا كان 65 القطب أزواج (عصابات إينتيرديجيتاتيد إجمالي 130). عصابات التناوب متصلة رفائد على طرفي نقيض من الصفيف.
  2. أسلاك وعزل المؤسسة الدولية للتنمية
    1. إرفاق سلك لكل لوح قطب كهربائي كبير استخدام الإيبوكسي الفضة موصلة.
      1. إعداد الإيبوكسي موصلة وفقا لتعليمات الشركة المصنعة الإيبوكسي محددة في الاستخدام مع تلميح قضيب أو ماصة خلط (قد تختلف الإرشادات من الشركة المصنعة).
      2. ضع سلك على كل لوح الذهب، آمنة في مكانها باستخدام الشريط مختبر. تغطية الأسلاك ولوحة فضية الإيبوكسي استخدام تلميح قضيب أو ماصة خلط.
      3. بعناية للانتقال إلى فرن 80 درجة مئوية ح 1 لعلاج أو علاج يستند إلى توصيات الشركة المصنعة الإيبوكسي الفضة موصلة المحددة المستخدمة.
      4. بعد أن يشفي الإيبوكسي، استخدام متعدد لضمان الربط الكهربائي بين نهاية السلك ومنصات. يجب أن تكون المقاومة بين الأسلاك واللوحة Ω < 5. أيضا، استخدام مقياس متعدد للتحقق من أن تربط لا الإيبوكسي موصلة رفائد متعددة، وهذا يمكن أقصر الصفيف. إذا الإيبوكسي موصلة يتم الاتصال يؤدي متعددة، استخدم كاتب لعزل العملاء المتوقعين.
    2. عزل الاتصال أبوزيد بطلاء على اتصال مع حرارية، الكهرباء، والماء من مادة عازلة. راتنجات البولي يوريثان مثبطات اللهب غالباً ما تكون مناسبة.
      1. إزالة غيض من أنبوب 15 مل المخروطية أجهزة الطرد المركزي (في حوالي الساعة علامة 2.5 مل) كقالب للمواد العازلة. جعل اثنين من الثقوب الصغيرة في الجزء السفلي للأسلاك لتبرز من خلال استخدام إبرة ز 21.
      2. إدراج المؤسسة الإنمائية الدولية في الأسلاك من خلال الثقوب في الجزء السفلي من العفن والعفن.
      3. إعداد المواد العازلة محددة. اتبع الإرشادات المتوفرة مع الراتنج المحددة التي تم الحصول عليها.
      4. "الماصة؛" عازل في القالب حيث يكون الإيبوكسي الفضة تماما غطت (مل ~2.5) والسماح لتجف وفقا لمواصفات الشركة المصنعة.

2. الكهروكيميائية مفاعل الإعداد والاختبار والتطعيم

  1. قم بإعداد الخلايا الكهروكيميائية.
    1. إدراج المؤسسة الدولية للتنمية، والعداد الكهربائي، وقطب مرجعي في خلية كهروكيميائية.
      ملاحظة: المفاعلات الكهروكيميائية المستخدمة تختلف على نطاق واسع، ما دام كل من الأقطاب تناسب داخل. أحد الاعتبارات أن مسرى الإشارة قدر الإمكان إلى مسرى العامل ينبغي أن حدود العملية للمفاعل. هنا، نحن نستخدم مفاعل يعمل بدائرة واحدة مع مرجع القطب ~ 2-3 سم من أقطاب العمل. أيضا، ينبغي أن يكون مسرى العداد أكبر من مسرى العامل التأكد من أنه هو عدم قصر في النظام.
    2. إذا كان يعمل مع ثقافة نقية، تعقيم المفاعل مع مسرى العداد داخل. تعقيم مسرى المرجعية التي نقع في التبييض لتعقيم 10 دقيقة والمياه المعقمة للحد الأدنى 10 المؤسسة الإنمائية الدولية بالغمس في بليتش 5 s متبوعاً تعقيم المياه ل 10 ق قبل الإدراج في المفاعل.
