Name: winogradsky column microbial layers and gradients
Uploaded: 2023-04-30T07:09:27.000Z
Duration: 8 min 8 s
Channel: JoVE

1. Mise en place
<ol><li>Pour configurer une colonne Winogradsky, vous aurez besoin de fournitures de base :<ul>
<li>Une pelle, un seau et une bouteille pour recueillir les échantillons sur le terrain</li>
		<li>Un récipient vertical et transparent, tel qu'un cylindre gradué ou une bouteille d'eau en plastique d'environ 1 L</li>
		<li>Enveloppement plastique et élastiques</li>
		<li>grands bols à mélanger et grande cuillère à remuer</li>
		<li>Source de soufre (jaune d'œuf ou sulfate de calcium)</li>
		<li>Une source de carbone organique (cellulose, sous forme de journal déchiqueté)</li>
		<li>Une source de lumière (fenêtre ensoleillée ou lampe de bureau)</li>
		<li>Sol ou boue recueillis dans un marais, une zone humide, un étang ou un cours d'eau</li>
		<li>Eau du même habitat</li>
		<li>OPTIONAL Ce qui suit sera nécessaire pour certaines des expériences facultatives décrites dans ce protocole :<ul>
<li>sel</li>
			<li>Cellophane de couleur différente</li>
			<li>Une source de fer (comme un clou ou de la laine d'acier)</li>
			<li>Un réfrigérateur avec une source lumineuse</li>
			<li>Un radiateur près d'une source de lumière</li>
		</ul>
</li>
	</ul>
</li>
	<li>Si vous utilisez une bouteille d'eau en plastique, coupez la zone du cou de sorte que la colonne soit de forme cylindrique. Retirez les emballages afin que la lumière puisse pénétrer à travers le plastique.</li>
	<li>Les œufs crus peuvent contenir Salmonella et doivent être manipulés avec soin. Des techniques appropriées de lavage des mains doivent être suivies. Alternativement, l'œuf bouilli peut être utilisé. De plus, il n'y a aucun moyen de savoir avec certitude si de la boue ou des sédiments sont contaminés par des eaux usées ou d'autres substances nocives. Les gants doivent être utilisés lors du mélange de la boue et la mise en place de la colonne.</li>
</ol>2. Assemblage d'une colonne Winogradsky
<ol><li>À l'aide de la pelle, déterrer et ramasser la boue dans le seau. Les sédiments doivent être près du bord de l'eau et complètement saturés d'eau. Vous aurez besoin de suffisamment de boue pour remplir chaque colonne Winogradsky. Recueillir de l'eau de la même source dans la bouteille de l'échantillon (environ 3000 ml par colonne est nécessaire).</li>
	<li>Dans le laboratoire, transférer suffisamment de boue dans le premier bol à mélanger pour remplir 75 % de votre colonne de volume d'un litre. Ensuite, tamisez pour enlever les grosses roches, les brindilles ou les feuilles tout en utilisant la cuillère pour briser les touffes.</li>
	<li>Ajouter un peu d'eau que vous avez recueillie dans le bol à mélanger en remuant. Ajouter jusqu'à ce que la consistance du mélange eau-boue soit comme un milk-shake. Continuez à vous assurer qu'il n'y a pas d'amas.</li>
	<li>Transférer environ 1/3 du milk-shake eau-boue dans le deuxième bol. Ajouter le jaune d'œuf et une poignée de papier journal râpé et mélanger.</li>
	<li>Ajouter le mélange de boue, de jaune d'œuf et de papier journal à la colonne jusqu'à ce que la colonne soit pleine d'environ 1/4.</li>
	<li>Ajouter le mélange régulier eau-boue dans la colonne jusqu'à ce que la colonne est d'environ 3/4 plein.</li>
	<li>Ajouter l'eau supplémentaire à la colonne, ne laissant qu'un petit espace (1/2 pouce) d'air sur le dessus.</li>
