Name: ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים המופקים משפכים: גידול, תחזוקה ואפיון בסיסי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 58 s
Description: למד גידול ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים משפכים במגיב פד-באץ' מבוקר פוטנציוסטט. השיטה מאפשרת אפיון העברת אלקטרונים חוץ-תאית באמצעות וולטאמטריה ציקלית לניתוח תרמודינמיקה מיקרוביאלית.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

F.H. מודה על תמיכתם של BMBF (פרס המחקר "הדור הבא של תהליכים ביוטכנולוגיים - ביוטכנולוגיה 2020+") ועמותת הלמהולץ (קבוצת חוקרים צעירים).

מכיוון שהליך הבחירה בכור הביו-אלקטרוכימי הוא ספציפי מאוד בשל בחירת המצע והתנאים האנוקסיים, עבודה בתנאים סטריליים אינה הכרחית עבור הדוגמה המודגמת.
1. הכנת מצע גידול
<ol>
	<li>הכן כמות מתאימה של מצע הגידול באמצעות מאגר פוספט על פי קים ואחרים.13 (ראה טבלה 1). כאן, נתרן אצטט (10 מ"מ) משמש כמצע. אמצעי הגידול המשמש במאמר זה הוא רק דוגמה אחת, ובהתאם למטרת הניסוי יכול להשתנות במרכיביו.</li>
	<li>הוסף 1 מ"ל מי שפכים ראשוניים לכל 20 מ"ל מצע גידול כחיסון. דגימת השפכים נלקחת ממתקן טיהור שפכים עירוני לאחר הסינון המכני (ראה למשל איור 2) וניתן לאחסן אותה עד שלושה חודשים עד לשימוש במיכל סגור בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס < >
	(הערה: בהתאם למטרת הניסוי, ספירת התאים הראשונית המדויקת יכולה להיות חשובה ולאחר מכן יש לקבוע אותה. בדוגמה המודגמת, ספירת התאים הראשונית אינה חשובה, מכיוון שהביופילם מגיע לתנאים של מצב יציב.)</li>
	<li>שטפו את המדיום כולל החיסון בחנקן למשך 30 דקות לפחות כדי לאוורר אותו, על ידי החדרת מחט למדיום והפעלת זרם החנקן. הזרם צריך להיות חזק מספיק כדי שתוכלו לצפות בערבוב מלא של המדיום. 
	(הערה: בהתאם לנפח המדיום יש אפילו לשקול להאריך את זמן הפחתת האוויר. במהלך הגדרת הפחתת האוורור כור האצווה המוזנת (שלבים 2.1-2.2))</li>
</ol>
2. הגדרת כור אצווה פד
<ol>
	<li>קח כלי כור מתאים- כאן נעשה שימוש בבקבוק תחתון עגול בעל 4 צווארים עם 4 צווארים. 
	(הערה: באופן כללי לכלי השיט צריכים להיות לפחות ארבעה כניסות. אלה נחוצים לשלוש האלקטרודות ולהחלפת דגימה/מדיה. ניתן להזניח את נפחי הגז המיוצרים כאשר הכור נפתח באופן קבוע עקב דגימה או שינוי בינוני, לחלופין יש להתקין מונה בועות. על מנת למנוע צמיחה פוטוטרופית לא רצויה, יש להגן על הכורים מפני חשיפה ישירה לאור.)</li>
	<li>להגדרת שלוש האלקטרודות (ראה איור 3 וסעיף 3 לפרטים) הנח את אלקטרודת הייחוס (RE) (כאן Ag/AgCl, sat. KCl, 0.197 V לעומת SHE), האלקטרודה העובדת (WE) והאלקטרודה הנגדית (CE) בבקבוק דרך כניסות בודדות באמצעות פקקי סיליקון - אטום אטום לאוויר. 
	(הערה: כפי שמשתמשים במוטות גרפיט WE ו- CE. חוט האלקטרודות נמשך דרך תקע הסיליקון ומקובע חיצונית. אלקטרודת הייחוס מוכנסת דרך תקע הסיליקון דרך חור קדוח. כדי למנוע קצר חשמלי, וודאו כי אין מגע פיזי של האלקטרודות, גם בזמן ערבוב או מחזור מדיה. הניחו את האלקטרודות שהן מכוסות לחלוטין בתמיסה בינונית. לאיטום, עטפו את פקק הסיליקון של כל כניסה עם Parafilm.)</li>
	<li>יוצקים את מצע הגידול כולל החיסון (כאן 250 מ"ל) דרך פתח הדגימה לתוך הכור תוך שטיפה בחנקן.</li>
	<li>סגור את הכניסה האחרונה עם פקק סיליקון ואטום אותו אטום לאוויר. הערה: עקבות חמצן לא יפגעו בביופילמים של המינים המעורבים. הם מסוגלים לעמוד ואף לצרוך רמות נמוכות של חמצן, מה שבתורו עשוי להפחית את ה-CE.</li>
</ol>
3. גידול ביופילם כרונואמפרומטרי
<ol>
	<li>חבר את האלקטרודות לכבלים המתאימים של הפוטנציוסטט. הנח את הכלי בתא מבוקר טמפרטורה, כאן משתמשים ב-35 מעלות צלזיוס31, על מנת להבטיח תנאי סביבה קבועים.</li>
