Summary
نحن محاكاة حديدي نظام الموجات المتقلبة البحرية عصر ما قبل الكمبري في عمود مختبر مقياس التدفق من خلال العمودي. وكان الهدف هو فهم الشخصية كيف الجيوكيميائية من O 2 والحديد (II) تتطور البكتيريا الزرقاء تنتج O 2. وأظهرت النتائج أن إنشاء تدرج كيميائي بسبب الحديد (II) الأكسدة التي تنتجها الضوئي O 2.
Abstract
مفهوم التقليدي لترسب بعض ما قبل العصر الكمبري النطاقات تشكيلات الحديد (BIF) العائدات على افتراض أن الحديد الحديدية [الحديد (II)] الموجات المتقلبة من مصادر المياه الحارة في المحيط عصر ما قبل الكمبري والمؤكسدة التي كتبها الأكسجين الجزيئي [O 2] التي تنتجها البكتيريا الزرقاء. أقدم BIFs، أودعت قبل الكبير الأكسدة الحدث (الحكومة المصرية) في حوالي 2.4 بليون سنة (غراي) قبل، قد شكلت عن طريق الأكسدة المباشرة من الحديد (II) من خلال anoxygenic photoferrotrophs في ظل ظروف نقص الأكسجين. كوسيلة لاختبار أنماط الجيوكيميائية والمعدنية التي تتطور في ظل سيناريوهات البيولوجية المختلفة، قمنا بتصميم عمودي العمود التدفق من خلال 40 سنتيمترا لمحاكاة نقص الأكسجين الحديد (II) الغنية ممثل من المحيط القديم نظام الموجات المتقلبة البحرية على نطاق المختبر . كانت معبأة في اسطوانة مع مسامية مصفوفة الزجاج حبة لتحقيق الاستقرار في التدرجات الجيوكيميائية، ويمكن أخذ عينات السائل لتقدير الحديد في جميع أنحاء عمود الماء. كان الأوكسجين المذابالكشف غير جراحية عن طريق optodes من الخارج. النتائج من التجارب الحيوية التي تنطوي على تدفقات الموجات المتقلبة من الحديد (II) من الأسفل، التدرج ضوء متميزة من أعلى، والبكتيريا الزرقاء موجودة في عمود الماء، وتظهر أدلة واضحة لتشكيل الحديد (III) الرواسب المعدنية وتطوير تدرج كيميائي بين الحديد (II) وO 2. هذا العمود يسمح لنا لاختبار الفرضيات لتشكيل BIFs من زراعة البكتيريا الزرقاء (وفي photoferrotrophs المستقبل) في ظل ظروف ما قبل الكمبري البحرية المحاكاة. علاوة على ذلك فإننا نفترض أن مفهوم عمود لدينا يسمح لمحاكاة مختلف البيئات الكيميائية والفيزيائية - بما في ذلك الترسبات البحرية أو البحيرات الضحلة.
Introduction
في عصر ما قبل الكمبري (4،6-،541 غراي منذ) شهدت أجواء تدريجي تراكم الضوئي تنتج الأوكسجين (O 2)، وربما تخللتها تغييرات تدريجية في ما يسمى "العظمى الأكسدة الحدث" (الحكومة المصرية) في حوالي 2.4 غراي قبل، و مرة أخرى في نطاق البيضة (1-،541 غراي قبل)، ويا الغلاف الجوي 2 اقترب مستويات الحديثة 1. البكتيريا الزرقاء هي بقايا تطورية من الكائنات الحية الأولى قادرة على التمثيل الضوئي الاوكسجينية 2. تدعم الأدلة والنماذج الدراسات الجيوكيميائية دور البيئات الساحلية الضحلة في إيواء الجماعات النشطة من البكتيريا الزرقاء أو الكائنات قادرة على التمثيل الضوئي الاوكسجينية أو phototrophs الاوكسجينية، وتوليد الأكسجين الواحات المحلية في سطح المحيط دون جو يغلب عوز الأكسجين 3-5.
خلع طوق تشكيلات الحديد (BIFs) من مياه البحر في جميع أنحاء نقطة ما قبل الكمبري إلى الحديد (II) (الحديد (II)) بوصفها كبرى الجيوكيميائية جonstituent من مياه البحر، على الأقل محليا، خلال ترسبها. بعض من أكبر BIFs ودائع في المياه العميقة، وتشكيل قبالة الجرف القاري والمنحدر. كمية من الحديد المودعة غير متوافق من وجهة نظر موازنة الكتلة مع الغالب القاري (أي التجوية) المصدر. لذلك، فإن الكثير من الحديد يجب أن يكون تم توريدها من التغيير الهيدروحرارية من الفوق مافية أو قاع البحر المافية قشرة 6. أودعت تقديرات معدل الحديد خارجي من البيئات الساحلية تتفق مع الحديد (II) الموردة إلى سطح المحيط عبر الموجات المتقلبة 7. من أجل الحديد ليتم نقلها في التيارات الموجات المتقلبة، يجب أن يكون حاضرا في شكل انخفاض والمتنقلة - كما الحديد (II). متوسط الدولة أكسدة الحديد في الحفاظ على BIF هي 2.4 8 ويعتقد عموما أن BIF الحفاظ المودعة الحديد كما الحديد (III)، عندما شكلت الموجات المتقلبة الحديد (II) وأكسدة، ربما عن طريق الأكسجين. لذلك، واستكشاف آليات الأكسدة المحتملة الحديد (II) على طول المنحدر environmeاليلة من المهم أن نفهم كيف تشكلت BIF. وعلاوة على ذلك، حددت المكرر توصيف الجيوكيميائية من الرواسب البحرية أن الظروف حديدي، حيث (II) والحديد موجود في عمود نقص الأكسجين في الماء، وكانت ميزة المستمرة للمحيطات في جميع أنحاء عصر ما قبل الكمبري، وربما لم تقتصر على مجرد الزمان والمكان حيث ترسبت BIF 9. لذلك، لملياري سنوات على الأقل من تاريخ الأرض، كانت واجهات الأكسدة بين الحديد (II) وO 2 في المحيطات الضحلة المرجح شائعا.
العديد من الدراسات الاستفادة من المواقع الحديثة التي هي النظير الكيميائية و / أو البيولوجية من ميزات مختلفة من المحيط عصر ما قبل الكمبري. وخير مثال على بحيرات حديدي حيث الحديد (II) مستقرة وموجودة في المياه السطحية المضاءة بنور الشمس في حين أن النشاط الضوئي (بما في ذلك البكتيريا الزرقاء) تم الكشف عن 10-13. توفر نتائج هذه الدراسات نظرة ثاقبة الخصائص الجيوكيميائية والميكروبية لناقصة الأكسدة لنقص الأكسجين / فرتدرج كيميائي ruginous. لكن هذه المواقع عموما طبقية جسديا مع قليل الاختلاط الرأسي 14، بدلا من واجهات الكيميائية التي تحدث في نظام الموجات المتقلبة، ويعتقد أن دعم معظم إنتاج الأكسجين في وقت ما قبل الكمبري (4).
والتناظرية الطبيعي لاستكشاف وتطوير واحة الأكسجين البحرية تحت جو عوز الأكسجين، وفي ل(II) نظام الموجات المتقلبة الغنية الحديد في مشمس عمود المياه السطحية غير متوفر على الأرض الحديثة. لذلك، هناك حاجة لنظام المختبرات التي يمكن محاكاة منطقة الموجات المتقلبة حديدي وأيضا دعم نمو البكتيريا الزرقاء وphotoferrotrophs. فهم وتحديد العمليات الميكروبية وتفاعلها مع الوسط المائي الموجات المتقلبة التي تمثل مياه البحر ما قبل الكمبري يعزز التفاهم ويمكن أن تكمل المعلومات المكتسبة من السجل الصخور من أجل فهم كامل للعمليات البيولوجية الكيميائية مميزة على الأرض القديمة. ولتحقيق هذه الغاية، تم تصميم عمود نطاق المختبر الذي تم ضخ الحديد (II) الغنية مياه البحر المتوسط (الرقم الهيدروجيني محايدة) في الجزء السفلي من العمود، وتضخ من أعلى. وقدمت إضاءة في أعلى لإنشاء "منطقة مضاءة" 4 سم واسعة التي دعمت نمو البكتيريا الزرقاء في أعلى 3 سم. البيئات الطبيعية الطبقية واستقرت من قبل التدرجات الفيزيائية، مثل الملوحة أو الحرارة بشكل عام. من أجل تحقيق الاستقرار في عمود الماء على نطاق المختبر، كانت معبأة في اسطوانة العمود مع مسامية مصفوفة حبة الزجاج التي ساعدت على الحفاظ على إنشاء أنماط الجيوكيميائية التي وضعت أثناء التجربة. تم تطبيق المستمر تدفق الغاز N 2 / CO 2 إلى تدفق فراغ الرأس العمود من أجل الحفاظ على جو عوز الأكسجين يعكس محيط قبل الحكومة المصرية 15. بعد أن تم إنشاء تدفق ثابت من الحديد (II)، تم تلقيح البكتيريا الزرقاء في جميع أنحاء العمود، وgrowt بهمتم رصد ساعة من عدد الخلايا على عينات إزالتها من خلال منافذ أخذ العينات. تم رصد الأكسجين في الموقع عن طريق وضع رقائق optode الحساسة للأكسجين على وجعل الجدار الداخلي للاسطوانة العمود والقياسات مع الألياف البصرية من خارج العمود. وكميا مائي الحديد أنواع جديدة من عينات إزالة من الموانئ أخذ العينات أفقي حل عمق وتحليلها مع أسلوب Ferrozine. تجارب السيطرة الأحيائية والنتائج تظهر إثبات صحة مفهوم - أن التناظرية نطاق المختبر لعمود الماء القديم، حافظت بمعزل عن الغلاف الجوي، ويمكن تحقيقه. نمت البكتيريا الزرقاء وإنتاج الأكسجين، وكانت ردود الفعل بين الحديد (II) والأكسجين للحل. هنا، يتم تقديم منهجية لتصميم وإعداد والتجمع، والتنفيذ، وأخذ عينات من هذا العمود، جنبا إلى جنب مع نتائج شوط 84 ساعة من العمود في حين تلقيح مع cyanobacterium البحرية متعاقبات حبيبية ليرة سورية. PCC 7002.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد التثقيف المتوسطة
ملاحظة: يتم سرد معلومات عن مطلوبا معدات والمواد الكيميائية والإمدادات اللازمة لإعداد مستنبت في الجدول 1 مائل رموز حرفي رقمي بين قوسين تشير إلى معدات مفصلة في الجدول 2 وهو مبين في الشكل 1.
- إعداد 5 لترات من البحرية Phototroph (MP) متوسطة (المشار إليها فيما يلي باسم "المتوسطة") بعد بروتوكول وو وآخرون. 16. ضبط درجة الحموضة إلى 6.8 باستخدام عوز الأكسجين ومعقم 1 M حمض الهيدروكلوريك أو 0.5 M ناكو 3. كمصدر للحديد (II)، إضافة 3.5 مل من 1 M نقص الأكسجين ومعقم FeCl 2 -solution لتحقيق الحديد النهائي (الثاني) تركيز 500 ميكرومتر بعد تصفية حل المتوسط في الخطوة التالية.
- تخزين حل المتوسط في 5 درجة مئوية لمدة 48 ساعة من أجل ترسيب الحديد (II) الكربونات والفوسفات والمعادن. الحديد (II) إضافة والحديد النتائج هطول المعدنية في الرقم الهيدروجيني التغيير، وبالتالي إعادة ضبط درجة الحموضة إلى 6.8. تصفية المتوسطة في نقص الأكسجين (100٪ N 2) صندوق قفازات من خلال وحدة 0.22 ميكرون فلتر. الاستغناء عن وسيلة تصفيتها في زجاجة معقمة 5 L الزجاج (E.'1) داخل صندوق قفازات، وقبعة مع معقمة سدادة بوتيل المطاط.
