Methodenartikel

Karakterisering van elektronentransport via levende Biofilms

DOI:

10.3791/54671

⸱

1 juni 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Center for Bio/Molecular Science and Engineering, Naval Research Laboratory, 2George Mason University, 3Chemistry Division, Naval Research Laboratory, 4Departments of Physics, Biological Sciences, and Chemistry, University of Southern California, 5Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een protocol voor het meten van de elektrische geleiding van levende micro-organismen biofilms fysiologisch relevante voorwaarden wordt gepresenteerd.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier tonen we de methode van elektrochemische gating gebruikt voor het karakteriseren van de elektrische geleiding van microbiële biofilms elektrode-gegroeid fysiologisch relevante omstandigheden. 1 deze metingen worden uitgevoerd op levende biofilms in waterig medium met behulp van bron en afvoer van elektroden patroon op een glazen oppervlak in een gespecialiseerde configuratie genoemd een interdigitated elektrodenserie (IDA). Een biofilm is gegroeid dat zich uitstrekt over de kloof tussen de bron en de afvoer. Potentieel worden toegepast op de elektroden (E,S en ED) het genereren van een bron-afvoer-stroom (ISD) door de biofilm tussen de elektroden. De afhankelijkheid van de elektrische geleidbaarheid op poort potentieel (het gemiddelde van de bron- en afvoer potentiëlen, EG = [E,D + ES] / 2) wordt bepaald door systematisch de potentiële poort wijzigen en het meten van de resulterende bron-afvoer huidige. De afhankelijkheid van geleidbaarheid op poort potentiële informatie mechanistische over het proces van de extracellulaire elektronentransport ten grondslag liggen aan de elektrische geleidbaarheid van de specifieke biofilm onderzochte. De elektrochemische gating meting hier beschreven methode is gebaseerd daarover rechtstreeks gebruikt door M. S. Wrighton2,3 , collega's en collega's en R. W. Murray4,5,6 de 1980 is te onderzoeken van dunne film geleidende polymeren.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Extracellulaire elektronentransport (EET) is een proces waarmee bepaalde micro-organismen voor het vervoer van elektronen tussen intracellulaire metabole processen en onoplosbare elektronen acceptoren of donoren die zich buiten de cel bevinden, variërend van natuurlijke mineralen aan elektroden. In sommige gevallen kan EET micro-organismen te vormen van elektrisch geleidende meerdere cellen dikke biofilms op elektrode oppervlakken, waarin cellen niet in direct contact met de elektrode nog steeds als een metabole elektron acceptor of donor gebruiken kunnen. Er is aanzienlijke interesse in dergelijke biofilms als elektrode katalysatoren voor diverse toepassingen, zoals microbiële electrosynthesis, verontreiniging sensing/verwijdering, en externe energie-opwekking en opslag,7,,8,9 ,10,11,12,13,14 als gevolg van de diversiteit van de metabole processen uitgevoerd door micro-organismen en de duurzaamheid van de microbiële biofilms vergeleken naar enzym gebaseerde bioelectrodes. 15 , 16 bovendien EET trajecten potentieel kunnen worden gebruikt om elektrisch besturingselement of signaal veranderingen in de natuur voorkomende of genetisch gemanipuleerde microbiële stofwisselingsprocessen betrokken, bijvoorbeeld bij de productie van een gewenste product of de detectie van een doelanalyt of stimulans. De elektrische geleiding van electrocatalytic biofilms, die hen onderscheidt van andere biologische materialen, is een centraal aspect van de eigenschappen van hun electrocatalytic, maar toch weinig wordt begrepen over het onderliggende proces EET in de omgeving van de elektrode, en die heet wordt sterk betwist. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