	<li>Couvrir la colonne d'une pellicule plastique et fixer avec un élastique.</li>
	<li>Incuber la colonne dans la lumière à température ambiante.</li>
	<li>Pendant les 4 à 8 prochaines semaines, surveillez les changements dans la colonne Winogradsky pour le développement de différentes couches colorées et la formation de bulles, tel que décrit dans le tableau 1. En outre, vous devez enregistrer le temps qu'il faut pour que différentes couches se développent.</li>
</ol>3. Modifications facultatives à la colonne Winogradsky classique
<ol><li>Ajouter 25-50g de sel par colonne Winogradsky 1L à la boue recueillie avant d'ajouter de l'eau et en remuant (étape 2.3). L'ajout de sel sélectionne pour les bactéries halophiles (aimant le sel).</li>
	<li>D'autres substrats, comme le fer, sous la forme d'un clou ou d'une laine d'acier, peuvent être ajoutés à la colonne avec le jaune d'œuf et le journal déchiqueté (étape 2.4). Ceci enrichira les bactéries oxydantes de fer, telles que Gallionella,et apparaîtra comme couche rouille-colorée.</li>
	<li>Au lieu de la température ambiante (étape 2.9), la colonne peut être incubée près d'un radiateur pour choisir pour les bactéries thermophiles (aimant la chaleur) ou dans un réfrigérateur avec une source de lumière à choisir pour les bactéries psychrosphiles (aimant le froid).</li>
	<li>La quantité de lumière qu'une colonne reçoit pendant qu'elle couve (étape 2.9) peut également être modifiée en plaçant différentes colonnes dans la lumière élevée, la lumière basse, ou l'obscurité.</li>
	<li>La longueur d'onde de la lumière entrante peut être limitée en couvrant la colonne avec des cellophanes différemment ombragés pendant qu'elle couve (étape 2.9) pour déterminer quelles couleurs choisissent pour différents groupes bactériens.</li>
</ol>4. Analyse des données
<ol><li>Après 1-3 semaines, une certaine coloration verte sur le dessus de la couche de boue de la colonne classique Winogradsky devrait être visible (Fig. 2A). Ce sont les premiers signes de croissance de la couche cyanobactérienne.</li>
	<li>Au fil du temps, continuer à surveiller l'apparence et l'évolution des différentes couches, chacune indicatrice des différents types bactériens. ASTUCE: Consultez les concepts et le tableau 1 pour comprendre quelles bactéries contribuent aux différentes couches.</li>
</ol><img alt="Figure 2A" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig2a.jpg"> Figure 2A : Une photo d'une colonne classique de Winogradsky qui a incubé à la température ambiante pendant 21 jours. Notez les sédiments verts, indicatifs de cyanobactéries, dans la partie supérieure de la colonne.
<ol start="3"><li>Si des modifications à la colonne Classique de Winogradsky ont également été préparées, comparez les résultats de chaque colonne.<ol>
<li>Observez les couches dans chacune des colonnes Winogradsky modifiées. Prenez note des éléments suivants :<ul>
<li>Les colonnes présentent-ils le même nombre de couches ?</li>
			<li>Les couches sont-elles de la même couleur et de la même épaisseur ?</li>
			<li>Les couches se produisent-elles aux mêmes profondeurs ?</li>
			<li>Combien de temps chaque colonne a-t-elle pris à se développer ?</li>
			<li>Une colonne s'est-elle développée plus lentement que les autres ?</li>
		</ul>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

