מאמר שיטה

אפיון תחבורה אלקטרון דרך חיים Biofilms

DOI:

10.3791/54671

⸱

1 ביוני 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

במאמר זה

סיכום

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

פרוטוקול למדידת מוליכות חשמלית של חיים חיידקים פתוגנים המועברים במזון תחת תנאים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית מוצג.

תקציר

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

כאן נדגים את השיטה של gating אלקטרוכימי שימוש כדי לאפיין מוליכות חשמלית של תוצרת אלקטרודה חיידקים פתוגנים המועברים במזון תחת תנאים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית. 1 מדידות אלה מבוצעים על החיים biofilms במדיום מימית שימוש במקור ולנקז אלקטרודות בדוגמת על משטח זכוכית בתצורה מיוחדת המכונה מערך interdigitated אלקטרודה (אידה). ממבנה biofilm גדל על פני הפער חיבור המקור, ניקוז. פוטנציאל מוחלים על האלקטרודות (ES ו- ED) יצירת זרם המקור-ניקוז (ISD) דרך biofilm בין האלקטרודות. התלות של מוליכות חשמלית על פוטנציאל שער (הממוצע של פוטנציאל המקור, ניקוז, EG = [ED + ES] / 2) נקבעת על-ידי שינוי בשער פוטנציאליים ומדידת לטמיון-המקור הנוצרת באופן שיטתי הנוכחי. התלות של מוליכות על שער פוטנציאליים מספק מכניסטית מידע אודות תהליך הובלה אלקטרון חוץ-תאית הבסיסית של מוליכות חשמלית של biofilm ספציפית תחת חקירה. שיטת מדידה המגביל אלקטרוכימי המתוארים כאן מבוססת באופן ישיר בשימוש על-ידי Wrighton ס מ2,3 , עמיתים, ר וו מורי-4,-5,-6 ועמיתיו בבית 1980 הוא לחקור פולימרים מוליכים סרט דק.

מבוא

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

אלקטרון חוץ-תאית תחבורה (EET) הוא תהליך המאפשר מיקרואורגניזמים מסוימים להעברת אלקטרונים בין תהליכים מטבוליים תאיים לבין אלקטרונים לא מסיסים acceptors או תורמים השוכנים מחוץ לתא, החל מינרלים טבעיים כדי אלקטרודות. במקרים מסוימים, EET מאפשר מיקרואורגניזמים ליצור biofilms עבה מרובת-תאים מוליכי על משטחים אלקטרודה, שבו תאים לא במגע ישיר עם האלקטרודה יכול עדיין להשתמש זה מקבל אלקטרון מטבולית או תורם. יש עניין רב כזה biofilms כמו זרזים אלקטרודה ליישומים שונים, כגון חיידקים electrosynthesis, חישה מזהם/הסרה, ו דור אנרגיה מרחוק, אחסון,7,8,9 ,10,11,12,13,14 בשל המגוון של תהליכים מטבוליים שבוצעה על-ידי מיקרואורגניזמים, העמידות של חיידקים פתוגנים המועברים במזון בהשוואה כדי מבוססי אנזים bioelectrodes. 15 , 16 . בנוסף, מסלולים EET פוטנציאלי עלול להיות מנוצל כדי חשמלית פקד או אות לשינויים המתרחשים באופן טבעי או מהונדסים גנטית תהליכים מטבוליים חיידקים מעורבים, לדוגמה, הייצור של המוצר הרצוי או זיהוי של analyte המטרה או התמריץ. מוליכות חשמלית של biofilms electrocatalytic, אשר מגדיר אותם מלבד חומרים ביולוגיים אחרים, הוא היבט מרכזי של הנכסים שלהם electrocatalytic, ובכל זאת ליטל מובנת על תהליך EET כבסיס בסביבת אלקטרודה, זה אשר ידוע מאוד שנויה במחלוקת. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

