Wykazano, że kilka mikrobów redukujących minerały wykorzystuje minerały fazy stałej jako końcowe akceptory elektronów, poprzez procesy zewnątrzkomórkowego transportu elektronów (EET), które przewodzą elektrony na zewnątrz komórki za pośrednictwem enzymów redoks1. EET ma kluczowe znaczenie nie tylko dla procesów mikroorganizmowo-mineralnych, ale także dla stosowanych technologii energetycznych i środowiskowych, takich jak mikrobiologiczne ogniwa paliwowe2, electrode synthesis3 i bioremediation4. Nowe bakterie zdolne do EET są bardzo poszukiwane i zostały szeroko przebadane z perspektywy podstawowej lub stosowanej5. Mamy jednak ograniczony wgląd w ekologiczne lub biogeochemiczne znaczenie tych bakterii. Większość drobnoustrojów zdolnych do EET została wyizolowana po wzbogaceniu z fermentacji wodnej, osadowej lub beztlenowej przy użyciu stałych akceptorów elektronów, takich jak MnO2, Fe2O3 lub elektrod w laboratorium6,7,8. Jednak metody te często prowadzą do powstania podobnych konsorcjów i potencjalnie pomijają bardziej wrażliwe taksony, które mogą dominować w systemach o niskiej energii lub niskiej biomasie, co wpływa na zdolność tych drobnoustrojów do przystosowania się do środowiska laboratoryjnego lub hodowli aksenicznej9. Zwykle w środowiskach o niskiej biomasie duże ilości wody z danego miejsca są filtrowane w celu skoncentrowania komórek bakteryjnych. Jednak bakterie zdolne do EET często wykazują metabolizm beztlenowy, a zatem narażenie na tlen może dodatkowo hamować lub uniemożliwiać ich rozmnażanie. Alternatywne metody koncentracji komórek na miejscu bez wystawiania ich na działanie tlenu mogą ułatwić izolację bakterii zdolnych do EET. W tym miejscu przedstawiamy szczegóły konfiguracji techniki elektrochemicznej na miejscu w celu wzbogacania mikroorganizmów zdolnych do EET przez długi czas bez konieczności korzystania z zewnętrznego źródła zasilania.
Korzystając z naszych eksperymentów z elektrokultywacją z wysoce alkalicznego źródła w Północnej Kalifornii, Cedars10, opisujemy tę technikę elektrochemiczną na miejscu. Na geochemię źródeł w The Cedars wpływa serpentynizacja pod powierzchnią. Źródła są wysoce redukcyjne, a stężenia tlenu poniżej granicy wykrywalności pod interfejsem powietrze-woda podkreślają potencjał produkcji energii mikrobiologicznej za pośrednictwem EET w tym funkcjonalnie beztlenowym środowisku11. Nie ma jednak dowodów na poparcie zdolności do EET mikrobów z cedrów (ani w 16S rRNA, ani w analizie metagenomicznej). Mimo że środowisko to zostało scharakteryzowane jako ograniczone akceptory elektronów, potencjał wykorzystania nierozpuszczalnych minerałów jako końcowych akceptorów elektronów, w tym minerałów takich jak minerały obnażające żelazo, które powstają w wyniku serpentynizacji (tj. magnetyt), nie został dokładnie zbadany12. W związku z tym rozmieściliśmy nasz system elektrochemiczny w Campsite Spring, źródle o wysokim pH w Cedars, aby wzbogacić mikroorganizmy zdolne do EET (Rysunek1)13.