Name: Afvalwater Afgeleide Elektroactieve Microbiële Biofilms: Groei, Onderhoud en Basis Karakterisering (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 58 s
Description: Leer anodische elektroactieve microbiële biofilms kweken uit afvalwater en karakteriseer hun bio-elektrokatalytische eigenschappen met chronoamperometrie en cyclische voltammetrie.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

F.H. erkent de ondersteuning van de BMBF (onderzoeksprijs “Next generation biotechnological processes - Biotechnology 2020+”) en de Helmholtz-Association (Young Investigators Group).

Aangezien de selectieprocedure in de bio-elektrochemische fed-batch reactor zeer specifiek is vanwege de keuze van substraat en anaërobe omstandigheden, is werken onder steriele omstandigheden niet noodzakelijk voor het gedemonstreerde voorbeeld.
1. Voorbereiding van groeimedium
<ol>
	<li>Bereid een geschikte hoeveelheid groeimedium voor door gebruik te maken van een fosfaatbuffer volgens Kim et al.13 (zie Tabel 1). Hier dient natriumacetaat (10 mM) als substraat. Het in dit artikel gebruikte groeimedium is slechts een voorbeeld en kan, afhankelijk van het experimentele doel, variëren in zijn componenten.</li>
	<li>Voeg 1 ml van primair afvalwater toe per 20 ml van groeimedium als inoculum. Het afvalwatermonster wordt genomen uit een gemeentelijk afvalwaterzuiveringsinstallatie na de mechanische filtratie (zie bijvoorbeeld Figuur 2) en kan tot drie maanden worden bewaard in een gesloten container bij 4 °C. 
	(Opmerking: Afhankelijk van het doel van het experiment kan het exacte aantal cellen in het begin belangrijk zijn en moet dan worden bepaald. In het gedemonstreerde voorbeeld is het aantal cellen in het begin niet belangrijk, omdat de biofilm steady-state omstandigheden bereikt.)</li>
	<li>Spoel het medium inclusief het inoculum gedurende minimaal 30 min met stikstof om het te de-aereren, door een naald in het medium te steken en de stikstofstroom in te schakelen.  De stroom moet sterk genoeg zijn zodat je een volledige menging van het medium kunt waarnemen. 
	(Opmerking: Afhankelijk van het volume van het medium zou men zelfs moeten overwegen de tijd van de-aeratie te verlengen. Tijdens de de-aeratie instelling (stappen 2.1-2.2))</li>
</ol>
2. Instelling van Fed-batch Reactor
<ol>
	<li>Neem een geschikte reactorvat- hier wordt een gemodificeerde 4-halsige 250 ml ronde bodemfles gebruikt. 
	(Opmerking: Over het algemeen moet de vat ten minste vier inlaten hebben. Deze zijn nodig voor de drie elektroden en voor bemonstering/medium uitwisseling. Geproduceerde gasvolumes kunnen worden verwaarloosd wanneer de reactor regelmatig wordt geopend vanwege bemonstering of medium verandering, alternatief zou een bellenteller moeten worden geïnstalleerd. Om ongewenste fototrofe groei te voorkomen, moeten de reactoren worden beschermd tegen directe blootstelling aan licht.)</li>
	<li>Plaats voor de drie-elektrode opstelling (zie Figuur 3 en sectie 3 voor details) de referentie-elektrode (RE) (hier Ag/AgCl, verz. KCl, 0,197 V vs. SHE), de werkelektrode (WE) en de tegenelektrode (CE) in de fles door individuele inlaten via siliconen pluggen – luchtdicht afsluiten. 
	(Opmerking: Als WE en CE worden grafietstaafjes gebruikt. De draad van de elektroden wordt door de siliconen plug getrokken en extern bevestigd. De referentie-elektrode wordt via een geboord gat door de siliconen plug geplaatst. Om kortsluitingen te voorkomen, zorg ervoor dat er geen fysiek contact is tussen de elektroden, zelfs tijdens het roeren of media recirculatie. Plaats de elektroden zodat ze volledig bedekt zijn met mediumoplossing. Voor afdichting wikkel de siliconen plug van elke inlaat met Parafilm.)</li>
	<li>Giet het groeimedium inclusief het inoculum (hier 250 ml) door de bemonsteringspoort in de reactor terwijl met stikstof wordt gespoeld.</li>
	<li>Sluit de laatste inlaat af met een siliconen plug en sluit deze luchtdicht af. Opmerking: Zuurstofsporen zullen de gemengde soorten biofilms niet schaden. Ze zijn in staat om lage zuurstofniveaus te weerstaan en zelfs te consumeren, wat op zijn beurt de CE kan verlagen.</li>
</ol>
3. Chronoamperometrisch Biofilm Groei
<ol>
	<li>Verbind de elektroden met de respectieve kabels van de potentiostat. Plaats het vat in een temperatuur gecontroleerde kamer, hier wordt 35 °C gebruikt31, om constante omgevingsomstandigheden te garanderen.</li>
	<li>Open de software om de potentiostat te besturen en kies de techniek: Chronoamperometrie. Stel de parameters bijvoorbeeld als volgt in: Een constant potentiaal EWE van 0,2 V (vs. Ag/AgCl) gedurende een duur t van 500 uur (≈ 20 dagen). De stroom wordt elke minuut opgenomen in tijdsstappen dti. 
	Opmerking: De keuze van het toegepaste potentiaal is afhankelijk van het bestudeerde systeem/micro-organisme. Over het algemeen worden anode processen bestudeerd bij positief potentiaal en kathode processen bij negatieve potentiaal. Men kan ook een geschikt potentiaal afleiden uit de standaard potentiaal van de elektron donor/acceptor en formele potentiaal van de verwachte microbiële elektron transfer site, hier als startpunt verwijzen naar recente literatuur.</li>
	<li>Start de chronoamperometrie. Een grafiek van de gemeten stroom over tijd wordt door de software geplot, de waargenomen maximale stroom (imax) is een belangrijke online parameter, zoals besproken in secties 4 en 5. </li>
</ol>
4. Biofilm Onderhoud
<ol>
	<li>Afhankelijk van de omgevingsomstandigheden, bijv. de temperatuur, begint een oxidatieve stroom te stromen en bereikt een plateau (zie Figuur 4). Nadat de nulstroom weer is bereikt, onderbreek de chronoamperometrische meting en vul het mediumoplossing aan. Voor een snellere biofilm groei, vervang het medium direct nadat het plateau van de maximale stroom is bereikt. Open de bemonsteringspoort en ontlaad voorzichtig, zonder de dunne biofilm te vernietigen, het medium. Terwijl het medium wordt bijgevuld, spoel opnieuw met stikstof. Sluit de bemonsteringspoort en sluit luchtdicht