המתוארים כאן היא שיטה 2-אלקטרודות למדידת מוליכות דרך biofilms חי, שגודלו אלקטרודה באמצעות אלקטרודה interdigitated מערכים (IDAs). IDAs מורכב מקבילים אלקטרודות מלבני בדוגמת במשטח זכוכית שטוחה כזאת כל להקה מחובר בשני צידי מערך וכתוצאה מכך ב- 2 אלקטרודות (המקור, ניקוז). בחינה זהירה של אידה (ראה למשל, דמותו 6.12b של ref #1) חושף את הפערים המפריד בין להקות סמוכים הם גם מחובר באופן כזה שהם מהווים רווח יחיד זה אורג הלוך ושוב על פני המערך המפריד בין שתי אלקטרודות. התוצאה היא פער ארוך וצר המפריד בין האלקטרודות המקור, ניקוז, מניב מקור גבוהה מאוד-ניקוז הזרמים כאשר חומר מוליך הוא נוצר, יצוק, polymerized או גדל (במקרה של סוג biofilms נחשב כאן) על המערך. בנוסף, גודל קטן של האלקטרודות תוצאות ברקע קטן הנוכחי בשל קיבוליות טעינה, חל שינוי במצב חמצון של חומר מוליך עם שינוי שער פוטנציאל, מאז כמות החומר הדרוש כדי להפוך את מוליכות מדידות באמצעות IDAs הוא כל כך קטן. הטכניקה של מבוסס-אידה gating אלקטרוכימי המתוארים כאן, שפותחה לאפיין פולימרים מוליכים סרט דק,2,3,4,25 רק לאחרונה הוחל במערכות החיים. 18 טכניקה נוספת למדידת מוליכות של החיים biofilms מנוצל תבנית גדולה לפצל אלקטרודות המקור, ניקוז מקור מטר לקביעת השער פוטנציאליים. 26 , 27 . אולם, החשש שיטות אלה יש כבר מפורט בעבר. 18

להלן הפרוטוקול מכמס הניסיון שלנו עם ביצוע מדידות מוליכות של חיים biofilms MCL Geobacter sulfurreducens ו- biocathode. Sulfurreducens ג הוא אלקטרודה מודל הפחתת אורגניזם מסוגל להשתמש בחומרים לא מסיסים, כולל אלקטרודות, כמו מקבל אלקטרון מטבולית הבלעדית. בנוסף, היא יוצרת biofilms עבה מסוגלים להעביר אלקטרונים על אורכי תאים מרובים, שהופך אותו אורגניזם מודל אידיאלי ללמוד העברת-אלקטרונים למרחקים ארוכים חוץ-תאית אנודי. אנחנו גם לכלול פרטים לצורך המחקר של biocathode MCL, biofilm אירובי, autotrophic מעורבות הקהילה מבודד הקתודה של תא דלק בנתיק מיקרוביאלי. MCL Biocathode (על שם שלושת המרכיבים העיקרי – Marinobacter, Chromatiaceaea ו- Labrenzia) הוא מסוגל מחמצן אלקטרודה כמו תורם אלקטרון הבלעדי שלה, בהעברת אלקטרונים על אורכי תאים מרובים, ביצוע זה מערכת cathodic מעניין ללמוד. בנוסף, biocathode MCL יש את מוליכות שדווחו הגבוהה ביותר עבור מערכת חיה עד היום בשיטות אלה. ההכללה של אלה biofilms electroactive מגוונות של פרוטוקול זה נועד להדגיש כי טכניקה זו ישימה כדי למדוד את התעבורה של אלקטרונים דרך כל biofilm חי חשמלית אינטראקציה עם אלקטרודות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. הכנת מערך (אידה) interdigitated microelectrode

