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Die meisten Mikroorganismen der Erde können nicht in einem Labor kultiviert werden, oft weil sie auf andere Mikroben in ihren natürlichen Lebensgemeinschaften angewiesen sind. Eine Winogradsky-Säule, benannt nach ihrem Erfinder Sergei Winogradsky, ist ein miniaturisiertes, geschlossenes Ökosystem, das die mikrobiellen Gemeinschaften in einer Sedimentprobe anreichert und es den Wissenschaftlern ermöglicht, viele der Mikroben zu untersuchen, die eine wichtige Rolle in den biogeochemischen Prozessen der Erde spielen, ohne sie einzeln isolieren und kultivieren zu müssen.
Typischerweise werden Schlamm und Wasser aus einem Ökosystem, wie einem Teich oder einem Sumpf, vermischt. Als optionaler Versuch kann dieser Mischung Salz zugesetzt werden, um verschiedene halophile Spezies anzureichern. Als nächstes wird ein kleiner Teil der Mischung mit Kohlenstoff ergänzt, normalerweise in Form von Zellulose aus Zeitungspapier, und Schwefel, normalerweise aus einem Eigelb. Für ein weiteres optionales Experiment kann dieser Mischung ein Nagel hinzugefügt werden, um bestimmte Gallionellenarten anzureichern. Diese neue Mischung wird dann in eine transparente Säule gegeben, so dass die Säule zu einem Viertel gefüllt ist. Zum Schluss wird der Rest der Schlammmischung und mehr Wasser in die Säule gegeben, bis sie größtenteils gefüllt ist.
Die Sukzession, die sich auf die aufeinanderfolgende Entwicklung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften im Laufe der Zeit bezieht, kann mit einer Winogradsky-Säule in Echtzeit beobachtet werden. Wenn Mikroben in der Säule wachsen, verbrauchen sie bestimmte Substrate und verändern die Chemie ihrer Umgebung. Wenn ihre Substrate erschöpft sind, sterben die ursprünglichen Mikroben ab und Mikroben mit unterschiedlichen Stoffwechselbedürfnissen können in der veränderten Umgebung gedeihen. Im Laufe der Zeit beginnen sich sichtbar unterschiedliche Schichten zu bilden, die jeweils Teile einer Bakteriengemeinschaft mit unterschiedlichen Mikroumgebungsbedürfnissen enthalten.
Zum Beispiel bilden photosynthetische Mikroben, die größtenteils aus Cyanobakterien bestehen, grüne oder rotbraune Schichten am oberen Rand der Säule. Da bei der Photosynthese Sauerstoff produziert wird, der oft als Blasen im oberen Teil der Säule zu sehen ist, bildet sich ein Gradient mit den höchsten Sauerstoffkonzentrationen im oberen und den niedrigsten im unteren Bereich. Abhängig von den verfügbaren Substraten können unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften in der anaeroben Bodenschicht wachsen. Blasen in dieser Schicht können auf das Vorhandensein von Methanogenen hinweisen, die durch Fermentation Metherdas erzeugen. Hier entstehen durch die mikrobielle Fermentation von Cellulose organische Säuren. Sulfatreduzierer oxidieren diese Säuren zu Sulfid, und ihre Aktivität wird durch schwarzes Sediment angezeigt. Sulfid diffundiert in der Säule nach oben, wodurch ein weiterer Gradient entsteht, bei dem die Sulfidkonzentrationen am unteren Rand der Säule am höchsten und am oberen am niedrigsten sind. In der Mitte der Säule nutzen Schwefeloxidierer den Sauerstoff von oben und das Sulfid von unten. Bei ausreichendem Licht entwickeln sich photosynthetische Schwefeloxidierer, wie z. B. grüne und violette Schwefelbakterien. Grüne Schwefelbakterien vertragen höhere Sulfidkonzentrationen. So wachsen sie direkt unter den violetten Schwefelbakterien. Direkt über dieser Schicht bilden violette, nicht schwefelhaltige Bakterien eine rot-orange Schicht. Nicht-photosynthetische Schwefeloxidierer werden durch das Vorhandensein von weißen Filamenten angezeigt.
Bedingungen wie Licht und Temperatur können auch variiert werden, um andere Gemeinschaften zu bereichern. In diesem Video erfahren Sie, wie Sie eine Winogradsky-Säule konstruieren und die Wachstumsbedingungen und Substrate variieren, um bestimmte mikrobielle Gemeinschaften anzureichern.
