Why can't most Earth microorganisms be cultured in a laboratory?

Most microorganisms cannot be cultured in labs because they depend on other microbes within their native communities for metabolic products and survival. A Winogradsky column solves this by creating a miniature, enclosed ecosystem that mimics natural habitats and allows microbes to interact as they would in their original environment, enabling scientists to study them without isolation.

What is microbial succession and how does it occur in a Winogradsky column?

Microbial succession refers to the consecutive development of different microbial communities over time. In a Winogradsky column, microbes consume specific substrates and change the environment's chemistry. When substrates deplete, original microbes die off and new microbes with different metabolic needs flourish, creating visibly distinct layers with different microenvironmental requirements.

How do oxygen and sulfide gradients form in a Winogradsky column?

Photosynthetic cyanobacteria at the column's top produce oxygen, creating high concentrations near the surface and low concentrations toward the bottom. Simultaneously, sulfate reducers in anaerobic layers produce sulfide, which diffuses upward. These opposing gradients create distinct zones where different bacterial communities thrive based on their metabolic requirements for oxygen and sulfide.

What do different colored layers indicate in a Winogradsky column?

Green or red-brown layers indicate cyanobacteria; black sediment indicates sulfate-reducing bacteria; purple and green layers indicate photosynthetic sulfur oxidizers; white filaments indicate nonphotosynthetic sulfur oxidizers; and red-orange layers indicate purple non-sulfur bacteria. Each color represents distinct bacterial communities adapted to specific oxygen and sulfide concentrations within their microenvironment.

What substrates are added to a Winogradsky column and why?

Carbon sources, typically cellulose from shredded newspaper, and sulfur sources, usually from egg yolk, are added to the column. These substrates support microbial growth and metabolism. Optional additions include salt to enrich halophilic bacteria or a nail to enrich iron-oxidizing bacteria, allowing scientists to selectively cultivate specific microbial communities based on experimental goals.

How can environmental conditions be varied to enrich different microbial communities?

Light conditions can be modified by placing columns in high light, low light, or darkness, or by covering them with colored cellophane to select for specific bacterial groups. Temperature variations, such as incubating near a radiator for thermophilic bacteria or in a refrigerator for psychrophilic bacteria, also enrich different communities. These modifications allow researchers to study diverse microbial groups involved in biogeochemical processes.

What is the relationship between a Winogradsky column and enrichment cultures?

A Winogradsky column functions as a specialized enrichment culture that selectively grows microbial communities from sediment samples by mimicking natural habitats and creating chemical gradients. Unlike traditional enrichment cultures culturing aerobic and anaerobic microbes on selective and differential medias in isolation, the Winogradsky column preserves microbial interactions and community dynamics while enriching specific functional groups.

Создание колонны Виноградского: способ обогащения видов микробов в пробе отложений

0 просмотров08:08 мин.

1. Настройка

Чтобы создать колонну Виноградского, вам понадобятся некоторые основные припасы:
- Лопата, ведро и бутылка для сбора проб в поле
- Вертикальный прозрачный сосуд, такой как градуированный цилиндр или пластиковая бутылка для воды объемом около 1 л
- Полиэтиленовая пленка и резинки
- Большие миски для смешивания и большая ложка для перемешивания
- Источник серы (яичный желток или сульфат кальция)
- Источник органического углерода (целлюлоза, в виде измельченной газеты)
- Источник света (солнечное окно или настольная лампа)
- Почва или грязь, собранные в болоте, водно-болотных угодьях, прудах или ручьях
- Вода из одной и той же среды обитания
- Для некоторых необязательных экспериментов, описанных в этом протоколе, потребуется следующее:
  - Соль поваренная
  - Разноцветный целлофан
  - Источник железа (например, гвоздь или стальная вата)
  - Холодильник с источником света
  - Радиатор рядом с источником света
Если вы используете пластиковую бутылку из-под воды, отрежьте область горлышка так, чтобы колонна имела цилиндрическую форму. Снимите все обертки, чтобы свет мог проникать через пластик.
Сырые яйца могут содержать сальмонеллу, и с ними следует обращаться осторожно. Следует соблюдать правильную технику мытья рук. В качестве альтернативы можно использовать вареное яйцо. Кроме того, нет никакого способа узнать наверняка, загрязнена ли грязь или осадок сточными водами или другими вредными веществами. Перчатки следует использовать при замешивании грязи и установке колонны.

