ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים המופקים משפכים: גידול, תחזוקה ואפיון בסיסי

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.