- تدفق فراغ الرأس من القمقم المتوسطة مع N 2 / CO 2 (ت / ت، 90/10) عن طريق إدخال إبرة القابل للتصرف واحد متصل إلى خط الغاز في سدادة، وإبرة الثانية التي تعمل بمثابة تنفيس. تأكد من تغيير حجم فراغ الرأس 10 مرات. على سبيل المثال، مع تدفق الغاز المستمر من 10 مل / ثانية، تدفق حجم فراغ الرأس من 50 مل لمدة لا تقل عن 50 ثانية (مقارنة Hungate وميسي 17).
- تغطية زجاجة المتوسطة (E) التي هي الآن جاهزة للاستخدام مع رقائق الألومنيوم وتخزينها في RT في ظل ظروف مظلمة لمنع photooxidation من الحديد (II). اسمحوا 3 أيام لإعداد المتوسط.
2. إعداد والثقافة
"> ملاحظة:. يوصف ثقافة متعاقبات حبيبية س PCC 7002 التي يتم استخدامها في التجربة العمود كما وحيدة الخلية البحرية جنس البكتيريا الزرقاء غيروي التغذي الضوئي 18 تم تقديمها من قبل الدكتور محمد Eisenhut (معهد الكيمياء الحيوية النباتية، جامعة دوسلدورف، ألمانيا) وبالنسبة للدراسة الحالية كانت تزرع ثقافة الأسهم على نقص الأكسجين النائب وسيط وبدون الحديد الإضافي (II).- إعداد 100 مل المتوسطة النائب التالية بروتوكول وو وآخرون. 16 ولكن كلوريد الحديديك البديل مع 1 مل / لتر سترات الأمونيوم الحديديك في 6 ملغ / مل.
- في ظل ظروف نقص الأكسجين (صندوق قفازات، N 2 100٪)، الاستغناء المتوسط في واحدة 120 مل زجاجة المصل العقيمة، وكأب مع معقمة سدادة بوتيل المطاط وتجعيد مع غطاء الألومنيوم. تغيير فراغ الرأس إلى N 2 / CO 2 (ت / ت، 90/10) (قارن Hungate وميسي 17) وتطعيم مع 5٪ من الأسهم الثقافة. وفي وقت لاحق تخزين الثقافة في حاضنة الخفيفة عند 25 درجة مئوية و 600 لوكس من تونgsten المصباح الكهربائي.
- منذ متعاقبات حبيبية ليرة سورية. PCC 7002 وحساس، بعد نقل، تغطية زجاجة المصل مع منشفة ورقية رقيقة لمدة 24 ساعة الأولى داخل الحاضنة الخفيفة. السماح للثقافة لتنمو لمدة 6-8 أيام. والنشاط الضوئي يؤدي إلى أكسدة الحديد و(II) والحديد (II) لا تكون ثابتة عن الجدول الزمني لنمو الخلايا، وبالتالي نقل الثقافة بعد 7 أيام للحفاظ على الحديد (II) في المتوسط والخلايا تتكيف مع الحديد (II).
- مراقبة كثافة الخلايا عن طريق أخذ عينات للكثافة الضوئية (OD) القياسات: كثافة الخلية (خلية / مل) من ثقافة يمكن تحديدها عن طريق امتصاص العينة تعليق خلية في الصور مطياف عند طول موجي 750 نانومتر (19). وهناك علاقة خطية بين التطوير التنظيمي 750 و عدد الخلايا المجهرية المباشرة للثقافة في مرحلة السجل تحديد كثافة الخلية المطلقة 20.
- حالما كثافة خلية من 10 8 خلايا / يتم التوصل مل،التفاف زجاجة المصل مع رقائق الألومنيوم من أجل وقف إنتاج الأكسجين عن طريق التمثيل الضوئي.
- إزالة O 2 في تعليق خلية باستخدام 0.22 ميكرون محقنة معقمة فلتر تعلق طويلة (100 ملم) إبرة المتاح إدراجها في وسط سائل. تدفق فراغ الرأس وفقاعة الثقافة مع N 2 / CO 2 لمدة 5 دقائق (قارن Hungate وميسي 17). الحفاظ على عينة في الظلام حتى التلقيح في العمود.
3. إعداد عناصر وأجزاء الفردية للالتجريبية مجموعة المتابعة
ملاحظة: معلومات عن المعدات اللازمة لانشاء التجريبية، يتم سرد الكميات والمواصفات الواردة في الجدول 2. تعد أجزاء من البنود التي سيتم استخدامها لانشاء التجريبية مسبقا وصفت بشكل فردي مع حرف واحد (AG)، المدرجة في الجدول (2) وكما هو مبين مقربة في الشكل 1 كذلك. مائل رموز حرفي رقمي بين قوسين في البروتوكول تشير إلى معدات مفصلة في الجدول 2 وتظهر في الشكل 1.
- من أجل إعداد منافذ أخذ العينات (D) للعمود، إغلاق المنافذ مع ضيقة سدادات بوتيل المطاط (A.3). إدراج واحدة من الصلب غير القابل للصدأ إبرة (د. ') في سدادة بوتيل المطاط. تأكد من أن رأس الإبرة في وسط العمود.
- ربط الإبرة إلى أنبوب المطاط (D.2) وختم الاتصال مع أنبوب الانكماش الحراري (D.3). نعلق على الطرف الآخر من الأنبوب إلى لور موصل صغير قفل أنبوب ( 'D.5)، وختم الاتصال مع أنبوب الانكماش الحراري (D.3) وتغطية أنبوب موصل مع غطاء من البلاستيك المناسب (D.6) .
ملاحظة: اعتمادا على العدد المرغوب فيه من الموانئ أخذ العينات من الضروري توفير الميناء الرئيسي واحد مع مختلف الموانئ أخذ العينات - therefoإعادة إدراج الإبر الفولاذ المقاوم للصدأ (D.1) في زاوية مائلة إلى سدادة بوتيل المطاط.
- ربط الإبرة إلى أنبوب المطاط (D.2) وختم الاتصال مع أنبوب الانكماش الحراري (D.3). نعلق على الطرف الآخر من الأنبوب إلى لور موصل صغير قفل أنبوب ( 'D.5)، وختم الاتصال مع أنبوب الانكماش الحراري (D.3) وتغطية أنبوب موصل مع غطاء من البلاستيك المناسب (D.6) .
- من أجل توصيل زجاجات المتوسطة والتفريغ إلى العمود، تعديل بوتيل سدادات المطاط باتباع الخطوات التالية:
- إدراج اثنين من الشعيرات الدموية الفولاذ المقاوم للصدأ (E.3، E.4) في سدادة بوتيل المطاط (E.2). توصيل أنابيب مطاطية مناسبة (E.6) لهذه الشعيرات الدموية وختم الاتصال مع أنابيب الانكماش الحراري (E.5).
- إضافة أنبوب موصل (E.7) إلى الطرف الآخر من أنبوب شعري الطويل (E.3)، وكذلك إصلاح هذا الموصل مع أنبوب الانكماش الحراري (E.5).
- ربط إبرة الفولاذ المقاوم للصدأ (E.11) إلى نهاية خالية من الأنبوب الآخر تعلق على شعري أقصر (E.4)، وختم اتصالات مع انكماش الأنابيب (E.5)، وأدخل الطرف الآخر من غير القابل للصدأ إبرة الصلب إلى سدادة أصغر بوتيل المطاط (E.10). إدراج اثنين من الشعيرات الدموية الفولاذ المقاوم للصدأ (G.3) في بوتيل كبير سدادة مطاطية (G.2) وإرفاق أنابيب المناسبة المطاط (G.4، G.5). قم بتوصيل الطرف الحر للأنبوب المطاط أقصر (G.4) لزجاجة الشعرية التفريغ المتوسط (W2). تجهيز نهاية خالية من الأنبوب الطويل (G.5) مع موصل أنبوب صغير (G.6). كرر هذه الخطوات من أجل إعداد سدادة بوتيل المطاط آخر لزجاجة تفريغ الثانية.
- إعداد سدادة لوحة التوزيع المتوسطة (F) عن طريق إدخال إبرتين الفولاذ المقاوم للصدأ (F.3) في سدادة بوتيل المطاط (F.2) من أجل إنتاج اثنين من وسائل الإعلام خطوط الإمداد للعمود. نعلق أنبوب المطاط (F.4) إلى كل من الإبر وربط واحد الشعرية زجاجة المتوسط (C1) إلى واحد من أنابيب مطاطية، على التوالي.
- من أجل إعداد الغدد للخط العرض المتوسطة (B)، ربط واحدة متوسطةالشعرية العرض (C2) إلى موصل أنبوب صغير (B.3) مع أنبوب المطاط (B.4). كرر هذه الخطوة الغدة العرض المتوسطة آخر.
- استخدام الشعرية التفريغ يعد المتوسط (W1) بدلا من ذلك إلى إعداد الغدد للخط تصريف المتوسطة واتبع الخطوات السابقة (قارن (ب) في الشكل رقم 1).
ملاحظة: ومن المفيد لتسمية مدخل ومخرج مع ألوان مختلفة من الشريط للمساعدة في تجميع السليم.
- استخدام الشعرية التفريغ يعد المتوسط (W1) بدلا من ذلك إلى إعداد الغدد للخط تصريف المتوسطة واتبع الخطوات السابقة (قارن (ب) في الشكل رقم 1).
- تجميع أجزاء لوحة تبادل الغازات فراغ الرأس (ج) عن طريق إدراج اثنين طويلة لور قفل الإبر الفولاذ المقاوم للصدأ (C.2) في أنبوب المطاط (C.1) والتأكد من أن نصائح من الإبر تصل إلى 4 سم خارج الآخر نهاية الأنبوب. ملء الأنبوب مع البوليمرات الغراء (C.8) والسماح للجمعية جافة لمدة لا تقل عن 6 ساعة.
- فضفاضة ملء اثنين من الحقن لور قفل الزجاج (C.3) مع القطن (C.4).
- بشكل منفصل إعداد اثنين بوتيل فركنوفمبر سدادات (C.5)، واحدة مع إبرة الفولاذ المقاوم للصدأ إدراج (C.6) والآخر مع ابرة من الفولاذ المقاوم للصدأ (C.7). لا اتصال المحاقن الزجاج، وحتى الان.
- تحضير حقنة زجاجية (E.8) مليئة القطن (E.9) لاستخدامها لاحقا في خط مع متوسطة حزمة زجاجة والغاز (GP).
- تجميع معدات لحزمة غاز 10 لتر (GP) من خلال ربط أنبوب المطاط (gp.1) على صمام حزمة الغاز. إدراج أنبوب موصل (gp.2) في نهاية خالية من أنبوب من المطاط. كرر هذا الإجراء ثانية حزمة غاز 10 لتر.
4. تعقيم العمود ومعدات
ملاحظة: اعتمادا على الخواص المادية، وتعقيم المعدات من قبل إحدى الطرق الثلاثة التالية:
- تعقيم المعدات المصنوعة من الزجاج من الفرن الجاف (180 درجة مئوية لمدة 4.25 ساعة):
- تعقيم المعدات لصنع المتوسطة (انظر
- تعقيم المعدات للعمود الذي أنشئ في الخطوة الثانية. التفاف الحقن الزجاجية (C.3، E.8، F.1 - أعدت في القسم 3) بورق الألمنيوم وتأكد من أن يتم إزالة سدادات بوتيل المطاط المقابلة.
