廃水由来の電気活性微生物バイオフィルム:成長、維持、および基本的な特性評価

この手順の全体的な目標は、廃水接種物から陽極電気活性微生物バイオフィルムを成長させ、その生体電気触媒特性を特徴付けることです。これは、最初に、電位静的に制御されたバイオ電気化学供給バッチリアクターを接種し、開始することによって達成されます。2番目のステップは、Krono Pyrometryを使用して現在の生産を監視することです。

次に、基質の消耗後、再現性のある最大電流密度に達するまで、媒体を定期的に交換し、定常状態のバイオフィルム形成を表します。最後のステップは、基質の存在下と非存在下での周期的なvolテレメトリーを使用して、電気活性細菌の細胞外電子移動を研究することです。最終的に、データ解析は、微生物の電子移動熱力学に関する基本的な洞察を提供し、可能な細胞外電子伝達部位と実際の細胞外電子伝達部位の形式的な可能性を決定することを可能にします。

この手法の主な利点は、微生物と固体電極との間の電子移動について直接的な洞察を得ることができ、したがって微生物の細胞外電子移動に関する基本的な情報を導き出すことができることです。一般に、この手法に不慣れな人は、適切なパラメーターの選択と導出プロットの正しい解釈に苦労します。データ集録やデータ解析では、重大なミスを犯す可能性があります。

この手順を開始する前に、次の参照に従って、さらに栄養素を含むリン酸緩衝液を使用して、適切な量の増殖培地を調製します。基質として10ミリモルの酢酸ナトリウムを使用します。成長20ミリリットルあたり1ミリリットルの一次廃水を、接種物として中程度に追加します。

次に、培地に針を挿入し、窒素で少なくとも30分間洗い流します。窒素で洗い流しながら脱気するには、3つの電極セットアップの電極のサイズを測定します。作用電極、対電極、および参照電極を、シリコンプラグを介して変更された4つのネック、250ミリリットルの丸底フラスコに挿入します。

シリコンプラグをパラフォームで包み、窒素で洗い流しながらシステムをシールします。250ミリリットルの成長培地と接種混合物をサンプリングポートから反応器に注ぎます。サンプリングポートをシリコンプラグで閉じ、パーフィルで気密に密封します。

一定の環境条件を確保するために、容器を摂氏35度の温度制御チャンバーに入れます。次に、電極を電位統計のそれぞれのケーブルに接続します。ソフトウェアを開いて潜在的な統計を制御し、手法を選択します。

クロノパイロメトリー。作用電極を0.2ボルトの一定の電位に500時間設定し、その後600秒ごとに記録し、クロノパイロメトリーを開始し、測定された電流の経時的なグラフを観察します。優先電流密度を計算した後、測定された電流密度を時間の関数としてプロットします。

酸化電流がプラトーに達してゼロ電流に戻ったら、クロノアンペアメートル法の測定を一時停止して、媒体交換を行います。したがって、容器を層流ボックスに移し、システムを窒素で洗い流します。培地を慎重に排出し、培地の補充後に新鮮な脱曝培地を補充します。

サンプリングポートを閉じ、パラフォームで密封します。最大酸化電流が定常状態に達するまで前の手順を繰り返します 成長サイクルごとに、HPLCによる基板分析のために、新鮮で交換された培地溶液の1ミリリットルのサンプルを採取します。細胞外電子移動を研究するには、電位統計制御ソフトウェアでcyclic vol telemetryという手法を選択します。

次に、作用電極の初期電位EIを基準電極に対して負の0.5ボルトに設定し、頂点電位Eを1〜0.3ボルト、最終電位Eを2〜マイナス0.5ボルトに設定します。1秒あたり1ミリボルトのスキャンレートを使用します。実験を開始し、少なくとも3サイクルを記録して、再現性のあるcvを取得します。

優先的に電流密度を計算した後、測定された電流密度を作用電極の電位の関数としてプロットします。クロノアンペアメートル法の測定から、最大電流密度とクラ効率を測定できます。ここに示されているのは、供給バッチリアクターを使用したいくつかの成長サイクルの典型的なクロノメトリックバイオフィルム成長曲線です。

最初の遅延フェーズの後、最初の電流密度の最大化が始まり、その後、基板の枯渇により電流の流れがほぼゼロに減少します。基板補充後電流密度は、最大電流密度が高くなると再び増加します。

数回の成長サイクルの後、最大電流密度は一定であり、これは定常状態のバイオフィルム形成を示しています。定常状態の最大値として。電流密度の値は、いくつかのパラメータに依存します。

これは、電気活性微生物バイオフィルム電極システムの特性としてよく考えられています。2番目の操作特性はオミクス効率であり、これは理論上の最大電子数に関連する供給バッチサイクルあたりの電流の流れとして記録される電子の数です。通話効率、電流の流れ、および表示される電子の理論上の最大数を計算する方法の詳細については、テキストプロトコルを参照してください。

これは、非ターンオーバー条件の典型的なCVです。高いスキャンレートでは、1つのピークペアのみ、したがって1つの形式的な潜在的なEFを識別できる高いスキャンレートのバイオフィルムのCVが描かれています。ここは。一般に、酸化還元電対の形式電位は、酸化ピークEPAのピーク電位とそれぞれの種EPCの還元ピークから計算できます。

算術平均を形成することにより、形式ポテンシャルの計算方法の詳細については、テキストプロトコルを参照してください。同一のバイオフィルムに十分に低いスキャンレートを適用すると、最大4つの酸化還元ペアを識別できます。ただし、非ターンオーバーCVは、電極にあるすべての酸化還元活性化合物のみを示し、したがって、可能な細胞外電子移動部位のEFを示します。

ターンオーバーCVの分析のみが、非ターンオーバーCVSをさらに分析するときに、実際のEETサイトのEFを提供します。ピーク分離、最大ピーク電流、最小ピーク電流密度などの他の特性パラメータを分析できます。これらのパラメータは、特に異なるスキャンレートで記録された場合、電極での電子移動プロセスの機構的および速度論的分析に使用できます。

しかし、化学系で確立されたこの速度論的解析は、電気活性微生物バイオフィルムでは簡単ではありません。基板の存在下でCV測定を行うと、ターンオーバーCVが得られます。データをプロットした後、典型的なS字型の生体電気触媒曲線が観察されます。

データをさらに分析すると、1次導関数の最大値または曲線の変曲点が、実際のEETサイトの正式なポテンシャルEFを提供します。ジオバクター比が薄いバイオフィルムの場合、2つの変曲点が観察されます。その後、導関数は、生体電気触媒活性EETサイトの形式電位に対応する2つの最大値を示し、これらはそれぞれEF 2およびEF 3と呼ばれます。

この発見はまた、形式電位EF 1およびEF 4に関連する酸化還元プロセスが生体電解に関連していないことを示しています。バイオフィルムが成長して厚くなると、CVは1つの変曲点しか示しません。この形式電位EEFマイナス0.32ボルト対銀、塩化銀は、薄いバイオフィルムのEETに割り当てられた2つの形式電位の算術平均にほぼ等しくなります。

この結果は、基本的なCV解析が、EET熱力学に関する洞察を迅速かつ非侵襲的な方法で提供することを示しています。この手法を習得すると、関心のあるさまざまなシステムに合わせて簡単に調整でき、データに応じて、適切に実行すれば、さまざまな深さのデータ分析が可能になります。この手順に従い、微生物バイオフィルムの形状の基本を学ぶと、矩形波テレメトリーや電気化学インピーダンス分光法などの他の方法や、詳細なデータ分析を簡単に学ぶことができます。