    3. تعبئة الخلية الكهروكيميائية بمناسبة لنمو بيوفيلم العقيمة المتوسطة. ل17، سولفوريدوسينس زاي-18، استخدام المياه العذبة المتوسطة باستثناء فيوماريت. بالنسبة بيوكاثودي MCL، استخدم9 اصطناعية في مياه البحر المتوسط. 9
    4. قم بتوصيل أقطاب كهربائية بيبوتينتيوستات. الاتصال الكهربائي إيدا واحد أن يؤدي العامل 1، مسرى المؤسسة الإنمائية الدولية الأخرى أن تؤدي العمل 2 ومسرى إشارة إلى قيادة المرجعية ومسرى العداد العداد زمام المبادرة.
  2. اختبار الكهروكيميائية كيبوشي.
    ملاحظة: الهدف الرئيسي لهذا الاختبار التأكد من أن قطبين معزولة كهربائياً. وتتوفر جميع التقنيات الكهروكيميائية في البرمجيات المستخدمة للتحكم في بيبوتينتيوستات.
    1. إجراء اختبارات الموصلية التحكم (قبل نمو بيوفيلم) لضمان الصحيح إيدا دالة باستخدام بيبوتينتيوستات.
      1. قياس إمكانات الدائرة المفتوحة لكل قطب كهربائي لمدة 1 دقيقة.
        ملاحظة: في بعض الصكوك، الدائرة المفتوحة المحتملة يجب تحقيقه عن طريق استخدام برنامج جمع جالفانوستاتيك والإعداد الحالي إلى 0 اماه.
      2. قياس إمكانات الدائرة المفتوحة للقطب 2 أثناء أداء فولتاميتري دوري في القطب 1 بين +0.2 الخامس إلى +0.6 الخامس (مقابل) في المتوسط 20/s.
        ملاحظة: حدود ومعدلات المسح الضوئي للسيرة الذاتية الأخرى يمكن استخدامها إذا رغبت في ذلك. ومع ذلك، تجنب الإمكانات التي سوف تسفر عن توليد الهيدروجين أو الأوكسجين.
      3. تحقق من أن الدائرة المفتوحة المحتملة تقاس في القطب 2 لا يعكس إمكانات القطب 1 خلال السيرة الذاتية باستخدام البرمجيات بوتينتيوستات.
        ملاحظة: قد تتغير إمكانيات الدائرة المفتوحة للقطب 2، ولكن ينبغي أن يكون مستقلاً عن إمكانات القطب 1.
      4. كرر الخطوات من 2.2.1.1 عن طريق 2.2.1.3 استثناء مراقبة إمكانيات القطب 2 وقياس إمكانات الدائرة المفتوحة للقطب 1.
    2. تعيين إمكانات أقطاب العامل إلى إمكانات النمو المنشود بيوفيلم اليكترواكتيفي ذات الصلة باستخدام البرمجيات بيبوتينتيوستات. على سبيل المثال، استخدام + 0.5 V (مقابل) سولفوريدوسينس جيوباكتير أو +0.31 الخامس (مقابل) بيوكاثودي MCL.
  3. تنمو بيوفيلم اليكترواكتيفي ذات صلة
    1. تلقيح المفاعل الكهروكيميائية من ثقافة/إثراء مخزون من الكائنات المجهرية اليكتروتشيميكالي النشط المطلوب استخدام الأساليب القياسية الميكروبيولوجية العقيم. للاختبارات القياسية، تطعيم في 01:20 نسبة (العدوى إلى حجم المفاعل) التطوير التنظيمي600 = 0.5 الثقافة.
    2. تعيين التحريك في المفاعل إلى المستوى المطلوب (~ 200 لفة في الدقيقة) والحاضنة/حمام المياه إلى درجة الحرارة المطلوبة استناداً إلى شروط النمو بيوفيلم للفائدة. من أجل سولفوريدوسينس G.، استخدم 30 درجة مئوية للنمو الأمثل.
    3. احتضان النظام استناداً إلى متطلبات محددة من microorganism(s) للفائدة حتى بيوفيلم الجسور الفجوة التي تفصل الأقطاب اثنين. ثابتة بيوفيلم G. سولفوريدوسينس ، احتضان ~ 7-10 أيام. بيوكاثودي MCL، احتضان ~ 7 أيام. وفي كل حالة، التحكم في درجة حرارة 30 درجة مئوية.

3-الكهروكيميائية تجارب النابضة

  1. حدد المعلمات التجريبية التي سيتم استخدامها لتحديد الاعتماد على الإمكانات الحالية للقياسات النابضة.
