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

1. 셋업
<ol><li>위노그라드스키 열을 설정하려면 다음과 같은 기본 소모품이 필요합니다.<ul>
<li>현장에서 샘플을 수집하는 삽, 양동이 및 병</li>
		<li>약 1L의 졸업실린더 또는 플라스틱 물병과 같은 수직, 투명한 용기</li>
		<li>플라스틱 랩 및 고무 밴드</li>
		<li>큰 믹싱 그릇과 큰 숟가락을 저어</li>
		<li>황 공급원(달걀 노른자 또는 황산칼슘)</li>
		<li>유기 탄소의 공급원 (셀룰로오스, 파쇄 된 신문의 형태로)</li>
		<li>빛의 원천 (햇볕이 잘 드는 창문 또는 책상 램프)</li>
		<li>습지, 습지, 연못 또는 개울에서 채취한 토양 또는 진흙</li>
		<li>같은 서식지에서 물</li>
		<li>선택 사항 이 프로토콜에 설명된 일부 선택적 실험에는 다음이 필요합니다.<ul>
<li>소금</li>
			<li>다른 색의 셀로판</li>
			<li>철의 공급원(예: 네일 또는 강철 울)</li>
			<li>광원이 있는 냉장고</li>
			<li>광원 근처의 라디에이터</li>
		</ul>
</li>
	</ul>
</li>
	<li>플라스틱 물병을 사용하는 경우, 기둥이 원통모양이 되도록 목 부위를 잘라냅니다. 빛이 플라스틱을 관통할 수 있도록 포장지를 제거합니다.</li>
	<li>생 계란 살모넬라를 포함 할 수 있으며 주의처리해야합니다. 적절한 손 씻기 기술을 따라야합니다. 또는 삶은 달걀을 사용할 수 있습니다. 또한 진흙이나 퇴적물을 하수 또는 기타 유해 물질로 오염되었는지 확실히 알 수있는 방법은 없습니다. 장갑은 진흙을 혼합하고 열을 설정할 때 사용해야합니다.</li>
</ol>2. 위노그라드스키 기둥 조립
<ol><li>삽을 사용하여 파고 들어 양동이에 진흙을 수집합니다. 퇴적물은 물 가루 근처에 있어야 하며 물로 완전히 포화상태여야 합니다. 각 위노그라드스키 열을 채우기 에는 충분한 진흙이 필요합니다. 샘플 병으로 동일한 소스에서 일부 물을 수집합니다 (컬럼 당 약 3000 mL이 필요합니다).</li>
	<li>실험실에서 1리터 볼륨 컬럼의 ~75%를 채우기 위해 진흙을 첫 번째 믹싱 볼에 충분히 전달합니다. 다음으로, 숟가락을 사용하여 덩어리를 분해하는 동안 큰 바위, 나뭇 가지 또는 잎을 제거하기 위해 체질.</li>
	<li>교반하는 동안 믹싱 볼에 수집 한 물 중 일부를 추가합니다. 물 진흙 혼합물의 일관성이 밀크 쉐이크와 같을 때까지 추가합니다. 덩어리가 없는지 계속 확인합니다.</li>
	<li>물 진흙 밀크 쉐이크의 약 1/3을 두 번째 그릇에 옮기. 달걀 노른자와 잘게 썬 신문 한 줌을 넣고 섞습니다.</li>
	<li>기둥이 약 1/4 가득 차 때까지 진흙, 달걀 노른자 및 신문의 혼합물을 열에 추가합니다.</li>
	<li>기둥이 약 3/4 가득 차때까지 일반 물 진흙 혼합물을 열에 추가합니다.</li>
	<li>컬럼에 물을 추가하여 작은 공간(~1/2인치)만 위에 둡니다.</li>