<ol><li>Rabaey, K., Angenent, L., Schröder, U., Keller, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRabaey%2C+K+%22Integrated+Environmental+Technology+Series%22">Integrated Environmental Technology Series</a>. Lens, P. , IWA Publishing. London, New York. (2010).</li>
<li>Logan, B. E., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+wastes+into+bioelectricity+and+chemicals+using+microbial+electrochemical+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals using microbial electrochemical technologies.</a> Science. 337, 686-690 (2012).</li>
<li>Rabaey, K., Rozendal, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+electrosynthesis+-+revisiting+the+electrical+route+for+microbial+production%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Microbial electrosynthesis - revisiting the electrical route for microbial production.</a> Nat. Rev. Microbiol. 8, 706-716 (2010).</li>
<li>Harnisch, F., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Diversity+of+Techniques+to+Study+Electrochemically+Active+Biofilms+Highlights+the+Need+for+Standardization%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization.</a> ChemSusChem. 5, 1027-1038 (2012).</li>
<li>Logan, B. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+Fuel+Cells%3A+Methodology+and+Technology%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology.</a> Environ. Sci. Technol. 40, 5181-5192 (2006).</li>
<li>Harnisch, F., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+MFC+to+MXC%3A+chemical+and+biological+cathodes+and+their+potential+for+microbial+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Soc.+Rev%22%5BJournal%5D)">From MFC to MXC: chemical and biological cathodes and their potential for microbial bioelectrochemical systems.</a> Chem. Soc. Rev. 39, 4433-4448 (2010).</li>
<li>TerAvest, M. A., Li, Z., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bacteria-based+biocomputing+with+Cellular+Computing+Circuits+to+sense%2C+decide%2C+signal%2C+and+act%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Bacteria-based biocomputing with Cellular Computing Circuits to sense, decide, signal, and act.</a> Energy Environ Sci. 4, 4907-4916 (2011).</li>
<li>Lovley, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bug+juice%3A+harvesting+electricity+with+microorganisms%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Bug juice: harvesting electricity with microorganisms.</a> Nat. Rev. Microbiol. 4, 12 (2006).</li>
<li>Lovley, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reach+out+and+touch+someone%3A+potential+impact+of+DIET+%28direct+interspecies+energy+transfer%29+on+anaerobic+biogeochemistry%2C+bioremediation%2C+and+bioenergy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Environ.+Sci.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Reach out and touch someone: potential impact of DIET (direct interspecies energy transfer) on anaerobic biogeochemistry, bioremediation, and bioenergy.</a> Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 10, 101-105 (2011).</li>
<li>Rosenbaum, M., Aulenta, F., Villano, M., Angenent, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cathodes+as+electron+donors+for+microbial+metabolism%3A+Which+extracellular+electron+transfer+mechanisms+are+involved%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technol%22%5BJournal%5D)">Cathodes as electron donors for microbial metabolism: Which extracellular electron transfer mechanisms are involved.</a> Bioresource Technol. 102, 324-333 (2011).</li>
<li>Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anodic+electron+transfer+mechanisms+in+microbial+fuel+cells+and+their+energy+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel cells and their energy efficiency.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 2619-2629 (2007).</li>
<li>Harnisch, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Revealing+the+electrochemically+driven+selection+in+natural+community+derived+microbial+biofilms+using+flow-cytometry%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Revealing the electrochemically driven selection in natural community derived microbial biofilms using flow-cytometry.</a> Energy Environ. Sci. 4, 1265 (2011).</li>
<li>Kim, J. R., Min, B., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+procedures+to+acclimate+a+microbial+fuel+cell+for+electricity+production%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Evaluation of procedures to acclimate a microbial fuel cell for electricity production.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 68, 23-30 (2005).</li>
<li>Liu, Y., Harnisch, F., Fricke, K., Sietmann, R., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improvement+of+the+anodic+bioelectrocatalytic+activity+of+mixed+culture+biofilms+by+a+simple+consecutive+electrochemical+selection+procedure%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Improvement of the anodic bioelectrocatalytic activity of mixed culture biofilms by a simple consecutive electrochemical selection procedure.</a> Biosens. Bioelectron. 24, 1006-1011 (2008).</li>
<li>Torres, C. sI., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selecting+Anode-Respiring+Bacteria+Based+on+Anode+Potential+Phylogenetic%2C+Electrochemical%2C+and+Microscopic+Characterization%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Selecting Anode-Respiring Bacteria Based on Anode Potential Phylogenetic, Electrochemical, and Microscopic Characterization.</a> Environ. Sci. Technol. 43, 9519-9524 (2009).</li>
<li>Virdis, B., Harnisch, F., Batstone, D. J., Rabaey, K., Donose, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+characterization+of+electrochemically+active+microbial+biofilms+using+confocal+Raman+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Non-invasive characterization of electrochemically active microbial biofilms using confocal Raman microscopy.</a> Energy Environ. Sci. 5, 7017-7024 (2012).</li>
<li>Scholz, F., Bond, A. M. Electroanalytical Methods: Guide to experiments and applications. 2, edn,(2010).</li>
<li>Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+biofilm+voltammetry%3A+direct+electrochemical+characterization+of+catalytic+electrode-attached+biofilms%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Environ.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms.</a> Appl. Environ. Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).</li>