    1. تحديد نطاق إمكانات البوابة التي سيتم تطبيقها على المؤسسة الإنمائية الدولية للحصول على الحالي أجرى (طSD) مقابل بوابة منحنى (هز) المحتملة للنظام.
      ملاحظة: ينبغي أن يشمل نطاق إمكانات بوابة بحث كافة الإمكانات مع نشاط الأكسدة المحتملة. في حالة توفر أي معلومات عن نظام الفائدة، ينبغي أن تكون طائفة واسعة محتملة المستخدمة (-0.55 إلى +0.6 الخامس مقابل أنها). يمكن استخدام نهج التجربة وخطأ لضبط النطاق استناداً إلى نظام قيد الدراسة. يعرف بوابة المحتملة:
      figure-protocol-1
      حيث هد هو احتمال استنزاف القطب وهS إمكانات مسرى المصدر. نطاق إمكانات البوابة المستخدمة مقيد بالشروط والقيود المفروضة على نظام محدد للفائدة. 18
      ملاحظة: المصدر واستنزاف الإمكانات التي سوف تسفر عن تطور الأكسجين والهيدروجين وينبغي تجنب هذه العمليات يمكن أن تلحق الضرر بيوفيلم.
    2. تحديد مصدر استنزاف الجهد (VSD) التي سيتم استخدامها كقوة دافعة لنقل الإلكترون من خلال الفيلم من المصدر لاستنزاف. يعرف مصدر استنزاف الجهد الكهربي:
      figure-protocol-2
      ملاحظة: مصدر استنزاف الجهد ينبغي أن تكون صغيرة بما فيه الكفاية حتى أناSD جداول خطيا مع VSD. 17
    3. اختيار معدل المسح الضوئي (v) الذي هز يتغير خطيا مع الوقت الذي مستقل أناSD بحيث يمكن تقريب النظام في حالة مستقرة لكل بوابة المحتملة.
      ملاحظة: يستخدم بمعدل أقل من 0.002 V/s مسح غالباً للنظم البيولوجية. 29 , 30
    4. قم بإعداد البرنامج بيبوتينتيوستات لإجراء القياسات النابضة (أي اكتساح البوابة المحتملة) على النطاق المحدد، الجهد استنزاف المصدر المحدد، وبمعدل المسح المطلوبة استناداً إلى الاعتبارات المذكورة أعلاه.
      ملاحظة: للحصول على قياسات النابضة السابقة استخدام G. سولفوريدوسينس،،من1719 هز =-0.55 الخامس إلى 0.6 الخامس (مقابل أنها)، VSD = 0.01 الخامس أو 0.1 V, v = 0.001 V/s. ل MCL بيوكاثودي، هز = 0.25 V إلى 0.7 V (مقابل أنها)، VSD = 0.002 V, v = 0.0002 V/s.
      1. بالإضافة إلى ذلك، إجراء قياس خط أساس مع VSD = 0.000 الخامس (أي، السيرة ذاتية في كل قطب الفردية المتخذة في وقت واحد) في الخامس نفسه اختيارها في الخطوة 3.1.3.
    5. إجراء قياسات النابضة باستخدام الشروط في 3.1.4 تحت كل دوران (مع المانحين الإلكترون القابلة للذوبان أو يقبلون الحالية) والظروف غير دوران (دون المانحة الإلكترون القابلة للذوبان أو يقبلون).
      ملاحظة: الشروط غير دوران مفيدة يتم لأن القياسات هي لا تحجب الأكسدة أو الحد من المركبات القابلة للذوبان الأيض الخلوية، على الرغم من أن ينبغي أن يكون الحصول على نتائج مماثلة بغض النظر عن الذي يستخدم الشرط بعد طرح التيارات الخلفية (مفصلة في 3.1.8).
      1. تحقيق ظروف الدوران باستخدام المتوسط المفاعل نفسه كما تستخدم للنمو البكتيري على مسرى. يتضمن هذا المتوسط مانح إلكترون القابلة لذوبان، مثل اسيتات G. سولفوريدوسينس،17 أو يقبلون، مثل الأكسجين بيوكاثودي MCL.