	<li>פתח את התוכנה כדי לשלוט בפוטנציוסטט ובחר את הטכניקה: כרונואמפרומטריה. הגדר את הפרמטרים לדוגמה כדלקמן: פוטנציאל קבוע EWE של 0.2 V (לעומת Ag/AgCl) למשך t של 500 שעות (≈ 20 יום). הזרם נרשם בשלבי זמן dti כל דקה. 
	הערה: בחירת הפוטנציאל המיושם תלויה במערכת/מיקרואורגניזם הנחקר. בדרך כלל תהליכי אנודה נחקרים בפוטנציאל חיובי ותהליכי קתודה בפוטנציאל שלילי. ניתן גם להסיק פוטנציאל מתאים מהפוטנציאלים הסטנדרטיים של תורם/מקבל האלקטרונים והפוטנציאל הפורמלי של אתר העברת האלקטרונים המיקרוביאלי הצפוי, כאן כנקודת התחלה, אנא עיין בספרות העדכנית.</li>
	<li>התחל את הכרונואמפרומטריה. גרף של הזרם הנמדד לאורך זמן משורטט על ידי התוכנה, הזרם המקסימלי הנצפה (imax) הוא פרמטר מקוון חשוב, כפי שנדון בסעיפים 4 ו-5. </li>
</ol>
4. תחזוקת ביופילם
<ol>
	<li>בהתאם לתנאי הסביבה, למשל הטמפרטורה, זרם חמצוני מתחיל לזרום ומגיע למישור (ראה איור 4). לאחר שהגעתם שוב לזרם אפס, השהה את המדידה הכרונואמפרומטרית וחדש את התמיסה הבינונית. לצמיחה מהירה יותר של ביופילם, החלף את המדיום מיד לאחר הגעה למישור הזרם המרבי. פתח את יציאת הדגימה ובזהירות, מבלי להרוס את הביופילם הדק, פרוק את המדיום. תוך כדי מילוי המדיום, יש לשטוף שוב בחנקן. סגור את יציאת הדגימה ואטום אטום לאוויר.</li>
	<li>חזור על ההליך של שלב 4.1. עד שזרם החמצון המרבי מגיע למצב יציב (ראה איור 4). 
	(הערה: מאמינים כי imax קבוע מצביע על היווצרות ביופילם יציבה במצב יציב.)</li>
	<li>קח דגימות של 1 מ"ל של תמיסות המדיום הטריות והמוחלפות לניתוח מצע, למשל על ידי HPLC. ריכוז הסובסטרט הראשוני (אצטט) (c0) כמו גם ריכוז תמיסת הסובסטרט הנותרת (c1) נדרשים לאחר מכן לחישובי יעילות (ראה סעיף ניתוח נתונים). 
	הערה: כדי להשיג תוצאות ללא שינוי, למשל עקב צריכת מצע נוספת, נתח את דגימות המצע באופן מיידי. אם זה לא אפשרי, אחסן את הדגימות במקפיא בטמפרטורה של -18 מעלות צלזיוס לפחות למשך לא יותר מחודש.)</li>
</ol>
5. יישום של וולטמטריה מחזורית לחקר EET
<ol>
	<li>בצע וולטמטריה מחזורית במקסימום ובמינימום של זרימת הזרם כפי שמצוין (איור 4). בהתאם לשאלת העניין, קורות החיים מבוצעים בדרך כלל כאשר המערכת הגיעה למצב יציב כדי לקבל תוצאות דומות. (הערה: יצירת הזרם נקראת תנאי תחלופה והיא קשורה לחמצון המיקרוביאלי של המצע ולהעברת אלקטרונים לאחר מכן: ביו-אלקטרוקטליזה מיקרוביאלית; ואילו קורות החיים שאינם תחלופה מבוצעים בזרימת זרם (כמעט) אפס ב-CA.)</li>
	<li>בחר בתוכנת בקרת הפוטנציוסטט את הטכניקה: וולטמטריה מחזורית, והגדר את הפרמטרים המתאימים, כאן למשל: פוטנציאל התחלתי של EWE עד Ei של -0.5 V לעומת RE עם קצב סריקה v=dE/dt של 1 mV/sec לפוטנציאל קודקוד E1 של 0.3 V לעומת RE ובחזרה לפוטנציאל ההתחלתי E2 = Ei של -0.5 V. 
הערה: בעת שימוש בוולטמטריה מחזורית, המתח המופעל ב-WE משתנה באופן ליניארי עם הזמן על ידי הפוטנציוסטט (ראה איור 5) - תיבה 2 מספקת כללים עקרוניים לבחירת פרמטרי הניסוי ופתרון בעיות).</li>
	<li>התחילו את הוולטמטריה המחזורית ורשמו כמה מחזורים שצריך כדי לבצע קורות חיים ניתנים לשחזור. בדרך כלל, נדרשים לפחות 3 מחזורים. התרשים המתקבל נקרא וולטמוגרפיה מחזורית (ראו גם איור 7). הערה: בהתאם לתנאי המדידה, ניתן לקבל מידע שונה כפי שמודגם בסעיף הבא.</li>
</ol>
6. התוויית נתונים
כאן דנים רק בשרטוט הנתונים. מאמר מפורט יותר מופיע בחלק הבא. 
<ol>
	<li>השתמש בתוכנת ניתוח נתונים מתאימה, כאן כל הנתונים מיוצאים כטקסט ומיובאים כקובץ ASCII.</li>
	<li>חשב והשתמש בצפיפות זרם מועדפת (j) ולא בזרמים מוחלטים (i). 
	(הערה: עם זאת, מכיוון שקיימים פרוטוקולים שונים לחישוב j, הבהירו באיזה מהם נעשה שימוש. כאן צפיפות הזרם לכל גיאומטרי, כלומר מוקרן, נעשה שימוש בשטח הפנים של האלקטרודה.)</li>
	<li>כרונואמפרומטריה: שרטט את צפיפות הזרם הנמדדת כפונקציה של הזמן.</li>
	<li>וולטמטריה מחזורית: שרטט את צפיפות הזרם הנמדדת כפונקציה של הפוטנציאל של ה-WE Ewe.</li>
</ol>