Hier beschreven is een 2-electrode-methode voor het meten van de geleidbaarheid door middel van levende, elektrode-gegroeid biofilms met behulp van interdigitated elektrode arrays (IDAs). IDAs bestaan van parallelle rechthoekige elektroden patroon op plat glazen oppervlak, zodat elke andere band is verbonden aan weerszijden van de matrix als gevolg in 2 elektroden (de bron- en afvoer). Zorgvuldig onderzoek van een IDA blijkt (zie bijvoorbeeld figuur 6.12b van ref #1) dat de lacunes scheiden van aangrenzende banden ook zijn verbonden in een zodanige vorm een enkele kloof die weeft heen en weer over de serie scheiden van de twee elektroden. Het resultaat is een lange en smalle kloof scheiden van de bron- en afvoer elektroden, zeer hoge bron-afvoer stromingen oplevert wanneer een geleidend materiaal is gevormd, gegoten, polymeervorm of gegroeid (in het geval van het type van biofilms beschouwd als hier) in de matrix. Bovendien, resulteert de geringe omvang van de elektroden in kleine achtergrond huidige vanwege het opladen van de capaciteit en veranderen in oxidatiegetal van de geleidend materiaal met verandering in poort potentieel, aangezien de hoeveelheid materiaal die nodig zijn voor het maken van de geleidbaarheid metingen met behulp van IDAs is zo klein. De techniek van het IDA-gebaseerde elektrochemische gating hier beschreven, ontwikkeld voor het karakteriseren van dunne film geleidende polymeren,2,3,4,25 is pas onlangs toegepast op levende systemen. 18 een andere techniek die gebruikt wordt voor het meten van de geleidbaarheid van levende biofilms gebruikt een grootformaat split bron- en afvoer elektroden en bron meter potentiële instellen van de poort. 26 , 27 echter bezorgdheid over deze methoden hebben zijn gedetailleerd eerder. 18

Het protocol hieronder kapselt onze ervaring met het maken van de geleidbaarheid metingen van levende Geobacter sulfurreducens en biocathode MCL biofilms. G. sulfurreducens is een model elektrode vermindering van organisme kundig voor toepassing van onoplosbare materialen, met inbegrip van elektroden, als de enige metabole elektron acceptor. Bovendien vormt het dikke biofilms die kunnen elektronen vervoeren over meerdere lengtes van de cel, waardoor het een ideaal model-organisme om te studeren anodic interlokale extracellulaire elektron overdracht. Wij omvatten ook de details voor de studie van biocathode MCL, een aërobe, autotrofe gemengde Gemeenschap biofilm geïsoleerd van de kathode van een benthische microbiële brandstofcel. Biocathode MCL (genoemd naar de drie primaire onderdelen- Marinobacter, Chromatiaceaea en Labrenzia) is geschikt voor een elektrode als haar enige elektrondonor oxiderende en vervoer van elektronen over meerdere lengtes van de cel, waardoor het een interessant kathodische systeem te bestuderen. Bovendien heeft biocathode MCL de hoogste gerapporteerde geleidbaarheid voor een levend systeem tot op heden gebruik van deze methoden. De opneming van deze uiteenlopende electroactive biofilms in dit protocol is bedoeld om te benadrukken dat deze techniek geldt voor het meten van het vervoer van elektronen door een levende biofilm kunnen elektrisch werken met elektroden.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. interdigitated micro-elektrode matrix (IDA) voorbereiding

