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

1. Configurazione
<ol><li>Per impostare una colonna Winogradsky, avrai bisogno di alcune forniture di base:<ul>
<li>Una pala, un secchio e una bottiglia per raccogliere i campioni sul campo</li>
		<li>Un recipiente verticale e trasparente, come un cilindro graduato o una bottiglia d'acqua di plastica di circa 1L</li>
		<li>Involucro di plastica e elastici</li>
		<li>grandi ciotole di miscelazione e cucchiaio grande per mescolare</li>
		<li>Una fonte di zolfo (tuorlo d'uovo o solfato di calcio)</li>
		<li>Una fonte di carbonio organico (cellulosa, sotto forma di giornale triturato)</li>
		<li>Una fonte di luce (finestra soleggiata o lampada da tavolo)</li>
		<li>Suolo o fango raccolti da una palude, zona umida, stagno o ruscello</li>
		<li>Acqua dello stesso habitat</li>
		<li>FACOLTATIVO Per alcuni degli esperimenti facoltativi descritti in questo protocollo sarà necessario quanto segue:<ul>
<li>Sale da tavola</li>
			<li>Cellophane di colore diverso</li>
			<li>Una fonte di ferro (come un chiodo o lana d'acciaio)</li>
			<li>Un frigorifero con una fonte di luce</li>
			<li>Un radiatore vicino a una fonte di luce</li>
		</ul>
</li>
	</ul>
</li>
	<li>Se si utilizza una bottiglia d'acqua di plastica, tagliare l'area del collo in modo che la colonna sia di forma cilindrica. Rimuovere eventuali involucri in modo che la luce possa penetrare attraverso la plastica.</li>
	<li>Le uova crude possono contenere Salmonella e devono essere maneggiate con cura. Dovrebbero essere seguite tecniche adeguate per il lavaggio delle mani. In alternativa, è possibile utilizzare l'uovo sodo. Inoltre, non c'è modo di sapere con certezza se fango o sedimenti sono contaminati da acque reflue o altre sostanze nocive. I guanti devono essere usati quando si mescola il fango e si imposta la colonna.</li>
</ol>2. Assemblaggio di una colonna Winogradsky
<ol><li>Usando la pala, scavare e raccogliere il fango nel secchio. I sedimenti dovrebbero essere vicino al bordo dell'acqua e completamente saturi di acqua. Avrai bisogno di abbastanza fango per riempire ogni colonna Winogradsky. Raccogliere un po 'd'acqua dalla stessa fonte nella bottiglia del campione (sono necessari circa 3000 ml per colonna).</li>
	<li>In laboratorio, trasferisci abbastanza fango nella prima ciotola di miscelazione per riempire ~ 75% della colonna di volume da 1 litro. Quindi, setacciare per rimuovere grandi rocce, ramoscelli o foglie mentre si utilizza il cucchiaio per rompere i ciuffi.</li>
	<li>Aggiungi un po 'dell'acqua che hai raccolto nella ciotola di miscelazione mentre mescoli. Aggiungere fino a quando la consistenza della miscela acqua-fango è come un frappè. Continua ad assicurarti che non ci siano grumi.</li>
	<li>Trasferire circa 1/3 del frappè di fango d'acqua nella seconda ciotola. Aggiungere il tuorlo d'uovo e una manciata di giornale tritato e mescolare.</li>
	<li>Aggiungere la miscela di fango, tuorlo d'uovo e giornale alla colonna fino a quando la colonna è piena di circa 1/4.</li>
	<li>Aggiungere la normale miscela acqua-fango nella colonna fino a quando la colonna è piena di circa 3/4.</li>
