الأغشية الحيوية الميكروبية النشطة كهربائيا المشتقة من مياه الصرف الصحي: النمو والصيانة والتوصيف الأساسي

الهدف العام من هذا الإجراء هو زراعة غشاء حيوي ميكروبي أنوديك كهربائي من تلقيح مياه الصرف الصحي ، وتوصيف خصائصه التحفيزية الكهرومغناطيسية. يتم تحقيق ذلك من خلال إنشاء وتلقيح وبدء تشغيل مفاعل دفعة محتمل للتغذية الكهروكيميائية الحيوية التي يتم التحكم فيها بشكل ثابت. الخطوة الثانية هي مراقبة الإنتاج الحالي باستخدام Krono Pyrometry.

بعد ذلك ، يتم تبادل الوسط بانتظام بعد استنفاد الركيزة حتى يتم الوصول إلى أقصى كثافة تيار قابلة للتكرار ، مما يمثل تكوين غشاء حيوي في حالة مستقرة. تتمثل الخطوة الأخيرة في دراسة نقل الإلكترون خارج الخلية للبكتيريا الفاعلة كهربائيا باستخدام القياس عن بعد الدوري أثناء وجود الركيزة وغيابها. في النهاية ، يوفر تحليل البيانات رؤى أساسية حول الديناميكا الحرارية لنقل الإلكترون الميكروبي ، ويسمح بتحديد الإمكانات الرسمية لمواقع نقل الإلكترون خارج الخلية المحتملة والفعلية.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنه يمكن للمرء الحصول على نظرة ثاقبة مباشرة لنقل الإلكترون بين الكائنات الحية الدقيقة والأقطاب الكهربائية الصلبة ، وبالتالي اشتقاق معلومات أساسية عن نقل الإلكترون الميكروبي خارج الخلية. بشكل عام ، سيكافح الأفراد الجدد في الطريقة مع اختيار المعلمة الصحيحة والتفسير الصحيح للمؤامرة المشتقة. أثناء الحصول على البيانات وتحليل البيانات ، يمكن ارتكاب أخطاء فادحة.

قبل البدء في هذا الإجراء ، قم بإعداد كمية مناسبة من وسط النمو باستخدام مخزن الفوسفات ، بما في ذلك المزيد من العناصر الغذائية وفقا للمرجع التالي. استخدم 10 ملليمولار من أسيتات الصوديوم كركيزة. أضف ملليلتر واحد من مياه الصرف الصحي الأولية لكل 20 مل من النمو ، متوسطة مثل اللقاح.

ثم أدخل إبرة في الوسط واغسلها بالنيتروجين لمدة نصف ساعة على الأقل. لإزالة التهوية أثناء التنظيف بالنيتروجين ، قم بقياس حجم القطب الكهربائي لإعداد الأقطاب الكهربائية الثلاثة. أدخل قطب العمل ، والقطب المضاد ، والقطب المرجعي في قارورة قاعية مستديرة بأربعة عنق معدلة ، 250 مليلتر عبر سدادات السيليكون.

لف سدادات السيليكون بالشكلي لإغلاق النظام أثناء التنظيف بالنيتروجين. صب 250 مل من وسط النمو وخليط اللقاح من خلال منفذ أخذ العينات في المفاعل. أغلق منفذ أخذ العينات بسدادة سيليكون وأغلقه بإحكام مع perfil.

ضع الوعاء في غرفة يتم التحكم في درجة حرارتها بدرجة حرارة 35 درجة مئوية لضمان ظروف بيئية ثابتة. بعد ذلك ، قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بالكابلات المعنية للإحصائيات المحتملة. افتح البرنامج للتحكم في الإحصائيات المحتملة واختر التقنية.

قياس الحرارة كرونو. اضبط قطب العمل على جهد ثابت قدره 0.2 فولت لمدة 500 ساعة للتسجيل كل 600 ثانية بعد ذلك ، وابدأ البيرومتر الزمني وراقب الرسم البياني للتيار المقاس بمرور الوقت. بعد حساب كثافات التيار التفضيلية ، ارسم كثافة التيار المقاسة كدالة للوقت.

بعد أن يصل التيار التأكسدي إلى هضبة ويعود إلى تيار الصفر ، أوقف القياس المتري لأمبر الكرونو مؤقتا لتبادل متوسط. لذلك ، انقل الوعاء إلى صندوق تدفق رقائقي وقم بغسل النظام بالنيتروجين. قم بتفريغ الوسط بعناية وتجديده بوسط هوائي طازج بعد تجديد الوسط.

أغلق منفذ أخذ العينات وأغلقه بالشكل. كرر الخطوات السابقة حتى يصل الحد الأقصى للتيار التأكسدي إلى حالة مستقرة بعد كل دورة نمو ، خذ عينة ملليلتر واحد من المحاليل المتوسطة الطازجة والمتبادلة لتحليل الركيزة بواسطة HPLC. لدراسة نقل الإلكترون خارج الخلية ، حدد تقنية القياس عن بعد للحجم الدوري في برنامج التحكم في إحصائيات الإمكانات.

ثم اضبط الجهد الأولي EI للقطب العامل على سالب 0.5 فولت مقابل القطب المرجعي ، وجهد الرأس E واحد إلى 0.3 فولت ، والجهد النهائي E اثنين إلى سالب 0.5 فولت. استخدم معدل مسح واحد مللي فولت في الثانية. ابدأ التجربة وسجل ثلاث دورات على الأقل للحصول على سيرة ذاتية قابلة للتكرار.