  1. להשיג אידה זמינים מסחרית אלקטרודות על מצע מוליכים או לסנתז אותם באמצעות שיטות ליטוגרפיה סטנדרטי. 28
    הערה: אידה ממדים ו/או חומרים יכולים להיות מגוונים בהתבסס על תנאים הרצוי עבור ניסויים שונים. IDAs המשמש כאן היו שהושג מסחרית, כללה שני microelectrodes זהב interdigitated על מצע זכוכית מחובר אלקטרודה גדול רפידות בקצוות מנוגדים של המערך. האלקטרודות חשופים בזמן קווי האוטובוס חיבור האלקטרודות הידיות קשר גדול הם מצופים בחומר בידוד דק. IDAs משמש כאן מורכבות של שני סטים של 10 מיקרומטר ברוחב של 2 מ מ microelectrode זהב ארוכה להקות (מקור, ניקוז) במרווחים ביניהם 5 מיקרומטר בדוגמת על משטח זכוכית שטוחה. IDAs משמש כאן היה אלקטרודה 65 זוגות (להקות interdigitated סה כ 130). להקות מתחלפים מחוברים ובפדים בקצוות מנוגדים של המערך.
  2. תיל, לבודד אידה
    1. לצרף חוט כל משטח גדול אלקטרודה השימוש כסוף אפוקסי מוליך.
      1. להכין אפוקסי מוליך על פי הוראות היצרן אפוקסי ספציפי בשימוש עם טיפ מוט או פיפטה ערבוב (הוראות עשויה להשתנות על-ידי יצרן).
      2. במקום חוט על כל משטח זהב, מאובטחת במקום באמצעות הקלטת למעבדה. מכסים בתיל ואת משטח עם אפוקסי כסף באמצעות טיפ מוט או פיפטה ערבוב.
      3. להעביר בזהירות תנור 80 ° C עבור 1 h לרפא או תרופה בהתבסס על ההמלצות של יצרן אפוקסי כסוף מוליך ספציפי בשימוש.
      4. לאחר אפוקסי מרפא, להשתמש multimeter כדי להבטיח קישוריות חשמל בין הקצה של החוט את רפידות. ההתנגדות בין הגדר לבין משטח צריך להיות < 5 Ω. בנוסף, להשתמש את multimeter כדי לוודא כי אין אפוקסי מוליך מתחבר רפידות אלקטרודה מרובים, כמו זה תוכל לקצר את המערך. אם אפוקסי מוליך הוא מתחבר הפניות מרובות, השתמש סופר כדי לבודד את ההפניות.
    2. לבודד את החיבור epoxied על ידי ציפוי הקשר עם תרמית, חשמל, עמיד למים חומר בידוד. שרפים פוליאוריתן retardant להבה, לעיתים קרובות מתאימות.
      1. הסר את קצה שפופרת צנטרפוגה חרוט 15-mL (כ הסימן 2.5 מ ל) כתבנית עבור חומר בידוד. לעשות שני חורים קטנים בתחתית על חוטי החשמל לבלוט דרך באמצעות מחט 21g.
      2. הכנס את אידה עובש של החוטים דרך החורים בתחתית התבנית.
      3. להכין את החומר בידודית הספציפי. בצע את ההוראות שסופקו עם שרף ספציפי שהושג.
      4. Pipette את בידוד חשמלי לתבנית כך אפוקסי כסוף הוא לגמרי מכוסה (~2.5 מ"ל), אפשר להתייבש על פי מפרט היצרן.

