Электроактивные микробные биопленки, полученные из сточных вод: рост, поддержание и основные характеристики

Общая цель этой процедуры заключается в выращивании анодной электроактивной микробной биопленки из инокулята сточных вод и определении характеристик ее биоэлектрокаталитических свойств. Это достигается путем предварительной настройки инокуляции и запуска потенциально контролируемого биоэлектрохимического реактора периодического действия. Вторым шагом является мониторинг текущего производства с помощью Krono Pyrometry.

Затем среда регулярно заменяется после истощения субстрата до тех пор, пока не будет достигнута воспроизводимая максимальная плотность тока, представляющая собой образование биопленки в стационарном состоянии. Заключительным этапом является изучение внеклеточного переноса электронов электроактивными бактериями с помощью циклической объемной телеметрии при наличии и отсутствии субстрата. В конечном счете, анализ данных дает фундаментальное представление о термодинамике микробного переноса электронов и позволяет определить формальный потенциал возможных и фактических внеклеточных сайтов переноса электронов.

Основное преимущество этого метода заключается в том, что можно получить непосредственное представление о переносе электронов между микроорганизмами и твердыми электродами и, таким образом, получить фундаментальную информацию о микробном внеклеточном переносе электронов. Как правило, люди, плохо знакомые с этим методом, будут испытывать трудности с правильным выбором параметров и правильной интерпретацией производного графика. Во время сбора и анализа данных могут быть допущены серьезные ошибки.

Перед началом этой процедуры приготовьте подходящее количество питательной среды с использованием фосфатного буфера, включая дополнительные питательные вещества в соответствии со следующей инструкцией. В качестве субстрата используйте 10 миллимоляров ацетата натрия. Добавляйте один миллилитр первичных сточных вод на 20 миллилитров прироста, средний в виде посевного материала.

Затем введите иглу в среду и промойте ее азотом не менее получаса. Чтобы деаэрировать его во время промывки азотом, измерьте размер электрода для установки с тремя электродами. Вставьте рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения в модифицированную колбу с круглым дном объемом 250 миллилитров с четырьмя горлышками с помощью силиконовых заглушек.

Оберните силиконовые пробки параформом, чтобы герметизировать систему во время промывки азотом. Залейте в реактор 250 миллилитров смеси питательной среды и инокулюма через отверстие для отбора проб. Закройте отверстие для отбора проб силиконовой заглушкой и герметично запечатайте его перфилом.

Поместите сосуд в камеру с регулируемой температурой 35 градусов по Цельсию, чтобы обеспечить постоянные условия окружающей среды. Далее подключите электроды к соответствующим кабелям статического напряжения. Откройте программу для управления потенциальной статистикой и выберите технику.

Хронопирометрия. Установите рабочий электрод на постоянный потенциал 0,2 вольта в течение 500 часов, записывая данные каждые 600 секунд после этого, запустите хронопирометрию и наблюдайте за графиком измеренного тока с течением времени. После вычисления преференциальных плотностей тока построите график измеренной плотности тока в зависимости от времени.

После того как окислительный ток достигнет плато и вернется к нулевому току, приостановите измерение хронометрической метрики для замены среды. Поэтому переведите сосуд в камеру с ламинарным потоком и промойте систему азотом. Тщательно слейте среду и пополните ее свежей дегазированной средой после ее пополнения.

Закройте отверстие для отбора проб и запечатайте его параформом. Повторяйте предыдущие шаги до тех пор, пока максимальный окислительный ток не достигнет устойчивого состояния После каждого цикла роста отбирайте образец одного миллилитра свежего раствора и раствора обменной среды для анализа субстрата методом ВЭЖХ. Для изучения внеклеточного переноса электронов выберите метод циклической объемной телеметрии в программном обеспечении для управления статистикой потенциалов.

Затем установите начальный потенциал EI рабочего электрода равным отрицательным 0,5 вольта по отношению к электроду сравнения, вершинный потенциал E 1 — 0,3 вольта, а конечный потенциал E — 2 — отрицательным 0,5 вольта. Используйте частоту сканирования в один милливольт в секунду. Начните эксперимент и запишите не менее трех циклов, чтобы получить воспроизводимое резюме.