	<li>Aggiungi l'acqua aggiuntiva alla colonna, lasciando solo un piccolo spazio (~ 1/2 pollice) di aria in cima.</li>
	<li>Coprire la colonna con un involucro di plastica e fissare con un elastico.</li>
	<li>Incubare la colonna nella luce a temperatura ambiente.</li>
	<li>Per le prossime 4-8 settimane, monitorare i cambiamenti nella colonna Winogradsky per lo sviluppo di diversi strati colorati e la formazione di bolle, come descritto nella Tabella 1. Inoltre, è necessario registrare il tempo necessario per lo sviluppo di diversi livelli.</li>
</ol>3. Modifiche opzionali alla colonna Winogradsky classica
<ol><li>Aggiungere 25-50 g di sale per 1L di colonna Winogradsky al fango raccolto prima di aggiungere acqua e mescolare (passaggio 2.3). L'aggiunta di sale seleziona per i batteri alofili (amanti del sale).</li>
	<li>Substrati alternativi, come il ferro, sotto forma di chiodo o lana d'acciaio, possono essere aggiunti alla colonna insieme al tuorlo d'uovo e al giornale triturato (passaggio 2.4). Questo arricchirà i batteri ossidanti il ferro, come la Gallionella,e apparirà come uno strato color ruggine.</li>
	<li>Invece della temperatura ambiente (passaggio 2.9), la colonna può essere incubata vicino a un radiatore per selezionare i batteri termofili (amanti del calore) o in un frigorifero con una fonte di luce da selezionare per i batteri psicrofili (amanti del freddo).</li>
	<li>La quantità di luce che una colonna riceve durante l'incubazione (passaggio 2.9) può anche essere variata posizionando diverse colonne in condizioni di luce alta, scarsa illuminazione o oscurità.</li>
	<li>La lunghezza d'onda della luce in arrivo può essere limitata coprendo la colonna con cellophanes diversamente ombreggiati mentre incuba (passaggio 2.9) per determinare quali colori selezionano per diversi gruppi batterici.</li>
</ol>4. Analisi dei dati
<ol><li>Dopo 1-3 settimane, dovrebbe essere visibile una colorazione verde sulla parte superiore dello strato di fango della classica colonna Winogradsky (Fig. 2A). Questi sono i primi segni di crescita dello strato cianobatterico.</li>
	<li>Nel tempo, continuare a monitorare l'aspetto e l'evoluzione dei diversi strati, ognuno indicativo dei diversi tipi batterici. SUGGERIMENTO: Fare riferimento ai concetti e alla tabella 1 per capire quali batteri contribuiscono ai diversi strati.</li>
</ol><img alt="Figure 2A" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig2a.jpg"> Figura 2A: Una foto di una classica colonna Winogradsky che ha incubato a temperatura ambiente per 21 giorni. Si noti il sedimento verde, indicativo di cianobatteri, nella parte superiore della colonna.
<ol start="3"><li>Se sono state preparate anche modifiche alla classica colonna Winogradsky, confrontare i risultati di ciascuna colonna.<ol>
<li>Osservate i livelli in ciascuna delle colonne Winogradsky modificate. Prendi nota di quanto segue:<ul>
<li>Le colonne presentano lo stesso numero di livelli?</li>
			<li>Gli strati sono dello stesso colore e spessore?</li>
			<li>Gli strati si verificano alle stesse profondità?</li>
			<li>Quanto tempo ci è voluto per sviluppare ogni colonna?</li>
			<li>Una colonna si è sviluppata più lentamente delle altre?</li>
		</ul>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