2. אלקטרוכימי הכור, בדיקות, וההתקנה חיסון

  1. להגדיר את סוללת.
    1. הכנס אידה מונה אלקטרודה, הפניה אלקטרודה בתא אלקטרוכימי.
      הערה: הכור אלקטרוכימי בשימוש, יכולה להשתנות כל עוד כולנו האלקטרודות להכנס. שיקול אחד נמצא כי האלקטרודה הפניה קרוב ככל האפשר אל האלקטרודה עובד תינתן המגבלות המעשיות של הכור. כאן, אנו משתמשים כור יחיד קאמרית עם הפניה אלקטרודה ~ 2-3 ס מ מן האלקטרודות עבודה. כמו כן, האלקטרודה מונה צריך להיות גדול יותר האלקטרודה לעבוד כדי להבטיח כי זה לא מגבילה במערכת.
    2. אם עובדים עם תרבות טהור, לעקר את הכור עם האלקטרודה מונה בפנים. לעקר את האלקטרודה הפניה מאת תטבול אקונומיקה במשך 10 דקות ובמים סטריליים יונים עבור 10 דקות לעקר את אידה על ידי שילוב של אקונומיקה 5 s ואחריו סטרילי מים יונים עבור 10 s לפני הכניסה לתוך הכור.
    3. למלא את סוללת אמצעי סטרילי מתאים biofilm צמיחה. לשימוש sulfurreducens ג17,18, למעט fumarate בינוני מים מתוקים. Biocathode MCL,9 להשתמש במי ים מלאכותי בינוני. 9
    4. להתחבר האלקטרודות bipotentiostat. להתחבר ההפניה מונה אלקטרודה אחת אידה להפניה העבודה 1, האלקטרודה אידה אחרים להפניה העבודה 2, האלקטרודה הפניה להפניה הפניה, האלקטרודה מונה.
  2. בדיקות אלקטרוכימי של IDAs.
    הערה: מטרתו העיקרית של בדיקה זו היא לוודא שתי אלקטרודות מבודד חשמלית. כל הטכניקות אלקטרוכימי זמינים בתוכנה המשמשת כדי לשלוט על bipotentiostat.
    1. לבצע בדיקות מוליכות (לפני biofilm הצמיחה) כדי להבטיח שימוש bipotentiostat לתפקוד תקין של אידה.
      1. מידת הפוטנציאל במעגל פתוח כל אלקטרודה עבור 1 דקות.
        הערה: על כמה מכשירים, מעגל פוטנציאליים חייב להיות מושגת על-ידי שימוש בתוכנית אוסף galvanostatic והגדרת הנוכחי ל- 0 אמא.
      2. מידת פוטנציאל מעגל אלקטרודה 2 בעת ביצוע וולטמטריה ציקלית על אלקטרודה 1 בין +0.2 V כדי +0.6 V (לעומת היא) ב mV 20/s.
        הערה: גבולות אחרים, המחירים סריקה עבור קורות חיים ניתן להשתמש במידת הצורך. עם זאת, יש להימנע פוטנציאל זה יביא בדור מימן או חמצן.
      3. ודא כי המעגל הפתוח פוטנציאליים נמדד באלקטרודה 2 לא מראה את הפוטנציאל של אלקטרודה 1 במהלך קורות חיים באמצעות התוכנה potentiostat.
        הערה: הפוטנציאל מעגל של אלקטרודה 2 עשוי להשתנות, אבל זה צריך להיות עצמאית של הפוטנציאל של אלקטרודה 1.
      4. חזור על שלבים 2.2.1.1 דרך 2.2.1.3 למעט פקד את הפוטנציאל של אלקטרודה 2 ולמדוד הפוטנציאל מעגל של אלקטרודה 1.
    2. הגדר את הפוטנציאל של אלקטרודות לעבוד פוטנציאל הצמיחה הרצוי של biofilm electroactive הרלוונטי באמצעות התוכנה bipotentiostat. לדוגמה, השתמש +0.5 V (לעומת היא) Geobacter sulfurreducens או +0.31 V (לעומת היא) עבור biocathode MCL.
  3. לגדול biofilm הרלוונטי electroactive
    1. לחסן את הכור אלקטרוכימי של תרבות מניות / העשרה של מיקרואורגניזמים electrochemically פעיל הרצוי באמצעות תקן טכניקות aseptic מיקרוביולוגית. לבדיקות תקן, לחסן ב- 1:20 יחס (inoculum כור אחסון) של יתר600 = 0.5 תרבות.
    2. הגדר את ערבוב לכור את הרמה הרצויה (~ 200 סל ד), בחממה / תנורים עד לטמפרטורה הרצויה בהתאם לתנאים צמיחה של biofilm עניין. Sulfurreducens ג, לשימוש של 30 מעלות צלזיוס לצמיחה אופטימלית.
    3. דגירה מערכת בהתבסס על דרישות ספציפיות של microorganism(s) עניין עד biofilm מגשרת על הפער בין שתי אלקטרודות. עבור נייחים biofilm sulfurreducens ג , תקופת דגירה של ~ 7-10 ימים. עבור biocathode MCL, דגירה ~ 7 ימים. בכל מקרה, לשלוט, הטמפרטורה של 30 ° C.