La colonne Winogradsky est un exemple d'écosystème microbien interdépendant. Après avoir mélangé de la boue, de l'eau et des substrats de carbone et de soufre supplémentaires dans une colonne verticale, l'écosystème stratifié devrait se stabiliser en zones séparées et stables pendant plusieurs semaines. Ces zones sont occupées par différents micro-organismes qui s'épanouissent à un endroit particulier le long du gradient entre les sédiments riches en sulfures dans le fond et les sédiments riches en oxygène au sommet. En ...

création d'une colonne de winogradsky : une méthode pour enrichir les espèces microbiennes dans un échantillon de sédiments.

Creating a Winogradsky Column: A Method to Enrich the Microbial Species in a Sediment Sample

Source: Elizabeth Suter1, Christopher Corbo1, Jonathan Blaize1 1 Département des sciences biologiques, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301
La colonne Winogradsky est un écosystème miniature et clos utilisé pour enrichir les communautés microbiennes des sédiments, en particulier celles qui participent au cycle du soufre. La colonne a été utilisée pour la première fois par Sergueï Winogradsky dans les années 1880 et a depuis été appliquée dans l'étude de nombreux micro-organismes divers impliqués dans la biogéochimie, tels que les photosynthétiseurs, les oxydants de soufre, les réducteurs de sulfate, les méthanogènes, les oxydants de fer, l'azote cyclistes, et plus (1,2).
La majorité des micro-organismes sur Terre sont considérés comme inexplicables,ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être isolés dans un tube à essai ou sur un plat de Pétri (3). Cela est dû à de nombreux facteurs, y compris que les micro-organismes dépendent d'autres pour certains produits métaboliques. Les conditions d'une colonne Winogradsky imitent étroitement l'habitat naturel d'un micro-organisme, y compris leurs interactions avec d'autres organismes, et permettent de les cultiver en laboratoire. Par la présente, cette technique permet aux scientifiques d'étudier ces organismes et de comprendre à quel point ils sont importants pour les cycles biogéochimiques de la Terre sans avoir à les cultiver isolément.
Les environnements de la Terre sont pleins de micro-organismes qui prospèrent dans tous les types d'habitats,tels que les sols, l'eau de mer, les nuages et les sédiments des eaux profondes. Dans tous les habitats, les micro-organismes dépendent les uns des autres. Comme un micro-organisme se développe, il consomme des substratsparticuliers , y compris les combustibles riches en carbone comme les sucres ainsi que les nutriments, vitamines et gaz respiratoires comme l'oxygène. Lorsque ces ressources importantes s'épuisent, différents micro-organismes ayant des besoins métaboliques différents peuvent alors fleurir et prospérer. Par exemple, dans la colonne Winogradsky, les microbes consomment d'abord la matière organique ajoutée tout en appauvrissant l'oxygène dans les couches inférieures de la colonne. Une fois que l'oxygène est utilisé, les organismes anaérobies peuvent alors prendre le relais et consommer différentes matières organiques. Ce développement consécutif de différentes communautés microbiennes au fil du temps s'appelle la succession (4). La succession microbienne est importante dans une colonne Winogradsky, où l'activité microbienne modifie la chimie des sédiments, ce qui affecte ensuite l'activité d'autres microbes et ainsi de suite. De nombreux micro-organismes dans les sols et les sédiments vivent également le long des gradients,qui sont des zones transitoires entre deux types différents d'habitats en fonction des concentrations de substrats (5). Au bon endroit dans le gradient, un microbe peut recevoir des quantités optimales de différents substrats. Au fur et à mesure qu'une colonne Winogradsky se développe, elle commence à imiter ces gradients naturels, en particulier dans l'oxygène et le sulfure (fig. 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig1.jpg"> Figure 1 : Représentation des gradients d'oxygène (O2) et de sulfure (H2S) qui se développent dans une colonne Winogradsky.
Dans une colonne Winogradsky, la boue et l'eau d'un étang ou d'une zone humide sont mélangées dans une colonne transparente et autorisées à incuber, généralement dans la lumière. Des substrats supplémentaires sont ajoutés à la colonne pour donner à la communauté des sources de carbone, généralement sous forme de cellulose, et de soufre. Les photosynthétiseurs commencent généralement à pousser dans les couches supérieures des sédiments. Ces micro-organismes photosynthétiques sont en grande partie composés de cyanobactéries,qui produisent de l'oxygène et apparaissent sous forme de couche verte ou rouge-brun (fig. 2, tableau 1). Bien que la photosynthèse produise de l'oxygène, l'oxygène n'est pas très soluble dans l'eau et diminue en dessous de cette couche (fig. 1). Cela crée un gradient d'oxygène, allant de fortes concentrations d'oxygène dans les couches supérieures à zéro oxygène dans les couches inférieures. La couche oxygénée est appelée la couche aérobie et la couche sans oxygène est appelée la couche anaérobie.