      2. تحقيق الشروط غير دوران بجعل المتوسط مفاعل نفس المستخدمة للنمو البكتيري على مسرى، باستثناء حذف المانحة الإلكترون القابلة للذوبان أو يقبلون. بعد التأكد من أن بوتينتيوستات الخروج، إزالة المتوسط أسيبتيكالي وإضافة في متوسطة جديدة دون الجهة المانحة الإلكترون لأنظمة انوديك أو يقبلون نظم الكاثودية. وبدلاً من ذلك، يمكن إعداد نظام تدفق مستمر لاستبدال المتوسطة ببطء مع المتوسط المطلوب لظروف نونتورنوفير.
        ملاحظة: إذا كان الأوكسجين يقبلون الإلكترون قابل للذوبان (أما بالنسبة بيوكاثودي MCL)، سبارجي النظام مع خليط من ~ 15% CO2 و 85% N2 (أو خليط غاز الذي سيتم الحفاظ على درجة الحموضة الصحيح في الأجلين المتوسط و).
    6. بعد انتهاء القياسات النابضة، استخدام البرمجيات بوتينتيوستات لتعيين إمكانات كل قطب كهربائي يعود إلى النمو المحتمل للسماح للنظام إعادة إحلال الاستقرار (باستخدام نفس القيم كما هو الحال في 2.2.2).
    7. وإذا استوفيت جميع الشروط الموضحة أعلاه (SD مستقلة الخامس وتحجيم خطيا مع VSD)، تحويل أنا قيمالتنمية المستدامة للتوصيل باستخدام المعادلات التالية كما هو موضح سابقا31
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
    8. حيث G هو الموصلية و S هو عامل تحجيم هو نظام يعتمد، والعوامل في متغيرات مثل حجم القطب وحجم الفجوة، وارتفاع بيوفيلم. لأنظمة معينة، ويمكن تحديد S من معادلات محددة سلفا. 31 بدلاً من ذلك, S يمكن حساب رقمياً باستخدام برمجيات نمذجة، كما هو مفصل سابقا. 17
    9. طرح التيارات الأساسية لتحديد شكل وحجم الحالية تجري. أما استقطاع الحالية التي تم إنشاؤها في VSD = 0.00 الخامس من الجاري إنشاؤها في VSD = 0.01 الخامس أو طرح استنزاف الحالية من مصدر الحالية التي تم إنشاؤها مع VSD = 0.01 ف. أما التيارات الخلفية يزيل أسلوب، تاركاً الحالي أجرى فقط.
  2. درجة الحرارة تعتمد القياسات الكهروكيميائية النابضة
    1. تحديد نطاق درجات الحرارة للفائدة. هذا النطاق يعتمد اعتماداً كبيرا على النظام قيد الدراسة، ينبغي أن تستخدم درجات الحرارة الناحية الفسيولوجية ذات الصلة.
      ملاحظة: استخدمت الدراسات السابقة درجة حرارة تتراوح من 10 درجات مئوية إلى 30 درجة مئوية لدراسة النقل الإلكترون بموجب الشروط ذات الصلة الفيزيولوجية للكائنات المجهرية الوسطى. 17
    2. الحصول على حوض ماء مغلق أو حاضنة لتنظيم درجة حرارة المفاعل ومفاعل مراقبة التأكد من أن النقطة المحددة ودرجة الحرارة الفعلية للمتوسط هو نفسه.
      1. وضع ميزان الحرارة أو الحرارية في مفاعل يعمل بتحكم فيها المؤسسة الإنمائية الدولية.
    3. جعل أنا قياساتSD (انظر 3.1.4) أكثر من نطاق درجات الحرارة المحددة تحت دوران ونونتورنوفير (كما هو موضح في الخطوة 3.1.5) شروط استخدام بيبوتينتيوستات بعد واحد من اثنين الإجراءات الواردة أدناه.
      1. يولد أناSD مقابل هز المنحنيات، كما هو موضح أعلاه (انظر 3.1)، لكل درجة الحرارة على نطاق درجة الحرارة على الفائدة. للمواد التي يحمل الموصلية الأكسدة، مثل سولفوريدوسينس G. وبيوكاثودي MCL، ذروة الحالي من كل درجة الحرارة هو المستخدمة لتحديد الأولSD مقابل الاعتماد على T.
        ملاحظة: يتم استخدام هذا الأسلوب لتوليد كامل لدىSD مقابل هز منحنى لكل درجة الحرارة، ولكن يتطلب وقتاً أطول من الخيار الثاني.