<ol><li>Rabaey, K., Angenent, L., Schröder, U., Keller, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRabaey%2C+K+%22Integrated+Environmental+Technology+Series%22">Integrated Environmental Technology Series</a>. Lens, P. , IWA Publishing. London, New York. (2010).</li>
<li>Logan, B. E., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+wastes+into+bioelectricity+and+chemicals+using+microbial+electrochemical+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals using microbial electrochemical technologies.</a> Science. 337, 686-690 (2012).</li>
<li>Rabaey, K., Rozendal, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+electrosynthesis+-+revisiting+the+electrical+route+for+microbial+production%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Microbial electrosynthesis - revisiting the electrical route for microbial production.</a> Nat. Rev. Microbiol. 8, 706-716 (2010).</li>
<li>Harnisch, F., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Diversity+of+Techniques+to+Study+Electrochemically+Active+Biofilms+Highlights+the+Need+for+Standardization%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization.</a> ChemSusChem. 5, 1027-1038 (2012).</li>
<li>Logan, B. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+Fuel+Cells%3A+Methodology+and+Technology%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology.</a> Environ. Sci. Technol. 40, 5181-5192 (2006).</li>
<li>Harnisch, F., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+MFC+to+MXC%3A+chemical+and+biological+cathodes+and+their+potential+for+microbial+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Soc.+Rev%22%5BJournal%5D)">From MFC to MXC: chemical and biological cathodes and their potential for microbial bioelectrochemical systems.</a> Chem. Soc. Rev. 39, 4433-4448 (2010).</li>
<li>TerAvest, M. A., Li, Z., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bacteria-based+biocomputing+with+Cellular+Computing+Circuits+to+sense%2C+decide%2C+signal%2C+and+act%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Bacteria-based biocomputing with Cellular Computing Circuits to sense, decide, signal, and act.</a> Energy Environ Sci. 4, 4907-4916 (2011).</li>
<li>Lovley, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bug+juice%3A+harvesting+electricity+with+microorganisms%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Bug juice: harvesting electricity with microorganisms.</a> Nat. Rev. Microbiol. 4, 12 (2006).</li>
<li>Lovley, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reach+out+and+touch+someone%3A+potential+impact+of+DIET+%28direct+interspecies+energy+transfer%29+on+anaerobic+biogeochemistry%2C+bioremediation%2C+and+bioenergy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Environ.+Sci.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Reach out and touch someone: potential impact of DIET (direct interspecies energy transfer) on anaerobic biogeochemistry, bioremediation, and bioenergy.</a> Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 10, 101-105 (2011).</li>
<li>Rosenbaum, M., Aulenta, F., Villano, M., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cathodes+as+electron+donors+for+microbial+metabolism%3A+Which+extracellular+electron+transfer+mechanisms+are+involved%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technol%22%5BJournal%5D)">Cathodes as electron donors for microbial metabolism: Which extracellular electron transfer mechanisms are involved.</a> Bioresource Technol. 102, 324-333 (2011).</li>
<li>Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anodic+electron+transfer+mechanisms+in+microbial+fuel+cells+and+their+energy+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel cells and their energy efficiency.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 2619-2629 (2007).</li>
<li>Harnisch, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Revealing+the+electrochemically+driven+selection+in+natural+community+derived+microbial+biofilms+using+flow-cytometry%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Revealing the electrochemically driven selection in natural community derived microbial biofilms using flow-cytometry.</a> Energy Environ. Sci. 4, 1265 (2011).</li>
<li>Kim, J. R., Min, B., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+procedures+to+acclimate+a+microbial+fuel+cell+for+electricity+production%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Evaluation of procedures to acclimate a microbial fuel cell for electricity production.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 68, 23-30 (2005).</li>
<li>Liu, Y., Harnisch, F., Fricke, K., Sietmann, R., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improvement+of+the+anodic+bioelectrocatalytic+activity+of+mixed+culture+biofilms+by+a+simple+consecutive+electrochemical+selection+procedure%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Improvement of the anodic bioelectrocatalytic activity of mixed culture biofilms by a simple consecutive electrochemical selection procedure.</a> Biosens. Bioelectron. 24, 1006-1011 (2008).</li>
<li>Torres, C. sI., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selecting+Anode-Respiring+Bacteria+Based+on+Anode+Potential+Phylogenetic%2C+Electrochemical%2C+and+Microscopic+Characterization%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Selecting Anode-Respiring Bacteria Based on Anode Potential Phylogenetic, Electrochemical, and Microscopic Characterization.</a> Environ. Sci. Technol. 43, 9519-9524 (2009).</li>
<li>Virdis, B., Harnisch, F., Batstone, D. J., Rabaey, K., Donose, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+characterization+of+electrochemically+active+microbial+biofilms+using+confocal+Raman+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Non-invasive characterization of electrochemically active microbial biofilms using confocal Raman microscopy.</a> Energy Environ. Sci. 5, 7017-7024 (2012).</li>
<li>Scholz, F., Bond, A. M. Electroanalytical Methods: Guide to experiments and applications. 2, edn,(2010).</li>
<li>Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+biofilm+voltammetry%3A+direct+electrochemical+characterization+of+catalytic+electrode-attached+biofilms%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Environ.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms.</a> Appl. Environ. Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).</li>
<li>Harnisch, F., Freguia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Basic+Tutorial+on+Cyclic+Voltammetry+for+the+Investigation+of+Electroactive+Microbial+Biofilms%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry%22%5BJournal%5D)">A Basic Tutorial on Cyclic Voltammetry for the Investigation of Electroactive Microbial Biofilms.</a> Chemistry. 7, 466-475 (2012).</li>
<li>Marsili, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shewanella+secretes+flavins+that+mediate+extracellular+electron+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Shewanella secretes flavins that mediate extracellular electron transfer.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 3968-3973 (2008).</li>
<li>Bard, A. J., Inzelt, G., Scholz, F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBard%2C+AJ+%22Electrochemical+Dictionary%22">Electrochemical Dictionary</a>. , Springer. (2008).</li>
<li>Kim, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+activity+of+an+Fe%28III%29-reducing+bacterium%2C+Shewanella+putrefaciens+IR-1%2C+in+the+presence+of+alternative+electron+acceptors%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Tech%22%5BJournal%5D)">Electrochemical activity of an Fe(III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens IR-1, in the presence of alternative electron acceptors.</a> Biotechnol. Tech. 13, 475-478 (1999).</li>
<li>Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+use+of+cyclic+voltammetry+for+the+study+of+anodic+electron+transfer+in+microbial+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells.</a> Energy Environ. Sci. 1, 144 (2008).</li>
<li>Marsili, E., Sun, J., Bond, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voltammetry+and+Growth+Physiology+of+Geobacter+sulfurreducens+Biofilms+as+a+Function+of+Growth+Stage+and+Imposed+Electrode+Potential%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Voltammetry and Growth Physiology of Geobacter sulfurreducens Biofilms as a Function of Growth Stage and Imposed Electrode Potential.</a> Electroanalysis. 22, 865-874 (2010).</li>
<li>Busalmen, J. P., Esteve-Núñez, A., Berná, A., Feliu, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((C-Type+Cytochromes+Wire+Electricity-Producing+Bacteria+to+Electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem%22%5BJournal%5D)">C-Type Cytochromes Wire Electricity-Producing Bacteria to Electrodes.</a> Angew. Chem. 120, 4952-4955 (2008).</li>
<li>Millo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Spectroelectrochemical+Investigation+of+Electrocatalytic+Microbial+Biofilms+by+Surface-Enhanced+Resonance+Raman+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edn.+Engl%22%5BJournal%5D)">In Situ Spectroelectrochemical Investigation of Electrocatalytic Microbial Biofilms by Surface-Enhanced Resonance Raman Spectroscopy.</a> Angew. Chem. Int. Edn. Engl. 50, 2625-2627 (2011).</li>
<li>Hamelers, H. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+applications+and+performance+of+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">New applications and performance of bioelectrochemical systems.</a> Applied Microbiol. Biotechnol. 85, 1673-1685 (2010).</li>
<li>Richter, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclic+voltammetry+of+biofilms+of+wild+type+and+mutant+Geobacter+sulfurreducens+on+fuel+cell+anodes+indicates+possible+roles+of+OmcB%2C+OmcZ%2C+type+IV+pili%2C+and+protons+in+extracellular+electron+transfer.%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci.%22%5BJournal%5D)">Cyclic voltammetry of biofilms of wild type and mutant Geobacter sulfurreducens on fuel cell anodes indicates possible roles of OmcB, OmcZ, type IV pili, and protons in extracellular electron transfer.</a> Energy Environ. Sci.. 2, 506 (2009).</li>
<li>Torres, C. I., Kato Marcus, A., Rittmann, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proton+transport+inside+the+biofilm+limits+electrical+current+generation+by+anode-respiring+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Proton transport inside the biofilm limits electrical current generation by anode-respiring bacteria.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 872-881 (2008).</li>
<li>Torres, C. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+kinetic+perspective+on+extracellular+electron+transfer+by+anode-respiring+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22FEMS+Microbiol.+Rev%22%5BJournal%5D)">A kinetic perspective on extracellular electron transfer by anode-respiring bacteria.</a> FEMS Microbiol. Rev. 34, 3-17 (2010).</li>
<li>Patil, S. A., Harnisch, F., Kapadnis, B., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroactive+mixed+culture+biofilms+in+microbial+bioelectrochemical+systems%3A+The+role+of+temperature+for+biofilm+formation+and+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Electroactive mixed culture biofilms in microbial bioelectrochemical systems: The role of temperature for biofilm formation and performance.</a> Biosens. Bioelectron. 26, 803-808 (2010).</li>
<li>Kim, J. R., Min, B., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+procedures+to+acclimate+a+microbial+fuel+cell+for+electricity+production%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Evaluation of procedures to acclimate a microbial fuel cell for electricity production.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 68, 23-30 (2005).</li>
<li>Balch, W. E., Fox, G. E., Magrum, L. J., Woese, C. R., Wolfe, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methanogens%3A+Reevaluation+of+a+unique+biological+group%5BTitle%5D)+AND+%22Microbiol.+Rev%22%5BJournal%5D)">Methanogens: Reevaluation of a unique biological group.</a> Microbiol. Rev. 43, 260-296 (1979).</li>
<li>He, Z., Mansfeld, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploring+the+use+of+electrochemical+impedance+spectroscopy+%28EIS%29+in+microbial+fuel+cell+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Exploring the use of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in microbial fuel cell studies.</a> Energy Environ. Sci. 2, 215-219 (2009).</li>
<li>Ter Heijne, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identifying+charge+and+mass+transfer+resistances+of+an+oxygen+reducing+biocathode%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Identifying charge and mass transfer resistances of an oxygen reducing biocathode.</a> Energy Environ. Sci. 4, 5035-5043 (2011).</li>
<li>Logan, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+up+microbial+fuel+cells+and+other+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 85, 1665-1671 (2010).</li>
</ol>