Dans la couche anaérobie, de nombreuses communautés microbiennes différentes peuvent proliférer selon le type et la quantité de substrats disponibles, la source des microbes initiaux et la porosité des sédiments. Au bas de la colonne, les organismes qui décomposent anaérobiement la matière organique peuvent prospérer. La fermentation microbienne produit des acides organiques à partir de la dégradation de la cellulose. Ces acides organiques peuvent ensuite être utilisés par les réducteurs de sulfate,qui oxydent ces matières organiques à l'aide de sulfate, et produisent du sulfure comme sous-produit. L'activité des réducteurs de sulfate est indiquée si les sédiments deviennent noirs, car le fer et le sulfure réagissent pour former des minéraux noirs sulfureux de fer (fig. 2, tableau 1). Le sulfure se diffuse également vers le haut, créant un autre gradient dans lequel les concentrations de sulfure sont élevées dans le bas de la colonne et basses dans le haut de la colonne (fig. 1).
Près du milieu de la colonne, les oxydants de soufre profitent de l'approvisionnement en oxygène d'en haut et de sulfure d'en bas. Avec la bonne quantité de lumière, des oxydants de soufre photosynthétiques peuvent se développer dans ces couches. Ces organismes sont connus sous le nom de bactéries de soufre vert et violet,et apparaissent souvent sous forme de filaments et de taches vert, violet ou rouge pourpre (fig. 2, tableau 1). Les bactéries de soufre vert ont une plus grande tolérance pour le sulfure et se développent habituellement dans la couche directement au-dessous des bactéries de soufre pourpre. Au-dessus des bactéries de soufre pourpre, les bactéries nonsulfures pourpres peuvent également se développer. Ces organismes photosynthétisent à l'aide d'acides organiques comme donneurs d'électrons au lieu de sulfure et apparaissent souvent comme une couche rouge, pourpre, orange ou brune. Les oxydants de soufre non photosynthétiques peuvent se développer au-dessus des bactéries non sulfureuses violettes, et ceux-ci apparaissent habituellement sous forme de filaments blancs (Fig. 2, tableau 1). En outre, des bulles peuvent également se former dans la colonne Winogradsky. Les bulles dans les couches aérobies indiquent la production d'oxygène par les cyanobactéries. Les bulles dans les couches anaérobies sont probablement dues à l'activité des méthanogènes,des organismes qui décomposent anaérobiement la matière organique et forment le méthane comme sous-produit.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Position dans la colonne</td>
			<td>Groupe fonctionnel</td>
			<td>Exemples d'organismes</td>
			<td>Indicateur visuel</td>
		</tr>
<tr>
<td>Retour au début</td>
			<td>Photosynthétiseurs</td>
			<td>Cyanobactéries</td>
			<td>Couche verte ou brun-rougeâtre. Parfois des bulles d'oxygène.</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="5"></td>
			<td>Oxydants de soufre non photosynthétiques</td>
			<td>Thiobacilus Beggiatoa</td>
			<td>Couche blanche.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Bactéries non sulfureuses violettes</td>
			<td>Rhodomicrobium, Rhodospirilum, Rhodopseuodmonas</td>
			<td>Couche rouge, violette, orange ou brune.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Bactéries de soufre pourpre</td>
			<td>Chromatium</td>
			<td>Couche pourpre ou rouge pourpre.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Bactéries vertes de soufre</td>
			<td>Chlorobium</td>
			<td>Couche verte.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Sulfate Réduction des bactéries</td>
			<td>Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfuromonas</td>
			<td>Couche noire.</td>
		</tr>
<tr>
<td>bas</td>
			<td>Methanogens</td>
			<td>Méthanocoque, Methanosarcina</td>
			<td>Parfois des bulles de méthane.</td>
		</tr>
</tbody></table>Tableau 1 : Les principaux groupes de bactéries qui peuvent apparaître dans une colonne classique Winogradsky, de haut en bas. Des exemples d'organismes de chaque groupe sont donnés, et les indicateurs visuels de chaque couche d'organismes sont énumérés. D'après Perry et coll. (2002) et Rogan et coll. (2005).