      2. بدلاً من ذلك، تعيين وعقد المؤسسة الإنمائية الدولية عند بوابة المحتملة التي تعطي أقصى أجرى الحالي في بيبوتينتيوستات باستخدام (التي تم الحصول عليها من الأولSD مقابل هز المنحنى، خطوة 3.1.4) وسجل الحد الأقصى الحالي أجرى باستخدام بيبوتينتيوستات بينما درجة حرارة تسري بين نطاق درجات الحرارة المحددة باستخدام عناصر التحكم الموجودة على متن الطائرة من حوض ماء أو حاضنة.
        ملاحظة: مع الهندسة الكهربائي/المفاعلات المستخدمة هنا، أناSD و T مسموح بها لتحقيق الاستقرار لمالا يقل عن 20 دقيقة ومتوسطة مستقرة أناSD يستخدم لكل درجة الحرارة. أكثر أو أقل قد يكون الوقت الاستقرار المطلوبة استناداً إلى نظام معين. هذا الأسلوب هو أسرع من الأولى ويسبب الإجهاد أقل بيوفيلم. ومع ذلك، لا يتم إنشاء منحنيات النابضة كاملة.
      3. دورة درجة الحرارة من نقطة واحدة من مجموعة إلى أخرى والعودة مرة أخرى باستخدام عناصر التحكم الموجودة على متن الطائرة الحاضنة أو حمام الماء لتحديد إمكانية الرجوع لرد فعل التأكد من أن درجة الحرارة ركوب الدراجات لا يضر بيوفيلم.
    4. إعادة تعيين درجة الحرارة إلى درجة حرارة النمو الطبيعي باستخدام عناصر التحكم على متن الطائرة من حمام حاضنة أو المياه، والسماح للنظام بتحقيق الاستقرار.
      ملاحظة: لموصل الأكسدة، يمكن أن يصلح أناSD مقابل البيانات 1/T مع تعبير معدل أرينيوس، الذي يسمح حساب طاقة التنشيط كما يلي:
      figure-protocol-5
      figure-protocol-6
      حيث ه هو طاقة التنشيط لنقل الإلكترون بين العوامل المساعدة الأكسدة المجاورة و k هو ثابت بولتزمان.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

كيبوشي السلكية، معزول واختبارها للتأكد من أن قطبين كهربائياً معزولة عن بعضها البعض (الشكل 1). المفاعلات تم تجميعها وتلقيح مع سولفوريدوسينس G.والمحتضنة حتى بيوفيلم سد الفجوة بين الأقطاب. يمكن رؤية بيوفيلم G. سولفوريدوسينس بصريا تغطي الصفيف. الأغشية الحيوية الأخرى قد يتطلب الباحث للقيام قياسات الكهروكيميائية النابضة لمعرفة ما إذا تم توصيلها قطبين كهربائياً. كما ينبغي استخدام الفحص المجهري للتحقق من الاتصال بين أقطاب الصفيف. أجريت تجارب النابضة...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أثناء الإعداد للمؤسسة الدولية للتنمية، من المهم لاختبار أن المصدر واستنزاف هي لا قلل معا قبل القياسات الكهروكيميائية النابضة، وهذا سوف يغير الأولSD مقابل منحنى هز ويمكن أن يؤدي إلى نتائج خاطئة وتفسيرات. من المهم أيضا تحديد VSD والخامس أن الحالي خطيا تعتمد على VSD ومستقلة عن الخامس. ثم إذا كان هذا ليس هو الحال، لا يمكن استخدام المعادلات المذكورة أعلاه لحساب الموصلية.