<li>Harnisch, F., Freguia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Basic+Tutorial+on+Cyclic+Voltammetry+for+the+Investigation+of+Electroactive+Microbial+Biofilms%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry%22%5BJournal%5D)">A Basic Tutorial on Cyclic Voltammetry for the Investigation of Electroactive Microbial Biofilms.</a> Chemistry. 7, 466-475 (2012).</li>
<li>Marsili, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shewanella+secretes+flavins+that+mediate+extracellular+electron+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Shewanella secretes flavins that mediate extracellular electron transfer.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 3968-3973 (2008).</li>
<li>Bard, A. J., Inzelt, G., Scholz, F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBard%2C+AJ+%22Electrochemical+Dictionary%22">Electrochemical Dictionary</a>. , Springer. (2008).</li>
<li>Kim, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+activity+of+an+Fe%28III%29-reducing+bacterium%2C+Shewanella+putrefaciens+IR-1%2C+in+the+presence+of+alternative+electron+acceptors%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Tech%22%5BJournal%5D)">Electrochemical activity of an Fe(III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens IR-1, in the presence of alternative electron acceptors.</a> Biotechnol. Tech. 13, 475-478 (1999).</li>
<li>Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+use+of+cyclic+voltammetry+for+the+study+of+anodic+electron+transfer+in+microbial+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells.</a> Energy Environ. Sci. 1, 144 (2008).</li>
<li>Marsili, E., Sun, J., Bond, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voltammetry+and+Growth+Physiology+of+Geobacter+sulfurreducens+Biofilms+as+a+Function+of+Growth+Stage+and+Imposed+Electrode+Potential%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Voltammetry and Growth Physiology of Geobacter sulfurreducens Biofilms as a Function of Growth Stage and Imposed Electrode Potential.</a> Electroanalysis. 22, 865-874 (2010).</li>
<li>Busalmen, J. P., Esteve-Núñez, A., Berná, A., Feliu, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((C-Type+Cytochromes+Wire+Electricity-Producing+Bacteria+to+Electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem%22%5BJournal%5D)">C-Type Cytochromes Wire Electricity-Producing Bacteria to Electrodes.</a> Angew. Chem. 120, 4952-4955 (2008).</li>
<li>Millo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Spectroelectrochemical+Investigation+of+Electrocatalytic+Microbial+Biofilms+by+Surface-Enhanced+Resonance+Raman+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edn.+Engl%22%5BJournal%5D)">In Situ Spectroelectrochemical Investigation of Electrocatalytic Microbial Biofilms by Surface-Enhanced Resonance Raman Spectroscopy.</a> Angew. Chem. Int. Edn. Engl. 50, 2625-2627 (2011).</li>
<li>Hamelers, H. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+applications+and+performance+of+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">New applications and performance of bioelectrochemical systems.</a> Applied Microbiol. Biotechnol. 85, 1673-1685 (2010).</li>
<li>Richter, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclic+voltammetry+of+biofilms+of+wild+type+and+mutant+Geobacter+sulfurreducens+on+fuel+cell+anodes+indicates+possible+roles+of+OmcB%2C+OmcZ%2C+type+IV+pili%2C+and+protons+in+extracellular+electron+transfer.%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci.%22%5BJournal%5D)">Cyclic voltammetry of biofilms of wild type and mutant Geobacter sulfurreducens on fuel cell anodes indicates possible roles of OmcB, OmcZ, type IV pili, and protons in extracellular electron transfer.</a> Energy Environ. Sci.. 2, 506 (2009).</li>
<li>Torres, C. I., Kato Marcus, A., Rittmann, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proton+transport+inside+the+biofilm+limits+electrical+current+generation+by+anode-respiring+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Proton transport inside the biofilm limits electrical current generation by anode-respiring bacteria.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 872-881 (2008).</li>
<li>Torres, C. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+kinetic+perspective+on+extracellular+electron+transfer+by+anode-respiring+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22FEMS+Microbiol.+Rev%22%5BJournal%5D)">A kinetic perspective on extracellular electron transfer by anode-respiring bacteria.</a> FEMS Microbiol. Rev. 34, 3-17 (2010).</li>
<li>Patil, S. A., Harnisch, F., Kapadnis, B., Schröder, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroactive+mixed+culture+biofilms+in+microbial+bioelectrochemical+systems%3A+The+role+of+temperature+for+biofilm+formation+and+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Electroactive mixed culture biofilms in microbial bioelectrochemical systems: The role of temperature for biofilm formation and performance.</a> Biosens. Bioelectron. 26, 803-808 (2010).</li>
<li>Kim, J. R., Min, B., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+procedures+to+acclimate+a+microbial+fuel+cell+for+electricity+production%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Evaluation of procedures to acclimate a microbial fuel cell for electricity production.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 68, 23-30 (2005).</li>
<li>Balch, W. E., Fox, G. E., Magrum, L. J., Woese, C. R., Wolfe, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methanogens%3A+Reevaluation+of+a+unique+biological+group%5BTitle%5D)+AND+%22Microbiol.+Rev%22%5BJournal%5D)">Methanogens: Reevaluation of a unique biological group.</a> Microbiol. Rev. 43, 260-296 (1979).</li>
<li>He, Z., Mansfeld, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploring+the+use+of+electrochemical+impedance+spectroscopy+%28EIS%29+in+microbial+fuel+cell+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Exploring the use of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in microbial fuel cell studies.</a> Energy Environ. Sci. 2, 215-219 (2009).</li>
<li>Ter Heijne, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identifying+charge+and+mass+transfer+resistances+of+an+oxygen+reducing+biocathode%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Identifying charge and mass transfer resistances of an oxygen reducing biocathode.</a> Energy Environ. Sci. 4, 5035-5043 (2011).</li>
<li>Logan, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+up+microbial+fuel+cells+and+other+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 85, 1665-1671 (2010).</li>
</ol>