3. אלקטרוכימי ניסויים חסימה

  1. בחר את הפרמטרים ניסיוני שישמש כדי לקבוע את התלות הנוכחית-פוטנציאל למדידות המגביל.
    1. לקבוע את הטווח של פוטנציאל שער שיוחלו אידה להשיג הנוכחית מתנהל (ISD) לעומת שער עקום (EG) פוטנציאליים עבור המערכת.
      הערה: טווח פוטנציאל שער בחן אמור לכסות כל פוטנציאל עם פעילות אפשרית חמצון-חיזור. אם אין מידע על מערכת עניין זמין, מגוון רחב פוטנציאל להיות בשימוש (-0.55 כדי +0.6 V לעומת היא). ניתן להשתמש בגישה ניסוי וטעייה לחידוד הטווח מבוססת על מערכת שנבחנה. שער פוטנציאליים מוגדרת בתור:
      figure-protocol-1
      כאשר ED הוא הפוטנציאל של האלקטרודה ניקוז ו ES הוא הפוטנציאל של האלקטרודה מקור. הטווח של שער פוטנציאל שימוש מוגבל בשל הדרישות ואת המגבלות של מערכת מסוימת של עניין. 18
      הערה: פוטנציאל ניקוז והמקור זה יביא באבולוציה חמצן ומימן יש להימנע ככל תהליכים אלו יכולים לגרום נזק biofilm.
    2. לקבוע את מתח המקור-ניקוז (VSD) שישמש ככוח המניע להעברה אלקטרון דרך הסרט ממקור לניקוז. מקור-ניקוז מתח מוגדרת בתור:
      figure-protocol-2
      הערה: מתח המקור-ניקוז צריכה להיות מספיק קטן כדי. אניSD להרחבה מדרגית באופן ליניארי עם VSD. 17
    3. בחרו קצב סריקה (v) שבו EG השתנה באופן ליניארי עם הזמן שאינו תלוי אניSD כך ניתן לקרב את ערכיהן המערכת להיות במצב יציב עבור כל שער פוטנציאליים.
      הערה: קצב סריקה של פחות מ 0.002 V/s משמש לעיתים קרובות עבור מערכות ביולוגיות. 29 , 30
    4. להגדיר לתוכנה bipotentiostat כדי לבצע את המדידות חסימה (קרי לטאטא את השער פוטנציאליים) מעל הטווח הנבחר, את מתח המקור הנבחר-ניקוז, ובבית את קצב הסריקה הרצוי בהתבסס על השיקולים שלעיל.
      הערה: למדידות הקודם חסימה באמצעות ג sulfurreducens,17,19 EG =-0.55 V כדי 0.6 V (לעומת היא), VSD = 0.01 V או 0.1 V, v = 0.001 V/s. עבור Biocathode MCL, EG = 0.25 V ל 0.7 V (לעומת היא), VSD = 0.002 V, v = 0.0002 V/s.
      1. בנוסף, לבצע מדידה בסיסית עם VSD = 0.000 V (קרי, CV-כל אלקטרודה בודדים נלקח בו זמנית) ב- v באותו שבחרת בשלב 3.1.3.
    5. לבצע מדידות חסימה באמצעות תנאי 3.1.4 תחת מחזור שני (עם אלקטרון מסיסים התורמים או מקבל מתנה) בתנאים שאינם-מחזור (ללא תורם אלקטרון מסיסים או מקבל).
      הערה: מחזור ללא התנאים יתרון כי המידות הן אינו מוסתר על ידי חמצון או הפחתה של תרכובות מסיסים על חילוף החומרים הסלולר, למרות תוצאות דומות צריכה להתקבל ללא קשר תנאי משמש לאחר הפחתה רקע זרמי (מפורט ב 3.1.8).
      1. להשיג תנאים מחזור באמצעות המדיום הכור באותו המשמשים עבור התפתחות חיידקים על האלקטרודה. בינוני מכיל תורם אלקטרון מסיסים, כגון אצטט sulfurreducens ג,17 או מקבל, כגון חמצן Biocathode MCL.
      2. להשיג תנאים שאינם-מחזור על-ידי הפיכת המדיום הכור באותו המשמש עבור התפתחות חיידקים על האלקטרודה, למעט להשמיט את האלקטרונים מסיסים התורמים או מקבל. אחרי שתוודא כי potentiostat כבויה, להסיר את המדיום גילוח ורחיצה כירורגית ולהוסיף בינוני טריים ללא התורם אלקטרון מערכות אנודי או מקבל עבור מערכות cathodic. לחלופין, ניתן להגדיר מערכת זרימה רציפה לאט להחליף המדיום עם המדיום הרצוי עבור תנאים nonturnover.
        הערה: אם החמצן מקבל אלקטרון מסיסים (כפי biocathode MCL), sparge את המערכת עם תערובת של ~ 15% CO2 , 85% N2 (או תערובת גז על ה-pH נכונה של המדיום).
    6. לאחר סיומו של המדידות המגביל, להשתמש בתוכנה potentiostat כדי להגדיר את הפוטנציאל של כל אלקטרודה בחזרה אל הצמיחה הפוטנציאליים כדי לאפשר למערכת לייצב מחדש (באמצעות אותם ערכים כמו 2.2.2).