Dans le le le cours de cette expérience, de l'eau et des sédiments ont été recueillis dans un habitat d'eau douce. Deux colonnes Winogradsky ont été construites et autorisées à se développer : une colonne Winogradsky classique incubée dans la lumière à température ambiante (Fig. 2A) et une colonne Winogradsky incubée dans l'obscurité à température ambiante (fig. 2B).
<img alt="Figure 2B" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig2b.jpg"> Figure 2B : Une photo de ...

Création d'une colonne de Winogradsky : une méthode pour enrichir les espèces microbiennes dans un échantillon de sédiments.

Source: Elizabeth Suter1, Christopher Corbo1, Jonathan Blaize1
1 Department of Biological Sciences, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 
...

La plupart des micro-organismes de la Terre ne peuvent pas être cultivés en laboratoire, souvent parce qu’ils dépendent d’autres microbes au sein de leurs communautés d’origine. Une colonne Winogradsky, nommée d’après son inventeur Sergueï Winogradsky, est un écosystème miniature et fermé qui enrichit les communautés microbiennes d’un échantillon de sédiments, permettant aux scientifiques d’étudier de nombreux microbes qui jouent un rôle vital dans les processus biogéochimiques de la Terre, sans avoir besoin de les isoler et de les cultiver individuellement. En règle générale, la boue et l’eau d’un écosystème, tel qu’un étang ou un marais, sont mélangées. À titre expérimental, on peut ajouter du sel à ce mélange pour enrichir diverses espèces halophiles. Ensuite, une petite partie du mélange est complétée par du carbone, généralement sous forme de cellulose provenant de papier journal, et de soufre, généralement à partir d’un jaune d’œuf. Pour une autre expérience facultative, un clou peut être ajouté à ce mélange pour enrichir certaines espèces de Gallionella. Ce nouveau mélange est ensuite ajouté à une colonne transparente, de sorte que la colonne soit remplie au quart. Enfin, le reste du mélange de boue et plus d’eau sont ajoutés à la colonne jusqu’à ce qu’elle soit presque pleine. La succession, qui fait référence au développement consécutif de différentes communautés microbiennes au fil du temps, peut être observée en temps réel à l’aide d’une colonne de Winogradsky. Au fur et à mesure que les microbes se développent à l’intérieur de la colonne, ils consomment des substrats spécifiques et modifient la chimie de leur environnement. Lorsque leurs substrats sont épuisés, les microbes d’origine meurent et les microbes ayant des besoins métaboliques différents peuvent prospérer dans l’environnement modifié. Au fil du temps, des couches visiblement distinctes commencent à se former, chacune contenant des parties d’une communauté bactérienne ayant des besoins microenvironnementaux différents. Par exemple, les microbes photosynthétiques, composés en grande partie de cyanobactéries, forment des couches vertes ou rouge-brun près du haut de la colonne. Étant donné que la photosynthèse produit de l’oxygène, souvent vu sous forme de bulles dans la partie supérieure de la colonne, un gradient se forme avec les concentrations d’oxygène les plus élevées près du haut et les plus basses vers le bas. Selon les substrats disponibles, différentes communautés microbiennes peuvent se développer dans la couche inférieure anaérobie. Les bulles dans cette couche peuvent indiquer la présence de méthanogènes, qui créent du méthane par fermentation. Ici, la fermentation microbienne de la cellulose donne des acides organiques. Les réducteurs de sulfate oxydent ces acides pour produire du sulfure, et leur activité est indiquée par des sédiments noirs. Le sulfure se diffuse vers le haut dans la colonne, créant encore un autre gradient où les concentrations de sulfure sont les plus élevées vers le bas de la colonne et les plus faibles vers le haut. Vers le milieu de la colonne, les oxydants de soufre utilisent l’oxygène par le haut et le sulfure par le bas. Avec une lumière adéquate, des oxydants photosynthétiques de soufre, tels que les bactéries soufrées vertes et violettes, se développent. Les bactéries vertes du soufre tolèrent des concentrations de sulfure plus élevées. Ainsi, ils se développent directement sous les bactéries soufrées violettes. Directement au-dessus de cette couche, des