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

Het gepresenteerde protocol toont een eenvoudige en duidelijke manier om elektroactieve microbiële biofilms te kweken van afvalwater inoculaat met behulp van een drie-elektrode opstelling in een fed-batch reactor. Chronoamperometrie maakt de groei en selectie van elektroactieve microbiële biofilms uit diverse inocula mogelijk, evenals de fundamentele karakterisering van de biofilms in termen van maximale stroomdichtheid en coulombische efficiëntie. Cyclische voltammetrie, als een niet-invasieve techniek, maakt fundamentele studies mogelijk over de EET-thermodynamica van de microbiële biofilm en dus om mogelijke en actuele EET-overdrachtsplaatsen te identificeren. Samen laten deze parameters toe i) verschillende microbiële biofilms te karakteriseren en vergelijken onder identieke omstandigheden, alsook ii) de impact van verschillende operationele omstandigheden op identieke elektroactieve microbiële biofilms te bestuderen. Deze experimenten kunnen echter slechts een startpunt zijn. Aan de ene kant vereist het veelzijdige veld van microbiële bio-elektrochemie verdere en diepgaande exploitatie van elektrochemische methoden en protocollen. Dit omvat bijvoorbeeld modellen voor het extraheren van kinetische en mechanistische gegevens, evenals verdere methoden zoals elektrochemische impedantiespectroscopie34,35. Aan de andere kant kunnen elektrochemische methoden geen informatie verschaffen over de moleculaire aard, de microbiële samenstelling, de ruimtelijke microbiële organisatie, etc. Hier zijn verdere technieken nodig die ofwel niet-invasief en gekoppeld zijn aan elektrochemie ofwel invasief zijn4.  Box 2 biedt een korte bespreking van de cruciale stappen bij het uitvoeren van de experimenten evenals de eerste probleemoplossing. 

Vanuit het oogpunt van de techniek moet worden overwogen dat de elektroactieve biofilm-anode slechts één component is van de huidige microbiële bio-elektrochemische systemen en dat een veelvoud aan andere factoren moet worden geanalyseerd voor volledige systemen36. Toch hopen we dat dit video-artikel zal helpen om de kernelementen van BES, d.w.z. de microbiële elektroden, in de toekomst te begrijpen en aan te passen.