  1. Verkrijgen van verkrijgbare IDA elektroden patroon op een nonconductive ondergrond of synthetiseren hen met lithografische standaardmethoden. 28
    Opmerking: IDA afmetingen en/of materialen kunnen variëren afhankelijk van de gewenste voorwaarden voor verschillende experimenten. IDAs gebruikt hier werden verkregen commercieel en bestond uit twee interdigitated gouden microelectrodes patroon op een glazen substraat verbonden aan grote elektrode pads op tegenovergestelde uiteinden van de matrix. De elektroden worden blootgesteld terwijl de buslijnen die aansluiten van de elektroden op de grote contact pads zijn bedekt met een dunne isolerende materiaal. IDAs gebruikt hier bestaan uit twee sets van 10 µm-breed en 2 mm lang gouden micro-elektrode bands (bron- en afvoer) verdeeld 5 µm apart patroon op een plat glazen oppervlak. IDAs gebruikt hier had 65 elektrode paren (130 totaal interdigitated banden). Afwisselend bands zijn verbonden met elektrode pads op tegenovergestelde uiteinden van de matrix.
  2. Draad en isoleren van IDA
    1. Hecht een draad aan elke grote elektrode pad met geleidende zilveren epoxy.
      1. Bereiden geleidende epoxy volgens de instructies van de fabrikant voor de specifieke epoxy in gebruik met een mengen staaf of pipette uiteinde (instructies kunnen per fabrikant verschillen).
      2. Plaats een draad op elke gouden pad, veilig in plaats met behulp van lab-tape. Bedek de draad aan en het stootkussen met zilveren epoxy met behulp van een mengen staaf of pipette uiteinde.
      3. Zorgvuldig naar oven 80 ° C gedurende 1 uur om te genezen of genezen op basis van de aanbevelingen van de fabrikant voor de specifieke geleidende zilveren epoxy gebruikt.
      4. Nadat de epoxy geneest, gebruik een multimeter om de elektrische verbinding tussen het einde van de draad en de pads. De weerstand tussen de draad en de pad moet < 5 Ω. Ook de multimeter te gebruiken om te verifiëren dat geen geleidende epoxy is het aansluiten van meerdere elektrode pads, zo dit de matrix kort kan. Als geleidende epoxy is het aansluiten van meerdere leads, gebruikt u een scribe te isoleren van de leads.
    2. Isoleer de epoxied verbinding door de coating van de verbinding met een thermisch, elektrisch en waterdichte isolerend materiaal. Vlamdovende polyurethaan harsen zijn vaak geschikt.
      1. Verwijder het puntje van een 15-mL conische centrifugebuis (op ongeveer de 2,5 mL merk) als een mal voor het isolatiemateriaal. Maak twee kleine gaatjes in de bodem voor de draden aan met behulp van een naald 21g uitsteken.
      2. De IDA invoegen op de schimmel en de draden door de gaatjes in de bodem van de mal.
      3. Voorbereiding van het specifieke isolatiemateriaal. Volg instructies met de specifieke hars verkregen.
      4. De isolator Pipetteer in de mal zodat de zilveren epoxy volledig is bedekt (~2.5 mL) en laten drogen volgens specificaties van de fabrikant.

2. de elektrochemische reactor installatie-, beproevings- en inoculatie

  1. De elektrochemische cel instellen
    1. IDA, teller elektrode en referentie-elektrode in de elektrochemische cel ingevoegd.
      Opmerking: De elektrochemische reactor gebruikt sterk kan verschillen, zolang alle van de elektroden passen binnen. Een overweging is dat de referentie-elektrode zo dicht mogelijk bij de elektrode werken de praktische grenzen van de reactor krijgen moet. Hier, gebruiken we een enkelvoudige kamer reactor met de referentie-elektrode ~ 2-3 cm vanaf de elektroden van de werken. Ook moet de teller elektrode groter zijn dan de elektrode werken om ervoor te zorgen dat het niet in het systeem beperkt.