После вычисления предпочтительных плотностей тока построен график измеренной плотности тока в зависимости от потенциала рабочего электрода. С помощью хроноамперных метрических измерений можно измерить максимальную плотность тока и эффективность Kula. Здесь показана типичная хронометрическая кривая роста биопленки из нескольких циклов роста с использованием реактора периодического действия.

После начальной фазы запаздывания начинается первый максимум плотности тока, затем ток уменьшается почти до нуля из-за истощения подложки. Последующее пополнение субстрата. Плотность тока снова увеличивается с увеличением максимальной плотности тока.

После нескольких циклов роста максимальная плотность тока остается постоянной, что свидетельствует об образовании биопленки в установившемся состоянии. В качестве максимума в установившемся состоянии. Значение плотности тока зависит от нескольких параметров.

Его часто рассматривают как характеристику электроактивных микробных биопленочных электродных систем. Второй эксплуатационной характеристикой является омическая эффективность, которая представляет собой количество электронов, регистрируемых как поток электрического тока за цикл подачи партии, относящийся к теоретическому максимальному числу электронов. Смотрите текстовый протокол для получения подробной информации о том, как рассчитать эффективность вызова, протекание электрического тока и теоретическое максимальное количество отображаемых электронов.

Вот типичное резюме для условий без оборота. При высокой скорости сканирования изображается CV биопленки для высоких скоростей сканирования, где может быть идентифицирована только одна пара пиков и, следовательно, одна формальная потенциальная ЭФ. Здесь. В общем случае, формальный потенциал окислительно-восстановительной пары может быть рассчитан на основе пикового потенциала пика окисления EPA и пика восстановления соответствующих видов EPC.

При формировании среднего арифметического см. текстовый протокол для получения подробной информации о том, как рассчитать формальный потенциал. При применении достаточно низкой скорости сканирования к идентичной биопленке можно идентифицировать до четырех окислительно-восстановительных пар. Тем не менее, невращающаяся CV показывает только все окислительно-восстановительные активные соединения на электроде и, таким образом, EF возможных внеклеточных сайтов переноса электронов.

Только анализ резюме оборота обеспечивает EF фактических сайтов EET при дальнейшем анализе резюме без оборота. Можно анализировать и другие характерные параметры, такие как разнесение пиков, максимальный пиковый ток и минимальная плотность пикового тока. Эти параметры, особенно при регистрации при различных скоростях сканирования, могут быть использованы для механистического и кинетического анализа процессов переноса электронов на электродах.

Тем не менее, этот кинетический анализ, который хорошо известен для химических систем, не является простым для электроактивных микробных биопленок. При выполнении измерения CV в присутствии подложки получается оборотный CV. После построения графика данных наблюдается типичная S-образная биоэлектрокаталитическая кривая.

При дальнейшем анализе данных максимум первой производной или точка перегиба кривой дает формальную потенциальную EF фактических сайтов EET. В случае тонкого соотношения геобактерий с преобладанием биопленки могут наблюдаться две точки перегиба. Впоследствии производная показывает два максимума, соответствующих формальному потенциалу биоэлектрокаталитических активных сайтов ЭЭТ, которые обозначаются как EF 2 и EF 3 соответственно.

Это открытие также показывает, что окислительно-восстановительные процессы, связанные с формальными потенциалами EF 1 и EF 4, не связаны с биоэлектролизом. По мере того, как биопленка растет и становится толще, CV показывает только одну точку перегиба. Этот формальный потенциал ВЭФ отрицательный 0,32 вольта по отношению к серебру, хлориду серебра примерно равен среднему арифметическому двух формальных потенциалов, присвоенных ЭЭТ тонкой биопленки.

Этот результат показывает, что фундаментальный анализ CV действительно дает представление о термодинамике ЭЭТ быстрым и неинвазивным способом. После освоения этот метод может быть легко адаптирован к различным системам, представляющим интерес, и, в зависимости от данных, позволяет анализировать данные различной глубины при правильном выполнении. Следуя этой процедуре и изучив основы геометрии микробной биопленки, можно легко освоить другие методы, такие как прямоугольная волновая телеметрия или электрохимическая импедансная спектроскопия, а также углубленный анализ данных.