- وضع الخرز الزجاجي (A.2) في كوب زجاجي وغطاء رأس مع رقائق الألومنيوم. تشمل أيضا لوحة شفافة زجاج (A.4)، 4 × موصلات كبيرة أنبوب (B.2) و 3 في اتجاه الموصل (G.7) بورق الألمنيوم وفرن تعقيم كل شيء.
- تعقيم المعدات لصنع المتوسطة (انظر
- تعقيم البلاستيك autoclavable والسوائل بواسطة الأوتوكلاف (120 درجة مئوية، 10 بار، 20 دقيقة):
- في الخطوة الأولى، الظريفrilize القارورة Widdel مع المتوسط، والحل -buffer NaHCO 3 و 2 بوتيل السدادات المطاطية لزجاجة 5 لتر.
ملاحظة: يتم مسلوقة في الماء عالى النقاء 3 مرات إعداد سدادات بوتيل المطاط أولا ثم تعقيمها في دورق زجاجي مع قليل من الماء، وتغطيتها بورق الألمنيوم. سدادات الرطبة هي أسهل للإدراج في قوارير زجاجية. - في الخطوة الثانية تعقيم المعدات للعمود التجريبية اقامة. من أجل إعداد العمود لتعقيم في الأوتوكلاف، والتفاف افتتاح قمة وسائل الاعلام فتحات العرض، وفتحات التصريف وسائل الإعلام، وفراغ الرأس تنفيس مع رقائق الألومنيوم قبل التعقيم.
- تغطية منافذ أخذ العينات (D.'5) مع القبعات البلاستيكية المناسبة (D.'6) وتأكد من إزالة المشابك (D.4) قبل التعقيم.
- التفاف سدادات بوتيل المطاط والشعيرات الدموية المقابلة لزجاجات المتوسطة والتفريغ (E.2؛ 2 × G.2 - أعدت طالقسم ن 3)، وسدادات صغيرة لالمحاقن الزجاجية (2 × C.5، E.'10 '؛ F.'2 - أعدت في القسم 3) والشعيرات الدموية المتصلة الغدد متوسطة العرض والتفريغ (S2، W1 - أعد القسم 3.4) في رقائق الألومنيوم وتعقيم جميع المعدات في الأوتوكلاف.
- بعد التعقيم، وتجفيف عمود تعقيمها والمعدات في الفرن على 60 درجة مئوية لمدة 4 ساعات أخرى.
- في الخطوة الأولى، الظريفrilize القارورة Widdel مع المتوسط، والحل -buffer NaHCO 3 و 2 بوتيل السدادات المطاطية لزجاجة 5 لتر.
- منذ أنابيب ضخ (حزب العمال) ليست autoclavable، تعقيم لهم في محلول الإيثانول (ETOH) (80٪ ETOH والمياه 20٪). ملء كوب المناسب مع ETOH-حل ووضع أنابيب ضخ فيها، وضمان أن أنبوب يملأ تماما مع ETOH-حل. تأخذ بها بعد 3 ساعات والتفاف مباشرة في رقائق الألومنيوم تعقيمها قبل (تعقيم فرن) واسمحوا الجافة في RT لمدة 2 ساعة.
5. جمعية العمود ومعدات
- وضع العمود (A) على سطح مستو واستقرار مع موقف المختبرات والمشابك. تأكد على العمل تحت ظروف معقمة (على سبيل المثال، في غضون 40 سم من موقد بنسن أو تحت غطاء الصفحي التدفق). إزالة بعناية رقائق الألومنيوم من افتتاح قمة وملء حبات الزجاج المعقم (A.2).
- تحضير الزجاج ووتش (A.4) وذلك حتى اغلاق محكم العمود عن طريق تطبيق الغراء البوليمرات (A.5) إلى السطح الداخلي في المنطقة حيث أنها سوف تكون على اتصال مع العمود. اضغط برفق على الزجاج ووتش في مكان في الجزء العلوي من العمود من أجل الغراء شطري معا بإحكام. سماح لا يقل عن 6 ساعة لتركيب لتجف.
ملاحظة: من الممكن أن تضع، سلك مرن غرامة العقيمة بين حافة العمود والزجاج ووتش، من أجل إزالة بسهولة الزجاج ساعة بعد التجربة.
- تحضير الزجاج ووتش (A.4) وذلك حتى اغلاق محكم العمود عن طريق تطبيق الغراء البوليمرات (A.5) إلى السطح الداخلي في المنطقة حيث أنها سوف تكون على اتصال مع العمود. اضغط برفق على الزجاج ووتش في مكان في الجزء العلوي من العمود من أجل الغراء شطري معا بإحكام. سماح لا يقل عن 6 ساعة لتركيب لتجف.
- بينما كان يعمل تحت ظروف معقمة نعلق على الأجزاء التالية إلى العمود:
- ربط الأنابيب المطاطية (B.1) وموصلات أنبوب المقابلة (B.2) إلى فتحات العرض والتفريغ المتوسطة (قارن (ب) في الشكل رقم 1).
- ربط الموصلات أنبوب للغدد (B.3) لتوريد وسائل الاعلام والتفريغ (المعد في القسم 3.4) لمنافذ التوصيل المناظرة في العمود (قارن (ب) في الشكل رقم 1).
- نعلق لوحة تبادل الغازات فراغ الرأس (قارن (C) في الشكل رقم 1 - أعد القسم 3.5) إلى فراغ الرأس تنفيس في العمود وربط المحاقن الزجاج (C.3) إلى الإبر المقابلة الفولاذ المقاوم للصدأ (C.2) وإدراج سدادات المناسبة بوتيل المطاط (C.6، C.7 - أعدت في القسم 3.5.2) في المحاقن الزجاجية المليئة القطن (C.3).
- إدراج سدادات بوتيل المطاط لزجاجات التفريغ (2 × G.20؛ - أعدت في القسم 3.2) إلى قسمين معقمة 3 زجاجات L الزجاج (G.1)، وربط وصلات أنبوب من الزجاجات (G.6) إلى 3 في اتجاه الموصل (G.7).
- قم بتوصيل الطرف الحر للغدة الشعرية التفريغ المتوسط (W1) إلى نهاية خالية من الشعرية زجاجة التفريغ (W2) مع أنابيب ضخ (حزب العمال). كرر هذا الإجراء الثاني المتوسط الشعرية التفريغ الغدة وزجاجة تفريغ الثانية.
- قم بتوصيل الطرف الحر من واحد الشعرية زجاجة المتوسط (S1) إلى نهاية خالية من الغدة الشعرية العرض المتوسط (S2) مع أنابيب ضخ (حزب العمال). كرر هذا الإجراء الثاني الشعرية زجاجة المتوسط والثاني المتوسط الشعرية الغدة العرض.
- تجميع لوحة توزيع المتوسطة عن طريق إدراج سدادة مع الشعيرات الدموية المقابلة (F.2 - أعدت في القسم 3.3) في حقنة زجاجية من المتوسطلوحة التوزيع (F.1).
- ربط لوحة توزيع المتوسطة إلى الموصل من سدادة مطاطية بوتيل لزجاجة المتوسطة (E.7 - مقارنة F في الشكل 1).
- ربط N 2 / CO خط غاز 2 إلى فراغ الرأس لوحة تبادل الغازات إلى بالتركيبة قفل إبرة الفولاذ المقاوم للصدأ (انظر موقف (LLF) في الشكل رقم 1)، وتدفق تركيب العمود ونظام الشعرية مع N 2 / CO 2 في الضغط المنخفض (<10 م بار). الحفاظ على تدفق الغاز في نهايات مفتوحة الشعرية زجاجة المتوسط (E.3)، 3-الطريق الموصل (G. 7)، ومنافذ أخذ العينات (D.5). لذلك، تأكد من أن يكون قبعات من الموانئ أخذ العينات (D.6) مفتوحة قليلا، للحفاظ على ظروف معقمة من خلال الضغط الزائد من الغاز المتدفقة.
- تدفق تثبيت كامل لمدة 20 دقيقة على الأقل.
ملاحظة: بالإضافة إلى ذلك، فمن الممكن لإغلاق outgassiنانوغرام إبرة (C.6) من فراغ الرأس لوحة تبادل الغازات مع أنبوب المطاط المناسب والمشبك من أجل زيادة كفاءة التنظيف التثبيت الكامل.
- تدفق تثبيت كامل لمدة 20 دقيقة على الأقل.
- وفي الوقت نفسه، ملء كيس الغاز 10 لتر (GP) مع N 2 / CO 2 (ت / ت، 90/10)، وبعد 10 جولات من ملء وdeaerating (باستخدام مضخة فراغ) وحدة التخزين بالكامل لضمان الكيس هو عوز الأكسجين تماما . تأكد من إغلاق صمام حزمة الغاز بعد التعبئة النهائية. كرر هذا الإجراء مع حزمة الغاز الثانية، وإغلاق صمام بعد deaeration (أي تركها فارغة).
ملاحظة: ليس صحيحا حزمة الغاز N 2 / CO 2 سوف تكون متصلا زجاجة المتوسطة من أجل تعويض حجم فراغ الرأس زيادة بسبب فقدان المتوسطة عن طريق الضخ. ن 2 / CO 2 مسح، ولكن حزمة الغاز الفارغة، سيتم لاحقا متصلا زجاجات التفريغ من أجل السماح للغاز للهروب من فراغ الرأس نتيجة لزيادة حجم تصريف السائل. - إدراج رانه بوتيل سدادة مطاطية (E.10 - أعدت في القسم 3.2.3) في حقنة زجاجية معقمة مليئة القطن (E.8 - أعدت في القسم 3.6).
- ضع زجاجة متوسطة مملوءة ومغلقة (E - أعدت في القسم 1) على مقاعد البدلاء المختبر بجانب سدادة للزجاجة المتوسطة (E.2)، والاستعداد لربط سدادة إلى زجاجة المتوسطة باستخدام الإجراء التالي:
- إغلاق تدفق الغاز N 2 / CO 2 في الشعرية (E.3) عن طريق إغلاق أنبوب المطاط المقابلة (E.5) مع المشبك خرطوم.
- بخفة رفع سدادة مطاطية بوتيل قبالة زجاجة المتوسطة وتدفق فراغ الرأس مع N 2 / CO 2 (50 م بار) شنقا معقم، قطن حقنة -تعبئة مع عازمة، إبرة معدنية طويلة (1 ملم × 140 ملم) في عنق الزجاجة من القمقم المتوسطة (قارن Hungate وميسي 17).
- تغيير إبرة معدنية طويلة من حقنة (تستخدم في السابق لشطف فراغ الرأس) إلى إبرة يمكن التخلص منها (0.9 ملم × 45 ملم، على نطاق واسع) ويحقن سدادة من أجل تدفق فراغ الرأس من القمقم المتوسطة مع N 2 / CO 2.
- تأكد من أن يكون تدفق طفيف من الغاز في النهاية المفتوحة للحقنة الغاز (E.8 - تجميعها في القسم 5.10) متصلا سدادة الزجاجة المتوسطة. تدفق فراغ الرأس من القمقم المتوسطة (E) وحقنة زجاجية (E.8) لمدة 4 دقائق على الأقل.
ملاحظة: إذا لزم الأمر، فتحإبرة إطلاق الغازات (C.6) من فراغ الرأس لوحة تبادل الغاز مرة أخرى من أجل الحفاظ على تدفق الغاز في نهاية مفتوحة من الإبرة.
- فتح بسرعة صمام حزمة الغاز واضغط برفق على كيس للحفاظ على تدفق N 2 / CO 2 من أجل مسح أنبوب وموصل من حزمة الغاز.