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

הפרוטוקול המוצג מראה דרך קלה ופשוטה לגידול ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים מחיסון שפכים באמצעות מערך של שלוש אלקטרודות בכור אצווה מוזן. כרונואמפרומטריה מאפשרת גידול ובחירה של ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים מחיסונים מגוונים, כמו גם אפיון בסיסי של הביופילמים במונחים של צפיפות זרם מקסימלית ויעילות קולומבית. וולטמטריה מחזורית, בהיותה טכניקה לא פולשנית, מאפשרת לבצע מחקרים בסיסיים על תרמודינמיקה EET של הביופילם המיקרוביאלי ובכך לזהות אתרי העברת EET אפשריים וממשיים. יחד, פרמטרים אלה מאפשרים 1) לאפיין ולהשוות ביופילמים מיקרוביאליים שונים לתנאים זהים וכן 2) לחקור את ההשפעה של תנאי פעולה שונים על ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים זהים. עם זאת, ניסויים אלה יכולים להיות רק נקודת התחלה. מצד אחד, התחום הרב-גוני של ביו-אלקטרוכימיה מיקרוביאלית דורש ניצול נוסף ומעמיק של שיטות ופרוטוקולים אלקטרוכימיים. זה כולל, למשל, מודלים לחילוץ נתונים קינטיים ומכניסטיים וכן שיטות נוספות כמו ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית34,35. מצד שני, שיטות אלקטרוכימיות אינן יכולות לספק מידע על האופי המולקולרי, ההרכב המיקרוביאלי, הארגון המיקרוביאלי המרחבי וכו'. כאן יש צורך בטכניקות נוספות שאינן פולשניות ומשולבות עם אלקטרוכימיה או פולשניות4. תיבה 2 מספקת דיון קצר על השלבים הקריטיים בעת ביצוע הניסויים וכן על פתרון בעיות ראשוני.

מנקודת המבט ההנדסית, יש לקחת בחשבון שאנודת הביופילם האלקטרואקטיבית היא רק מרכיב אחד של המערכות הביו-אלקטרוכימיות המיקרוביאליות הנוכחיות ויש לנתח מספר רב של גורמים אחרים עבור מערכות מלאות36. עם זאת, אנו מקווים שמאמר וידאו זה יעזור להבין ולהתאים את מרכיבי הליבה של BES, כלומר האלקטרודות המיקרוביאליות, בעתיד.