    2. Als u werkt met een reincultuur, steriliseren de reactor met de teller-elektrode binnen. Steriliseren van de referentie-elektrode in onderdompelen in bleekmiddel voor 10 min en steriel gedeïoniseerd water voor 10 min. de IDA steriliseren door dompelen in bleekmiddel voor 5 s gevolgd door steriel gedeïoniseerd water voor 10 s voor de insertdatum in de reactor.
    3. Vul de elektrochemische cel met steriele medium geschikt voor groei van de biofilm. Gebruik voor G. sulfurreducens17,18, zoetwater medium exclusief fumaraat. 9 gebruik voor biocathode MCL, kunstmatig zeewater medium. 9
    4. De elektroden aansluit op een bipotentiostat. Sluit één IDA elektrode naar de werkende leiden 1, de andere IDA elektrode naar de werkende leiden 2, de referentie-elektrode naar de voorsprong van de verwijzing en de teller-elektrode aan de leiding van de teller.
  2. Elektrochemische testen van IDAs.
    Opmerking: Het belangrijkste doel van deze test is om ervoor te zorgen dat de twee elektroden elektrisch geïsoleerd zijn. Alle elektrochemische technieken zijn beschikbaar in de software die wordt gebruikt om te controleren van de bipotentiostat.
    1. Controle geleidbaarheid testen (vóór biofilm groei) uitvoeren om ervoor te zorgen de juiste IDA functie met behulp van een bipotentiostat.
      1. Maatregel het open circuit potentieel van elke elektrode voor 1 min.
        Opmerking: Op sommige instrumenten, open stroomkring potentiële moet worden bereikt met behulp van het programma van de collectie galvanostatic en de huidige instelt op 0 mA.
      2. Maatregel het potentieel van de open circuit van elektrode 2 tijdens het uitvoeren van cyclische voltammetrie op elektrode 1 tussen +0.2 V te +0.6 V (vs. zij) 20 mV/s.
        Opmerking: Andere grenzen en scan tarieven voor CV kunnen worden gebruikt indien gewenst. Vermijd echter mogelijkheden die in waterstof en zuurstof generatie resulteren zal.
      3. Controleer of dat het open circuit potentiële gemeten bij elektrode 2 niet het potentieel van de elektrode 1 doet spiegel tijdens de CV met behulp van de potentiostaat software.
        Noot: Het potentieel van de open circuit van elektrode 2 kan veranderen, maar het moet onafhankelijk zijn van het potentieel van de elektrode 1.
      4. Herhaal de stappen 2.2.1.1 via 2.2.1.3 maar controle het potentieel van de elektrode 2 en maatregel het potentieel van de open circuit van elektrode 1.
    2. Stel het potentieel van werkende elektroden op het gewenste groeipotentieel van de biofilm van de relevante electroactive met behulp van de bipotentiostat software. Gebruik bijvoorbeeld + 0.5 V (vs. zij) voor Geobacter sulfurreducens of +0.31 V (vs. zij) voor biocathode MCL.
  3. Relevante electroactive biofilm groeien
    1. Beënt de elektrochemische reactor van een voorraad cultuur/verrijking van de gewenste elektrochemisch actieve micro-organismen met behulp van standaard aseptische microbiologische technieken. Voor de gangbare proeven, enten in een 1:20 verhouding (entmateriaal reactor volume) van een OD600 = 0.5 cultuur.
    2. De roeren in de reactor naar het gewenste niveau (~ 200 rpm) en de incubator set / bad met water tot de gewenste temperatuur op basis van de voorwaarden van de groei van de biofilm van belang. Voor G. sulfurreducens, gebruik van 30 ° C voor optimale groei.
    3. Incubeer het systeem op basis van de specifieke eisen van de microorganism(s) van belang totdat de biofilm overbrugt de kloof die die scheidt de twee elektroden. Voor stationaire G. sulfurreducens de biofilm, Incubeer gedurende ~ 7-10 dagen. Incubeer voor biocathode MCL, ~ 7 dagen. In elk geval bepalen de temperatuur bij 30 ° C.