De verduidelijking van de fundamenten van microbiële extracellulaire elektronenoverdracht (EET) en de exploitatie ervan in geconstrueerde systemen is een vitaal en snel groeiend onderzoeks- en ontwikkelingsgebied1-3. De studie van deze elektroactieve (of bioelektrokatalytische of elektrochemisch actieve) micro-organismen, inclusief zuivere stammen, maar ook gedefinieerde co-culturen en complexe consortia, vereist een complex arsenaal aan technieken, methoden en protocollen4. Deze methoden zijn afkomstig uit diverse wetenschappelijke disciplines, bijv. elektrochemie, materiaalkunde, microbiologie en bieden inzichten op verschillende hiërarchische niveaus, dwz. van de volledige microbiële biofilm tot enkele moleculen. Daarbij vertegenwoordigen elektrochemie en elektrochemische methoden de basis van alle activiteiten.
Traditioneel werden brandstofcel-achtige opstellen vaak gebruikt voor het groeien en onderhouden van elektroactieve microbiële culturen in het archetype van deze geconstrueerde systemen: microbiële brandstofcellen (MFC's)5. Helaas lieten deze soorten MFC's vaak geen monitoring of zelfs controle toe van het potentieel van een enkele elektrode en dus waren er slechts beperkte inzichten in de elektrodeprocessen mogelijk- alleen de celspanning werd gerapporteerd. Nu wordt steeds meer erkend dat het individueel monitoren en controleren van de potentialen van enkele elektrodes in MFC's een duidelijk voordeel vertegenwoordigt, niet alleen voor fundamenteel onderzoek maar ook voor engineering. Bovendien, met de diversificatie van de toepassingen van microbiële elektrochemische technologieën die nu bijv. sanering, ontzilting, syntheses en zelfs biocomputing omvatten, in zogenaamde microbiële bio-elektrochemische systemen (BES)2,6,7 is een externe controle van individuele elektrodepotentialen vaak substantieel. Deze controle wordt meestal bereikt door externe stroombronnen of potentiostaten te gebruiken. Hierdoor maakt het gebruik van potentiostaten- in tegenstelling tot andere soorten opstellen- een exacte aanpassing van het individuele elektrodepotentieel mogelijk. Dit is van groot belang omdat de elektrode de terminale microbiële elektronenacceptor (voor anoden) of elektronendonor (voor kathoden) van de extracellulaire elektronenoverdracht vertegenwoordigt. Figuur 1 toont de huidige kennisstaat van de microbiële EET bij anoden- zie voor details bijv.2,4,6,8,9 De EET bij de kathode is nog steeds hoofdzakelijk onaangeboord10.
Zo maakt de controle van het elektrodepotentieel niet alleen het gebruik van reproduceerbare microbiële kweekcondities mogelijk, maar ook het afstemmen ervan in termen van EET-thermodynamica11. Binnen dit artikel wordt gedemonstreerd hoe de karakteristieke parameters van elektroactieve microbiële biofilms kunnen worden geëxtraheerd uit fed-batch reactorexperimenten met behulp van chronoamperometrie (CA) en cyclische voltammetrie (CV). Dit omvat de prestatieparameters maximale stroomdichtheid (jmax) en coulombische efficiëntie (CE) evenals EET-kenmerken. Hierbij zal de identificatie van de formele potentialen (Ef) van mogelijke en actuele elektronenoverdrachtsplaatsen in de focus staan. De extractie van deze parameters wordt getoond aan het voorbeeld van uit afvalwater afgeleide gemengde kweekbiofilms die worden gedomineerd door Geobacter spec.12 Deze uit afvalwater afgeleide biofilms worden verkregen door een eenvoudige elektrochemische selectieprocedure zoals aangetoond door talrijke onderzoeksgroepen over de hele wereld13-16.
Dynamische elektrochemische technieken om microbiële extracellulaire elektronenoverdracht te bestuderen
Voor een thermodynamische karakterisering van de EET van elektroactieve microbiële culturen zijn dynamische elektrochemische technieken nodig. In het algemeen omvatten deze technieken potentiaalgestuurde, d.w.z. voltammetrische, en stroomgestuurde, d.w.z. galvanodynamische, technieken17. Hierbij zijn de potentiaalgestuurde technieken meer prevalent en omvatten bijvoorbeeld, vierkante golfvoltammetrie en lineaire veegvoltammetrie18. Het populairst is echter cyclische voltammetrie (CV)19,20. CV is bekend en wijdverbreid in verschillende gebieden van de elektrochemie, variërend van batterijonderzoek via materiaalkunde tot enzymbio-elektrochemie21. De toepassing ervan op levende microbiële cellen kan echter pas meer dan een decennium geleden worden gedateerd22 en neemt de laatste jaren aanzienlijk toe23,24. Vooral de combinatie van CV en spectroscopische methoden heeft ongekende inzichten geboden in de EET-mechanismen en zijn moleculaire aard, bijv.25,26 Parallel hiermee werd het theoretische raamwerk voor de extractie van thermodynamische en theoretische kenmerken van de microbiële EET verbreed en verdiept27-30. Daarentegen echter, belemmeren experimentele verkeerd gebruik of ontoereikende data-analyse vaak de juiste toepassing van CV in het veld van microbiële bio-elektrochemie. Daarom, naast workshops (bijv. op het EU-ISMET 2012) en tutorials19, dient dit video-artikel een basisgids te bieden voor het uitvoeren van cyclische voltammetrische experimenten op elektroactieve bacteriën. Hierbij wordt het zich gericht op de basisexperimentele stappen en de fundamentele data-analyse en is het niet bedoeld om de nieuwste protocollen van kinetische analyse te bieden. De belangrijkste termen voor de volgende discussie zijn samengevat in Box 1 (aangepast van Harnisch en Freguia19 en gewijzigd).