bactéries violettes non soufrées forment une couche rouge-orange. Les oxydants de soufre non photosynthétiques sont indiqués par la présence de filaments blancs. Des conditions telles que la lumière et la température peuvent également être modifiées pour enrichir d’autres communautés. Dans cette vidéo, vous apprendrez à construire une colonne de Winogradsky et à varier les conditions de croissance et les substrats pour enrichir des communautés microbiennes spécifiques. Tout d’abord, localisez un écosystème aquatique approprié, comme un étang ou un marais. Les échantillons de sédiments doivent provenir de la zone proche du bord de l’eau et être complètement saturés d’eau. Ensuite, à l’aide d’une pelle et d’un seau, récupérez un à deux litres de boue saturée. Ensuite, obtenez environ trois litres d’eau douce de la même source et retournez au laboratoire avec les échantillons de terrain. Au laboratoire, enfilez l’équipement de protection individuelle approprié, y compris une blouse de laboratoire et des gants. Maintenant, transférez environ 750 millilitres de boue dans un bol à mélanger. Ensuite, tamisez la boue pour enlever les grosses roches, les brindilles ou les feuilles et utilisez une cuillère pour briser les touffes. Ensuite, ajoutez un peu d’eau fraîche dans le bol à mélanger et remuez avec une grande cuillère. Ajoutez de l’eau jusqu’à ce que la consistance du mélange eau-boue soit similaire à celle d’un milkshake. Continuez à vous assurer qu’il n’y a pas de grumeaux. À titre d’expérience facultative, sélectionnez les bactéries halophiles en ajoutant 25 à 50 milligrammes de sel au mélange de boue. Ensuite, transférez environ 1/3 du mélange eau-boue dans un deuxième bol à mélanger. Ajouter un jaune d’œuf et une poignée de papier journal râpé dans le bol. Ensuite, ajoutez ce mélange à la colonne, jusqu’à ce qu’elle soit environ 1/4 pleine. Ensuite, ajoutez le mélange eau-boue sans l’œuf et le journal dans la colonne, jusqu’à ce qu’elle soit environ pleine aux 3/4. Ensuite, ajoutez plus d’eau à la colonne, en laissant un espace de 1/2 pouce sur le dessus. Couvrez la colonne d’une pellicule plastique et fixez-la avec un élastique. Incuber la colonne à la lumière près d’une fenêtre à température ambiante pendant les quatre à huit prochaines semaines. Tout au long de la période d’incubation, surveillez les changements dans la colonne Winogradsky au moins une fois par semaine pour le développement de différentes couches colorées et la formation de bulles. De plus, notez le temps nécessaire au développement des différentes couches. Une autre modification qui peut être apportée consiste à incuber la colonne près d’un radiateur pour sélectionner les bactéries thermophiles, ou dans un réfrigérateur pour sélectionner les bactéries psychrophiles. Variez les conditions de lumière en plaçant différentes colonnes dans une lumière forte, une faible luminosité ou l’obscurité pour incuber. Vous pouvez également limiter la longueur d’onde de la lumière entrante en recouvrant la colonne de différentes nuances de cellophane afin de déterminer les couleurs sélectionnées pour différents groupes bactériens. Pour une autre expérience facultative, pour enrichir les bactéries oxydantes du fer, ajoutez un clou au mélange boue-eau avant d’ajouter du papier journal et un jaune d’œuf. Après une à deux semaines, la croissance de la couche cyanobactérienne est indiquée par un film vert ou rouge-brun au-dessus de la couche de boue de la colonne classique de Winogradsky. Au fil du temps, l’apparition et l’évolution des différentes couches sont surveillées, chacune indicative des différents types de bactéries présentes. Lorsque l’on compare une colonne cultivée dans l’obscurité à une colonne Winogradsky traditionnelle, nous constatons que le traitement sombre produit la couche noire au bas de la colonne, ce qui indique la présence de bactéries sulfato-réductrices. La colonne sombre peut également produire d’autres couches, selon d’autres conditions d’incubation. De plus, la colonne sombre ne produit pas la couche de cyanobactéries vertes, ni les couches rouges, violettes ou vertes indiquant respectivement des bactéries violettes sans soufre, violettes sulfureuses et vertes soufrées. Ces groupes dépendent de la lumière pour leur croissance.