	<li>플라스틱 랩으로 컬럼을 덮고 고무 밴드로 고정하십시오.</li>
	<li>실온에서 빛의 기둥을 배양합니다.</li>
	<li>다음 4~8주 동안 표 1에 설명된 대로 다양한 색층의 개발과 기포 형성을 위해 위노그라드스키 열의 변화를 모니터링한다. 또한 다른 레이어가 개발하는 데 걸리는 시간을 기록해야 합니다.</li>
</ol>3. 클래식 위노그라드스키 열에 대한 선택적 수정
<ol><li>물을 추가하고 교반하기 전에 수집 된 진흙에 1L 위노그라드 스키 컬럼 당 25-50g의 소금을 추가합니다 (단계 2.3). 소금의 추가는 할로필 (소금을 사랑하는) 박테리아를 위해 선택됩니다.</li>
	<li>철과 같은 대체 기판은 손톱이나 강철 울의 형태로 달걀 노른자 및 파쇄 된 신문 (단계 2.4)과 함께 기둥에 추가 될 수 있습니다. 이것은 갈라이오넬라와같은 철 산화 박테리아를 풍부하게 하고 녹색 층으로 나타납니다.</li>
	<li>대신 실온 (단계 2.9), 기둥은 열성 애호가 (열 사랑) 박테리아 또는 환각 (냉간 사랑) 박테리아를 선택하는 광원이있는 냉장고에서 선택하기 위해 라디에이터 근처에 배양 될 수 있습니다.</li>
	<li>컬럼이 배양(단계 2.9)으로 수신하는 빛의 양은 또한 고광, 저조도 또는 어둠에 다른 열을 배치하여 달라질 수 있습니다.</li>
	<li>들어오는 빛의 파장은 다른 세균 군을 위해 선택하는 색상을 결정하기 위해 인큐베이션(단계 2.9)으로 다르게 그늘진 셀로판으로 컬럼을 덮어 제한될 수 있다.</li>
</ol>4. 데이터 분석
<ol><li>1-3 주 후, 고전 위노그라드 스키 기둥의 진흙 층 의 상단에 일부 녹색 착색을 볼 수 있어야합니다 (도 2A). 이들은 시아노균 층의 성장의 첫번째 표시입니다.</li>
	<li>시간이 지남에 따라, 다른 층의 모양과 진화를 모니터링 하는 것을 계속, 각 다른 세균 성 유형을 나타내는. 힌트: 개념 및 표 1을 참조하여 어떤 박테리아가 다른 층에 기여하는지 이해하십시오.</li>
</ol><img alt="Figure 2A" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig2a.jpg"> 그림 2A: 21 일 동안 실온에서 배양 된 고전 위노 그라드 스키 기둥의 사진. 기둥의 상부에 있는 시아노박테리아를 나타내는 녹색 퇴적물을 유의하십시오.
<ol start="3"><li>클래식 위노그라드스키 열에 대한 수정도 준비된 경우 각 열의 결과를 비교합니다.<ol>
<li>수정된 각 위노그라드스키 열의 레이어를 관찰합니다. 다음 사항에 유의하십시오.<ul>
<li>열에 동일한 수의 레이어가 있습니까?</li>
			<li>레이어가 동일한 색상과 두께입니까?</li>
			<li>레이어가 동일한 깊이에서 발생합니까?</li>
			<li>각 열을 개발하는 데 얼마나 걸었습니까?</li>
			<li>한 열이 다른 열보다 더 느리게 발전했습니까?</li>
		</ul>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