<table><tbody><tr><td>Primair afvalwater</td><td>Afvalwaterzuiveringsinstallatie</td><td></td><td>Genomen na mechanische filtratie</td></tr><tr><td>250 ml Ronde bodemkolven met drie extra inlaten</td><td>Th.Geyer Berlin GmbH, Duitsland</td><td>9.011 845</td><td>Extra inlaten werden aangebracht door onze interne glasblazer</td></tr><tr><td>Ag/AgCl referentie-elektrode (sat. KCl, 0.195 V vs. SHE) met keramische membraan</td><td>Sensortechnik Meinsberg, Duitsland</td><td>SE 11</td><td></td></tr><tr><td>Grafietroden (&Oslash;=1 cm, l=3 en 5 cm)</td><td>CP-Handels-GmbH, Wachtberg, Duitsland</td><td></td><td>Gebruikt als elektrodemateriaal</td></tr><tr><td>Roestvrij staal, Nr. 1.4301, Draad Fe/Cr18/Ni10</td><td>Goodfellow GmbH, Bad Nauheim, Duitsland</td><td>155-923-05</td><td></td></tr><tr><td>Siliconen pluggen</td><td>Th.Geyer Berlin GmbH, Duitsland</td><td>9.230 512 en</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>neoLab, Heidelberg, Duitsland</td><td>3-1011</td><td>Voor afdichting om anaërobe omstandigheden te handhaven</td></tr><tr><td>Potentiostat/ Galvanostat Model MPG2</td><td>BioLogic Science Instruments, Frankrijk</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EC-Lab</td><td>BioLogic Science Instruments, Frankrijk</td><td></td><td>software voor het uitvoeren van elektrochemische metingen</td></tr><tr><td>Origin 8.6</td><td>OriginLab</td><td></td><td>data-analysesoftware</td></tr></tbody></table>

afvalwater afgeleide elektroactieve microbiële biofilms: groei, onderhoud en basis karakterisering

Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization

De groei van anodisch elektroactieve microbiële biofilms uit afvalwater inocula in een fed-batch reactor wordt gedemonstreerd met behulp van een drie-elektrode opstelling die wordt geregeld door een potentiostat. Hierdoor maakt het gebruik van potentiostaten een exacte aanpassing van het elektrodespotentiaal mogelijk en garandeert het reproduceerbare microbiële kweekomstandigheden. Tijdens de groei wordt de stroomproductie gemonitord met behulp van chronoamperometrie (CA). Op basis van deze gegevens worden de maximale stroomdichtheid (jmax) en de coulombische efficiëntie (CE) besproken als maatstaven voor de karakterisering van de bio-elektrokatalytische prestaties. Cyclische voltammetrie (CV), een niet-destructieve, d.w.z. niet-invasieve, methode, wordt gebruikt om de extracellulaire elektronenoverdracht (EET) van elektroactieve bacteriën te bestuderen. CV-metingen worden uitgevoerd op anodische biofilmelektroden in aanwezigheid van het microbiële substraat, d.w.z. omzetcondities, en in afwezigheid van het substraat, d.w.z. niet-omzetcondities, met behulp van verschillende scannelheden. Vervolgens wordt data-analyse geëxemplifieerd en worden fundamentele thermodynamische parameters van de microbiële EET afgeleid en uitgelegd: piekpotentiaal (Ep), piekstroomdichtheid (jp), formeel potentiaal (Ef) en piekscheiding (ΔEp). Daarnaast worden de beperkingen van de methode en de huidige stand van de data-analyse besproken. Hierdoor moet dit video-artikel een gids zijn voor de basisexperimentele stappen en de fundamentele data-analyse.

Chronoamperometrische groei van anodisch elektroactieve microbiële biofilms in een fed-batch reactor met behulp van een drie-elektrode opstelling, gecontroleerd door een potentiostaat, wordt gedemonstreerd. De extracellulaire elektronenoverdracht wordt gekenmerkt door middel van cyclische voltammetrie in de aanwezigheid van de elektronendonor en in de afwezigheid van de elektronendonor. Fundamentele data-analyse wordt gedemonstreerd.

Afvalwater Afgeleide Elektroactieve Microbiële Biofilms: Groei, Onderhoud en Basis Karakterisering

The growth of anodic electroactive microbial biofilms from waste water inocula in a fed-batch reactor is demonstrated using a three-electrode setup ...