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winogradsky column microbial layers and gradients

A Winogradsky column shows how microbial layers form in mud and water over time. It is a clear, enclosed ecosystem that helps scientists grow sediment microbes that are hard to culture in a test tube or on a petri dish. By keeping conditions close to a microbe’s natural habitat, the column makes it possible to study organisms that help drive Earth’s biogeochemical cycles.

The column is built from pond or wetland sediment mixed with water in a transparent container. Extra sources of carbon, usually cellulose, and sulfur are added, and the column is incubated in light. As microbes use these resources, they go through succession, which means one community replaces another as conditions change. This activity also creates gradients, or zones with changing chemical levels, especially for oxygen and sulfide.

At the top of the column, photosynthesizers grow first. These are mostly cyanobacteria, which make oxygen and often appear as a green or reddish-brown layer. Because oxygen is not very soluble in water, its concentration drops quickly below this zone. That creates an aerobic layer with oxygen at the top and an anaerobic layer with no oxygen below.

Deeper in the column, microbes that do not need oxygen can become active. At the bottom, organisms break down organic matter without oxygen, and fermentation of cellulose produces organic acids. Sulfate reducers then use these organics with sulfate and release sulfide. When iron reacts with sulfide, the sediment turns black and forms iron-sulfide minerals.

Sulfide also moves upward, so the middle of the column becomes a place where oxygen from above and sulfide from below meet. With enough light, sulfur-using photosynthesizers grow here. Green sulfur bacteria and purple sulfur bacteria often form green, purple, or purple-red layers. Green sulfur bacteria usually sit below purple sulfur bacteria because they tolerate more sulfide.

Above the purple sulfur bacteria, purple nonsulfur bacteria may form red, purple, orange, or brown layers. These microbes use organic acids as electron donors instead of sulfide. Higher up, nonphotosynthetic sulfur oxidizers can appear as white filaments. Bubbles may also form in the column. Oxygen bubbles in the aerobic layers come from cyanobacteria, while methane bubbles in the anaerobic layers are likely made by methanogens.

A mature Winogradsky column can show several microbial groups from top to bottom. Cyanobacteria are at the top, followed by nonphotosynthetic sulfur oxidizers, purple nonsulfur bacteria, purple sulfur bacteria, green sulfur bacteria, sulfate-reducing bacteria, and methanogens near the bottom. The visible colors, filaments, black sediment, and bubbles make the column a useful model for studying how microbes depend on one another in layered environments.

Winogradsky Column Microbial Layers and Gradients

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creating a winogradsky column: a method to enrich the microbial species in a sediment sample

A Winogradsky column shows how microbial layers form in mud and water over time. It is a clear, enclosed ecosystem that helps scientists grow sediment microbes that are hard to culture in a test tube or on a petri dish. By keeping conditions close to a microbe’s natural habitat, the column makes it possible to study organisms that help drive Earth’s biogeochemical cycles. The column is built from pond or wetland sediment mixed with water in a transparent container. Extra sources of carbon,...

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Calcium Chloride DNA Uptake in E. coli

Calcium chloride treatment can help E. coli take up foreign DNA. This chemical transformation method is used in molecular biology to move a plasmid into bacterial cells and then identify the cells that received it. The protocol described here uses chemically competent E. coli DH5α cells and the plasmid pUC19 to measure transformation efficiency. Bacteria can exchange genetic material through horizontal gene transfer. The three main routes are transformation, transduction, and conjugation.

conjugation: a method to transfer ampicillin resistance from donor to recipient e. coli

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Bacterial Gene Transfer by Conjugation in E. coli

Bacterial conjugation is a form of horizontal gene transfer in E. coli that moves DNA from one cell to another through direct contact. It was first discovered by Lederberg and Tatum in 1946. Unlike transformation or transduction, conjugation is a natural, one-way transfer of DNA from a donor cell to a recipient cell. This process can increase bacterial genetic diversity. It is often described as a type of bacterial mating. It has also helped drive the spread of antibiotic-resistant bacteria.

phage transduction: a method to transfer ampicillin resistance from donor to recipient e. coli

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Using P1 Phage to Move Antibiotic Resistance in E. coli

Bacteriophage transduction moves DNA between bacteria by using a phage, or bacterial virus, as the carrier. In this process, a phage can deliver genetic material from one bacterium to another. The method is a form of horizontal gene transfer and is important in both bacterial evolution and laboratory genetics. Phages were first described in the early 1900s, and transduction was named in 1951 by Norton Zinder and Joshua Lederberg. The transcript describes two main phage classes. Lytic phages...

microbiology

Cette collection présente les outils clés pour la recherche en microbiologie, y compris le maintien d'un environnement stérile et les techniques d'ensemencement, l'utilisation de milieux sélectifs et l'enrichissement des échantillons, ainsi que les méthodes de culture pour les échantillons mixtes ou purs. Cette collection inclut aussi les méthodes courantes d'identification des isolats microbiens, ainsi que les techniques de manipulation génétique des bactéries.

Explore how a Winogradsky column forms microbial layers, oxygen and sulfide gradients, and visible signs of cyanobacteria, sulfur bacteria, and methanogens.

Winogradsky Column Microbial Layers and Gradients

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