- حالما يتم الافراج عن الضغط الزائد من الزجاجة المتوسطة، وسرعان ما ربط موصل من حزمة الغاز (gp.3) إلى الموصل المماثل من حقنة زجاجية (E.8).
- فتح صمام حزمة الغاز (GP)متصلا زجاجات التفريغ (G) للسماح للهواء أن تطلق في حزمة الغاز في حين الزجاجات التفريغ تمتلئ المتوسطة التدفق.
6. تلقيح البكتيريا في العمود
ملاحظة: للحصول على تجربة مراقبة غير الحيوية يتم تخطي هذه الخطوة.
- منذ ثقافة الخلية سيتم حقنه مباشرة في العمود من خلال سدادات المطاط بوتيل من منافذ أخذ العينات الرئيسية على طول الجانب من العمود، للتأكد من أعددنا ستة المحاقن مع الإبر التي هي فترة طويلة بما فيه الكفاية للوصول إلى وسط الجسم العمود.
- تعقيم خارج سدادات بوتيل المطاط من منافذ أخذ العينات الست الرئيسية في العمود (A.3) مع محلول ETOH (80٪).
- هل لديك زجاجة المصل مع الثقافة للتلقيح جاهزة (المعد في القسم 2) وتعقيم بوتيل سدادة مطاطية المشتعلة عدة قطرات من محلول ETOH. تدفق الحقنة مع معقم N 2 / CO 2 قبل اتخاذ قسامة من الثقافة. خذ 1 مل سو حل الخلية عوز الأكسجين وحقنه في مركز العمود من خلال سدادات المطاط بوتيل من منافذ أخذ العينات الرئيسية (A.3).
ملاحظة: اعتمادا على نمو البكتيريا، قد يكون من الضروري لضبط معدل الضخ (أو حتى وقف ضخ) خلال الأيام الأولى للمرحلة متخلفة لنمو الخلايا والتنمية لمنع الثقافات من أن جرفت.
7. أخذ العينات
ملاحظة: من أجل جمع العينات عبر التدرجات الكيميائية التي تتطور داخل العمود، فمن الضروري أن يبدأ أخذ العينات من أعلى الموانئ أخذ العينات السابقة إلى موانئ أعمق، كما يحدث فقدان الصوت. تأكد للحفاظ على ظروف معقمة (على سبيل المثال، من خلال العمل داخل 40 سم من موقد بنسن أو تحت غطاء الصفحي التدفق).
- جمع العينات الأولى 24 ساعة بعد التطعيم. تدفق الحقنة التي سيتم استخدامها لأخذ العينات مع N المعقم 2 / CO 2، وذلك لتجنب حقن الأكسجين في ساالموانئ mpling (D). تأكد من ملء المحاقن مع N 2 / CO 2 قبل أخذ العينات.
- بسرعة إزالة غطاء من البلاستيك (D.6) وإدراج حقنة أخذ العينات في أنبوب موصل (D.5). الحفاظ على وجود فجوة صغيرة بين حقنة وأنبوب موصل. الافراج عن الغاز من حقنة وتدفق أنبوب موصل مع N 2 / CO 2.
- بحزم ربط حقنة لموصل الأنبوب. إزالة المشبك (D.4) والبدء في أخذ عينة من حوالي 1 مل.
- بعد تعادله العينة وقبل إزالة المحاقن، وإرفاق المشبك (D.4). ثم إزالة حقنة أخذ العينات وإغلاق بحزم أنبوب موصل (D.5) مع غطاء من البلاستيك المطابق (D.6).
- على الفور كرر الخطوات من 7،1-7،3 لأخذ العينات من كل منفذ.
- جمع مجموعة التالية من العينات كل 24 ساعة.
ملاحظة: للحصول على عينات إضافية في خطوات زمنية مختلفة، فمن الضروري إزالة صباحا صغيرount من عينة (على سبيل المثال، 0،2-0،4 مل) في البداية قبل العينة التي يمكن اتخاذها، من أجل إزالة وسائل الاعلام المتبقية داخل أنبوب أخذ العينات وتحقيق عينات تمثيلية من داخل العمود.
8. طرق التحليل
- الأكسجين الكمي:
ملاحظة: يمكن تقدير تركيز الأكسجين داخل متوسطة التدفق من خلال وفراغ الرأس العمود غير جراحية وغير المدمر باستخدام أجهزة استشعار الأوكسجين البصرية والأكسجين حساسة بقع احباط الفلورسنت من 0.5 X 0.5 سم (ما يسمى optodes)، لصقها على طول الجدار الزجاجي الداخلي للعمود باستخدام الغراء السيليكون (A.6). تم التأكد من أن الأكسجين بقع احباط حساسة لا تعير اهتماما للأنواع الحديد من أجل تحقيق قراءات موثوقة.- تأكد من معايرة برامج الكمبيوتر مع المعلمات المعايرة المناسبة لoptodes التي يتم استخدامها في العمود. أجهزة الاستشعار البصرية الأكسجين تأتي مع calibrat محددةأيون للقياس باستخدام التي تسيطر عليها الكمبيوتر الألياف البصرية متر الأوكسجين المقابلة.
- بدء القياس والحرص على عقد الألياف البصرية البوليمر للمتر الأوكسجين في الزاوية اليمنى لاحباط حساس الأكسجين الذي يتم لصقها داخل الجدار الزجاجي الشفاف للعمود.
- تكرار القياس لكل نقطة قياس واحدة O 2 في جميع أنحاء العمود.
- الحديد (II) ومجموع تحليل الحديد من العينات المائية:
- منذ الحديد (II) يتأكسد بسرعة عن طريق الأكسجين في الهواء عند درجة الحموضة محايدة، وتثبيت العينات السائلة لمائي الحديد (II) الكمي فورا في 1 الحل M حمض الهيدروكلوريك. لحجم العينة النهائي من 1 مل خلط 0.5 مل عينة السائل مع 0.5 مل 2 M حمض الهيدروكلوريك.
- تحديد مجموع الحديد بعد احتضان قسامة من عينة 1 استقرت حمض الهيدروكلوريك-M مع هيدروكلوريد هيدروكسيل (10٪ وزن / ت، في 1 M حمض الهيدروكلوريك) لمدة 30 دقيقة. يقلل هذا كاشف عن الحديد (III) إلى الحديد (II)، والتي يمكن قياسها عن طريق فحص Ferrozine
- إجراء Ferrozine الفحص باستخدام لوحة القارئ عيار الصغيرة. قياس الامتصاصية في الطول الموجي من 562 نانومتر. تأكد من أن يكون المعايير داخل النطاق لاكتشاف الحديد (II) ومجموع تركيزات الحديد.
ملاحظة: إذا كان تركيز الحديد في العينة السائلة تتجاوز المعايرة القياسية، فمن الضروري لتخفيف العينة استقر مع 1 M حمض الهيدروكلوريك.- حساب تركيز الحديد (III) من خلال الفرق بين مجموع الحديد والحديد (II).
- إجراء Ferrozine الفحص باستخدام لوحة القارئ عيار الصغيرة. قياس الامتصاصية في الطول الموجي من 562 نانومتر. تأكد من أن يكون المعايير داخل النطاق لاكتشاف الحديد (II) ومجموع تركيزات الحديد.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تجربة السيطرة
وأظهرت تجارب السيطرة غير الحيوية (10 يوما) تركيزات الأكسجين منخفضة باستمرار (O 2 <0.15 ملغم / لتر) مع عدم وجود تقلبات كبيرة في الحديد (II) -profile في جميع أنحاء عمود الماء الموجات المتقلبة. تشكيل الرواسب (ويفترض الحديد (III) (oxyhydr-) أكاسيد) في الخزان المتوسط وانخفاض طفيف في الحديد (II) التركيز الكلي من 500 ميكرومتر إلى 440 ميكرومتر على مدى 10 يوما وتشير بعض انتشار الأوكسجين من خلال اتصالات المصنوعة من المطاط (على سبيل المثال، E.6، gp.1 في الشكل 1) 22 لهذه التجربة، وكانت أقل تركيز الأكسجين مما كان يمكن تحقيقه بشكل معقول ≤0.15 ملغم / لتر وهي في حدود لتقدير الأكسجين حساسة وأعلى من الحد كشف. 0.03 ملغم / لتر. قيم الأكسجين أقل من 0.15 ملغ / لتر هي لصemainder هذه الورقة المشار إليها باسم "نقص الأكسجين".
التجربة الحيوية
المعلمات وضوحا، نمو الخلايا، والتغيرات في عمود الماء
قبل التلقيح يوم 0 لم تكن هناك أية رواسب مرئية (الشكل 2). هذا يشير الى ان العمود كان صحيح الإعداد والتي لم يكن الأكسجين الحالي (قارن الشكل 3 أ) يمكن أن تؤدي إلى أكسدة الحديد (II) وتشكيل الحديد (III) يترسب. ونتيجة لذلك، كان تركيز (II) الحديد ثابتة طوال عمود الماء الموجات المتقلبة كما هو مبين في الصفحة الشخصية في الشكل 4A الشكل 2 ويظهر أن الانحدار الخفيف وضاقت إلى العليا 6 سم داخلعمود الماء باستخدام مصفوفة الخرز الزجاجي في الاسطوانة عمود.
اللون الأخضر ضمن أفضل 2.0 سم من الماء العمود 84 ساعة بعد التلقيح يدل على نمو البكتيريا الزرقاء (الشكل 2 ب). وأبرز الفرقة البرتقالي الخفيفة على عمق -3 سم (التي أبرزها السهم في الشكل 2 ب) تحت الفرقة الخضراء ويرجع ذلك إلى الحديد الرواسب التي شكلت أثناء الحديد (II) الأكسدة التي كتبها الأكسجين الجزيئي، التي تنتجها البكتيريا الزرقاء. كانت رواسب مشابهة مرئية على سطح عمود الماء أيضا. ضوء برتقالي رغوة شكلت في عمود المياه السطحية 84 ساعة بعد التلقيح (الشكل 2 ب) تشير إلى إنتاج O 2 من البكتيريا الزرقاء. رواسب على سطح عمود الماء شكلت يفترض بسبب الأكسجين الذي هو إطلاق الغازات فيسطح. بقايا الحديد (II) وأكسدة في نهاية المطاف على السطح وشكلت رواسب على مصفوفة الزجاج حبة.
الأكسجين التدرج
قبل التلقيح في اليوم 0، تم تحديد الأولي O 2 تركيز في وسط سائل. الشكل (3) ويدل بوضوح على أن تركيز لO 2 في جميع أنحاء عمود الماء كله كان على الدوام دون تركيز الحاضر في التجربة السيطرة. يا ما قبل التلقيح 2 -concentration لم تتجاوز قيم 0.13 ملغ / LO 2 (O 2 متوسط = 0.099 ± 0.002 ملغم / لتر). وهذا يدل على أن العمود كان مسبق نقص الأكسجين إلى التلقيح.
ويبين الشكل 3 B زيادة في تركيز O 2 في84 ساعة بعد التلقيح مع البكتيريا الزرقاء. هذا، جنبا إلى جنب مع الكتلة الحيوية الخضراء مرئية (الشكل 2 ب) تتفق مع إنتاج الضوئي وتراكم O 2 في العمود. وO 2 تركيز بعد 84 ساعة تحقيق أقصى تركيز لO 2 = 29.87 ملغم / لتر في عمق -0.5 سم تحت سطح عمود الماء. وتشير القيم 2 O في الشكل 3 ب أن O 2 المستويات كانت دائما فوق التركيز الأساسية في 8.5 سم العليا في عمود الماء (O 2> 0.15 ملغم / لتر). ومن الملاحظ ارتفاع O 2 تركيزات (> 0.50 ملغم / لتر) تم الكشف من -0.5 إلى -5.5 سم العمق تحت سطح عمود الماء. تركيز أقل للO 2 ≤ 0.15 ملغم / لتر في أعماق أقل من -10.5 سم، جنبا إلى جنب مع أدنى القيمة المقاسة لO 2 = 0.09 ملغم / لتر على عمق -20.5 سم تشير إلى أن تساوكانت المجالات البريد الأكسجين.