Het algemene doel van deze procedure is om een anodische elektroactieve microbiële biofilm te laten groeien uit afvalwater inoculaat en om de bio elektro katalytische eigenschappen ervan te karakteriseren. Dit wordt bereikt door eerst een potentiaalstatisch bestuurde bio-elektrochemische fed batch reactor te installeren en te starten. De tweede stap is om de stroomproductie te controleren met behulp van Krono Pyrometrie.Vervolgens wordt het medium regelmatig vervangen na substraatuitputting totdat een reproduceerbare maximale stroomdichtheid wordt bereikt, wat een stabiele biofilmvorming vertegenwoordigt. De laatste stap is om de extracellulaire elektronenoverdracht van elektroactieve bacteriën te bestuderen met behulp van cyclische vol telemetrie tijdens de aanwezigheid en afwezigheid van het substraat. Uiteindelijk biedt gegevensanalyse fundamentele inzichten in de microbiële elektronenoverdrachtsthermodynamic en maakt het mogelijk om het formele potentieel van mogelijke en actuele extracellulaire elektronenoverdrachtssites te bepalen.Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat men direct inzicht kan krijgen in de elektronenoverdracht tussen micro-organismen en vaste elektroden en dus fundamentele informatie kan afleiden over de microbiële extracellulaire elektronenoverdracht. Over het algemeen zullen individuen die nieuw zijn bij de methode worstelen met de juiste parameterkeuze en de juiste interpretatie van de afgeleide grafiek. Tijdens gegevensverzameling en gegevensanalyse kunnen ernstige fouten worden gemaakt.Voordat u met deze procedure begint, bereidt u een geschikte hoeveelheid van het groeimedium voor met behulp van een fosfaatbuffer, inclusief verdere voedingsstoffen volgens de volgende referentie. Gebruik 10 millimolar natriumacetaat als substraat. Voeg één milliliter primair afvalwater toe per 20 milliliter groeimedium als inoculum.Steekt vervolgens een naald in het medium en spoel het minimaal een half uur met stikstof. Om het te de-aereren tijdens het spoelen met stikstof, meet de grootte van de elektrode voor de drie-elektrode setup. Plaats de werkelektrode, de tegenelektrode en de referentie-elektrode in een aangepaste vierhalsige, 250 milliliter ronde bodemkolf via siliconen pluggen.Wickel de siliconen pluggen met paraform om het systeem af te sluiten terwijl het met stikstof wordt gespoeld. Giet 250 milliliter van het groeimedium en inoculum mengsel door de monsterpoort in de reactor. Sluit de monsterpoort met een siliconen plug en sluit deze luchtdicht met perfil.Plaats het vat in een temperatuur gecontroleerde kamer van 35 graden Celsius om constante omgevingsomstandigheden te garanderen. Verbind vervolgens de elektroden met de respectieve kabels van de potentiaal stat. Open de software om de potentiaal stat te besturen en kies de techniek.Chrono pyrometrie. Stel de werkelektrode in op een constant potentieel van 0,2 volt voor een duurtijd van 500 uur met registratie elke 600 seconden, start vervolgens de chrono pyrometrie en observeer de grafiek van de gemeten stroom over tijd. Na het berekenen van de voorkeursstroomdichtheden, plot de gemeten stroomdichtheid als functie van de tijd.Nadat de oxidatieve stroom een plateau bereikt en terugkeert naar nul stroom, pauzeert u de chrono ampère metrische meting voor een mediumuitwisseling. Breng daarom het vat over in een laminaire stromingsbox en spoel het systeem met stikstof. Laat het medium voorzichtig leeg lopen en vul het aan met vers gede-aereerd medium na aanvulling van het medium.Sluit de monsterpoort en sluit deze af met paraform. Herhaal de vorige stappen totdat de maximale oxidatieve stroom een stabiele toestand bereikt. Neem na elke groeicyclus een monster van één milliliter van de verse en de vervangen mediumoplossingen voor substraatanalyse door HPLC. Om extracellulaire elektronenoverdracht te bestuderen, selecteert u de techniek cyclische vol telemetrie in de potentiaal stat controlerende software.Stel vervolgens het initiële potentieel EI van de werkelektrode in op negatief 0,5 volt ten opzichte van de referentie-elektrode, het toppotentieel E een op 0,3 volt en het eindpotentieel E twee op negatief 0,5 volt. Gebruik een scan snelheid van één millivolt per seconde. Start het experiment en neem minimaal drie cycli op om een reproduceerbare cv te verkrijgen.Na het berekenen van de voorkeursstroomdichtheden, plot de gemeten stroomdichtheid als functie van het potentieel van de werkelektrode. Uit de chrono ampère metrische metingen kunnen de maximale stroomdichtheid en de Kula-efficiëntie worden gemeten. Hier wordt een typische chronometrische biofilmgroeicurve van verschillende groeicycli weergegeven met behulp van een fed batch reactor.Na de initiële latentiefase begint een eerste stroomdichtheidsmaximum, waarna de stroom afneemt tot bijna nul stroomstroom als gevolg van substraatuitputting. Na substraataanvulling. De stroomdichtheid neemt weer toe met een hogere maximale stroomdichtheid.Na verschillende groeicycli is de maximale stroomdichtheid constant, wat duidt op een stabiele biofilmvorming. Aangezien de stabiele maximale stroomdichtheidswaarde afhankelijk is van verschillende parameters.Het wordt vaak beschouwd als een kenmerk van elektroactieve microbiële biofilm elektrode systemen. Het tweede operationele kenmerk is de omische efficiëntie, wat het aantal elektronen is dat wordt geregistreerd als elektrische stroom per fed batch cyclus in verhouding tot het theoretische maximale aantal elektronen. Zie het tekstprotocol voor details over hoe de oproepen efficiëntie, de elektrische stroom en het theoretische maximale aantal elektronen te berekenen.Hier is een typische CV voor niet-turnovercondities. Bij een hoge scansnelheid is de CV van een biofilm voor hoge scansnelheden waarbij slechts één piekpaar en dus één formele potentiaal EF kan worden geïdentificeerd, hier afgebeeld. In het algemeen kan het formele potentieel van een redoxkoppel worden berekend uit de piekpotentiaal van de oxidatiepiek EPA en de reductiepiek van de respectieve soort EPC.Door de rekenkundige gemiddelde te vormen, zie het tekstprotocol voor details over hoe de formele potentiaal te berekenen. Bij het toepassen van een voldoende lage scansnelheid op de identieke biofilm, kunnen tot vier redoxparen worden geïdentificeerd. De niet-turnover CV