2. Сборка колонны Виноградского

С помощью лопаты выкопайте и соберите грязь в ведро. Осадочные породы должны находиться у кромки воды и полностью пропитаться водой. Вам понадобится достаточно грязи, чтобы заполнить каждую колонну Виноградского. Наберите немного воды из того же источника в бутылку для образца (требуется примерно 3000 мл на колонку).
В лаборатории налейте достаточно грязи в первую чашу для смешивания, чтобы заполнить ~75% объема колонны объемом 1 литр. Затем просейте их, чтобы удалить крупные камни, ветки или листья, а ложкой разбивайте комки.
Добавьте немного воды, которую вы собрали, в миску для смешивания во время помешивания. Добавляйте до тех пор, пока консистенция водно-грязевой смеси не станет похожей на молочный коктейль. Продолжайте следить за тем, чтобы на улице не было комочков.
Переложите примерно 1/3 водно-грязевого молочного коктейля во вторую миску. Добавьте яичный желток и горсть измельченной газеты и перемешайте.
Добавьте смесь грязи, яичного желтка и газеты в колонку, пока колонка не заполнится примерно на 1/4.
Добавляйте в колонку обычную водно-грязевую смесь до тех пор, пока колонка не заполнится примерно на 3/4.
Добавьте в колонну дополнительную воду, оставив только небольшое пространство (~ 1/2 дюйма) воздуха сверху.
Накройте колонку полиэтиленовой пленкой и закрепите резинкой.
Инкубируйте колонку на свету при комнатной температуре.
В течение следующих 4-8 недель отслеживайте изменения в столбце Виноградского на предмет развития разноцветных слоев и образования пузырьков, как описано в таблице 1. Кроме того, вы должны записывать время, необходимое для развития различных слоев.

3. Необязательные модификации классической колонны Виноградского

Добавьте в собранную грязь 25-50г соли из расчета на 1л колонки Виноградского перед добавлением воды и перемешиванием (шаг 2.3). Добавление соли отбирает галофильные (солелюбивые) бактерии.
Альтернативные субстраты, такие как железо, в виде гвоздя или стальной ваты, могут быть добавлены в колонку вместе с яичным желтком и измельченной газетой (шаг 2.4). Это обогатит железоокисляющие бактерии, такие как галлионелла, и будет выглядеть как слой цвета ржавчины.
Вместо комнатной температуры (шаг 2.9) колонку можно инкубировать возле радиатора для отбора на теплофильные (теплолюбивые) бактерии или в холодильнике с источником света для отбора на психрофильные (холодолюбивые) бактерии.
Количество света, получаемого колонной во время инкубации (шаг 2.9), также можно варьировать, размещая разные колонны при ярком освещении, слабом освещении или в темноте.
Длину волны входящего света можно ограничить, накрыв колонну целлофанами с разным затенением во время инкубации (шаг 2.9), чтобы определить, какие цвета выбирают для различных бактериальных групп.

4. Анализ данных

Через 1-3 недели должна быть видна некоторая зеленая окраска на вершине грязевого слоя классической колонны Виноградского (рис. 2А). Это первые признаки роста слоя цианобактерий.
Со временем продолжайте следить за появлением и эволюцией различных слоев, каждый из которых указывает на различные типы бактерий. подсказка: Обратитесь к Понятиям и Таблице 1, чтобы понять, какие бактерии вносят свой вклад в различные слои.

Figure 2A
Рисунок 2А: Фото классической колонны Виноградского, которая инкубировалась при комнатной температуре в течение 21 дня. Обратите внимание на зеленый осадок, указывающий на цианобактерии, в верхней части колонки.

Если также были подготовлены модификации классической колонны Виноградского, сравните результаты каждой колонны.
1. Понаблюдайте за слоями в каждой из измененных колонн Виноградского. Обратите внимание на следующее:
  - Имеют ли колонны одинаковое количество слоев?
  - Слои одинакового цвета и толщины?
  - Залегают ли слои на одной и той же глубине?
  - Сколько времени ушло на разработку каждой колонки?
  - Развивалась ли одна колонна медленнее остальных?

Источник: Элизабет^{Сатер 1}, Кристофер Корбо¹, Джонатан Блейз¹
¹ Факультет биологических наук, Колледж Вагнера, 1 Campus Road, Статен-Айленд, Нью-Йорк,…