الحديد (II) التدرج
الرقم 4 ويدل على أن الحديد (II) التركيز على يوم 0، قبل التلقيح مع البكتيريا الزرقاء، كانت ثابتة خلال عمود الماء مع متوسط تركيز الحديد (II) يعني = 282.6 ± 6.8 ميكرومتر. وكان التركيز في خزان المتوسط يوم 0 الحديد (II) خزان = 320.4 ± 11.6 ميكرومتر.
84 ساعة بعد التلقيح مع البكتيريا الزرقاء تركيز (II) الحديد انخفض بشكل ملحوظ في 9 سم العليا في عمود الماء. الشكل 4 B يظهر متميزة الحديد (II) التدرج، حيث تركيزات الحديد (II) تنخفض إلى السطح العلوي لل عمود الماء. ومع ذلك، كان لا يزال الحديد (II) للكشف على سطح عمود الماء. عشر كان البريد أدنى الحديد (II) تركيز الكشف تحت سطح المتوسط السائل مباشرة على عمق -0.9 سم. الحديد (II) زادت تركيزات مع عمق من الحديد (II) = 9.9 ± 2.8 ميكرومتر في -0.9 سم إلى الحديد (II) = 258.6 ± 3.1 ميكرومتر في عمق -8.9 سم، وتشكيل خطي إيجابي حاد الحديد (II) التدرج على عمق ([الحديد (II) د] = (د + 1.278) ∙ 0.031 -1؛ د: عمق (سم) ، R 2 = 0.9694) تقتصر على العلوي 6.8 سم. لا تزال مناطق في وسط سائل أدناه -9 سم عمق ثابتة بشكل ملحوظ وتظهر أي انخفاض كبير في تركيزها على الحديد (II) مقارنة القيم الأولية من أجل الحديد (II) في اليوم 0 (T-الاختبار؛ P> 0.05).
الشكل 1. مجموعة التجربة التخطيطي تصل. رموز أبجدية رقمية للعناصر تشير إلى أجزاء المدرجة في الجدول 2.أ href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/54251/54251fig1large.jpg" الهدف = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 2. تغييرات واضحة في مصفوفة الزجاج حبة في جميع أنحاء اسطوانة العمود قبل و84 ساعة بعد التلقيح مع البكتيريا الزرقاء. الساحات الوردي هي مجسات الأكسجين. (A) قرب من العلوية 6 سم في العمود بإعدادها من قبل التلقيح. عمود السائل وليس صحيحا يدل على التدرج الضوء المرئي. مصفوفة الزجاج حبة يضيق التدرج الضوء المرئي إلى العليا 6 سم. (ب) قرب من العلوية 6 سم 84 ساعة بعد التطعيم. يشير اللون الأخضر الكتلة الحيوية وضوحا، أكثر كثافة في الجزء العلوي من العمود حيث شدة الضوء هي أعلى. يشير السهم إلى عصابة البرتقال مرئية بصوت ضعيف، والتي أسفرت عن تشكيل الحديد(III) يترسب بسبب الحديد (II) الأكسدة التي كتبها O الجزيئي 2 التي تنتجها البكتيريا الزرقاء. مرئية بصوت ضعيف رغوة البرتقال على رأس السطح عمود الماء يشير الحديد (III) وعجل أيضا هناك. O 2 إطلاق الغازات من خلال سطح يسبب رغوة من الحديد (III) يترسب. (C) نظرة عامة حول اسطوانة العمود شغلها. يقتصر نمو مرئية من البكتريا الزرقاء إلى أعلى 4 سم بسبب توافر ضوء محدود مع العمق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم الشخصي 3. الأوكسجين في عمود الماء قبل و84 ساعة بعد التطعيم بواسطة سم البكتيريا الزرقاء. صفر لعمق على المحور الصادي يشير colu المياهسطح مليون. القيم الإيجابية لأعماق تشير إلى فراغ الرأس فوق مستوى المتوسط السائل، في حين تمثل القيم السلبية أعماق داخل عمود الماء. لاحظ مقياس لوغاريتمي لO 2 تركيزات على محور س. خط متقطع العمودي يشير إلى عتبة ظروف نقص الأكسجين (O 2 ≤ 0.15 ملغم / لتر). (A) لمحة الأكسجين [0H] قبل التلقيح. وكانت قيم O 2 باستمرار دون 0.13 ملغم / لتر في جميع أنحاء عمود الماء. (ب) الأكسجين الشخصي 84 ساعة بعد التطعيم. كان يا 2 أعلاه 0.5 ملغم / لتر في 5.5 سم العليا من عمود الماء. كانت O 2 تركيزات أعلى من التركيزات الأساسية (≥ 0.15 ملغم / لتر، خط متقطع) في المجالات المذكورة أعلاه -8.5 سم العمق. وكانت مناطق أعمق الأكسجين مع O 2 ≤ 0.15 ملغم / لتر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 
الشكل 4. الحديد (II) مكانة بارزة في عمود الماء قبل و84 ساعة بعد التلقيح مع البكتيريا الزرقاء ملاحظة: أشرطة الخطأ تمثل مكررات التقنية استنتاجها من القياسات ثلاث نسخ من عينة واحدة في مقايسة Ferrozine. (أ) الحديد (II) لمحة [0H] قبل التلقيح. وكانت قيم الحديد (II) بشكل مستمر خلال عمود الماء مع قيمة متوسط للالحديد (II) يعني = 282.6 ± 6.8 ميكرومتر. الاختلافات في الحديد (II) نتيجة الوضع من عينة واحدة الحديد (II) التحديد الكمي. سوف الحديد (II) الكمي في يثلث عينة يؤدي على الأرجح إلى أقل الاختلاف. (ب) الحديد (II) لمحة 84 ساعة بعد التطعيم. انخفاض ملحوظ الحديد (II) التركيزات في 6.8 سم العليا في عمود الماء. الحديد (II) القيم أدناه -8.9 سم عمق تظهر ارتفاع الحديد(II) التركيزات التي لا تختلف كثيرا عن القيم الأولية الحديد (II) قبل التلقيح مع البكتيريا الزرقاء (T-الاختبار؛ ف <0.05). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| معدات | كمية | وصف السلعة | تفاصيل المعلومات | ||
| علامة تجارية | الأمر رقم | عنوان المرجع | |||
| 1 | Widdel قارورة (5 لتر) | أوكس | 110015 | labor-ochs.de | |
| 2 | وقوارير زجاجية (5 لتر) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com | |
| 3 | الماصات الزجاجية (5 مل) | 51714 | labor-ochs.de | ||
| 1 | 0.22 ميكرون وحدة تصفية Steritop (0.22 ميكرون Polyethersulfone غشاء) | ميليبور | X337.1 | carlroth.com | |
| 0.5 م 2 | ورق ألومنيوم | - | |||
| اللوازم | - | N 2 - صندوق قفازات (100٪ N 2) | - | ||
| - | N 2 / CO 2 - الغاز (90/10، ت / ت، و 50 مللي بار) | - | |||
| 1 | معقمة حقنة زجاجية لور قفل، مليئة القطن | C681.1 | carlroth.com | ||
| 1 | LUER قفل الإبر الفولاذ المقاوم للصدأ (150 ملم، 1.0 ملم ID) | 201015 | labor-ochs.de | ||
| مواد كيميائية | 4.8 L | MQ-المياه | - | ||
| لمدة 5 L حل المتوسطة | 100 غرام | كلوريد الصوديوم | 433209 | sigmaaldrich.com | |
| 34 ز | MgSO 4 | 208094 | sigmaaldrich.com | ||
| 7.5 ز | CaCl 2 | C4901 | sigmaaldrich.com | ||
| 1.25 ز | NH 4 الكلورين | A9434 | sigmaaldrich.com | ||
| 0.34 ز | KH 2 PO 4 | P5655 | sigmaaldrich.com | ||
| 0.45 ز | كي بي آر | P3691 | sigmaaldrich.com | ||
| 3.3 ز | بوكل | P9541 | sigmaaldrich.com | ||
| 200 مل | نقص الأكسجين نا 2 HCO 3 -buffer حل (22 ملي) | - | |||
| 15 ملغ | السيلينيوم وحل تنجستات (شركات وو وآخرون، 2014) | - | |||
| 5 مل | نا 2 S 2 O 3 حل (1 M) | - | |||
| 2.5 مل | Phototroph البحرية (MP) فيتامين حل (شركات وو وآخرون، 2014) | - | |||
| 5 مل | النائب أثر عنصر الصورةolution (شركات وو وآخرون، 2014) | - | |||
| مرجع | |||||
| وو، W.، Swanner، الضعف الجنسي، هاو، LK، Zeitvogel، F.، إوبست، M.، وعموم، YX، وكابلر، A. (2014). توصيف وظائف الأعضاء والخلايا والمعادن تفاعلات ضوئي التغذي anoxygenic البحرية الحديد (II) مؤكسد Rhodovulum iodosum - الآثار المترتبة على عصر ما قبل الكمبري الحديد (II) الأكسدة. FEMS علم الأحياء الدقيقة علم البيئة، 88 (3)، 503-515. | |||||
الجدول 1. متوسط التحضير. قائمة المعدات والإمدادات والمواد الكيميائية لإعداد مستنبت.