waste-water-derived-electroactive-microbial-biofilms-growth

Research

JoVE Journal

Environment

Milieu

Source: Tokunou, Y. et. al., Electrochemical Detection of Deuterium Kinetic Isotope Effect on Extracellular Electron Transport in Shewanella oneidensis MR-1. J. Vis. Exp. (2018)This video demonstrates the assembly and operation of an electrochemical reactor model designed to simulate biofilm formation on electrode surfaces. Controlled electrochemical stimulation promotes microbial adhesion, leading to the gradual development of a bacterial monolayer biofilm.

Developing a Bacterial Monolayer Biofilm Using an Electrochemical Reactor

Industriële afvalstoffen kunnen worden verzameld en gemodificeerd om microbiële groei te analyseren. Technieken voor de extractie van lignocellulose leveren componenten om specifieke biologische afbraakcapaciteit te analyseren. Gaschromatografie-massaspectrometrie identificeert fermentatieproducten van micro-organismen die zijn gekweekt op pulpafval. Deze methoden bepalen het metabolische vermogen van micro-organismen om pulpafval af te breken.

Methoden voor het vergemakkelijken van microbieel groei op afvalstromen van pulpmolens en karakterisering van het biodegradatiepotentieel van gekweekte microben

We demonstreren de extractie van ammonium uit een ammonium-rijke stroom met behulp van een elektrochemisch en een bio-elektrochemisch systeem. De reactoropstelling, werking en gegevensanalyse worden besproken.

Elektrochemisch en Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

Het doel van deze methoden papier is het gebruik van een microfluïdische systeem te beschrijven voor de ontwikkeling van multi-species biofilms dat soort gewoonlijk geïdentificeerd in humaan supragingivale tandplaque bevatten. Methoden om biofilm architectuur, biofilm levensvatbaarheid, en een aanpak om te oogsten biofilm voor cultuur-afhankelijke of cultuur-onafhankelijke analyses zijn gemarkeerd beschrijven.

Toepassing van een High-throughput<em&gt; In Vitro</em&gt; Microfluïdische System op mondelinge Multi-species biofilms Ontwikkel

Een nieuw reactorontwerp, een zogenaamde bioreactor met hoge dichtheid (HDBR), wordt gepresenteerd voor het kweken en bestuderen van microbiële gemeenschappen met hoge dichtheid. Hier wordt de HDBR met succes toegepast in een fotobioreactor (PBR) configuratie voor de studie van stikstofmetabolisme door een gemengde algengemeenschap met hoge dichtheid.

A Novel Bioreactor voor High Density Teelt van Diverse microbiële gemeenschappen

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

Karakterisering van elektronentransport via levende Biofilms

Stroom cytometry in combinatie met visuele clustering biedt een easy-to-use en snelle methode voor het bestuderen van aquatische biofilms. Het kan worden gebruikt voor de karakterisering van de biofilm, de detectie van veranderingen in de structuur van de Gemeenschap van de biofilm, en detectie van abiotische deeltjes ingebed in de biofilm.

Karakterisering van aquatische Biofilms met stroom Cytometry

Dit artikel beschrijft methoden die drie gangbare biofilmoogst- en desaggregatietechnieken op twee oppervlaktetypen demonstreren, robuustheidstests van een oogstmethode en minimale informatie om te overwegen bij het kiezen en optimaliseren van oogst- en desaggregatietechnieken om de reproduceerbaarheid te vergroten.

Oogsten en uitsplitsen: een over het hoofd geziene stap in onderzoek naar biofilmmethoden

Dit protocol presenteert methodologie om biofilmgroei- en biomassametingen uit te voeren met behulp van zelfgeassembleerde pcr-plaatapparaten met diepe put voor statische biofilmscreening met hoge doorvoer en 96-well gekoppelde deksels.

Generatie van grotere bacteriële biofilmbiomassa met behulp van PCR-Plate Deep Well Microplate-apparaten

EPA-methode 1615 gebruikt een elektropositieve filter om enterovirussen en norovirusessen te concentreren in milieu- en drinkwater. Dit manuscript beschrijft de procedure voor het verzamelen van monsters voor analyse volgens Methode 1615.

EPA Method 1615. Meting van Enterovirus en Norovirus Voorkomen in water per cultuur en RT-qPCR. I. Het verzamelen van Virus Samples

Leer anodische elektroactieve microbiële biofilms kweken uit afvalwater en karakteriseer hun bio-elektrokatalytische eigenschappen met chronoamperometrie en cyclische voltammetrie.

Afvalwater Afgeleide Elektroactieve Microbiële Biofilms: Groei, Onderhoud en Basis Karakterisering

Meer video's verkennen