بعد حساب كثافات التيار التفضيلي ، ارسم كثافة التيار المقاسة كدالة لإمكانات القطب الكهربائي العامل. من القياسات المترية لأمبر الكرون، يمكن قياس الحد الأقصى لكثافة التيار وكفاءة كولا. يظهر هنا منحنى نمو الأغشية الحيوية الكرونومتري النموذجي لعدة دورات نمو باستخدام مفاعل دفعة تغذية.

بعد مرحلة التأخر الأولية ، يبدأ الحد الأقصى لكثافة التيار الأول ثم ينخفض التيار إلى ما يقرب من الصفر من تدفق التيار بسبب استنفاد الركيزة. بعد تجديد الركيزة. تزداد كثافة التيار مرة أخرى مع كثافة تيار قصوى أعلى.

بعد عدة دورات نمو ، تكون الكثافة القصوى للتيار ثابتة ، مما يشير إلى تكوين الأغشية الحيوية في الحالة المستقرة. كحد أقصى للحالة المستقرة. تعتمد قيمة الكثافة الحالية على عدة معلمات.

غالبا ما يعتبر سمة من سمات أنظمة أقطاب الأغشية الحيوية الميكروبية الكهربية. الخاصية التشغيلية الثانية هي الكفاءة omic ، وهي عدد الإلكترونات المسجلة كتدفق تيار كهربائي لكل دورة دفعة تغذية تتعلق بالحد الأقصى النظري لعدد الإلكترونات. راجع بروتوكول النص للحصول على تفاصيل حول كيفية حساب كفاءة النداء وتدفق التيار الكهربائي والحد الأقصى النظري لعدد الإلكترونات المعروضة.

فيما يلي سيرة ذاتية نموذجية لظروف عدم دوران الموظفين. بمعدل مسح مرتفع ، يتم تصوير السيرة الذاتية للأغشية الحيوية لمعدلات المسح المرتفعة حيث يمكن تحديد زوج ذروة واحد فقط وبالتالي يمكن تحديد EF محتمل رسمي واحد. هنا. بشكل عام ، يمكن حساب الإمكانات الرسمية لزوجين من الأكسدة والاختزال من ذروة إمكانات ذروة الأكسدة EPA وذروة الاختزال للأنواع المعنية EPC.

من خلال تكوين المتوسط الحسابي ، راجع بروتوكول النص للحصول على تفاصيل حول كيفية حساب الجهد الشكلي. عند تطبيق معدل مسح منخفض بما فيه الكفاية على الأغشية الحيوية المتطابقة ، يمكن تحديد ما يصل إلى أربعة أزواج من الأكسدة والاختزال. ومع ذلك ، فإن السيرة الذاتية غير المترابطة للدوران تظهر فقط جميع المركبات النشطة للأكسدة والاختزال في القطب الكهربائي ، وبالتالي EF لمواقع نقل الإلكترون خارج الخلية المحتملة.

يوفر تحليل السيرة الذاتية للدوران فقط EF لمواقع EET الفعلية عند تحليل السير الذاتية غير المتعلقة بمعدل الدوران. يمكن تحليل المعلمات المميزة الأخرى مثل فصل الذروة والحد الأقصى لتيار الذروة والحد الأدنى لكثافة التيار القصوى. يمكن استخدام هذه المعلمات ، خاصة عند تسجيلها لمعدلات مسح مختلفة ، للتحليلات الميكانيكية والحركية لعمليات نقل الإلكترون في الأقطاب الكهربائية.

ومع ذلك ، فإن هذا التحليل الحركي الراسخ للأنظمة الكيميائية ليس مباشرا بالنسبة للأغشية الحيوية الميكروبية الكهربية. عند إجراء قياس السيرة الذاتية في وجود الركيزة ، يتم الحصول على سيرة ذاتية للدوران. بعد رسم البيانات ، لوحظ المنحنى التحفيزي الكهربائي الحيوي النموذجي على شكل حرف S.

عند تحليل البيانات بشكل أكبر ، يوفر الحد الأقصى للمشتق الأول أو نقطة انعطاف المنحنى EF المحتملة الرسمية لمواقع EET الفعلية. في حالة الأغشية الحيوية التي تهيمن عليها نسبة الجيوباكتراث الرقيقة ، يمكن ملاحظة نقطتي انعطاف. بعد ذلك ، يظهر المشتق اثنين من القصوى المقابلة للإمكانات الرسمية لمواقع EET النشطة التحفيزية الحيوية ، والتي تسمى EF two و EF ثلاثة على التوالي.

تظهر هذه النتيجة أيضا أن عمليات الأكسدة والاختزال المرتبطة بالإمكانات الرسمية EF one و EF four لا ترتبط بالتحليل الكهربائي الحيوي. مع نمو الأغشية الحيوية وزيادة سمكها ، تظهر السيرة الذاتية نقطة انعطاف واحدة فقط. هذا الجهدي الرسمي EEF سالب 0.32 فولت مقابل الفضة ، كلوريد الفضة يساوي تقريبا المتوسط الحسابي للإمكانات الرسمية المخصصة ل EET للأغشية الحيوية الرقيقة.

تظهر هذه النتيجة أن تحليل السيرة الذاتية الأساسي يوفر رؤى حول الديناميكا الحرارية ل EET بطريقة سريعة وغير جراحية. بمجرد إتقان هذه التقنية ، يمكن تصميمها بسهولة لأنظمة مختلفة ذات أهمية ، واعتمادا على البيانات ، تسمح بعمق مختلف لتحليل البيانات إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. باتباع هذا الإجراء وتعلم أساسيات هندسة الأغشية الحيوية الميكروبية ، يمكن للمرء بسهولة تعلم طرق أخرى مثل القياس عن بعد للموجات المربعة أو التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية ، بالإضافة إلى تحليل البيانات المتعمق.