| الكمية. | المرجع. | وصف السلعة | تفاصيل المعلومات | ||||
| إلى | 1 | (ا) | اسطوانة الزجاج | Y310.1 | carlroth.com | * تعديل مخصصة منشأة لتصنيع الزجاج | |
| 2 ز | (A.1) | حائط زجاجي | 7377.2 | carlroth.com | |||
| 1.03 L | (A.2) | الخرز الزجاجي (ø 0،55-،7 مم) | 11079105 | biospec.com | |||
| 6 | (A.3) | بوتيل المطاط سدادة (ø 1.2 سم) | 271024 | labor-ochs.de | |||
| 1 | (A.4) | طبق بتري، والزجاج (ø 8.0 سم) | T939.1 | carlroth.com | |||
| 40 مل | (A.5) | البوليمرات الغراء | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |||
| 11 | (A.6) | مستشعر الاوكسجين البصرية احباط (لتحليل الأكسجين، انظر أدناه) | - عند الطلب - | presens.de | |||
| إلى | 4 | (ب) | متوسطة الغدد | ||||
| 4 | (B.1) | المطاط أنابيب (35 ملم و 7 ملم ID) | 770350 | labor-ochs.de | |||
| 4 | (B.2) | LUER قفل أنبوب موصل (3.0 ملم، LUER قفل ذكر = ماجستير) | P343.1 | carlroth.com | |||
| 4 | (B.3) | LUER قفل أنبوب موصل (3.0 ملم، LUER قفل أنثى = LLF) | P335.1 | carlroth.com | |||
| 4 | (B.4) | المطاط أنابيب (25 ملم، 0.72 ملم ID) | 2600185 | newageindustries كوم | |||
| إلى | 1 | (C) | لوحة فراغ الرأس تبادل الغازات | ||||
| 1 | (C.1) | المطاط أنابيب (50 ملم و 7 ملم ID) | 770350 | labor-ochs.de | |||
| 2 | (C.2) | LUER قفل الفولاذ المقاوم للصدأ إبرة (150 ملم، 1.0 ملم ID) | 201015 | labor-ochs.de | |||
| 2 | (C.3) | LUER قفل حقنة زجاجية (10 مل) | C680.1 | carlroth.com | |||
| 2 ز | (C.4) | القطن فضفاضة | - | ||||
| 2 | (C.5) | بوتيل المطاط سدادة (ø 1.75 سم) | 271050 | labor-ochs.de | |||
| 1 | (C.6) | الفولاذ المقاوم للصدأ إبرة (40 ملم، 1.0 ملم ID) | Sterican | 4665120 | bbraun.de | ||
| 1 | (C.7) | LUER قفل الفولاذ المقاوم للصدأ إبرة (150 ملم، 1.5 ملم ID) | 201520 | labor-ochs.de | |||
| (LLF) | الموقف: لور قفل الموصل الإناثجزء ص في C.7 | ||||||
| 10 مل | (C.8) | البوليمرات الغراء | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |||
| إلى | 1 | (د) | ميناء أخذ العينات | ||||
| 1 | (D.1) | الفولاذ المقاوم للصدأ إبرة (120 ملم، 0.7 ملم ID) | Sterican | 4665643 | bbraun.de | ||
| 1 | (D.2) | المطاط أنابيب (40 ملم، 0.74 ملم ID) | 2600185 | newageindustries كوم | |||
| 2 | (D.3) | أنابيب الحرارة يتقلص (35 مم، تقلصت 3 الرقم مم) | 541458-62 | conrad.de | |||
| 1 | (D.4) | أنبوب المشبك | STHC-C-500-4 | tekproducts.com | |||
| 1 | (D.5) | LUER قفل أنبوب موصل (1.0 ملم، LLF) | P334.1 | carlroth.com | |||
| 1 | (D.6) | LUER قفل غطاء من البلاستيك (ماجستير) | CT69.1 | carlroth.com | |||
| إلى | 1 | (ه) | زجاجة المتوسطة | ||||
| 1 | (E.1) | زجاجة (5 لتر) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com | ||
| 1 | (E.2) | بوتيل سدادة مطاطية (لGL45) | 444704 | labor-ochs.de | |||
| 1 | (E.3) | الفولاذ المقاوم للصدأ الشعرية (300 ملم، 0.74 ملم ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |||
| 1 | (E.4) | الفولاذ المقاوم للصدأ الشعرية (50 ملم، 0.74 ملم ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |||
| 4 | (E.5) | أنابيب يتقلص (35 مم، تقلصت 3 الرقم مم) | 541458-62 | conrad.de | |||
| 2 | (E.6) | المطاط أنابيب (100 ملم، 0.74 ملم ID) | 2600185 | newageindustries كوم | |||
| 1 | (E.7) | LUER قفل أنبوب موصل (1.0 ملم، LLF) | P334.1 | carlroth.com | |||
| 1 | (E.8) | LUER قفل حقنة زجاجية (10 مل) | C680.1 | carlroth.com | |||
| 1 ز | (E.9) | القطن فضفاضة | - | ||||
| 1 | (E.10) | بوتيل المطاط سدادة (ø 1.75 سم) | 271050 | labor-ochs.de | |||
| 1 | (E.11) | إبرة الصلب المقاوم للصدأ (40 ملم، 0.8 ملم ID) | Sterican | 4657519 | bbraun.de | ||
| إلى | 1 | (F) | لوحة توزيع المتوسطة | ||||
| 1 | (F.1) | LUER قفل حقنة زجاجية (5 مل) | <td>C679.1 | carlroth.com | |||
| 1 | (F.2) | بوتيل المطاط سدادة (ø 1.75 مم) | 271050 | labor-ochs.de | |||
| 2 | (F.3) | الفولاذ المقاوم للصدأ إبرة (40 ملم، 0.8 ملم ID) | Sterican | 4657519 | bbraun.de | ||
| 2 | (F.4) | المطاط أنابيب (40 ملم، 0.74 ملم ID) | 2600185 | newageindustries كوم | |||
| إلى | 2 | (G) | زجاجات التفريغ | ||||
| 2 | (G.1) | زجاجة (2 لتر) | Rotilabo | X716.1 | carlroth.com | ||
| 2 | (G.2) بوتيل سدادة مطاطية (لGL45) | 444704 | labor-ochs.de | ||||
| 4 | (G.3) | الفولاذ المقاوم للصدأ الشعرية (50 ملم، 0.74 ملم ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |||
| 2 | (G.4) | المطاط أنابيب (30 مم × 0.74 مم ID) | 2600185 | newageindustries كوم | |||
| 2 | (G.5) | المطاط أنابيب (100 مم × 0.74 مم ID) | 2600185 | newageindustries كوم | |||
| 2 | (G.6) | LUER قفل أنبوب موصل (1.0 ملم، LLF) | P334.1 | carlroth.com | |||
| 1 | (G.7) | LUER قفل 3-الطريق الموصل (LLF، 2X ماجستير) | <td>6134 | cadenceinc.com | |||
| معدات إضافية | |||||||
| 1 | (L) | مصدر ضوء | سامسونج | SI-P8V151DB1US | samsung.com | ||
| 1 | (P) | مضخة تموجية | ISMATEC | EW-78017-35 | coleparmer.com | ||
| 4 | (حزب العمال) | ضخ أنابيب (0.89 ملم ID) | EW-97628-26 | coleparmer.com | |||
| 4 | (S1 / 2) | الفولاذ المقاوم للصدأ الشعرية (200 ملم، 0.74 ملم ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |||
| 4 | (W3 / 4) | STAInless الصلب الشعرية (400 ملم، 0.74 ملم ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |||
| 2 | (GP) | Supel-الخاملة احباط (Tedlar - PFC) حزمة الغاز (10 لتر) | 30240-U | sigmaaldrich.com | |||
| مع | 2 | (gp.1) | أنبوب من المطاط (30 ملم و 6 ملم ID) | 770300 | labor-ochs.de | ||
| 1 | (gp.2) | LUER قفل أنبوب موصل (3.0 ملم، ماجستير) | P343.1 | carlroth.com | |||
| 1 | (gp.3) | LUER قفل أنبوب موصل (3.0 ملم، LLF) | P335.1 | carlroth.com | |||
| اللوازم | 2 | - | N 2 / CO 2 - خط الغاز (90/10، ت / ت، 50مليبار) | - | |||
| 2 | - | الغاز ضيق حقنة (20 مل) | C681.1 | carlroth.com | |||
| 1 | - | موقد بنسن | - | ||||
| 1 | - | الألياف متر الأوكسجين البصري لتقدير الأكسجين | الهدايا | TR-FB-10-01 | presens.de | ||
| 1 | - | مضخة فراغ | - | ||||
| 1 | - | الغراء سيليكون لoptodes الأكسجين | الهدايا | PS1 | presens.de | ||
| -: العناصر التي تحمل علامة شرطة (-) والمتاحة عموما وليسالبند pecific | |||||||
الجدول 2. العمود انشاء. الكميات والأرقام المرجعية أبجدية وأوصاف بند من المعدات اللازمة لانشاء التجريبية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تم تنظيم المجتمعات الميكروبية في المحيط عصر ما قبل الكمبري قبل، أو تعديل نتيجة، نشاطهم والشروط الجيوكيميائية السائدة. في تفسير نشأة BIF والباحثين الاستدلال عموما وجود أو نشاط الكائنات الحية الدقيقة على أساس الرسوبية أو الجيوكيمياء من BIF، على سبيل المثال، سميث وآخرون. 23 وجونسون وآخرون. 24. دراسة الكائنات الحديثة في البيئات الحديثة التي لديها النظير الجيوكيميائية إلى بيئات القديمة هي أيضا نهجا قيما، على سبيل المثال، كرو وآخرون. 11 وKoeksoy وآخرون. 14. وثمة نهج ثالث هو الاستفادة من الكائنات الحية في نظم المختبرات الهندسية التي تحاكي العمليات التي تجري في المحيط عصر ما قبل الكمبري، على سبيل المثال، Krepski وآخرون. 25. هذا النوع من النهج هو مفيد لاختبار فرضيات محددة، وإزالة العوامل البيولوجية التي قد تكون موجودة في النظم الحديثة الكيميائية أو، ولكن لم تكنجزء من المحيط عصر ما قبل الكمبري (على سبيل المثال، والنباتات المائية والحيوانات). لذا فإننا نقدم وسيلة إثبات صحة مفهوم لنظام الموجات المتقلبة الديناميكي، والمختبرات، والتي من نشاط (cyano-) البكتيريا وتأثيرها على الناتج ملامح الجيوكيميائية يمكن تقييمها تحت ظروف المختبر تسيطر عليها. عمود لدينا يمكن أن تستخدم لاختبار الفرضيات حول الكائنات الحية والعمليات التي تسهم في ترسب BIF، وbiosignatures الاحتفاظ بها في BIF.
نحن الأمثل بروتوكول لإعداد العمود بحيث أن التجمع مفهومة وconductible بسهولة. ومع ذلك لا بد من معالجتها بعناية وأجرت مثالي مع مساعدة من شخص مساعدة بعض الخطوات في البروتوكول. على وجه الخصوص، ربط الزجاجات المتوسطة إلى الاسطوانة عمود يحتاج إلى أن يقوم بسرعة من أجل تجنب التلوث من الحل المتوسط مع الأكسجين. واستخدام معدات غير معقمة، أو العمل تحت ظروف المختبر غير معقمة، يؤدي طن التلوث من التجربة والنتائج لا يمكن الاعتماد عليها. ولذلك هو ضرورة مطلقة لتعقيم المعدات والحفاظ على ظروف معقمة (العمل في غطاء تدفق الصفحي أو 40 سم بجانب موقد بنسن) أثناء إعداد التجربة وجمع العينات. وبالإضافة إلى ذلك، تسببت بعض المعلمات الفيزيائية والكيميائية للعمود المواد التغيرات الكيميائية على مدى فترة طويلة انشاء في التجربة العمود. ويبدو أن الأجزاء التي هي مصنوعة من أنابيب مطاطية لديها معامل الانتشار للأوكسجين التي هي مرتفعة بما يكفي لتؤثر تأثيرا كبيرا على زجاجة خزان المتوسطة وتؤدي إلى أكسدة الحديد (II) وهطول الأمطار المعدنية في حل المتوسط. استهلاك اللاأحيائي من> 10٪ حديد (II) وذلك بسبب هطول الأمطار خلال التجربة غير الحيوية على مدى 10 يوما (قارن: نتائج ممثل) تحتاج إلى أن تؤخذ بعين الاعتبار لتجارب طويلة الأجل في المستقبل. خلق مصدر الضوء الذي تم استخدامه في الدراسة الحالية التدرج ضوء downwelling ضمن 6 سم العلويالعمود. تغطية الطيف الضوئي للموجات نشطة الضوئي من الكلوروفيل أ و ب في متعاقبات حبيبية وسمح النمو والنشاط الضوئي. في الواقع، مصدر ضوء واحد من أهم المعايير بشأن الكائنات ضوئي التغذي لأن كلا، نوعية الضوء وكمية يمكن أن تؤثر إلى حد كبير البكتيريا ضوئي التغذي 11،13. أشكال مختلفة من الأطوال الموجية والنطاقات الطيفية، وبالنظر أيضا إلى الأشعة فوق البنفسجية أعلى خلال عصر ما قبل الكمبري، قد يزيد تسمح نظرة ثاقبة ضوء ردود الفعل البيولوجية الكيميائية التابعة. خلال التجارب حضانة الخفيفة، لاحظنا أن الضوء أجريت من خلال الجدار الزجاجي العمود، الباعثة للضوء من خلال منافذ أخذ العينات وفي الجزء السفلي من العمود. في التجارب المستقبلية، يجب أن يتم استبدال الزجاج في الجزء العلوي من العمود غير خفيفة إجراء الأواني الزجاجية. يجب أن تقاس التدرج الضوء في وهمي مجموعة المتابعة، كما لم يكن هناك طريقة سهلة وغير مكلفة لقياس التدرج ضوء داخلنظام عمود مغلق المتاحة. ونحن نفترض حدوث تغير كبير على مر الزمن في أقصى عمق تغلغل ضوء نتيجة لامتصاص الضوء من الخلايا والمعادن. سوف قياس الانحدار الخفيف في الموقع خلال التجربة أن تكون ذات فائدة للتجارب في المستقبل. استخدام الخرز تشتت الضوء في المصفوفة الخرز الزجاجي وتقدير من الضوء المتناثرة من الخارج قد تكون إمكانية لتحديد مدى توافر ضوء النسبية في أعماق معينة مع مرور الوقت. وتشمل هناك مزيد من التحسن غطاء التي لا تحتاج إلى أن تكون لاصق، ولكن يمكن بسهولة إرفاق وإزالة مع شفة و يلتف المشبك. ومن شأن إمداد وسائل الإعلام والتفريغ ميناء 4 نقاط يؤدي في مجال تدفق أكثر تجانسا داخل العمود. ان المواقع أضيق من منافذ أخذ العينات الرئيسية للعينات السائلة يؤدي إلى دقة أعلى لأخذ العينات من التدرجات البيولوجية والجيوكيميائية ضمن العمود.