위노그라드스키 컬럼은 상호 의존적인 미생물 생태계의 예입니다. 진흙, 물, 추가 탄소 및 황 기판을 수직 기둥에 혼합한 후, 계층화된 생태계는 몇 주 동안 분리되고 안정적인 영역으로 안정화되어야 합니다. 이 지역은 바닥에 있는 황화물이 풍부한 퇴적물과 상단에 산소가 풍부한 퇴적물 사이 그라데이션을 따라 특정 지점에서 번성하는 다른 미생물에 의해 점유됩니다. 위노그라드스키 컬럼 내의 조건과 기판을 조작함으로써 할로필, 열애, 정신애호가, 유황 산화제, 유황 감속기, 철 산화제 및 광신도 와 같은 다른 미생물의 존재 및 활성을 관찰할 수 있다.

위노그라드스키 칼럼 생성: 퇴적물 검체에서 미생물 종을 풍부하게하는 방법

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

출처: 엘리자베스 수터1,크리스토퍼 코르보1,조나단 블레이즈1 1 생물과학부, 바그너 칼리지, 1 캠퍼스 로드, 스태튼 아일랜드 뉴욕, 10301
위노그라드스키 기둥은 퇴적물 미생물 공동체, 특히 유황 사이클링에 관련된 미생물 커뮤니티를 풍요롭게 하는 데 사용되는 소형동 밀폐형 생태계입니다. 이 칼럼은 1880년대에 세르게이 위노그라드스키에 의해 처음 사용되었으며 이후 광합성기, 황 산화제, 황산염 감속기, 메탄노겐, 철 산화제, 질소 사이클러 등과 같은 생화학에 관여하는 다양한 미생물의 연구에 적용되었습니다.
지구상의 미생물의 대부분은 테스트 튜브 또는 페트리 접시 (3)에서 분리 될 수 없다는 것을 의미하는, culturable것으로 간주됩니다. 이것은 많은 요인 에 기인, 미생물 특정 신진 대사 제품에 대 한 다른 사람에 의존 하는 것을 포함 하 여. 위노그라드스키 기둥의 조건은 다른 유기체와의 상호 작용을 포함하여 미생물의 자연 서식지를 밀접하게 모방하고 실험실에서 재배할 수 있게 합니다. 이를 위해, 이 기술은 과학자가 이 유기체를 연구하고 고립에서 그(것)들을 성장하지 않고 지구의 생지구화학적 주기에 어떻게 중요한지 이해하는 것을 허용합니다.
지구의 환경은 토양, 해수, 구름 및 심해 퇴적물과 같은 모든 유형의 서식지에서번성하는 미생물로 가득합니다. 모든 서식지에서 미생물은 서로 에 의존합니다. 미생물이 성장함에 따라 설탕과 같은 탄소가 풍부한 연료뿐만 아니라 영양소, 비타민 및 산소와 같은 호흡기를 포함하여 특정 기판을소비합니다. 이 중요한 자원이 다 소모될 때, 다른 신진 대사 필요를 가진 다른 미생물은 그 때 피고 번창할 수 있습니다. 예를 들어, 위노그라드스키 컬럼에서 미생물은 먼저 첨가된 유기 물질을 소비하면서 컬럼의 하단 층에서 산소를 고갈시다. 산소가 소진되면 혐기성 유기체가 다른 유기 물질을 인수하고 소비할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 다른 미생물 공동체의 이러한 연속적인 발달은 계승 (4)이라고합니다. 미생물 승계는 위노그라드스키 컬럼에서 중요하며, 여기서 미생물 활동은 퇴적물의 화학을 변화시키고, 이는 다른 미생물의 활동에 영향을 미칩니다. 토양과 퇴적물의 많은 미생물은 또한 기판의 농도 (5)에 근거를 둔 서식지의 두 개의 다른 모형 사이 과도기 구역인 그라데이션을따라 살고 있습니다. 그라데이션의 올바른 지점에서 미생물은 최적의 양의 상이한 기판을 받을 수 있습니다. 위노그라드스키 컬럼이 발전함에 따라, 특히 산소와 황화물에서 이러한 자연 그라데이션을 모방하기 시작합니다(도 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig1.jpg"> 그림 1: 위노그라드스키 컬럼에서 발생하는 산소(O2)및 황화물(H2S) 그라데이션의 표현이다.
위노그라드스키 기둥에서 연못이나 습지의 진흙과 물은 투명한 기둥에 혼합되어 일반적으로 빛으로 배양할 수 있습니다. 추가 기판은 일반적으로 셀룰로오스 및 황의 형태로 탄소의 지역 사회 소스를 제공하기 위해 열에 추가됩니다. Photoynthesizer는 일반적으로 퇴적물의 상단 층에서 성장하기 시작합니다. 이러한 광합성 미생물은 주로 산소를 생성하고 녹색 또는 적갈색 층으로 나타나는 시아노박테리아로구성됩니다(도 2, 표 1). 광합성은 산소를 생성하는 동안, 산소는 물에 매우 용해되지 않으며이 층 아래에 감소 (도 1). 이것은 산소의 그라데이션을 만듭니다, 하단 층에 있는 산소의 높은 농도에서 구역 수색. 산소화된 층은 호기성 층이라고 하며 산소가 없는 층은 혐기성 층이라고 합니다.