3. de elektrochemische gating experimenten

  1. Selecteer de experimentele parameters die worden gebruikt voor het bepalen van de afhankelijkheid van de huidige-potentieel voor de gating metingen.
    1. Het bereik van poort mogelijkheden die zullen worden toegepast op de IDA te verkrijgen van de transiënte stroom (ISD) tegenover gate potentiële (EG) curve voor het systeem te bepalen.
      Opmerking: Het bereik van poort mogelijkheden onderzocht dient alle mogelijkheden met mogelijke redox activiteit. Als geen informatie over het systeem van belang beschikbaar is, moet een breed mogelijke reeks gebruikte (-0.55 te +0.6 V vs. ze). Een vallen en opstaan benadering kan worden gebruikt om te fine-tunen van het bereik dat is gebaseerd op het systeem onder studie. Gate potentiële wordt gedefinieerd als:
      figure-protocol-1
      waar ED is het potentieel van de afvoer elektrode en ES is het potentieel van de bron-elektrode. Het bereik van poort potentieel gebruikt wordt beperkt door de vereisten en beperkingen van het specifieke systeem van belang. 18
      Opmerking: Bron en afvoer mogelijkheden die in zuurstof en waterstof evolutie resulteren zal moeten worden vermeden aangezien deze processen de biofilm kunnen beschadigen.
    2. Het bepalen van de bron-afvoer spanning (VSD) dat zal worden gebruikt als de drijvende kracht voor elektronentransport door middel van de film van de bron tot de drain. Bron-afvoer spanning is gedefinieerd als:
      figure-protocol-2
      Opmerking: De spanning van de bron-afvoer moet voldoende klein zodat ikSD lineair met VSD schalen. 17
    3. Kies een scansnelheid (v) waartegen EG is lineair veranderd met de tijd die onafhankelijk is van ISD zodat het systeem kan worden benaderd op steady-state voor elke potentiële poort.
      Opmerking: Een scanfrequentie van minder dan 0,002 V/s wordt vaak gebruikt voor biologische systemen. 29 , 30
    4. Instellen van de bipotentiostat-software het gating metingen uit te voeren (dat wil zeggen vegen de poort potentiële) over het geselecteerde bereik, met de geselecteerde bron-afvoer werkspanning, en de gewenste scan rate op basis van de bovenstaande overwegingen.
      Opmerking: voor vorige gating metingen met behulp van G. sulfurreducens,17,19 EG =-0.55 V 0,6 V (vs. zij), V-SD = 0,01 V of 0,1 V, v = 0,001 V/s. Voor Biocathode MCL, EG = 0,25 V naar 0,7 V (vs. zij), V-SD = 0.002 V, v = 0,0002 V/s.
      1. Bovendien voeren een nulmeting met VSD = 0.000 V (dat wil zeggen, een CV op elke individuele elektrode gelijktijdig) op de dezelfde v gekozen in stap 3.1.3.
    5. Gating metingen met behulp van de voorwaarden in 3.1.4 onder beide omzet (met oplosbare elektrondonor of acceptor aanwezig) en niet-omzet (zonder oplosbare elektrondonor of acceptor) voorwaarden uit te voeren.
      Opmerking: Niet-omzet voorwaarden zijn voordelig omdat metingen worden niet verduisterd door de oxidatie of reductie van oplosbare verbindingen voor cellulaire metabolisme, hoewel vergelijkbare resultaten moeten worden verkregen ongeacht welke voorwaarde wordt gebruikt na het af te trekken achtergrond stromingen (zie 3.1.8).
      1. Omzet voorwaarden bereiken met behulp van hetzelfde reactor medium zoals gebruikt voor de groei van de bacteriën op de elektrode. Dit medium bevat een oplosbare elektrondonor, zoals acetaat voor G. sulfurreducens,17 of acceptor, zoals zuurstof voor Biocathode MCL.
      2. Niet-omzet voorwaarden bereiken doordat hetzelfde reactor medium gebruikt voor bacteriële groei op de elektrode, behalve de oplosbare elektrondonor of acceptor weglaat. Als u zeker bent dat de potentiostaat uitstaat, verwijder het medium aseptisch en voeg in verse medium zonder de elektronendonor anodic voorsystemen of accepteerder voor kathodische systemen. Als alternatief, een continue stroom kan worden opgezet om het medium langzaam vervangen door het gewenste medium voor nonturnover voorwaarden.
        Opmerking: Als zuurstof is de acceptor oplosbare elektron (wat betreft biocathode MCL), sparge het systeem met een mengsel van ~ 15% CO2 en 85% N2 (of een gasmengsel dat voor de juiste pH-waarde in het medium zorgt).
    6. Na voltooiing van de gating metingen, door de potentiostaat-software te gebruiken om het potentieel van elke elektrode terug naar de groei potentieel om het systeem opnieuw te stabiliseren (met dezelfde waarden zoals in 2.2.2) te laten.