يجب النظر في اثنين على الأقل خلفية التيارات وإزالتها من إجراء القياسات الحالية. الأول...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

M.D.Y، س. S.M.G، و L.M.T. يعترف مكتب الأبحاث البحرية (جائزة #N0001415WX01038 و N0001415WX00195) ومختبر البحوث البحرية، ومعهد Nanosciences مختبر الأبحاث البحرية؛ M.Y.E.-أ. معتمد من قبل الولايات المتحدة إدارة للطاقة المنحة دي-FG02-13ER16415.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
IDAsCH Instruments012125المصنعة من قبل ALS-Japan ؛ تباع بواسطة CH Instruments
WireDigikeyW7-ND
المجهرالمجهري الإيبوكسي الفضي الموصل12670-EE
مادة عازلة3M2131-Bمركب مثبطات اللهب Scotchast
15 مل أنبوب الطرد المركزي المخروطيVWR89004-368
21 جرام إبرةVWRBD-305165
5 مل أطراف ماصةVWR82018-842
5 مل ماصةVWR89079-976
مكونات المياه العذبة المتوسطةSigma Aldrichجميع المواد الكيميائية
      كلوريد
      فوسفات الصوديوم أحادي القاعدة
      بيكربونات
مكونات متوسطة مياه البحر الاصطناعيةسيجما ألدريتشجميع المواد الكيميائية المختبرية
القياسية      كلوريد
الصوديوم      سداسي
المغنيسيوم      كبريتات المغنيسيوم سباعي الهيدرات
      كلوريد
البوتاسيوم      بيكربونات
      ثنائي هيدرات
      كلوريد
      فوسفات البوتاسيوم ثنائي القاعدة
Ag / AgCl القطب المرجعيBasiMF-2079
قطب مضاد لقضيب الجرافيتعلوم المجهر الإلكتروني70230
إعادة تدوير حمام مائيحراري علمي152-5256
أدوات الصنوبر BipotentiostatWD-20http://www.voltammetry.net/pine/aftermath/user
قضبان التحريكVWR58947-114
G. sulfurreducens< / em> ثقافةATCC51573
الصنوبر المفاعل المغلفRRPG085
علوم المختبرية القياسية الأمونيومالصوديوم هيدرات كلوريد الصوديوم كلوريد الكالسيوم الأمونيوم أدوات

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Boyd, D. A., et al. Biofilms in Bioelectrochemical Systems. , John Wiley & Sons, Inc. 177-210 (2015).
  2. Natan, M. J., Wrighton, M. S. Chemically modified microelectrode arrays. Prog Inorg Chem. 7, 391-494 (1990).
  3. Paul, E. W., Ricco, A. J., Wrighton, M. S. Resistance of polyaniline films as a function of electrochemical potential and the fabrication of polyaniline-based microelectronic devices. J Phys Chem-US. 89, 1441-1447 (1985).
  4. Dalton, E. F., et al. Charge transport in electroactive polymers consisting of fixed molecular redox sites. Chem Phys. 141, 143-157 (1990).
  5. Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Electroactive Polymers and Macromolecular Electronics. Science. 231, 25-31 (1986).
  6. Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Redox capacity and direct current electron conductivity in electroactive materials. J Phys Chem-US. 90, 1479-1484 (1986).
  7. Gregoire, K. P., Glaven, S. M., Hervey, J., Lin, B., Tender, L. M. Enrichment of a High-Current Density Denitrifying Microbial Biocathode. J Electrochem Soc. 161, H3049-H3057 (2014).
  8. Siegert, M., Yates, M. D., Spormann, A. M., Logan, B. E. Methanobacterium dominates biocathodic Archaeal communities in methanogenic microbial electrolysis cells. ACS Sus Chem Eng. 3, 1668-1676 (2015).
  9. Wang, Z., et al. A previously uncharacterized, nonphotosynthetic member of the Chromatiaceae is the primary CO2-fixing constituent in a self-regenerating biocathode. Appl Environ Microbiol. 81, 699-712 (2015).
  10. Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., May, H. D. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environ Sci Technol. 47, 6023-6029 (2013).
  11. Strik, D. P. B. T. B., Picot, M., Buisman, C. J. N., Barrière, F. pH and Temperature Determine Performance of Oxygen Reducing Biocathodes. Electroanalysis. 25, 652-655 (2013).
  12. Strycharz, S. M., et al. Reductive dechlorination of 2-chlorophenol by Anaeromyxobacter dehalogenans with an electrode serving as the electron donor. Environ Microbiol Report. 2, 289-294 (2010).
  13. Yates, M. D., et al. Microbial Electrochemical Energy Storage and Recovery in a Combined Electrotrophic and Electrogenic Biofilm. Environ Sci Technol Lett. 4, 374-379 (2017).
  14. Tender, L. M., et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nature Biotechnology. 20, 821-825 (2002).
  15. Yates, M. D., Siegert, M., Logan, B. E. Hydrogen evolution catalyzed by viable and non-viable cells on biocathodes. Int J Hydrogen Energ. 39, 16841-16851 (2014).