혐기성 층에서, 많은 다른 미생물 공동체는 사용 가능한 기판의 종류 및 양, 초기 미생물의 근원 및 퇴적물의 다공성에 따라 증식할 수 있다. 기둥의 하단에, 혐기성 유기 물질을 분해 유기체는 번창 할 수 있습니다. 미생물 발효는 셀룰로오스의 분해에서 유기산을 생성합니다. 이러한 유기산은 황산염을 사용하여 그 유기물을 산화하고 부산물로 황화를 생산하는 황산 감속기에서사용할 수 있습니다. 황산염 감속기의 활성은 퇴적물이 검은 색으로 변하는 경우, 철과 황화물이 검은 철 황화 광물을 형성하기 위해 반응하기 때문에 표시됩니다(도 2, 표 1). 황화물은 또한 위쪽으로 확산되어 황화물 농도가 컬럼 의 맨 아래에 높고 컬럼 의 상단에 낮은 또 다른 그라데이션을 만듭니다 (도 1).
기둥 의 중간 근처, 황 산화제는 아래에서 산소의 공급을 활용하 고 아래에서 황화물. 적당한 양의 빛으로, 광합성 황 산화제는 이 층에서 발전할 수 있습니다. 이 유기체는 녹색과 보라색 유황 박테리아로알려져 있으며 종종 녹색, 보라색 또는 보라색 빨간색 필라멘트와 얼룩으로 나타납니다 (도 2, 표 1). 녹색 황 박테리아는 황화물에 대 한 높은 허용 오차를 가지고 일반적으로 보라색 황 박테리아 바로 아래 층에서 개발. 보라색 유황 박테리아 위에, 보라색 비황 박테리아는 또한 발전할 수 있습니다. 이 유기체는 황화물 대신 전자 기증자로 유기 산을 사용하여 광합성을 하고 종종 빨간색, 보라색, 주황색 또는 갈색 층으로 나타납니다. 비광합성 유황 산화제는 보라색 비황 박테리아 위에 발전할 수 있고, 이들은 일반적으로 백색 필라멘트로 나타납니다 (도 2, 표 1). 또한 위노그라드스키 열에서도 거품이 형성될 수 있습니다. 에어로빅 층의 거품은 시아노박테리아에 의한 산소 생산을 나타낸다. 혐기성 층의 거품은 유기물을 혐기성분해하고 부산물로 메탄을 형성하는 메탄오겐,유기체의 활성으로 인해 발생할 수 있습니다.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>열의 위치</td>
			<td>기능 그룹</td>
			<td>유기체 예</td>
			<td>시각적 표시기</td>
		</tr>
<tr>
<td>맨 위로</td>
			<td>포토진더스</td>
			<td>시아노박테리아</td>
			<td>녹색 또는 붉은 갈색 층. 때로는 산소의 거품.</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="5"></td>
			<td>비광합성 유황 산화제</td>
			<td>베기아토아, 티오바실루스</td>
			<td>흰색 레이어.</td>
		</tr>
<tr>
<td>보라색 비황 박테리아</td>
			<td>로도마이크로비움, 로도스피리움, 로도프스포드모나스</td>
			<td>빨간색, 보라색, 주황색 또는 갈색 레이어.</td>
		</tr>
<tr>
<td>보라색 유황 박테리아</td>
			<td>크로마티움</td>
			<td>보라색 또는 보라색 빨간색 레이어.</td>
		</tr>
<tr>
<td>녹색 유황 박테리아</td>
			<td>클로로비움</td>
			<td>녹색 레이어입니다.</td>
		</tr>
<tr>
<td>황산염 감소 박테리아</td>
			<td>데술포비비오, 데술포토마쿨룸, 데술포박터, 데술로모나스</td>
			<td>검은 색 레이어.</td>
		</tr>
<tr>
<td>밑바닥</td>
			<td>메탄노겐</td>
			<td>메탄노코커스, 메탄노사키나</td>
			<td>때로는 메탄의 거품.</td>
		</tr>
</tbody></table>표 1: 고전적인 위노그라드 스키 열에 나타날 수 있습니다 박테리아의 주요 그룹, 위에서 아래로. 각 그룹에서 유기체의 예가 주어지며, 유기체의 각 층의 시각적 지표가 나열됩니다. 페리 외 (2002) 및 로간 외 (2005)를 기반으로합니다.