La colonna Winogradsky è un esempio di ecosistema microbico interdipendente. Dopo aver mescolato fango, acqua e substrati aggiuntivi di carbonio e zolfo in una colonna verticale, l'ecosistema stratificato dovrebbe stabilizzarsi in zone separate e stabili per diverse settimane. Queste zone sono occupate da diversi microrganismi che prosperano in un punto particolare lungo il gradiente tra il sedimento ricco di solfuro nella parte inferiore e il sedimento ricco di ossigeno nella parte superiore. Manipolando le condizioni e...

creazione di una colonna di winogradsky: un metodo per arricchire le specie microbiche presenti in un campione di sedimento

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

Fonte: Elizabeth Suter1, Christopher Corbo1, Jonathan Blaize1 1 Dipartimento di Scienze Biologiche, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301
La colonna Winogradsky è un ecosistema in miniatura e chiuso utilizzato per arricchire le comunità microbiche dei sedimenti, in particolare quelle coinvolte nel ciclo dello zolfo. La colonna fu utilizzata per la prima volta da Sergei Winogradsky nel 1880 e da allora è stata applicata nello studio di molti microrganismi diversi coinvolti nella biogeochimica, come fotosintetizzatori, ossidanti dello zolfo, riduttori di solfato, metanogeni, ossidanti del ferro, ciclori di azoto e altro (1,2).
La maggior parte dei microrganismi sulla Terra sono considerati incoltibili, il che significa che non possono essere isolati in una provetta o su una capsula di Petri (3). Ciò è dovuto a molti fattori, tra cui il fatto che i microrganismi dipendono da altri per determinati prodotti metabolici. Le condizioni in una colonna di Winogradsky imitano da vicino l'habitat naturale di un microrganismo, comprese le loro interazioni con altri organismi, e consentono di farli crescere in laboratorio. Pertanto, questa tecnica consente agli scienziati di studiare questi organismi e capire quanto siano importanti per i cicli biogeochimici della Terra senza doverli coltivare in isolamento.
Gli ambienti della Terra sono pieni di microrganismi che prosperano in tutti i tipi di habitat,come suoli, acqua oceanica, nuvole e sedimenti di acque profonde. In tutti gli habitat, i microrganismi dipendono l'uno dall'altro. Man mano che un microrganismo cresce, consuma particolari substrati,inclusi combustibili ricchi di carbonio come zuccheri e sostanze nutritive, vitamine e gas respiratori come l'ossigeno. Quando queste importanti risorse si esauriscono, diversi microrganismi con diverse esigenze metaboliche possono quindi fiorire e prosperare. Ad esempio, nella colonna Winogradsky, i microbi consumano prima il materiale organico aggiunto mentre esauriscono l'ossigeno negli strati inferiori della colonna. Una volta esaurito l'ossigeno, gli organismi anaerobici possono quindi prendere il sopravvento e consumare diversi materiali organici. Questo sviluppo consecutivo di diverse comunità microbiche nel tempo è chiamato successione (4). La successione microbica è importante in una colonna di Winogradsky, dove l'attività microbica cambia la chimica del sedimento, che quindi influenza l'attività di altri microbi e così via. Molti microrganismi nei suoli e nei sedimenti vivono anche lungo gradienti, che sono zone di transizione tra due diversi tipi di habitat in base alle concentrazioni di substrati (5). Nel punto corretto del gradiente, un microbo può ricevere quantità ottimali di diversi substrati. Man mano che una colonna winogradsky si sviluppa, inizia a imitare questi gradienti naturali, in particolare nell'ossigeno e nel solfuro (Fig. 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig1.jpg"> Figura 1: Rappresentazione dei gradienti di ossigeno (O2) e solfuro (H2S) che si sviluppano in una colonna di Winogradsky.
In una colonna Winogradsky, il fango e l'acqua di uno stagno o di una zona umida sono mescolati in una colonna trasparente e lasciati incubare, in genere alla luce. Ulteriori substrati vengono aggiunti alla colonna per fornire alla comunità fonti di carbonio, di solito sotto forma di cellulosa e zolfo. I fotosintetizzatori in genere iniziano a crescere negli strati superiori del sedimento. Questi microrganismi fotosintetici sono in gran parte composti da cianobatteri, che producono ossigeno e appaiono come uno strato verde o rosso-marrone (Fig. 2, Tabella 1). Mentre la fotosintesi produce ossigeno, l'ossigeno non è molto solubile in acqua e diminuisce al di sotto di questo strato (Fig. 1). Questo crea un gradiente di ossigeno, che va da alte concentrazioni di ossigeno negli strati superiori a zero ossigeno negli strati inferiori. Lo strato ossigenato è chiamato strato aerobico e lo strato senza ossigeno è chiamato strato anaerobico.