    7. אם מתקיימים כל התנאים המתוארים לעיל (אניSD היא עצמאית של v, שינוי קנה המידה באופן ליניארי עם VSD), להמיר אניSD ערכים מוליכות באמצעות המשוואות הבאות כמו שתואר לעיל31
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
    8. כאשר G הוא מוליכות ו- S היא גורם קנה המידה המערכת תלויה, ויש גורמים משתנים כגון גודל האלקטרודה, בגודל הפער biofilm גובה. במערכות מסוימות, S יכול להיקבע מתוך משוואות מראש. 31 . לחלופין, S ניתן לחשב נומרית באמצעות תוכנת מידול, כמפורט בעבר. 17
    9. להחסיר את הזרמים רקע כדי לזהות את הצורה ואת סדר הגודל של הזרם מתנהל. גם לחסר הנוכחי שנוצרו ב- VSD = 0.00 V מ הנוכחי שנוצרו ב- VSD = 0.01 V או להחסיר הניקוז הנוכחי מן המקור הנוכחי שנוצרו עם VSD = 0.01 נ' גם זרמים רקע מסיר על השיטה, את עוזבת רק הנוכחית מתנהל.
  2. מדידות המגביל אלקטרוכימי תלויה בטמפרטורה
    1. לקבוע את טווח הטמפרטורות עניין. טווח זה תלויה מאוד המערכת תחת מחקר, אולם מבחינה פיזיולוגית הרלוונטיים טמפרטורות אמור לשמש.
      הערה: מחקרים קודמים השתמשו טווח טמפרטורה של 10 ° C עד 30 מעלות צלזיוס ללמוד אלקטרון תחבורה בתנאים פיזיולוגית הרלוונטיים עבור מיקרואורגניזמים mesophilic. 17
    2. להשיג recirculating אמבט מים או חממה כדי לווסת את טמפרטורת, כור הבקרה כדי להבטיח כי קבע נקודה וטמפרטורה בפועל של המדיום הוא זהה.
      1. מקום של מד חום או צמד תרמי כור שליטה בו יהיה אידה.
    3. לעש מדידותSD (ראה 3.1.4) מעל טווח טמפרטורות הנבחר תחת מחזור ו- nonturnover (שמתואר בשלב 3.1.5) תנאי שימוש את bipotentiostat בעקבות באחת משתי הפרוצדורות המתוארות להלן.
      1. צור אניSD לעומת EG עקומות, כפי שתואר לעיל (ראה 3.1), עבור כל הטמפרטורה מעל טווח טמפרטורה ריבית. עבור חומרים כי התערוכה מוליכות חמצון-חיזור, כגון sulfurreducens ג ו Biocathode MCL, השיא הנוכחי של כל טמפרטורה משמשת כדי לקבוע אתSD לעומת תלות T.
        הערה: שיטה זו משמשת ליצירת מלא אניSD לעומת EG עקומת עבור כל טמפרטורה, אבל דורש יותר זמן מאשר האפשרות השנייה.
      2. לסירוגין, להגדיר והחזק את אידה בשער פוטנציאליים המניבה מקסימום שנערך הנוכחי באמצעות את bipotentiostat (המתקבל אניSD vs EG העקומה, שלב 3.1.4) ולהקליט המרבי הנוכחי מתנהל באמצעות את bipotentiostat תוך כדי הטמפרטורה יחזור לתקנו בין טווח טמפרטורות שנבחרו באמצעות הפקדים על הסיפון של תנורים או חממה.
        הערה: עם הגיאומטריה אלקטרודה/כור המשמש כאן, אניSD ו- T מותר לייצב כי לפחות 20 דקות ו ממוצע יציבה אניSD משמש בכל טמפרטורה. פחות או יותר הזמן מייצב עשוי להידרש המבוסס על מערכת מסוימת. שיטה זו מהירה יותר הראשון וגורם פחות מתח כדי biofilm. עם זאת, עקומות חסימה מלאה לא נוצרים.
      3. מחזור הטמפרטורה מנקודה קבוצה אחת לאחרת ובחזרה שוב באמצעות הפקדים על הסיפון של החממה או לאמבט מים כדי לקבוע את הפיכות התגובה להבטיח כי הטמפרטורה רכיבה על אופניים אינה פוגעת biofilm את.
    4. לאפס את הטמפרטורה בחזרה הטמפרטורה צמיחה רגיל באמצעות הפקדים על הסיפון של האמבטיה חממה או מים ומאפשרים למערכת כדי לייצב.
      הערה: עבור מנצח חמצון-חיזור, ליSD כנגד 1/T נתונים להיות מקום עם הביטוי קצב ארניוס, אשר מאפשר את החישוב של אנרגיית שפעול כדלקמן:
      figure-protocol-5
      figure-protocol-6
      איפה E הוא אנרגיית השפעול להעברת אלקטרון בין חמצון-חיזור סמוכים cofactors ו- k הוא קבוע בולצמן.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