이 실험에서는 담수 서식지에서 물과 퇴적물을 수집했습니다. 두 개의 위노그라드스키 기둥이 시공되고 개발이 허용되었습니다: 실온에서 빛에 배양된 고전적인 위노그라드스키 기둥(도 2A)과 실온에서 어둠 속에서 배양된 위노그라드스키 기둥(도 2B).
<img alt="Figure 2B" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10506/10506fig2b.jpg"> 그림 2B: 68일 동안 실온에서 배양된 고전 위노그라드스키 기둥(왼쪽)과 68일 동안 어둠 속에서 실온에서 배양된 위노그라드스키 기둥(오른쪽)의 사진.
컬럼이 7-9주 동안 개발하도록 허용한 후, 고전적인 기둥의 층은 어둠 속에서 배양된 컬럼과 비교할 수 있다(도 2B). 고전적인 위노그라드스키 컬럼에서는 튜브 상단 근처에서 녹색 시아노균 층을 관찰할 수 있습니다. 튜브의 중심 부근에서 보라색 비황 박테리아...

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

지구의 대부분의 미생물은 실험실에서 배양할 수 없는데, 이는 종종 토착 군집 내의 다른 미생물에 의존하기 때문입니다. 발명가 세르게이 위노그라드스키(Sergei Winogradsky)의 이름을 딴 위노그라드스키 기둥은 퇴적물 샘플 내의 미생물 군집을 풍부하게 하는 미니어처의 밀폐된 생태계로, 과학자들은 개별적으로 분리하고 배양할 필요 없이 지구의 생지화학적 과정에서 중요한 역할을 하는 많은 미생물을 연구할 수 있습니다. 일반적으로 연못이나 습지와 같은 생태계의 진흙과 물이 혼합되어 있습니다. 선택적 실험으로, 다양한 할로필 종을 풍부하게 하기 위해 이 혼합물에 소금을 첨가할 수 있습니다. 다음으로, 혼합물의 작은 부분에는 일반적으로 신문지에서 추출한 셀룰로오스 형태의 탄소와 일반적으로 달걀 노른자에서 추출한 유황 형태로 보충됩니다. 또 다른 선택적 실험의 경우, 특정 Gallionella 종을 풍부하게하기 위해이 혼합물에 못을 첨가 할 수 있습니다. 그런 다음 이 새로운 혼합물을 투명 컬럼에 첨가하여 컬럼이 1/4이 채워지도록 합니다. 마지막으로, 나머지 진흙 혼합물과 더 많은 물을 기둥이 대부분 가득 찰 때까지 기둥에 추가합니다. 시간이 지남에 따라 서로 다른 미생물 군집의 연속적인 발달을 나타내는 천이(Succession)는 Winogradsky 칼럼을 통해 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 미생물은 컬럼 내에서 성장하면서 특정 기질을 소비하고 환경의 화학적 성질을 변화시킵니다. 기질이 고갈되면 원래 미생물은 죽고 대사 요구 사항이 다른 미생물이 변경된 환경에서 번성할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 눈에 띄게 뚜렷한 층이 형성되기 시작하며, 각 층은 서로 다른 미세환경 요구 사항을 가진 박테리아 군집의 일부를 포함합니다. 예를 들어, 주로 시아노박테리아로 구성된 광합성 미생물은 컬럼 상단 근처에 녹색 또는 적갈색 층을 형성합니다. 광합성은 종종 컬럼의 상단 부분에서 거품으로 보이는 산소를 생성하기 때문에 위쪽 근처에서 산소 농도가 가장 높고 아래쪽으로 갈수록 가장 낮은 산소 농도로 구배가 형성됩니다. 사용 가능한 기질에 따라 다양한 미생물 군집이 혐기성 바닥층에서 자랄 수 있습니다. 이 층의 기포는 발효를 통해 메탄 가스를 생성하는 메탄 가스의 존재를 나타낼 수 있습니다. 여기서 셀룰로오스의 미생물 발효는 유기산을 생성합니다. 황산염 환원제는 이러한 산을 산화시켜 황화물을 생성하며, 그 활성은 검은 퇴적물로 표시됩니다. 황화물은 컬럼에서 위쪽으로 확산되어 황화물 농도가 컬럼 하단으로 갈수록 가장 높고 상단 근처에서 가장 낮은 또 다른 그래디언트를 생성합니다. 