Nello strato anaerobico, molte diverse comunità microbiche possono proliferare a seconda del tipo e della quantità di substrati disponibili, della fonte dei microbi iniziali e della porosità del sedimento. Nella parte inferiore della colonna, gli organismi che anaerobamente abbattono la materia organica possono prosperare. La fermentazione microbica produce acidi organici dalla scomposizione della cellulosa. Questi acidi organici possono quindi essere utilizzati dai riduttori di solfato, che ossidano quelle sostanze organiche usando il solfato e producono solfuro come sottoprodotto. L'attività dei riduttori di solfato è indicata se il sedimento diventa nero, perché ferro e solfuro reagiscono per formare minerali di solfuro di ferro nero (Fig. 2, Tabella 1). Il solfuro si diffonde anche verso l'alto, creando un altro gradiente in cui le concentrazioni di solfuro sono alte nella parte inferiore della colonna e basse nella parte superiore della colonna (Fig. 1).
Vicino al centro della colonna, gli ossidanti di zolfo sfruttano l'apporto di ossigeno dall'alto e solfuro dal basso. Con la giusta quantità di luce, gli ossidanti fotosintetici dello zolfo possono svilupparsi in questi strati. Questi organismi sono noti come batteri dello zolfo verde e viola e spesso appaiono come filamenti e macchie verdi, viola o rosso porpora (Fig. 2, Tabella 1). I batteri dello zolfo verde hanno una maggiore tolleranza per il solfuro e di solito si sviluppano nello strato direttamente sotto i batteri dello zolfo viola. Sopra i batteri dello zolfo viola, possono anche svilupparsi batteri viola non solforo. Questi organismi fotosintetizzano usando acidi organici come donatori di elettroni invece di solfuro e spesso appaiono come uno strato rosso, viola, arancione o marrone. Gli ossidanti di zolfo non fotosintetici possono svilupparsi sopra i batteri viola non solforati, e questi di solito appaiono come filamenti bianchi (Fig. 2, Tabella 1). Inoltre, le bolle possono anche formarsi nella colonna Winogradsky. Le bolle negli strati aerobici indicano la produzione di ossigeno da parte dei cianobatteri. Le bolle negli strati anaerobici sono probabilmente dovute all'attività dei metanogeni,organismi che anaerobicamente abbattono la materia organica e formano il metano come sottoprodotto.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Posizione nella colonna</td>
			<td>Gruppo funzionale</td>
			<td>Esempi di organismi</td>
			<td>Indicatore visivo</td>
		</tr>
<tr>
<td>In alto</td>
			<td>Fotosintetizzatori</td>
			<td>Cianobatteri</td>
			<td>Strato verde o bruno-rossastro. A volte bolle di ossigeno.</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="5"></td>
			<td>Ossidanti dello zolfo non fotosintetici</td>
			<td>Beggiatoa, Thiobacilus</td>
			<td>Strato bianco.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Batteri viola nonsolforo</td>
			<td>Rhodomicrobium, Rhodospirilum, Rhodopseuodmonas</td>
			<td>Strato rosso, viola, arancione o marrone.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Batteri dello zolfo viola</td>
			<td>Cromatio</td>
			<td>Strato viola o rosso porpora.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Batteri dello zolfo verde</td>
			<td>Clorobio</td>
			<td>Strato verde.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Batteri che riducono il solfato</td>
			<td>Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfuromonas</td>
			<td>Strato nero.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Fondoschiena</td>
			<td>Metanogeni</td>
			<td>Metanococco, Metanosarcina</td>
			<td>A volte bolle di metano.</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabella 1: I principali gruppi di batteri che possono apparire in una classica colonna Winogradsky, dall'alto verso il basso. Vengono forniti esempi di organismi di ciascun gruppo e vengono elencati gli indicatori visivi di ciascuno strato di organismi. Basato su Perry et al. (2002) e Rogan et al. (2005).