הבהרת היסודות של העברת אלקטרונים חוץ-תאית מיקרוביאלית (EET) וניצולה במערכות מהונדסות היא תחום חיוני וגדל במהירות של מחקר ופיתוח1-3. חקר המיקרואורגניזמים האלקטרואקטיביים (או הביו-אלקטרוקטליטיים או הפעילים האלקטרוכימיים) הללו, כולל זנים טהורים כמו גם תרבויות משותפות מוגדרות וקונסורציום מורכב, דורש ארסנל מורכב של טכניקות, שיטות ופרוטוקולים4. שיטות אלו נובעות מדיסציפלינות מדעיות מגוונות, כגון אלקטרוכימיה, מדעי החומרים, מיקרוביולוגיה, ומספקות תובנות ברמות היררכיות שונות, כלומר. מכל הביופילם המיקרוביאלי ועד למולקולות בודדות. לפיכך, אלקטרוכימיה ושיטות אלקטרוכימיות מייצגות את הבסיס לכל הפעילויות.
באופן מסורתי, הגדרות מסוג תאי דלק שימשו לעתים קרובות לגידול ותחזוקה של תרביות מיקרוביאליות אלקטרואקטיביות בארכיטיפ של מערכות מהונדסות אלה: תאי דלק מיקרוביאליים (MFCs)5. למרבה הצער, סוגים אלה של MFCs לרוב לא אפשרו ניטור או אפילו שליטה על הפוטנציאל של אלקטרודה בודדת ולכן התאפשרו רק תובנות מוגבלות בתהליכי האלקטרודה - רק מתח התא דווח. כעת מכירים יותר ויותר בכך שהניטור והבקרה הפרטניים של הפוטנציאלים של אלקטרודות בודדות ב-MFC מייצגים יתרון ברור, לא רק למחקר בסיסי אלא גם להנדסה. יתר על כן, עם גיוון היישומים של טכנולוגיות אלקטרוכימיות מיקרוביאליות הכוללות כעת, למשל, תיקון, התפלה, סינתזות ואפילו מחשוב ביולוגי, במה שמכונה מערכות ביו-אלקטרוכימיות מיקרוביאליות (BES)2,6,7 בקרה חיצונית על פוטנציאל אלקטרודות בודדות היא לרוב משמעותית. שליטה זו מושגת בדרך כלל על ידי שימוש במקורות כוח חיצוניים או פוטנציוסטטים. בכך השימוש בפוטנציוסטטים מאפשר - בניגוד לסוגים אחרים של הגדרות - התאמה מדויקת של פוטנציאל האלקטרודה הבודדת. יש לכך חשיבות גבוהה מכיוון שהאלקטרודה מייצגת את מקבל האלקטרונים המיקרוביאלי הסופי (לאנודות) או תורם האלקטרונים (לקתודה) של העברת האלקטרונים החוץ-תאית. איור 1 מתאר את המצב הנוכחי של הידע על ה-EET המיקרוביאלי באנודות - ראה לפרטים למשל 2,4,6,8,9 ה-EET בקתודה עדיין לא מנוצל ברובו10.
לפיכך, השליטה בפוטנציאל האלקטרודה מאפשרת לא רק שימוש בתנאי תרבות מיקרוביאלית הניתנים לשחזור אלא גם את התאמתו במונחים של תרמודינמיקה EET11. במאמר זה מודגמת כיצד ניתן לחלץ את הפרמטרים האופייניים של ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים מניסויי כור אצווה באמצעות כרונואמפרומטריה (CA) ווולטמטריה מחזורית (CV). זה כולל את פרמטרי הביצועים, צפיפות זרם מקסימלית (jmax) ונצילות קולומבית (CE) כמו גם מאפייני EET. כאן יהיה במוקד זיהוי הפוטנציאלים הפורמליים (Ef) של אתרי העברת אלקטרונים אפשריים וממשיים. מיצוי הפרמטרים הללו מוצג בדוגמה של ביופילמים מתרבות מעורבת שמקורם בשפכים הנשלטים על ידי מפרט Geobacter. 12 ביופילמים אלה שמקורם בשפכים מתקבלים על ידי הליך ברירה אלקטרוכימי פשוט כפי שהודגם על ידי קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם13-16.
טכניקות אלקטרוכימיות דינמיות לחקר העברת אלקטרונים חוץ-תאית מיקרוביאלית
לאפיון תרמודינמי של ה-EET של תרביות מיקרוביאליות אלקטרואקטיביות יש צורך בטכניקות אלקטרוכימיות דינמיות. באופן כללי טכניקות אלו כוללות פוטנציאל מבוקר, כלומר וולטמטרי, ומבוקר זרם, כלומר גלוונודינמיקה, טכניקות17. לפיכך, הטכניקות המבוקרות הפוטנציאליות נפוצות יותר וכוללות למשל, וולטמטריית גל מרובע ווולטמטריית סוויפ ליניארית18. עם זאת, הפופולרי ביותר הוא וולטמטריה מחזורית (CV)19,20. CV ידוע ונפוץ בתחומים שונים של אלקטרוכימיה, החל מחקר סוללות דרך מדעי החומרים ועד לביו-אלקטרוכימיה של אנזימים21. ניתן לתארך את היישום שלו על תאים מיקרוביאליים חיים רק יותר מעשוראחד 22 וגדל משמעותית במהלך השנים האחרונות23,24. במיוחד השילוב של CV ושיטות ספקטרוסקופיות סיפק תובנות חסרות תקדים לגבי מנגנוני ה-EET ואופיו המולקולרי, למשל 25,26 במקביל הורחבה והועמקה המסגרת התיאורטית למיצוי המאפיינים התרמודינמיים והתיאורטיים של ה-EET המיקרוביאלי27-30. לעומת זאת, טיפול שגוי ניסיוני או ניתוח נתונים לא מספק מעכבים לעתים קרובות את היישום המתאים של CV בתחום הביו-אלקטרוכימיה המיקרוביאלית. לכן, בנוסף לסדנאות (למשל ב-EU-ISMET 2012) והדרכות19, מאמר וידאו זה יספק מדריך בסיסי לביצוע ניסויים וולטמטריים מחזוריים על חיידקים אלקטרואקטיביים. בכך הוא מתמקד בשלבי הניסוי הבסיסיים ובניתוח הנתונים הבסיסיים ואינו מיועד לספק את הפרוטוקולים העדכניים ביותר של ניתוח קינטי. הנקודות הסופיות החשובות ביותר לדיון הבא מסוכמות בתיבה 1 (מעובדת מהרניש ופרגיה19 ושונה).