컬럼 중앙으로 향하면 유황 산화제는 위에서는 산소를, 아래에서는 황화물을 활용합니다. 적절한 빛으로 녹색 및 보라색 유황 박테리아와 같은 광합성 유황 산화제가 발생합니다. 녹색 유황 박테리아는 더 높은 황화물 농도를 견딥니다. 따라서 그들은 보라색 유황 박테리아 바로 아래에서 자랍니다. 이 층 바로 위에는 보라색의 비유황 박테리아가 빨간색-주황색 층을 형성합니다. 비광합성 황 산화제는 흰색 필라멘트의 존재로 표시됩니다. 빛과 온도와 같은 조건은 다른 지역 사회를 풍요롭게 하기 위해 다양할 수도 있습니다. 이 비디오에서는 Winogradsky 컬럼을 구성하고 성장 조건과 기질을 다양화하여 특정 미생물 군집을 풍부하게 하는 방법을 배웁니다. 먼저 연못이나 습지와 같은 적절한 수생 생태계를 찾습니다. 퇴적물 샘플은 물가 근처 지역에서 가져와야 하며 물로 완전히 포화되어야 합니다. 그런 다음 삽과 양동이를 사용하여 1-2리터의 포화 진흙을 모으십시오. 다음으로, 동일한 수원에서 약 3리터의 담수를 얻고 현장 샘플과 함께 실험실로 돌아갑니다. 실험실에서는 실험복과 장갑을 포함한 적절한 개인 보호 장비를 착용하십시오. 이제 약 750ml의 진흙을 믹싱 볼에 옮깁니다. 그런 다음 진흙을 체로 쳐서 큰 바위, 나뭇가지 또는 나뭇잎을 제거하고 숟가락을 사용하여 덩어리를 부수십시오. 다음으로 믹싱 볼에 깨끗한 물을 약간 넣고 큰 숟가락으로 저어줍니다. 물-진흙 혼합물의 농도가 밀크셰이크와 비슷해질 때까지 물을 추가합니다. 덩어리가 없는지 계속 확인하십시오. 선택적 실험으로, 진흙 혼합물에 25-50mg의 소금을 첨가하여 할로포이성 박테리아를 선택합니다. 그런 다음 물-진흙 혼합물의 약 1/3을 두 번째 믹싱 볼에 옮깁니다. 그릇에 달걀 노른자 1개와 잘게 썬 신문지 한 줌을 넣습니다. 다음으로, 약 1/4이 찰 때까지 이 혼합물을 컬럼에 추가합니다. 다음으로, 계란과 신문지가 없는 물-진흙 혼합물을 약 3/4가 찰 때까지 기둥에 추가합니다. 그런 다음 기둥에 물을 더 넣고 상단에 1/2인치의 공간을 남겨둡니다. 기둥을 플라스틱 랩으로 덮고 고무 밴드로 고정합니다. 다음 4-8주 동안 실온의 창문 근처 빛 아래에서 기둥을 배양합니다. 잠복기 동안 적어도 일주일에 한 번 Winogradsky 기둥의 변화를 모니터링하여 다양한 색상의 층이 형성되고 거품이 형성되는지 확인하십시오. 또한 다른 레이어가 전개되는 데 걸리는 시간을 기록합니다. 수행할 수 있는 또 다른 수정은 호열성 박테리아를 선택하기 위해 라디에이터 근처의 컬럼을 배양하거나 친정신성 박테리아를 선택하기 위해 냉장고에서 컬럼을 배양하는 것입니다. 인큐베이팅을 위해 높은 조명, 낮은 조명 또는 어두운 곳에 다른 기둥을 배치하여 조명 조건을 변경합니다. 또는 다양한 색조의 셀로판지로 컬럼을 덮어 들어오는 빛의 파장을 제한하여 다른 박테리아 그룹에 대해 어떤 색상이 선택되는지 확인합니다. 또 다른 선택적 실험으로, 철분 산화 박테리아를 풍부하게 하려면 신문지와 달걀 노른자를 추가하기 전에 진흙-물 혼합물에 못을 추가합니다. 1-2주 후, 시아노박테리아 층의 성장은 고전적인 Winogradsky 기둥의 진흙 층 위에 녹색 또는 적갈색 필름으로 표시됩니다. 시간이 지남에 따라 서로 다른 층의 모양과 진화가 모니터링되며, 각각은 존재하는 다양한 유형의 박테리아를 나타냅니다. 어두운 곳에서 자란 컬럼을 기존의 Winogradsky 컬럼과 비교할 때, 어두운 처리로 인해 컬럼 하단에 검은색 층이 생성되는 것을 볼 수 있는데, 이는 황산염 환원 박테리아를 나타냅니다. 어두운 기둥은 다른 배양 조건에 따라 다른 층을 생성할 수도 있습니다. 또한 어두운 기둥은 녹색 시아노박테리아 층이나 보라색 비황, 자주색 유황 및 녹색 유황 박테리아를 각각 나타내는 빨간색, 보라색 또는 녹색 층을 생성하지 않습니다. 이 그룹은 성장을 위해 빛에 의존합니다.