In questo esperimento, acqua e sedimenti sono stati raccolti da un habitat di acqua dolce. Due colonne Winogradsky sono state costruite e lasciate sviluppare: una classica colonna Winogradsky incubata nella luce a temperatura ambiente (Fig. 2A) e una colonna Winogradsky incubata al buio a temperatura ambiente (Fig. 2B).
<img alt="Figure 2B" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig2b.jpg"> Figura 2B: Una foto della classica colonna Winogradsky (a sinistra), incu...

Creazione di una colonna di Winogradsky: un metodo per arricchire le specie microbiche presenti in un campione di sedimento

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

La maggior parte dei microrganismi della Terra non può essere coltivata in laboratorio, spesso perché si affidano ad altri microbi all'interno delle loro comunità native. Una colonna di Winogradsky, che prende il nome dal suo inventore Sergei Winogradsky, è un ecosistema chiuso in miniatura che arricchisce le comunità microbiche all'interno di un campione di sedimenti, consentendo agli scienziati di studiare molti dei microbi che svolgono un ruolo vitale nei processi biogeochimici della Terra, senza bisogno di isolarli e coltivarli individualmente. In genere, il fango e l'acqua di un ecosistema, come uno stagno o una palude, sono mescolati. Come esperimento facoltativo, il sale può essere aggiunto a questa miscela per arricchire varie specie alofile. Successivamente, una piccola parte della miscela viene integrata con carbonio, di solito sotto forma di cellulosa di giornale, e zolfo, di solito da un tuorlo d'uovo. Per un altro esperimento facoltativo, è possibile aggiungere un chiodo a questa miscela per arricchire alcune specie di Gallionella. Questa nuova miscela viene quindi aggiunta a una colonna trasparente, in modo che la colonna sia piena per un quarto. Infine, il resto della miscela di fango e altra acqua viene aggiunto alla colonna fino a quando non è quasi piena. La successione, che si riferisce allo sviluppo consecutivo di diverse comunità microbiche nel tempo, può essere osservata in tempo reale con una colonna di Winogradsky. Man mano che i microbi crescono all'interno della colonna, consumano substrati specifici e modificano la chimica del loro ambiente. Quando i loro substrati sono esauriti, i microbi originali muoiono e i microbi con diverse esigenze metaboliche possono prosperare nell'ambiente alterato. Nel corso del tempo, iniziano a formarsi strati visibilmente distinti, ognuno contenente parti di una comunità batterica con diverse esigenze microambientali. Ad esempio, i microbi fotosintetici, in gran parte composti da cianobatteri, formano strati verdi o rosso-marroni vicino alla parte superiore della colonna. Poiché la fotosintesi produce ossigeno, spesso visto come bolle nella parte superiore della colonna, si forma un gradiente con le concentrazioni di ossigeno più alte vicino alla parte superiore e la più bassa verso il basso. A seconda dei substrati disponibili, diverse comunità microbiche possono crescere nello strato inferiore anaerobico. Le bolle in questo strato possono indicare la presenza di metanogeni, che creano gas metano attraverso la fermentazione. Qui, la fermentazione microbica della cellulosa si traduce in acidi organici. I riduttori di solfato ossidano quegli acidi per produrre solfuro e la loro attività è indicata dal sedimento nero. Il solfuro si diffonde verso l'alto nella colonna, creando un altro gradiente in cui le concentrazioni di solfuro sono più alte verso la parte inferiore della colonna e più basse vicino alla parte superiore. Verso il centro della colonna, gli ossidanti di zolfo utilizzano l'ossigeno dall'alto e il solfuro dal basso. Con una luce adeguata, si sviluppano ossidanti fotosintetici dello zolfo, come i batteri dello zolfo verde e viola. I batteri solforati verdi tollerano concentrazioni di solfuro più elevate. Pertanto, crescono direttamente sotto i batteri dello zolfo viola. Direttamente sopra questo strato, i batteri viola non solforati formano uno strato rosso-arancio. Gli ossidanti di zolfo non fotosintetici sono indicati dalla presenza di filamenti bianchi. Condizioni come la luce e la temperatura possono anche essere variate per arricchire altre comunità. In questo video imparerai come costruire una colonna di Winogradsky e variare le condizioni di crescita e i substrati per arricchire specifiche comunità