폐수 유래 전기 활성 미생물 생물막: 성장, 유지 관리 및 기본 특성화

이 절차의 전반적인 목표는 폐수 접종에서 양극 전기 활성 미생물 생물막을 성장시키고 생체 전기 촉매 특성을 특성화하는 것입니다. 이는 먼저 잠재적인 정전기 제어 바이오 전기화학 공급 배치 반응기를 설정, 접종 및 시작함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 크로노 고온계를 사용하여 현재 생산량을 모니터링하는 것입니다.

다음으로, 재현 가능한 최대 전류 밀도에 도달할 때까지 기판 고갈 후 배지를 정기적으로 교환하여 정상 상태의 생물막 형성을 나타냅니다. 마지막 단계는 기질의 존재 및 부재 동안 순환 부피 원격 측정을 사용하여 전기 활성 박테리아의 세포 외 전자 전달을 연구하는 것입니다. 궁극적으로 데이터 분석은 미생물 전자 전달 열역학에 대한 근본적인 통찰력을 제공하고 가능한 실제 세포 외 전자 전달 부위의 공식적 잠재력을 결정할 수 있도록 합니다.

이 기술의 주요 장점은 미생물과 고체 전극 사이의 전자 전달에 대한 직접적인 통찰력을 얻을 수 있으므로 미생물 세포 외 전자 전달에 대한 기본 정보를 도출할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 올바른 모수 선택과 파생 플롯의 올바른 해석에 어려움을 겪을 것입니다. 데이터 수집 및 데이터 분석 중에 심각한 실수가 발생할 수 있습니다.

이 절차를 시작하기 전에, 하기 참조에 따라 추가 영양물을 포함하는 인산염 완충액을 사용하여 적절한 양의 성장 배지를 준비합니다. 10 밀리몰의 아세트산 나트륨을 기질로 사용하십시오. 성장 20ml당 1ml의 1차 폐수를 추가하고 배지를 접종물로 추가합니다.

그런 다음 매체에 바늘을 삽입하고 최소 30 분 동안 질소로 씻어냅니다. 질소로 플러시하는 동안 폭기를 제거하려면 3개의 전극 설정에 대한 전극의 크기를 측정하십시오. 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 실리콘 플러그를 통해 수정된 4개의 넥, 250밀리리터 둥근 바닥 플라스크에 삽입합니다.

실리콘 플러그를 파라폼으로 감싸 질소로 플러시하는 동안 시스템을 밀봉합니다. 250ml의 성장 배지와 접종물 혼합물을 샘플링 포트를 통해 반응기에 붓습니다. s를 닫습니다amp실리콘 플러그로 링 포트를 닫고 퍼필로 밀폐합니다.

일정한 환경 조건을 보장하기 위해 섭씨 35도의 온도 제어 챔버에 용기를 놓습니다. 그런 다음 전극을 전위 통계의 각 케이블에 연결합니다. 소프트웨어를 열어 잠재적 스탯을 제어하고 기술을 선택합니다.

크로노 파이로메트리. 작업 전극을 0.2V의 일정한 전위로 설정하고 500시간 동안 600초마다 기록한 다음 크로노 고온계를 시작하고 시간 경과에 따라 측정된 전류의 그래프를 관찰합니다. 우선 전류 밀도를 계산한 후 측정된 전류 밀도를 시간의 함수로 표시합니다.

산화 전류가 안정기에 도달하고 제로 전류로 돌아간 후 매체 교환을 위해 크로노 암페어 미터법 측정을 일시 중지합니다. 따라서 용기를 층류 상자로 옮기고 시스템을 질소로 세척하십시오. 매체를 조심스럽게 배출하고 매체를 보충한 후 새로운 de 폭기 매체를 보충하십시오.

샘플링 포트를 닫고 파라폼으로 밀봉합니다. 최대 산화 전류가 안정된 상태에 도달할 때까지 이전 단계를 반복합니다.모든 성장 주기 후에 HPLC에 의한 기질 분석을 위해 1ml의 신선 및 교환된 배지 용액 샘플을 채취합니다. 세포 외 전자 전달을 연구하려면 전위 통계 제어 소프트웨어에서 cyclic vol telemetry 기술을 선택합니다.

그런 다음 작업 전극의 초기 전위 EI를 기준 전극에 비해 음의 0.5V로 설정하고, 정점 전위 E를 1에서 0.3V로, 최종 전위 E 2를 음의 0.5V로 설정합니다. 초당 1밀리볼트의 스캔 속도를 사용합니다. 실험을 시작하고 최소 3개의 사이클을 기록하여 재현 가능한 cv를 얻습니다.