    7. Als alle van de hierboven beschreven voorwaarden wordt voldaan (ikSD is onafhankelijk van v en schalen lineair met VSD), ikSD waarden converteren naar geleidendheid met behulp van de volgende vergelijkingen als hierboven beschreven31
      figure-protocol-3
      figure-protocol-4
    8. waar is G de geleidbaarheid en de S een schaalfactor die is afhankelijk systeem, en factoren in variabelen zoals elektrode grootte, gat grootte en hoogte van de biofilm. Voor bepaalde systemen, kan S worden bepaald uit vooraf bepaalde vergelijkingen. 31 anderzijds S kan worden berekend met een software modellering, numeriek eerder als gedetailleerde. 17
    9. Aftrekken van de stromingen van de achtergrond om de vorm en omvang van de transiënte stroom te identificeren. Ofwel aftrekken van de huidige gegenereerd op VSD = 0,00 V van de huidige gegenereerd op VSD = 0,01 V of aftrekken van de afvoer huidige van de huidige bron gegenereerd met een V-SD = 0,01 V. beide methode verwijdert achtergrond stromingen, verlaten alleen de transiënte stroom.
  2. Afhankelijke elektrochemische gating temperatuurmetingen
    1. Het bereik van temperaturen van belang te bepalen. Dit bereik is sterk afhankelijk van het systeem onder studie, nochtans fysiologisch relevante temperaturen moeten worden gebruikt.
      Opmerking: Vorige studies hebben gebruikt een temperatuurbereik van 10 ° C tot 30 ° C te bestuderen elektronentransport fysiologisch relevante voorwaarden voor mesofiele micro-organismen. 17
    2. Het verkrijgen van een recirculatie waterbad of broedstoof te regelen van de temperatuur van de reactor en een reactor van de controle om ervoor te zorgen dat het instelpunt en de werkelijke temperatuur van het medium is hetzelfde.
      1. Plaats een thermometer of het thermokoppel in een besturingselement reactor waar de IDA zou zijn.
    3. Maak ikSD metingen (zie 3.1.4) over het bereik van temperaturen hebt geselecteerd onder omzet en nonturnover (beschreven in stap 3.1.5) voorwaarden met behulp van de bipotentiostat na één van de twee hieronder beschreven procedures.
      1. Genereer ikSD vs. EG curven, zoals eerder beschreven (zie 3.1), voor elke temperatuur over het temperatuurbereik van belang. Voor materialen vertonen die redox geleidbaarheid, zoals G. sulfurreducens en Biocathode MCL, de piekstroom van elke temperatuur wordt gebruikt om te bepalen de ikSD vs. T afhankelijkheid.
        Opmerking: Deze methode wordt gebruikt voor het genereren van een volledige ikSD vs. EG kromme voor elke temperatuur, maar vergt meer tijd dan de tweede optie.
      2. Afwisselend, ingesteld en houden de IDA bij de gate potentiële dat de opbrengst maximaal uitgevoerd huidige met behulp van de bipotentiostat (verkregen uit de ISD vs EG kromme, stap 3.1.4) en de maximale transiënte stroom met behulp van de bipotentiostat tijdens het opnemen de temperatuur is tussen de waaier van temperaturen geselecteerd met behulp van de ingebouwde besturingselementen van het waterbad of de broedstoof gefietst.
        Opmerking: met de geometrie van de elektrode/reactor gebruikt hier deSD en T zijn toegestaan om te stabiliseren voor minstens 20 min en een gemiddelde stabiele ikSD wordt gebruikt voor elke temperatuur. Min of meer kan stabilisatie tijd worden verlangd op basis van het specifieke systeem. Deze methode is sneller dan de eerste en minder stress bij de biofilm veroorzaakt. Volledige gating curven worden echter niet gegenereerd.
      3. Cyclus van de temperatuur van het ene punt van de set naar de andere en weer opnieuw met behulp van de ingebouwde besturingselementen van de incubator of het waterbad om te bepalen van de omkeerbaarheid van de reactie op de zorgen dat de temperatuur fietsen niet schadelijk is voor de biofilm.
    4. Reset de temperatuur terug naar de normale groei-temperatuur met behulp van de on-board bedieningselementen van de incubator of water bad en laat het systeem te stabiliseren.
      Opmerking: Voor een redox-dirigent, de ikSD versus 1/T gegevens kan worden passen met de expressie voor het tarief van Arrhenius, waarmee de berekening van de activeringsenergie als volgt:
      figure-protocol-5
      figure-protocol-6
      waar is Eeen de activeringsenergie voor de elektronen overdracht tussen aangrenzende redox cofactoren en k de constante van Boltzmann.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