<table><tbody><tr><td>שפכים ראשוניים</td><td>מתקן</td><td></td> לטיפול בשפכים <td>נלקח לאחר סינון מכני</td></tr><tr><td>250 מ"ל צלוחיות תחתונות עגולות עם שלושה כניסות נוספות</td><td>Th.Geyer Berlin GmbH, גרמניה</td><td>9.011 845</td><td>כניסות נוספות חוברו על ידי אלקטרודת הייחוס של מפוח הזכוכית הפנימי</td></tr><tr><td>שלנו Ag/AgCl (Sat. KCl, 0.195 V לעומת SHE) עם דיאפרגמה קרמית</td><td>Sensortechnik Meinsberg, גרמניה</td><td>SE 11</td><td></td></tr><tr><td>מוטות גרפיט (&Oslash;=1 ס"מ, l=3 ו-5 ס"מ)</td><td>CP-Handels-GmbH, Wachtberg, גרמניה</td><td></td><td>משמש כחומר אלקטרודה</td></tr><tr><td>נירוסטה, מס' 1.4301, חוט Fe/Cr18/Ni10</td><td>Goodfellow GmbH, באד נאוהיים, גרמניה</td><td>155-923-05</td><td></td></tr><tr><td>תקעי סיליקון</td><td>Th.Geyer Berlin GmbH, גרמניה</td><td>9.230 512 ו-Parafilm</td><td></td></tr><tr><td></td><td>neoLab, היידלברג, גרמניה</td><td>3-1011</td><td>לאיטום לשמירה על תנאים אנאירוביים</td></tr><tr><td>פוטנציוסטט / גלוונוסטט דגם MPG2</td><td>BioLogic Science Instruments, צרפת</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EC-Lab</td><td>BioLogic Science Instruments, צרפת</td><td></td><td>תוכנה לביצוע מדידות אלקטרוכימיה</td></tr><tr><td>מקור 8.6</td><td>תוכנת ניתוח נתונים</td> <td>OriginLab</td><td></td></tr></tbody></table>

ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים המופקים משפכים: גידול, תחזוקה ואפיון בסיסי

Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization

הצמיחה של ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים אנודיים מחיסון שפכים בכור אצווה מוזנת מודגמת באמצעות מערך של שלוש אלקטרודות הנשלט על ידי פוטנציוסטט. בכך השימוש בפוטנציוסטטים מאפשר התאמה מדויקת של פוטנציאל האלקטרודה ומבטיח תנאי תרבות מיקרוביאלית הניתנים לשחזור. במהלך הגידול הייצור הנוכחי מנוטר באמצעות כרונואמפרומטריה (CA). בהתבסס על נתונים אלה, צפיפות הזרם המקסימלית (jmax) והיעילות הקולומבית (CE) נדונים כמדדים לאפיון הביצועים הביו-אלקטרו-קטליטיים. וולטמטריה מחזורית (CV), לא הרסנית, כלומר שיטה לא פולשנית משמשת לחקר העברת אלקטרונים חוץ-תאית (EET) של חיידקים אלקטרואקטיביים. מדידות CV מבוצעות על אלקטרודות ביופילם אנודיות בנוכחות המצע המיקרוביאלי, כלומר תנאי תחלופה, ובהיעדר המצע, כלומר תנאי אי-תחלופה, תוך שימוש בקצבי סריקה שונים. לאחר מכן, ניתוח נתונים מודגם ופרמטרים תרמודינמיים בסיסיים של ה-EET המיקרוביאלי נגזרים ומוסברים: פוטנציאל שיא (Ep), צפיפות זרם שיא (jp), פוטנציאל פורמלי (Ef) והפרדת שיא (ΔEp). בנוסף, מתייחסים למגבלות השיטה ולניתוח הנתונים המתקדם ביותר. לפיכך, מאמר וידאו זה יספק מדריך לשלבי הניסוי הבסיסיים ולניתוח הנתונים הבסיסיים.

מודגמת צמיחה כרונואמפרומטרית של ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים אנודיים בכור אצווה מוזנת באמצעות מערך של שלוש אלקטרודות, הנשלט על ידי פוטנציוסטט. העברת האלקטרונים החוץ-תאית מאופיינת באמצעות וולטמטריה מחזורית בנוכחות תורם האלקטרונים ובהיעדר תורם האלקטרונים. מודגם ניתוח נתונים בסיסי.

The growth of anodic electroactive microbial biofilms from waste water inocula in a fed-batch reactor is demonstrated using a three-electrode setup ...