IDAs היו קווית, מבודדים ולא נבדק כדי לוודא כי שתי אלקטרודות היו חשמלית מבודדים אחד מהשני (איור 1). הכורים היו מורכבים, מחוסן עם sulfurreducens ג, מודגרות עד ממבנה biofilm מגשרת על הפער בין האלקטרודות. Biofilm sulfurreducens ג ניתן לראות באופן חזותי כדי לסקר את המערך. Biofilms אחרים עשויים לדרוש החוקר לעשות מדידות המגביל אלקטרוכימי כדי לראות אם שתי אלקטרודות חשמלית מקושר. מיקרוסקופ צריך לשמש גם כדי לוודא חיבור בין האלקטרודות של המערך. ניסויים...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

במהלך התקנת אידה, חיוני לבדוק כי המקור וצינור הניקוז לא לקצר יחד לפני מדידות המגביל אלקטרוכימי, כמו זה תשנה אתSD לעומת עקומת EG יכול להוביל לתוצאות שגויות פרשנויות. חשוב גם לבחור VSD ו- v כך הנוכחי הוא באופן ליניארי תלויים VSD ועצמאית של v. אם זה לא המקרה, ואז המשוואות המתוארים לעיל לא יכול להיות מנוצל כדי לחשב את המוליכות.

לפחות שני זרמים רקע חייב להיות נחשב ומוסר מן המידות הנוכחית מתנהל. הראשון הוא הרקע הנוכחי עקב Faradaic טעינה/פריקת cofactors חמצ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

המחברים אין לחשוף.

תודות

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

M.D.Y, S.M.G-ס ו L.M.T. לאשר למשרד של חיל הים המחקר (פרס #N0001415WX01038 ו- N0001415WX00195), מעבדת המחקר של הצי הימי מעבדות ננוטכנולוגיה מכון המחקר; M.Y.E.-ש הוא נתמך על ידי ארה ב המחלקה של אנרגיה גרנט דה-FG02-13ER16415.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
IDAsCH Instruments012125מיוצר על ידי ALS-Japan; נמכר על ידי CH Instruments
WireDigikeyW7-ND
אפוקסי כסף מוליךאלקטרונים מיקרוסקופיה מדעית12670-EE
חומר בידוד3M2131-BScotchast תרכובת מעכבת בעירה
15 מ"ל צינור צנטריפוגה חרוטיVWR89004-368
מחט 21 גרםVWRBD-305165
5 מ"ל קצות פיפטהVWR82018-842
5 מ"ל פיפטורVWR89079-976
רכיבים בינוניים של מים מתוקיםסיגמא אולדריץ'כל כימיקלים מעבדתיים סטנדרטיים
      אמוניום כלוריד
      נתרן פוספט מונו-בסיסי
      סודיום ביקרבונט
בינוניים של מי ים מלאכותייםסיגמא אולדריץ'כל כימיקלים סטנדרטיים למעבדה
      נתרן כלורי
      מגנזיום כלוריד הקסהידרט
      מגנזיום גופרתי heptahydrate
      אשלגן כלורי
      נתרן ביקרבונט
      סידן כלוריד דיהידרט
      אמוניום כלוריד
      אשלגן פוספט דו-בסיסי
Ag/AgCl אלקטרודה ייחוסBasiMF-2079
אלקטרודה נגד מוט גרפיטמדעי מיקרוסקופיה אלקטרונית70230
אמבט מים מחזוריThermo Scientific152-5256
BipotentiostatPine InstrumentsWD-20http://www.voltammetry.net/pine/aftermath/user
מוטות ערבובVWR58947-114
G. גופרית מפחית תרביתATCC51573
כור מעוטרמכשירי אורןRRPG085
רכיבים

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Geobacter sulfurreducens

מאמרים קשורים