ومع ذلك، تظهر النتائج الأولىد أن العمود التدفق من خلال الرأسي يمكن اعتباره التجريبية مجموعة المتابعة المناسبة للتحقيق في عمليات الميكروبية والتغيرات الجيوكيميائية في نظام الموجات المتقلبة. ويمكننا القول بأن هذا العمود بمثابة نموذج لإثبات وظيفة الكلية للنظام. وعلاوة على ذلك، نتائجنا التحقق من صحة عقد على نطاق واسع الافتراضات، نتائج النمذجة، والاستدلالات من الكيمياء الجيولوجية الرسوبية أن تدرج كيميائي بين الأكسجين والنتائج الحديد (II) إذا البكتيريا الزرقاء موجودة في الحديد (II) الغنية نظام 20 الموجات المتقلبة. شروط الأكسجين قبل التلقيح تعكس المحيط عصر ما قبل الكمبري قبل الاستعمار البكتيريا الزرقاء أو الكائنات قادرة على التمثيل الضوئي الاوكسجينية. مع صعود الأكسجين في المياه السطحية، الموجات المتقلبة الحديد (II) يصبح تتأكسد ويترسب كما الحديد (III) المعادن، مثل وقعت خلال ترسب BIF 26. وإنشاء تدرج كيميائي وتشكيل المعادن يمكن تقييمها لاستقراء الجيوكيميائية العمليات في البيئة على نطاق أوسعالصورة. ولكن لرفع مستوى النتائج وتقييمها ل(القديمة) البيئات الطبيعية، تحتاج إلى النظر فيها العمليات الفيزيائية إضافية. عبر الهوائي الأفقي النقل الأفقي، على سبيل المثال، قد تزعج إنشاء تدرج كيميائي، نفس الاضطرابات الناجمة عن الرياح في المياه السطحية.
وكان استخراج العينات السائلة من عمود الماء عن الحديد (II)، ومجموع قياسات الحديد، وغير الغازية O 2 الكمي قادرة على تتبع تطور جبهة التفاعل بين هذه الأنواع الكيميائية بطريقة بسيطة وسريعة وموثوقة . انخفاض الحديد (III) التركيز في عينات أخذت من العمود الذي أنشئ في تجارب السيطرة الأحيائية تشير بوضوح إلى أنه على الرغم من بعض الأكسدة وقعت في زجاجة وسائل الإعلام، تم إغلاق العمود نفسه بإحكام إلى O الخارجي 2 تدفق. وعلاوة على ذلك، تشير هذه النتائج إلى أن لدينا بروتوكول أخذ العينات الحفاظ على عينات الأكسجين للالحديد الكمي (II). لم تسجل التغيرات في درجة الحموضة خلال التجربه العمودقد يكون ر وتأثير مهيمن على الحديد لأنواع جديدة. ومع ذلك، كان مخزنة في نظام التدفق من خلال الحالي بنسبة 22 مم NaHCO 3 التي هي في حالة توازن مع نقص الأكسجين N 2 / CO 2 الغلاف الجوي في فراغ الرأس ويسمح للحفاظ على درجة الحموضة يلتصق محايد للا يقل عن 84 ساعة. ومع ذلك، فإن القياس الكمي في الموقع من درجة الحموضة قد يكون معيارا هاما لنفهم تماما العمليات الجيوكيميائية في التجارب على المدى الطويل المحتملة واستقراء لنظم المحيطات المفتوحة (القديمة). مصفوفة حبة الزجاج، وتستخدم لتحقيق الاستقرار في التدرجات الجيوكيميائية إقامة في الاسطوانة عمود، أدى إلى تراكم الحديد رواسب في باطن الأرض من عمود الماء. نحن نفترض أن الرواسب المتراكمة لا يكون لها تأثير مهيمن على تجربتنا 84 ساعة. ومع ذلك، تدهور الكتلة الحيوية قد يدفع عمليات الأكسدة على الحديد الرواسب التي تؤدي إلى الحديد وركوب الدراجات. هذا يحتاج إلى أن ينظر فيما يتعلق (<84 ساعة) التجارب على المدى الطويل المحتملة. في الواقع، وعلى ضوءالناجم عن ركوب الدراجات الحديد الأكسدة وإطلاق سراح من الحديد إلى تجمع الحديد الحديدية ويمكن ملاحظة وكميا في التجارب (وو، W.، Maisch، M.، كابلر، A.، وعموم، Y. تكرار طويلة الأجل (21 يوما) ، وSwanner، ED الضوئية الحديد (III) استقرت تخفيض الحديد (II) في الواحات الأكسجين الدهر السحيق. الجيولوجيا. (قيد الإعداد)).
والتجارب في العمود المستقبلية تتضمن كلا من الكائنات الحية الدقيقة والتغيرات المختلفة في تكوين ثقافة المتوسطة. وهذا يسمح محاكاة الظروف البيئية المختلفة التي تمثل لمراحل مختلفة خلال التحول من المحيط عصر ما قبل الكمبري. على سبيل المثال، يمكن إضافة السيليكا إلى وسيلة لمحاكاة تركيزات 0.67 إلى 2.2 ملم التي كانت موجودة في مياه البحر ما قبل الكمبري (27). وعلاوة على ذلك تركيز كبريتات في حل المتوسط يمكن أن تتغير لمعالجة التغيرات في تركيبة ماء البحر ما قبل الكمبري. والاختلافات في المتوسط زراعة المرجح أن تؤثر عhysiology وتأثير الكائنات الحية الدقيقة على أنماط الجيوكيميائية في عمود الماء 19 أن الإعداد العمود الحالي يسمح لنا للتحقيق في الموقع. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التجارب المتوقع إشراك المجتمعات الميكروبية أكثر تعقيدا مثل ضوئي التغذي الحديد (II) -oxidizing البكتيريا (على سبيل المثال، كابلر وآخرون.) 28، microaerophilic الحديد (II) البكتيريا -oxidizing (على سبيل المثال، Krepski وآخرون.) 29 والبكتيريا الزرقاء. فإن التجارب العمود تساعد على ندف بعيدا مساهمة فردية من هذه العمليات الجرثومية ترسب من تشكيلات الحديد النطاقات. ومع ذلك لتفسير واستقراء للبيئات القديمة (والحديثة) يجب أن تكون مستمدة بعناية فائقة. الموائل الميكروبي الذي محاكاة في نماذج الدراسة الحالية فقط السمات الأساسية للعمود الماء ما قبل الكمبري الموجات المتقلبة المحيط المحتملين: الرأسية الحديد (II) التدفقات، وضوئي التدرج ضوء المنطقة، جو عوز الأكسجين والبكتيريا الزرقاء. في الإعلانdition، والظروف في نظام الموجات المتقلبة الاصطناعي يحتمل أن تكون لصالح نمو البكتيريا الزرقاء، وذلك بسبب درجات حرارة ثابتة و 24 ظروف الإضاءة ساعة مما قد يؤدي إلى ارتفاع معدلات إنتاج O 2، في حين أن O ارتفاع 2 تركيزات يؤدي بالتالي إلى ارتفاع الحديد (II) معدلات الأكسدة . وبالتالي لا يجوز تفسير هذه الدراسة واحدة التجربة يناسب كل الفرضيات المتعلقة أصل BIF.