microbiche. Innanzitutto, individua un ecosistema acquatico appropriato, come uno stagno o una palude. I campioni di sedimento dovrebbero provenire dall'area vicino al bordo dell'acqua ed essere completamente saturi d'acqua. Quindi, usa una pala e un secchio per raccogliere uno o due litri di fango saturo. Successivamente, prelevare circa tre litri di acqua dolce dalla stessa fonte e riportarli in laboratorio con i campioni sul campo. In laboratorio, indossare i dispositivi di protezione individuale appropriati, tra cui camice e guanti. A questo punto, trasferite circa 750 millilitri di fango in una ciotola. Quindi, setaccia il fango per rimuovere grandi rocce, ramoscelli o foglie e usa un cucchiaio per rompere eventuali grumi. Quindi, aggiungi un po' di acqua fresca nella ciotola e mescola con un cucchiaio grande. Aggiungere acqua fino a quando la consistenza della miscela di acqua e fango è simile a un frappè. Continua ad assicurarti che non ci siano grumi. Come esperimento facoltativo, selezionare i batteri alofili aggiungendo da 25 a 50 milligrammi di sale alla miscela di fango. Quindi, trasferire circa 1/3 della miscela di acqua e fango in una seconda ciotola. Aggiungere un tuorlo d'uovo e una manciata di giornale sminuzzato nella ciotola. Quindi, aggiungi questo composto alla colonna, fino a quando non è pieno per circa 1/4. Successivamente, aggiungere la miscela di acqua e fango senza l'uovo e il giornale alla colonna, fino a riempirla per circa 3/4. Quindi, aggiungi altra acqua alla colonna, lasciando uno spazio di 1/2 pollice sopra. Coprire la colonna con pellicola trasparente e fissarla con un elastico. Incubare la colonna alla luce vicino a una finestra a temperatura ambiente per le successive quattro-otto settimane. Durante il periodo di incubazione, monitorare i cambiamenti nella colonna di Winogradsky almeno una volta alla settimana per lo sviluppo di strati di colore diverso e la formazione di bolle. Inoltre, registra il tempo necessario per lo sviluppo dei diversi strati. Un'altra modifica che può essere fatta è incubare la colonna vicino a un radiatore per selezionare i batteri termofili, o in un frigorifero per selezionare i batteri psicrofili. Varia le condizioni di luce posizionando diverse colonne in condizioni di luce alta, scarsa o oscurità per incubare. In alternativa, limitare la lunghezza d'onda della luce in entrata coprendo la colonna con diverse tonalità di cellophane per determinare quali colori selezionano per i diversi gruppi batterici. Per un altro esperimento facoltativo, per arricchire i batteri che ossidano il ferro, aggiungere un chiodo alla miscela di fango e acqua prima dell'aggiunta di giornale e tuorlo d'uovo. Dopo una o due settimane, la crescita dello strato cianobatterico è indicata da una pellicola verde o rosso-marrone sopra lo strato di fango della classica colonna di Winogradsky. Nel tempo viene monitorato l'aspetto e l'evoluzione dei diversi strati, ognuno indicativo dei diversi tipi di batteri presenti. Quando si confronta una colonna cresciuta al buio con una colonna Winogradsky tradizionale, si vede che il trattamento scuro produce lo strato nero nella parte inferiore della colonna, indicativo di batteri che riducono i solfati. La colonna scura può anche produrre altri strati, a seconda di altre condizioni di incubazione. Inoltre, la colonna scura non produce lo strato cianobatterico verde, né gli strati rossi, viola o verdi indicativi rispettivamente di batteri viola non zolfo, zolfo viola e zolfo verde. Questi gruppi dipendono dalla luce per la crescita.

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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,...

serial dilutions and plating: microbial enumeration

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conjugation-method-to-transfer-ampicillin-resistance-from-donor-to

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

Questa collezione mostra gli strumenti chiave dell'indagine microbiologica, tra cui tecniche di mantenimento della sterilità e piastratura, come utilizzare terreni selettivi e arricchire i campioni e metodi di coltura per campioni misti o puri. Inoltre, esamina i metodi comuni per l'identificazione degli isolati microbici, nonché le procedure per la manipolazione genetica dei batteri.

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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