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Education

교육

JoVE Science Education

Advanced Biology

심화 생물학

Microbiology

미생물학

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

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serial dilutions and plating: microbial enumeration

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Counting Bacteria with Dilution Plates

Counting bacteria with dilution plates helps microbiologists estimate how many cells are in a sample. Because bacteria can grow quickly and may be hard to count directly, serial dilution and plating make the concentration easier to measure. These methods have been used for more than a century to study bacterial and viral loads in clinical, industrial, pharmaceutical, and academic labs. Serial dilution reduces a sample in steps. A small volume of the original solution is moved into a fixed...

enrichment cultures: culturing aerobic and anaerobic microbes on selective and differential medias

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Selective Media for Bacterial Isolation

Selective media help scientists isolate bacteria by supporting some microbes and blocking others. This lab also uses differential media, which reveal a visible chemical trait in the organism being grown. Together, these methods help identify bacteria from mixed samples. Prokaryotic cells live in almost every environment on Earth. They also show wide metabolic diversity, so the growth medium must supply the molecules they need for energy. Some microbes are extremophiles, meaning they live in...

pure cultures and streak plating: isolation of single bacterial colonies from a mixed sample

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Streak Plate Method for Isolating Bacteria

The streak plate method is used to isolate single bacterial colonies from a mixed sample. It helps separate one bacterial type from another so a pure culture can be grown. This is important in both clinical and research settings, where bacteria often grow together in mixed cultures. Pure cultures are needed for later genetic and protein studies. They are also used to check whether a sample is pure and to identify infectious agents from clinical samples. Because different strains can affect...