ومع ذلك، فإن الإعداد يسمح التحقيق في الموقع من مختلف العمليات الجيوكيميائية والاختلاف ومحاكاة بعض الشروط الحدية (توفر الضوء والتكوين المتوسط، التدفقات). الكمي من المعلمات واحدة والتفاعلات الجيوكيميائية في ظل الظروف التي تسيطر عليها المختبر قد يعطي نظرة ثاقبة البيئات القديمة والحديثة. وعلاوة على ذلك، فإن نظام عمود يسمح لنا لاختبار الفرضيات حول كيفية ينظم شروط الجيوكيميائية النشاط الميكروبي. على سبيل المثال، فقد كان نفترضد أن ارتفاع تركيزات الحديد (II) في أنظمة الموجات المتقلبة ما قبل الكمبري قد يكون محدودا إنتاج الضوئي الأكسجين بسبب التسمم من الحديد (II) في المضاءة بنور الشمس، وبيئات غنية بالأوكسجين 20. والتحقيقات المستقبلية تتضمن بالإضافة إلى تدفقات الكيميائية ومعدلات الحجمي التي تسمح حسابات متكافئة النوعية والكمية للحركية التفاعل في عمود الماء الاصطناعي. وبعد ذلك يتم ربط الملاحظات واحدة لتقييم نموذج لمحاكاة البيئة الفردية. مع تعيين عمود يصل، ونحن الآن قادرون على تحقيق استجابة الضغط مباشرة من (cyano-) بكتيريا لتدفقات عالية الحديد (II) والضوء في نظام الموجات المتقلبة في الموقع الذي يمثل الظروف الأرض في وقت مبكر البحرية 20. ويمكن أيضا أن العمود استخدامها لاختبار فرضيات بشأن التوقيعات الجيوكيميائية التي تنتجها النشاط الميكروبي، على سبيل المثال تطور تركيبة النظائر الحديد على طول نظام الموجات المتقلبة حيث الحديد (II) والتعرض للأكسدة (على سبيل المثال، زاجا وآخرونآل.) 30. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استبدال الخرز الزجاجي التي استقرار التدرجات الكيميائية داخل العمود مع الرمل أو الرواسب. ولذلك من الممكن أيضا تطبيق هذا العمود لمحاكاة التدرجات الجيوكيميائية التي قد تتطور في الرواسب البحرية أو المياه العذبة التي يسكنها الكائنات الحية الدقيقة (على سبيل المثال، ميلتون وآخرون.) 31.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
علامة نوردهوف ساعد في تصميم وتنفيذ وصلات الأنابيب. ساعد إلين ستروف لتحديد والحصول على المعدات المستخدمة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Widdel flask (5 L) | Ochs | 110015 | labor-ochs.de |
| Glass bottles (5 L) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| Glass pipettes (5 ml) | 51714 | labor-ochs.de | |
| 0.22 µm Steritop filter unit (0.22 µm Polyethersulfone membrane) | Millipore | X337.1 | carlroth.com |
| Aluminum foil | |||
| Sterile Luer Lock glass syringe, filled with cotton | C681.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock stainless steel needles (150 mm, 1.0 mm ID) | 201015 | labor-ochs.de | |
| NaCl | Sigma | 433209 | sigmaaldrich.com |
| MgSO4 | Sigma | 208094 | sigmaaldrich.com |
| CaCl2 | Sigma | C4901 | sigmaaldrich.com |
| NH4Cl | Sigma | A9434 | sigmaaldrich.com |
| KH2PO4 | Sigma | P5655 | sigmaaldrich.com |
| KBr | Sigma | P3691 | sigmaaldrich.com |
| KCl | Sigma | P9541 | sigmaaldrich.com |
| Glass cylinder | Y310.1 | carlroth.com | |
| Glass wool | 7377.2 | carlroth.com | |
| Glass beads (ø 0.55 - 0.7 mm) | 11079105 | biospec.com | |
| Butyl rubber stopper (ø 1.2 cm) | 271024 | labor-ochs.de | |
| Petri Dish, glass (ø 8.0 cm) | T939.1 | carlroth.com | |
| Polymers glue | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| Optical oxygen sensor foil (for oxygen analysis, see below) | – on request – | presens.de | |
| Rubber tubing (35 mm, 7 mm ID) | 770350 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, Luer lock male = LLM) | P343.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, Luer lock female = LLF) | P335.1 | carlroth.com | |
| Rubber tubing (25 mm, 0.72 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Rubber tubing (50 mm, 7 mm ID) | 770350 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock stainless steel needle (150 mm, 1.0 mm ID) | 201015 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock glass syringe (10 ml) | C680.1 | carlroth.com | |
| Loose cotton | – | ||
| Butyl rubber stopper (ø 1.75 cm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel needle (40 mm, 1.0 mm ID) | Sterican | 4665120 | bbraun.de |
| Luer Lock stainless steel needle (150 mm, 1.5 mm ID) | 201520 | labor-ochs.de | |
| position: Luer Lock female connector part at C.7 | |||
| Polymers glue | OTTOSEAL S68 | adchem.de | |
| Stainless steel needle (120 mm, 0.7 mm ID) | Sterican | 4665643 | bbraun.de |
| Rubber tubing (40 mm, 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Heat shrink tubing (35 mm, 3 mm ID shrunk) | 541458 - 62 | conrad.de | |
| Tube clamp | STHC-C-500-4 | tekproducts.com | |
| Luer Lock tube connector (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock plastic cap (LLM) | CT69.1 | carlroth.com | |
| Glass bottle (5 L) | Rotilabo | Y682.1 | carlroth.com |
| Butyl rubber stopper (for GL45) | 444704 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel capillary (300 mm, 0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| Stainless steel capillary (50 mm, 0.74 mm ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| Shrink tubing (35 mm, 3 mm ID shrunk) | 541458 - 62 | conrad.de | |
| Rubber tubing (100 mm, 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Luer Lock tube connector (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock glass syringe (10 ml) | C680.1 | carlroth.com | |
| Loose cotton | – | ||
| Butyl rubber stopper (ø 1.75 cm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| Stainless Steel needle (40 mm, 0.8 mm ID) | Sterican | 4657519 | bbraun.de |
| Luer lock glass syringe (5 ml) | C679.1 | carlroth.com | |
| Butyl rubber stopper (ø 1.75 mm) | 271050 | labor-ochs.de | |
| Rubber tubing (40 mm, 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Glass bottle (2 L) | Rotilabo | X716.1 | carlroth.com |
| Butyl rubber stopper (for GL45) | 444704 | labor-ochs.de | |
| Stainless steel capillary (50 mm, 0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| Rubber tubing (30 mm x 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Rubber tubing (100 mm x 0.74 mm ID) | 2600185 | newageindustries.com | |
| Luer Lock tube connector (1.0 mm, LLF) | P334.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock 3-way connector (LLF, 2x LLM) | 6134 | cadenceinc.com | |
| Light source | Samsung | SI-P8V151DB1US | samsung.com |
| Peristalic pump | Ismatec | EW-78017-35 | coleparmer.com |
| Pumping tubing (0.89 mm ID) | EW-97628-26 | coleparmer.com | |
| Stainless steel capillary (200 mm, 0.74 mm ID) | 56736 | sigmaaldrich.com | |
| Stainless steel capillary (400 mm, 0.74 mm ID) | 56737 | sigmaaldrich.com | |
| Supel-Inert Foil (Tedlar - PFC) gas pack (10 L) | 30240-U | sigmaaldrich.com | |
| Rubber tube (30 mm, 6 mm ID) | 770300 | labor-ochs.de | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, LLM) | P343.1 | carlroth.com | |
| Luer Lock tube connector (3.0 mm, LLF) | P335.1 | carlroth.com | |
| Gas-tight syringe (20 ml) | C681.1 | carlroth.com | |
| Bunsen burner | – | ||
| Fiber optic oxygen meter for oxygen quantification | Presens | TR-FB-10-01 | presens.de |
| Vacuum pump | – | ||
| Silicone glue for oxygen optodes | Presens | PS1 | presens.de |
References
- Lyons, T. W., Reinhard, C. T., Planavsky, N. J. The rise of oxygen in Earth's early ocean and atmosphere. Nature. 506 (7488), 307-315 (2014).
- Raymond, J., Blankenship, R. E. The origin of the oxygen-evolving complex. Coord. Chem. Rev. 252 (3-4), 377-383 (2008).
- Kendall, B., Reinhard, C. T., Lyons, T., Kaufman, A. J., Poulton, S. W., Anbar, A. D. Pervasive oxygenation along late Archaean ocean margins. Nature Geosci. 3 (9), 647-652 (2010).
- Olson, S. L., Kump, L. R., Kasting, J. F. Quantifying the areal extent and dissolved oxygen concentrations of Archean oxygen oases. Chem. Geol. 362 (1), 35-43 (2013).
- Satkoski, A. M., Beukes, N. J., Li, W., Beard, B. L., Johnson, C. M. A redox-stratified ocean 3.2 billion years ago. Earth Planet. Sci. Lett. 430 (1), 43-53 (2015).
- Holland, H. D. Oceans - Possible Source of Iron in Iron-Formations. Econ. Geol. 68 (7), 1169-1172 (1973).
- Holland, H. D., Lazar, B., Mccaffrey, M. Evolution of the Atmosphere and Oceans. Nature. 320 (6057), 27-33 (1986).
- Klein, C., Beukes, N. J. Time distribution, stratigraphy, and sedimentologic setting, and geochemistry of Precambrian iron-formations. The Proterozoic Biosphere. Schopf, J. W., Klein, C. , Cambridge University Press. 139-146 (1992).
- Poulton, S. W., Canfield, D. E. Ferruginous Conditions: A Dominant Feature of the Ocean through Earth's History. Elements. 7 (2), 107-112 (2011).
- Busigny, V., et al. Iron isotopes in an Archean ocean analogue. Geochim. Cosmochim. Acta. 133, 443-462 (2014).
- Crowe, S. A., et al. Photoferrotrophs thrive in an Archean Ocean analogue. PNAS. 105 (41), 15938-15943 (2008).
- Jones, C., et al. Biogeochemistry of manganese in ferruginous Lake Matano, Indonesia. Biogeosciences. 8 (10), 2977-2991 (2011).
- Lliros, M., et al. Pelagic photoferrotrophy and iron cycling in a modern ferruginous basin. Sci. Rep. 5 (13803), (2015).
- Koeksoy, E., Halama, M., Konhauser, K. O., Kappler, A. Using modern ferruginous habitats to interpret Precambrian banded iron formation deposition. Int. J. Astrobiol. , 1-13 (2015).
- Canfield, D. E. A new model for Proterozoic ocean chemistry. Nature. 396 (6710), 450-453 (1998).
- Wu, W. F., et al. Characterization of the physiology and cell-mineral interactions of the marine anoxygenic phototrophic Fe(II) oxidizer Rhodovulum iodosum - implications for Precambrian Fe(II) oxidation. FEMS Microbiol. Ecol. 88 (3), 503-515 (2014).
- Hungate, R. E., Macy, J. The Roll-Tube Method for Cultivation of Strict Anaerobes. Bull. Ecol. Res. Comm. 17 (1), 123-126 (1973).
- Van Baalen, C. Studies on marine blue-green algae. Bot. mar. 4 (1-2), 129-139 (1962).
- Sakamoto, T., Bryant, D. A. Growth at low temperature causes nitrogen limitation in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002. Arch. Microbiol. 169 (1), 10-19 (1998).
- Swanner, E. D., Mloszewska, A. M., Cirpka, O. A., Schoenberg, R., Konhauser, K. O., Kappler, A. Modulation of oxygen production in Archaean oceans by episodes of Fe(II) toxicity. Nature Geosci. 8 (2), 126-130 (2015).
- Stookey, L. L. Ferrozine - a New Spectrophotometric Reagent for Iron. Anal. Chem. 42 (7), 779-784 (1970).
- Fitch, M. W., Koros, W. J., Nolen, R. L., Carnes, J. R. Permeation of Several Gases through Elastomers, with Emphasis on the Deuterium Hydrogen Pair. J. Appl. Polym. Sci. 47 (6), 1033-1046 (1993).
- Smith, A. J. B., Beukes, N. J., Gutzmer, J. The Composition and Depositional Environments of Mesoarchean Iron Formations of the West Rand Group of the Witwatersrand Supergroup, South Africa. Econ. Geol. 108 (1), 111-134 (2013).
- Johnson, C. M., Beard, B. L., Klein, C., Beukes, N. J., Roden, E. E. Iron isotopes constrain biologic and abiologic processes in banded iron formation genesis. Geochim. Cosmochim. Acta. 72 (1), 151-169 (2008).
- Krepski, S. T., Emerson, D., Hredzak-Showalter, P. L., Luther, G. W., Chan, C. S. Morphology of biogenic iron oxides records microbial physiology and environmental conditions: toward interpreting iron microfossils. Geobiology. 11 (5), 457-471 (2013).
- Posth, N. R., Konhauser, K. O., Kappler, A. Microbiological processes in banded iron formation deposition. Sedimentology. 60 (7), 1733-1754 (2013).
- Maliva, R. G., Knoll, A. H., Simonson, B. M. Secular change in the Precambrian silica cycle: Insights from chert petrology. Geol. Soc. Am. Bull. 117 (7-8), 835-845 (2005).
- Kappler, A., Pasquero, C., Konhauser, K. O., Newman, D. K. Deposition of banded iron formations by anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria. Geology. 33 (11), 865-868 (2005).
- Krepski, S. T., Hanson, T. E., Chan, C. S. Isolation and characterization of a novel biomineral stalk-forming iron-oxidizing bacterium from a circumneutral groundwater seep. Environ. Microbiol. 14 (7), 1671-1680 (2012).
- Czaja, A. D., Johnson, C. M., Beard, B. L., Roden, E. E., Li, W. Q., Moorbath, S. Biological Fe oxidation controlled deposition of banded iron formation in the ca. 3770 Ma Isua Supracrustal Belt (West Greenland). Earth. Planet. Sci. Lett. 363 (1), 192-203 (2013).
- Melton, E. D., Schmidt, C., Kappler, A. Microbial iron(II) oxidation in littoral freshwater lake sediment: the potential for competition between phototrophic vs. nitrate-reducing iron(II)-oxidizers. Front. Microbiol. 3 (197), 1-12 (2012).