  16. Fokina, O., Eipper, J., Winandy, L., Kerzenmacher, S., Fischer, R. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus. Bioresource Technol. 175, 445-453 (2015).
  17. Yates, M. D., et al. Thermally activated long range electron transport in living biofilms. Phys Chem Chem Phys. 17, 32564-32570 (2015).
  18. Yates, M. D., et al. Measuring conductivity of living Geobacter sulfurreducens biofilms. Nat Nano. 11, 910-913 (2016).
  19. Snider, R. M., Strycharz-Glaven, S. M., Tsoi, S. D., Erickson, J. S., Tender, L. M. Long-range electron transport in Geobacter sulfurreducens biofilms is redox gradient-driven. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 15467-15472 (2012).
  20. Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., Tender, L. M. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energ Environ Sci. 4, 4366-4379 (2011).
  21. Malvankar, N. S., Tuominen, M. T., Lovley, D. R. Comment on "On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms" by S. M. Strycharz-Glaven, R. M. Snider, A. Guiseppi-Elie and L. M. Tender, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4366. Energy Environ. Sci. 5, 6247-6249 (2012).
  22. Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nanotechnol. 6, 573-579 (2011).
  23. Strycharz-Glaven, S. M., Tender, L. M. Reply to the 'Comment on "On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms"' by N. S. Malvankar, M. T. Tuominen and D. R. Lovley, Energy Environ. Sci., 2012, 5. Energy Environ. Sci. 5, 6250-6255 (2012).
  24. Strycharz-Glaven, S. M., et al. Electron Transport through Early Exponential-Phase Anode-Grown Geobacter sulfurreducens Biofilms. Chem Electro Chem. 1, 1957-1965 (2014).
  25. Chidsey, C. E., Feldman, B. J., Lundgren, C., Murray, R. W. Micrometer-spaced platinum interdigitated array electrode: fabrication, theory, and initial use. Anal Chem. 58, 601-607 (1986).
  26. Li, C., Lesnik, K. L., Fan, Y., Liu, H. Redox Conductivity of Current-Producing Mixed Species Biofilms. PLOS ONE. 11, e0155247(2016).
  27. Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nano. 6, 573-579 (2011).
  28. Ing, N. L., Nusca, T. D., Hochbaum, A. I. Geobacter sulfurreducens pili support ohmic electronic conduction in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys. 19, 21791-21799 (2017).
  29. Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells. Energ Environ Sci. 1, 144-147 (2008).
  30. Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms. Appl Environ Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).
  31. Kankare, J., Kupila, E. -L. In-situ conductance measurement during electropolymerization. J Electroanal Chem. 322, 167-181 (1992).
  32. Byun, H. S., Pirbadian, S., Nakano, A., Shi, L., El-Naggar, M. Y. Kinetic Monte Carlo Simulations and Molecular Conductance Measurements of the Bacterial Decaheme Cytochrome MtrF. Chem Electro Chem. 1, 1932-1939 (2014).
  33. El Kasmi, A., Wallace, J. M., Bowden, E. F., Binet, S. M., Linderman, R. J. Controlling interfacial electron-transfer kinetics of cytochrome c with mixed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 120, 225-226 (1998).
  34. Bortolotti, C. A., et al. The Reorganization Energy in Cytochrome c is Controlled by the Accessibility of the Heme to the Solvent. J Phys Chem Lett. 2, 1761-1765 (2011).
  35. Gallaway, J. W., Calabrese Barton, S. A. Kinetics of Redox Polymer-Mediated Enzyme Electrodes. J Am Chem Soc. 130, 8527-8536 (2008).
  36. Thackeray, J. W., White, H. S., Wrighton, M. S. Poly(3-methylthiophene)-coated electrodes: optical and electrical properties as a function of redox potential and amplification of electrical and chemical signals using poly(3-methylthiophene)-based microelectrochemical transistors. J Phys Chem-US. 89, 5133-5140 (1985).
  37. Jugnet, Y., Tourillon, G., Duc, T. M. Evidence of Intrinsic Extended π-Bonding Band and Metalliclike Behavior in Undoped and Doped Electropolymerized Poly (3-methylthiophene) Films. Phys Rev Lett. 56, 1862-1865 (1986).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Geobacter sulfurreducens

مقالات ذات صلة