우선적으로 전류 밀도를 계산한 후, 측정된 전류 밀도를 작동 전극의 전위의 함수로 플롯합니다. 크로노 암페어 메트릭 측정에서 최대 전류 밀도와 Kula 효율을 측정할 수 있습니다. 여기에 표시된 것은 유가 배치 반응기를 사용한 여러 성장 주기의 일반적인 크로노메트릭 생물막 성장 곡선입니다.

초기 지연 단계 후에 첫 번째 전류 밀도 최대값이 시작되고 기판 고갈로 인해 전류가 거의 0에 가까운 전류 흐름으로 감소합니다. 기질 보충 후. 전류 밀도는 더 높은 최대 전류 밀도로 다시 증가합니다.

여러 번의 성장 주기 후에 최대 전류 밀도는 일정하며, 이는 정상 상태의 생물막 형성을 나타냅니다. 정상 상태 최대값으로. 현재 밀도 값은 여러 매개변수에 따라 달라집니다.

이는 종종 전기 활성 미생물 생물막 전극 시스템의 특성으로 간주됩니다. 두 번째 작동 특성은 오믹 효율(omic efficiency)이며, 이는 이론적으로 최대 전자 수와 관련된 공급 배치 주기당 전류 흐름으로 기록된 전자의 수입니다. 호출 효율, 전류 흐름 및 표시된 이론적 최대 전자 수를 계산하는 방법에 대한 자세한 내용은 텍스트 프로토콜을 참조하십시오.

다음은 턴오버가 없는 조건에 대한 일반적인 CV입니다. 높은 스캔 속도에서, 하나의 피크 쌍과 하나의 공식적인 전위 EF만 식별할 수 있는 높은 스캔 속도에 대한 생물막의 CV가 그려져 있습니다. 여기. 일반적으로, 산화 환원 커플의 형식적 전위는 산화 피크 EPA의 피크 전위와 각 종 EPC의 환원 피크로부터 계산될 수 있다.

산술 평균을 형성함으로써 형식 포텐셜을 계산하는 방법에 대한 자세한 내용은 텍스트 프로토콜을 참조하십시오. 동일한 생물막에 충분히 낮은 스캔 속도를 적용하면 최대 4개의 산화 환원 쌍을 식별할 수 있습니다. 그러나 non turnover CV는 전극에서 모든 산화 환원 활성 화합물만 표시하므로 가능한 세포 외 전자 전달 부위의 EF를 표시합니다.

회전율 CV의 분석만이 비회전율 CVS를 추가로 분석할 때 실제 EET 사이트의 EF를 제공합니다. 피크 분리, 최대 피크 전류 및 최소 피크 전류 밀도와 같은 다른 특성 매개 변수를 분석 할 수 있습니다. 이러한 매개변수는 특히 다른 스캔 속도에 대해 기록될 때 전극에서 전자 전달 프로세스의 기계론적 및 동역학적 분석에 사용할 수 있습니다.

그러나 화학 시스템에 대해 잘 확립된 이 역학 분석은 전기 활성 미생물 생물막에 대해서는 간단하지 않습니다. 기판이 있는 상태에서 CV 측정을 수행할 때 턴오버 CV를 얻습니다. 데이터를 플로팅한 후 일반적인 S자형 바이오 전기 촉매 곡선이 관찰됩니다.

데이터를 추가로 분석할 때 곡선의 1차 도함수 또는 변곡점의 최대값은 실제 EET 사이트의 형식적 전위 EF를 제공합니다. 얇은 지오박터 비율이 생물막이 지배하는 경우 두 개의 변곡점을 관찰할 수 있습니다. 그 후, 도함수는 바이오 전기 촉매 활성 EET 부위의 형식적 전위에 해당하는 두 개의 최대값을 보여주며, 이는 각각 EF 2 및 EF 3으로 표시됩니다.

이 발견은 또한 형식 전위 EF 1 및 EF four와 관련된 산화 환원 과정이 생체 전기 분해와 관련이 없음을 보여줍니다. 생물막이 성장하고 두꺼워짐에 따라 CV는 하나의 변곡점만 보여줍니다. 이 공식 전위 EEF 음의 0.32 볼트 대 은, 염화은은 얇은 생물막의 EET에 할당된 두 가지 공식 전위의 산술 평균과 거의 같습니다.

이 결과는 기본 CV 분석이 빠르고 비침습적인 방식으로 EET 열역학에 대한 통찰력을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이 기술을 마스터하면 관심 있는 다양한 시스템에 쉽게 맞출 수 있으며, 적절하게 수행되면 데이터에 따라 다른 깊이의 데이터 분석이 가능합니다. 이 절차를 따라 미생물 생물막 기하학의 기초를 배우면 구형파 원격 측정 또는 전기화학적 임피던스 분광법과 같은 다른 방법뿐만 아니라 심층적인 데이터 분석도 쉽게 배울 수 있습니다.