IDAs werden wired, geïsoleerd en getest om ervoor te zorgen dat de twee elektroden elektrisch geïsoleerd van elkaar (Figuur 1 werden). Reactoren werden geassembleerd, geënt met G. sulfurreducensen geïncubeerd totdat een biofilm overbruggen van de kloof tussen de elektroden. De G. sulfurreducens biofilm kan visueel worden gezien worden voor de matrix. Andere biofilms kunnen eisen van de onderzoeker te doen van een elektrochemische gating meti...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tijdens de installatie van de IDA is het essentieel om te testen dat de bron en de afvoer niet samen vóór elektrochemische gating metingen, kortgesloten worden zoals dit zal veranderen de ikSD vs. EG curve en tot onjuiste resultaten en interpretaties leiden kan. Het is ook cruciaal om te selecteren VSD en v zodanig zijn dat de huidige lineair afhankelijk VSD en onafhankelijk zijn van v. Als dit niet het geval, dan is de vergelijkingen hierboven beschreven kunnen niet worden geb...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

M.D.Y, S.M.G-S. en LMT erkennen de Office of Naval Research (Award #N0001415WX01038 en N0001415WX00195), de Naval Research Laboratory en het Naval Research Laboratory nanowetenschappen Institute; M.Y.E.-N. wordt ondersteund door het VS departement van energie Grant DE-FG02-13ER16415.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
IDAsCH Instruments012125Vervaardigd door ALS-Japan; verkocht door CH Instruments
WireDigikeyW7-ND
Leidbaar zilver epoxyElectron microscopy sciences12670-EE
Isoleermateriaal3M2131-BScotchast vlamvertragend compound
15 mL conische centrifugeerbuisVWR89004-368
21g naaldVWRBD-305165
5 mL pipettentipsVWR82018-842
5 mL pipettorVWR89079-976
Zoetwatermedium componentenSigma AldrichAlle standaard laboratoriumchemicaliën
     Ammoniumchloride
     Natriumfosfaat monobasicum
     Natriumbicarbonaat
Kunstmatig zeewatermedium componentenSigma AldrichAlle standaard laboratoriumchemicaliën
     Natriumchloride
     Magnesiumchloride hexahydraat
     Magnesiumsulfaat heptahydraat
     Kaliumchloride
     Natriumbicarbonaat
     Calciumchloride dihydraat
     Ammoniumchloride
     Kaliumfosfaat dibasicum
Ag/AgCl referentie-elektrodeBasiMF-2079
Grafietrode tegenelektrodeElectron microscopy sciences70230
Recirculerende waterbadThermo Scientific152-5256
BipotentiostaatPine InstrumentsWD-20http://www.voltammetry.net/pine/aftermath/user
ReepjesVWR58947-114
G. sulfurreducens cultuurATCC51573
Jacketed reactorPine InstrumentsRRPG085