המטרה הכוללת של הליך זה היא לגדל ביופילם מיקרוביאלי אלקטרואקטיבי אנודי מחיסון שפכים, ולאפיין את תכונותיו הביו-אלקטרו-קטליטיות. זה מושג על ידי הקמת חיסון והפעלה של כור אצווה ביו-אלקטרוכימי פוטנציאלי מבוקר סטטית. השלב השני הוא ניטור הייצור הנוכחי באמצעות פירומטריית קרונו.לאחר מכן, המדיום מוחלף באופן קבוע לאחר מיצוי המצע עד שמגיעים לצפיפות זרם מקסימלית הניתנת לשחזור, המייצגת היווצרות ביופילם במצב יציב. השלב האחרון הוא לחקור את העברת האלקטרונים החוץ-תאית של חיידקים אלקטרואקטיביים באמצעות טלמטריית ווליום מחזורית במהלך נוכחות והיעדרו של המצע. בסופו של דבר, ניתוח נתונים מספק תובנות בסיסיות לגבי התרמודינמיקה של העברת אלקטרונים מיקרוביאלית, ומאפשר לקבוע את הפוטנציאל הפורמלי של אתרי העברת אלקטרונים חוץ-תאיים אפשריים וממשיים.היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לקבל תובנה ישירה על העברת האלקטרונים בין מיקרואורגניזמים לאלקטרודות מוצקות, ובכך להפיק מידע בסיסי על העברת האלקטרונים החוץ-תאית המיקרוביאלית. בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה יתקשו עם בחירת הפרמטר הנכונה והפרשנות הנכונה של העלילה הנגזרת. במהלך רכישת נתונים וניתוח נתונים, עלולות להיעשות טעויות חמורות.לפני שתתחיל בהליך זה, הכינו כמות מתאימה של מצע הגידול באמצעות מאגר פוספט, כולל חומרים מזינים נוספים על פי ההתייחסות הבאה. השתמש ב -10 מילימולר של נתרן אצטט כמצע. הוסף מיליליטר אחד של שפכים ראשוניים לכל 20 מיליליטר גידול, בינוני כחיסון.לאחר מכן הכנס מחט למדיום ושטוף אותה בחנקן למשך חצי שעה לפחות. כדי לאוורר אותו תוך כדי שטיפה בחנקן, מדוד את גודל האלקטרודה עבור מערך שלוש האלקטרודות. הכנס את האלקטרודה העובדת, את האלקטרודה הנגדית ואת אלקטרודת הייחוס בבקבוק תחתון עגול בנפח 250 מיליליטר באמצעות פקקי סיליקון.עטפו את פקקי הסיליקון בפרפורם כדי לאטום את המערכת תוך כדי שטיפה בחנקן. יוצקים 250 מיליליטר ממצע הגידול ותערובת החיסון דרך יציאת הדגימה לתוך הכור. סגור את יציאת הדגימה עם פקק סיליקון ואטום אותה אטומה עם פילינג.הנח את הכלי בתא מבוקר טמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס על מנת להבטיח תנאי סביבה קבועים. לאחר מכן, חבר את האלקטרודות לכבלים המתאימים של הסטטיסטיקה הפוטנציאלית. פתח את התוכנה כדי לשלוט בסטטיסטיקה הפוטנציאלית ובחר את הטכניקה.פירומטריית כרונו. הגדר את האלקטרודה העובדת לפוטנציאל קבוע של 0.2 וולט למשך זמן של 500 שעות הקלטה כל 600 שניות לאחר מכן, הפעל את פירומטריית הכרונו והתבונן בגרף הזרם הנמדד לאורך זמן. לאחר חישוב צפיפות הזרם המועדפת, שרטט את צפיפות הזרם הנמדדת כפונקציה של זמן.לאחר שזרם החמצון מגיע למישור וחוזר לזרם אפס, השהה את מדידת מדד הכרונו אמפר להחלפה בינונית. לכן, העבירו את הכלי לקופסת זרימה למינרית ושטפו את המערכת בחנקן. פרקו בזהירות את המדיום וחידשו במדיום מאוורר טרי לאחר חידוש המדיום.סגור את יציאת הדגימה ואטום אותה עם פרפורם. חזור על השלבים הקודמים עד שזרם החמצון המרבי יגיע למצב יציב לאחר כל מחזור גידול, קח דגימה של מיליליטר אחד של התמיסות הטריות והמדיום המוחלפות לניתוח מצע על ידי HPLC. כדי לחקור העברת אלקטרונים חוץ-תאית, בחר את הטכניקה טלמטריית ווליום מחזורית בתוכנת בקרת סטטיסטיקת הפוטנציאלים.לאחר מכן הגדר את ה-EI הפוטנציאלי הראשוני של האלקטרודה העובדת ל-0.5 וולט שלילי לעומת אלקטרודת הייחוס, את פוטנציאל הקודקוד E אחד עד 0.3 וולט, ואת הפוטנציאל הסופי E שניים עד 0.5 וולט שלילי. השתמש בקצב סריקה של מילי-וולט אחד לשנייה. התחל את הניסוי והקלט לפחות שלושה מחזורים כדי לקבל קורות חיים הניתנים לשחזור.לאחר חישוב צפיפות הזרם המועדפת, התווה את צפיפות הזרם הנמדדת כפונקציה של הפוטנציאל של האלקטרודה העובדת. מהמדידות המטריות של כרונו אמפר ניתן למדוד את צפיפות הזרם המקסימלית ואת יעילות Kula. מוצגת כאן עקומת גדילה כרונומטרית טיפוסית של ביופילם של מספר מחזורי גידול באמצעות כור אצווה מוזן.לאחר שלב ההשהיה הראשוני, מתחילה צפיפות זרם מקסימלית ראשונה ואז הזרם יורד לזרימת זרם כמעט אפסית עקב דלדול המצע. לאחר חידוש המצע. צפיפות הזרם עולה שוב עם צפיפות זרם מקסימלית גבוהה יותר.לאחר מספר מחזורי גדילה, צפיפות הזרם המקסימלית קבועה, מה שמעיד על היווצרות ביופילם במצב יציב. כמקסימום מצב יציב. ערך הצפיפות הנוכחי תלוי במספר פרמטרים.זה נחשב לעתים קרובות כמאפיין של מערכות אלקטרודות ביופילם מיקרוביאליות אלקטרואקטיביות. המאפיין התפעולי השני הוא היעילות האומית, שהיא מספר האלקטרונים שנרשמו כזרימת זרם חשמלי לכל מחזור אצווה מוזן הקשור למספר המקסימלי התיאורטי של אלקטרונים. עיין בפרוטוקול הטקסט לפרטים כיצד לחשב את יעילות השיחה, זרימת הזרם החשמלי ומספר האלקטרונים המקסימלי התיאורטי המוצג.הנה קורות חיים טיפוסיים לתנאים ללא תחלופה. בקצב סריקה גבוה, מוצג קורות החיים של ביופילם לשיעורי סריקה גבוהים שבהם ניתן לזהות רק זוג שיא אחד ובכך ניתן לזהות EF פוטנציאלי רשמי אחד. הנה. באופן כללי, ניתן לחשב את הפוטנציאל הפורמלי של זוג חמצון חיזור מפוטנציאל השיא של שיא החמצון EPA ושיא ההפחתה של המין המתאים EPC.על ידי יצירת הממוצע האריתמטי, עיין בפרוטוקול הטקסט לפרטים כיצד לחשב את הפוטנציאל הפורמלי. כאשר מיישמים קצב סריקה נמוך מספיק על הביופילם הזהה, ניתן לזהות עד ארבעה זוגות חמצון חיזור. עם זאת, ה-CV ללא תחלופה מראה רק את כל התרכובות הפעילות של חמצון חיזור באלקטרודה, ובכך את ה-EF של אתרי העברת האלקטרונים החוץ-תאיים האפשריים.רק ניתוח של קורות החיים של התחלופה מספק את ה-EF של אתרי ה-EET בפועל בעת ניתוח נוסף של קורות החיים ללא תחלופה. ניתן לנתח פרמטרים אופייניים אחרים כמו הפרדת שיא, זרם שיא מקסימלי וצפיפות זרם שיא מינימלית. פרמטרים אלה, במיוחד כאשר הם נרשמים עבור קצבי סריקה שונים, יכולים לשמש לניתוחים מכניסטיים וקינטיים של תהליכי העברת אלקטרונים באלקטרודות.עם זאת, ניתוח קינטי זה המבוסס היטב עבור מערכות כימיות אינו פשוט עבור ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים. בעת ביצוע מדידת קורות חיים בנוכחות מצע, מתקבל קורות חיים של מחזור. לאחר שרטוט הנתונים, נצפית העקומה הביו-אלקטליטית הטיפוסית בצורת S.כאשר מנתחים עוד יותר את הנתונים, המקסימום של הנגזרת הראשונה או נקודת ההטיה של העקומה מספקים את ה-EF הפוטנציאלי הפורמלי של אתרי ה-EET בפועל. במקרה של ביופילם הנשלט על ידי יחס גיאובקטר דק, ניתן להבחין בשתי נקודות הטיה. לאחר מכן, הנגזרת מציגה שני מקסימום המתאימים לפוטנציאל הפורמלי של אתרי ה-EET הפעילים הביו-אלקטרו-קטליטיים, המכונים EF 2 ו-EF 3 בהתאמה.ממצא זה מראה גם כי תהליכי החיזור הקשורים לפוטנציאלים הפורמליים EF one ו-EF four אינם קשורים לביו-אלקטרוליזה. ככל שהביופילם גדל ומתעבה, קורות החיים מראים רק נקודת מפנה אחת. הפוטנציאל הפורמלי הזה של EEF שלילי 0.32 וולט לעומת כסף, כסף כלוריד שווה בערך לממוצע האריתמטי של שני הפוטנציאלים הפורמליים שהוקצו ל-EET של הביופילם הדק.תוצאה זו מראה כי ניתוח קורות החיים הבסיסי אכן מספק תובנות לגבי התרמודינמיקה של EET בצורה מהירה ולא פולשנית. לאחר שליטה, ניתן להתאים טכניקה זו בקלות למערכות שונות של עניין, ובהתאם לנתונים, אכן מאפשרת עומק שונה של ניתוח נתונים אם היא מבוצעת כראוי. בעקבות הליך זה ולימוד היסודות של גיאומטריית ביופילם מיקרוביאלית, ניתן ללמוד בקלות שיטות אחרות כמו טלמטריית גל מרובע או ספקטרוסקופיה של עכבה אלקטרוכימית, כמו גם ניתוח נתונים מעמיק.