Suchen Sie zunächst ein geeignetes aquatisches Ökosystem, z. B. einen Teich oder einen Sumpf. Die Sedimentproben sollten aus dem Bereich in der Nähe des Wasserrandes stammen und vollständig mit Wasser gesättigt sein. Verwenden Sie dann eine Schaufel und einen Eimer, um ein bis zwei Liter des gesättigten Schlamms zu sammeln. Holen Sie sich dann etwa drei Liter frisches Wasser aus derselben Quelle und kehren Sie mit den Feldproben zum Labor zurück.
Ziehen Sie im Labor die entsprechende persönliche Schutzausrüstung an, einschließlich eines Laborkittels und Handschuhe. Füllen Sie nun etwa 750 Milliliter Schlamm in eine Rührschüssel um. Sieben Sie dann den Schlamm, um große Steine, Zweige oder Blätter zu entfernen, und brechen Sie mit einem Löffel alle Klumpen auf. Geben Sie dann etwas frisches Wasser in die Rührschüssel und rühren Sie mit einem großen Löffel um. Wasser hinzufügen, bis die Konsistenz des Wasser-Schlamm-Gemisches ähnlich wie bei einem Milchshake ist. Vergewissern Sie sich weiterhin, dass keine Klumpen vorhanden sind.
Als optionales Experiment können Sie für halophile Bakterien selektieren, indem Sie der Schlammmischung 25 bis 50 Milligramm Salz hinzufügen.
Dann ca. 1/3 der Wasser-Schlamm-Mischung in eine zweite Rührschüssel geben. Gib ein Eigelb und eine Handvoll zerkleinertes Zeitungspapier in die Schüssel. Als nächstes gibst du diese Mischung in die Spalte, bis sie etwa zu 1/4 gefüllt ist. Als nächstes gibst du die Wasser-Schlamm-Mischung ohne Ei und Zeitungspapier in die Spalte, bis sie etwa zu 3/4 gefüllt ist. Geben Sie dann mehr Wasser in die Säule und lassen Sie oben einen 1/2 Zoll Platz. Decken Sie die Säule mit Frischhaltefolie ab und sichern Sie sie mit einem Gummiband.
Inkubieren Sie die Säule für die nächsten vier bis acht Wochen im Licht in der Nähe eines Fensters bei Raumtemperatur. Während der gesamten Inkubationszeit ist die Veränderung der Winogradsky-Säule mindestens einmal pro Woche auf die Entwicklung verschiedenfarbiger Schichten und die Bildung von Blasen zu überwachen. Notieren Sie außerdem die Zeit, die benötigt wird, um verschiedene Schichten zu entwickeln.
Eine weitere Modifikation, die vorgenommen werden kann, besteht darin, die Säule in der Nähe eines Heizkörpers zu inkubieren, um nach thermophilen Bakterien zu selektieren, oder in einem Kühlschrank, um nach psychrophilen Bakterien zu selektieren. Variieren Sie die Lichtverhältnisse, indem Sie verschiedene Säulen zum Inkubieren bei starkem Licht, schwachem Licht oder Dunkelheit platzieren. Alternativ können Sie die Wellenlänge des einfallenden Lichts begrenzen, indem Sie die Säule mit verschiedenen Zellophantönen bedecken, um zu bestimmen, welche Farben für verschiedene Bakteriengruppen ausgewählt werden. Für ein weiteres optionales Experiment, um eisenoxidierende Bakterien anzureichern, fügen Sie der Schlamm-Wasser-Mischung einen Nagel hinzu, bevor Sie Zeitungspapier und ein Eigelb hinzufügen.
Nach ein bis zwei Wochen wird das Wachstum der Cyanobakterienschicht durch einen grünen oder rotbraunen Film auf der Schlammschicht der klassischen Winogradsky-Säule angezeigt. Im Laufe der Zeit wird das Aussehen und die Entwicklung der verschiedenen Schichten überwacht, die jeweils auf die verschiedenen Arten von Bakterien hinweisen. Wenn wir eine im Dunkeln gezüchtete Säule mit einer herkömmlichen Winogradsky-Säule vergleichen, sehen wir, dass die dunkle Behandlung die schwarze Schicht am unteren Rand der Säule ergibt, die auf sulfatreduzierende Bakterien hinweist.
Die dunkle Säule kann auch andere Schichten hervorbringen, abhängig von anderen Inkubationsbedingungen. Darüber hinaus ergibt die dunkle Säule weder die grüne Cyanobakterienschicht noch die roten, violetten oder grünen Schichten, die auf violette Nicht-Schwefel-, violette Schwefel- bzw. grüne Schwefelbakterien hinweisen. Diese Gruppen sind für ihr Wachstum auf Licht angewiesen.