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Boyd, D. A., et al. Biofilms in Bioelectrochemical Systems. , John Wiley & Sons, Inc. 177-210 (2015).
  2. Natan, M. J., Wrighton, M. S. Chemically modified microelectrode arrays. Prog Inorg Chem. 7, 391-494 (1990).
  3. Paul, E. W., Ricco, A. J., Wrighton, M. S. Resistance of polyaniline films as a function of electrochemical potential and the fabrication of polyaniline-based microelectronic devices. J Phys Chem-US. 89, 1441-1447 (1985).
  4. Dalton, E. F., et al. Charge transport in electroactive polymers consisting of fixed molecular redox sites. Chem Phys. 141, 143-157 (1990).
  5. Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Electroactive Polymers and Macromolecular Electronics. Science. 231, 25-31 (1986).
  6. Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Redox capacity and direct current electron conductivity in electroactive materials. J Phys Chem-US. 90, 1479-1484 (1986).
  7. Gregoire, K. P., Glaven, S. M., Hervey, J., Lin, B., Tender, L. M. Enrichment of a High-Current Density Denitrifying Microbial Biocathode. J Electrochem Soc. 161, H3049-H3057 (2014).
  8. Siegert, M., Yates, M. D., Spormann, A. M., Logan, B. E. Methanobacterium dominates biocathodic Archaeal communities in methanogenic microbial electrolysis cells. ACS Sus Chem Eng. 3, 1668-1676 (2015).
  9. Wang, Z., et al. A previously uncharacterized, nonphotosynthetic member of the Chromatiaceae is the primary CO2-fixing constituent in a self-regenerating biocathode. Appl Environ Microbiol. 81, 699-712 (2015).
  10. Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., May, H. D. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environ Sci Technol. 47, 6023-6029 (2013).
  11. Strik, D. P. B. T. B., Picot, M., Buisman, C. J. N., Barrière, F. pH and Temperature Determine Performance of Oxygen Reducing Biocathodes. Electroanalysis. 25, 652-655 (2013).
  12. Strycharz, S. M., et al. Reductive dechlorination of 2-chlorophenol by Anaeromyxobacter dehalogenans with an electrode serving as the electron donor. Environ Microbiol Report. 2, 289-294 (2010).
  13. Yates, M. D., et al. Microbial Electrochemical Energy Storage and Recovery in a Combined Electrotrophic and Electrogenic Biofilm. Environ Sci Technol Lett. 4, 374-379 (2017).
  14. Tender, L. M., et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nature Biotechnology. 20, 821-825 (2002).
  15. Yates, M. D., Siegert, M., Logan, B. E. Hydrogen evolution catalyzed by viable and non-viable cells on biocathodes. Int J Hydrogen Energ. 39, 16841-16851 (2014).
  16. Fokina, O., Eipper, J., Winandy, L., Kerzenmacher, S., Fischer, R. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus. Bioresource Technol. 175, 445-453 (2015).
  17. Yates, M. D., et al. Thermally activated long range electron transport in living biofilms. Phys Chem Chem Phys. 17, 32564-32570 (2015).
  18. Yates, M. D., et al. Measuring conductivity of living Geobacter sulfurreducens biofilms. Nat Nano. 11, 910-913 (2016).
  19. Snider, R. M., Strycharz-Glaven, S. M., Tsoi, S. D., Erickson, J. S., Tender, L. M. Long-range electron transport in Geobacter sulfurreducens biofilms is redox gradient-driven. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 15467-15472 (2012).
  20. Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., Tender, L. M. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energ Environ Sci. 4, 4366-4379 (2011).
  21. Malvankar, N. S., Tuominen, M. T., Lovley, D. R. Comment on "On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms" by S. M. Strycharz-Glaven, R. M. Snider, A. Guiseppi-Elie and L. M. Tender, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4366. Energy Environ. Sci. 5, 6247-6249 (2012).
  22. Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nanotechnol. 6, 573-579 (2011).
  23. Strycharz-Glaven, S. M., Tender, L. M. Reply to the 'Comment on "On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms"' by N. S. Malvankar, M. T. Tuominen and D. R. Lovley, Energy Environ. Sci., 2012, 5. Energy Environ. Sci. 5, 6250-6255 (2012).
  24. Strycharz-Glaven, S. M., et al. Electron Transport through Early Exponential-Phase Anode-Grown Geobacter sulfurreducens Biofilms. Chem Electro Chem. 1, 1957-1965 (2014).
  25. Chidsey, C. E., Feldman, B. J., Lundgren, C., Murray, R. W. Micrometer-spaced platinum interdigitated array electrode: fabrication, theory, and initial use. Anal Chem. 58, 601-607 (1986).
  26. Li, C., Lesnik, K. L., Fan, Y., Liu, H. Redox Conductivity of Current-Producing Mixed Species Biofilms. PLOS ONE. 11, e0155247(2016).
  27. Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nano. 6, 573-579 (2011).
  28. Ing, N. L., Nusca, T. D., Hochbaum, A. I. Geobacter sulfurreducens pili support ohmic electronic conduction in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys. 19, 21791-21799 (2017).
  29. Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells. Energ Environ Sci. 1, 144-147 (2008).
  30. Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms. Appl Environ Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).
  31. Kankare, J., Kupila, E. -L. In-situ conductance measurement during electropolymerization. J Electroanal Chem. 322, 167-181 (1992).
  32. Byun, H. S., Pirbadian, S., Nakano, A., Shi, L., El-Naggar, M. Y. Kinetic Monte Carlo Simulations and Molecular Conductance Measurements of the Bacterial Decaheme Cytochrome MtrF. Chem Electro Chem. 1, 1932-1939 (2014).
  33. El Kasmi, A., Wallace, J. M., Bowden, E. F., Binet, S. M., Linderman, R. J. Controlling interfacial electron-transfer kinetics of cytochrome c with mixed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 120, 225-226 (1998).
  34. Bortolotti, C. A., et al. The Reorganization Energy in Cytochrome c is Controlled by the Accessibility of the Heme to the Solvent. J Phys Chem Lett. 2, 1761-1765 (2011).
  35. Gallaway, J. W., Calabrese Barton, S. A. Kinetics of Redox Polymer-Mediated Enzyme Electrodes. J Am Chem Soc. 130, 8527-8536 (2008).
  36. Thackeray, J. W., White, H. S., Wrighton, M. S. Poly(3-methylthiophene)-coated electrodes: optical and electrical properties as a function of redox potential and amplification of electrical and chemical signals using poly(3-methylthiophene)-based microelectrochemical transistors. J Phys Chem-US. 89, 5133-5140 (1985).
  37. Jugnet, Y., Tourillon, G., Duc, T. M. Evidence of Intrinsic Extended π-Bonding Band and Metalliclike Behavior in Undoped and Doped Electropolymerized Poly (3-methylthiophene) Films. Phys Rev Lett. 56, 1862-1865 (1986).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Elektrochemische gatinginterdigitaal elektrode arrayextracellulair elektronentransportmicrobi le biofilmsbipotentiostaatGeobacter sulfurreducensgeleidende polymeerfilmssource drain stroomgate potentiaaltemperatuurcycli

Gerelateerde artikelen