waste-water-derived-electroactive-microbial-biofilms-growth

Research

JoVE Journal

Environment

סביבה

מקור: Tokunou, Y. ואחרים, זיהוי אלקטרוכימי של השפעת איזוטופ קינטי של דויטריום על הובלת אלקטרונים חוץ-תאית ב-Shewanella oneidensis MR-1. J. Vis. Exp. (2018)סרטון זה מדגים את ההרכבה וההפעלה של מודל כור אלקטרוכימי שנועד לדמות יצירת ביופילם על פני אלקטרודות. גירוי אלקטרוכימי מבוקר מקדם הידבקות מיקרואורגנית, מה שמוביל להתפתחות הדרגתית של ביופילם מונו-שכבה חיידקית.

פיתוח ביופילם מונולייר חיידקי באמצעות כור אלקטרוכימי

ניתן לאסוף פסולת תעשייתית ולשנות אותה כדי לנתח צמיחה מיקרוביאלית. טכניקות מיצוי ליגנוצלולוז מספקות רכיבים לניתוח יכולת פירוק ביולוגית ספציפית. כרומטוגרפיית גז-ספקטרומטריית מסה מזהה תוצרי תסיסה של מיקרואורגניזמים הגדלים על פסולת עיסת. שיטות אלה קובעות את היכולת המטבולית של מיקרואורגניזמים לפרק פסולת עיסה.

שיטות להקלה על גידול חיידקים בזרמי פסולת של טחנות עיסת ואפיון פוטנציאל הפירוק הביולוגי של חיידקים מתורבתים

אנו מדגימים מיצוי אמוניום מזרם עשיר באמוניום באמצעות מערכת אלקטרוכימית וביו-אלקטרוכימית. מערך הכור, הפעלתו וניתוח הנתונים נדונים.

שחזור אמוניום מושרה Electrochemically וBioelectrochemically

מטרת נייר שיטות זה היא לתאר את השימוש במערכת microfluidic לפיתוח biofilms רב-מינים המכילים מינים מזוהים בדרך כלל ברובד השיניים supragingival אנושי. שיטות לתיאור ארכיטקטורת biofilm, כדאיות biofilm, וגישה לbiofilm קציר לניתוחים תלוית תרבות או תרבות העצמאית מודגשות.

שימוש בתפוקה גבוהה<em&gt; במבחנה</em&gt; מערכת Microfluidic לפתח Biofilms Multi-מינים שבעל פה

תכנון כור חדשני, שנטבע ביו-ריאקטור בצפיפות גבוהה (HDBR), מוצג לגידול ומחקר של קהילות מיקרוביאליות בצפיפות גבוהה. כאן, ה-HDBR מיושם בהצלחה בתצורת פוטו-ביו-ריאקטור (PBR) לחקר חילוף החומרים של חנקן על ידי קהילת אצות מעורבת בצפיפות גבוהה.

Bioreactor רומן לטיפוח צפיפות גבוה של קהילות חיידקים מגוונות

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

אפיון תחבורה אלקטרון דרך חיים Biofilms

Cytometry זרימה בשילוב עם קיבוץ באשכולות חזותית מציע שיטה קלה לשימוש ומהיר עבור הלומדים biofilms הימית. זה יכול לשמש biofilm אפיון, זיהוי שינויים במבנה הקהילה biofilm, וזיהוי של חלקיקים והאביוטיים שמוטבע על biofilm.

אפיון Biofilms ימיים עם Cytometry זרימה

מאמר זה מפרט שיטות הממחישות שלוש טכניקות נפוצות של קצירת ביופילם ופירוק חומרים על שני סוגי משטחים, בדיקות מחוספסות של שיטת קציר ומידע מינימלי שיש לקחת בחשבון בעת בחירה ואופטימיזציה של טכניקות קצירה ופירוק כדי להגביר את הרבייה.

קציר ופיזור: צעד מתעלם במחקר שיטות ביופילם

פרוטוקול זה מציג מתודולוגיה לביצוע צמיחת ביופילם ומדידות ביומסה באמצעות התקני לוח PCR עמוקים בהרכבה עצמית עבור הקרנת ביופילם סטטית של מכסה 96-היטב.

ייצור ביופילם ביומסה חיידקית גדולה יותר באמצעות מכשירי מיקרופלאט עמוק באר עמוקה צלחת PCR

שיטת EPA 1615 משתמשת במסנן אלקטרו-פוזיטיבי כדי לרכז אנטרו-וירוסים ונורו-וירוסים במי הסביבה ובמי השתייה. כתב יד זה מתאר את הליך איסוף הדגימות לניתוחי שיטה 1615.

EPA שיטת המדידה של 1615. Enterovirus ומופע norovirus במים על ידי תרבות וRT-qPCR. I. איסוף דגימות וירוסים

למד גידול ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים משפכים במגיב פד-באץ' מבוקר פוטנציוסטט. השיטה מאפשרת אפיון העברת אלקטרונים חוץ-תאית באמצעות וולטאמטריה ציקלית לניתוח תרמודינמיקה מיקרוביאלית.

ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים המופקים משפכים: גידול, תחזוקה ואפיון בסיסי

גלה סרטונים נוספים