16s rrna sequencing: a pcr-based technique to identify bacterial species

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Bacterial ID with 16S rRNA Gene Sequencing

Bacterial identification with 16S rRNA gene sequencing helps scientists tell bacterial species apart. It is used in microbial ecology to study biodiversity in environmental samples and in medical microbiology to help diagnose infected patients. Traditional methods include microscopy, growth on specific media, biochemical and serological tests, and antibiotic sensitivity assays. Molecular methods have changed how bacteria are identified. 16S ribosomal RNA (rRNA) gene sequencing is often faster...

growth curves: generating growth curves using colony forming units and optical density measurements

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Bacterial Growth Stages and Cell Counts

Bacterial growth stages and cell counts show how a culture changes over time. This page follows a batch culture as it moves through lag, exponential, stationary, and death phases. It also shows how colony forming units, or CFU, and optical density can be used to measure that growth. Lag phase is the time bacteria need to adjust to a new environment before fast division begins. During exponential phase, cells grow and divide at the fastest rate, and DNA replication, RNA transcription, and...

antibiotic susceptibility testing: epsilometer tests to determine mic values of two antibiotics and evaluate antibiotic synergy

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Measuring Bacterial Resistance with E-Tests

Measuring bacterial resistance with E-tests helps show how strongly an antibiotic can stop growth. The method is used to find the minimal inhibitory concentration, or MIC, which is the lowest antibiotic level that prevents visible bacterial growth. It is a practical way to study resistance in bacteria and compare how different antibiotics perform. The E-test uses a plastic strip that contains a built-in antibiotic gradient. The strip is placed on an agar plate that has been inoculated with...

microscopy and staining: gram, capsule, and endospore staining

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Bacterial Stains for Cell Walls and Spores

Bacterial stains help scientists see cell walls, capsules, and endospores with a compound light microscope. Many bacteria are hard to tell apart with light alone because they are small, colorless, and can look similar under the lens. Staining makes these hidden features visible and helps identify different bacteria. A compound microscope uses more than one lens to magnify a sample. Its objective lens collects light near the specimen, and the eyepiece enlarges the image. Many compound...

plaque assay: a method to determine viral titer as plaque forming units (pfu)

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Phage Plaque Test for Counting Viruses

Bacteriophages, or phages, are viruses that infect prokaryotic cells. The plaque assay is a classic way to count these viruses by measuring viral titer, which is the amount of virus in a sample. It was first described in 1952 and is still one of the most reliable methods for determining viral titer. Phages were identified in the early 20th century by Twort and d'Hérelle. They have since been recognized for their therapeutic value and for their role in human and global ecosystems. Interest in...

transformation of e. coli cells using an adapted calcium chloride procedure

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Calcium Chloride DNA Uptake in E. coli

Calcium chloride treatment can help E. coli take up foreign DNA. This chemical transformation method is used in molecular biology to move a plasmid into bacterial cells and then identify the cells that received it. The protocol described here uses chemically competent E. coli DH5α cells and the plasmid pUC19 to measure transformation efficiency. Bacteria can exchange genetic material through horizontal gene transfer. The three main routes are transformation, transduction, and conjugation.

conjugation: a method to transfer ampicillin resistance from donor to recipient e. coli

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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...

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이 컬렉션은 적절한 멸균 기술 및 평판배양, 선택적 배지를 사용하고 검체를 농축하는 방법, 혼합 또는 순수 검체를 위한 배양 방법을 포함한 미생물 조사의 핵심 도구를 보여줍니다. 또한 미생물 분리를 식별하는 일반적인 방법과 박테리아의 유전자 조작 절차를 살펴 봅니다

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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