Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Laboratorium Simulering af en jern (II) -rig Prækambrium Marine Upwelling System til udforske Vækst af fotosyntetiske bakterier

Published: July 24, 2016 doi: 10.3791/54251
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1,2
1Department of Geosciences, University of Tuebingen, 2Department of Geological and Atmospheric Sciences, Iowa State University

Summary

Vi simulerede et prækambriske jernholdig marine upwelling-system i et laboratorium-skala lodret gennemstrømning kolonne. Målet var at forstå, hvordan geokemiske profiler af O 2 og Fe (II) udvikle sig som cyanobakterier producere O 2. Resultaterne viser etableringen af en chemocline grundet Fe (II) oxidation af fotosyntetisk produceret O 2.

Abstract

En konventionel koncept til udfældning af nogle prækambriske båndet jernformation (BIF) fortsætter på den antagelse, at ferro jern [Fe (II)] upwelling fra hydrotermiske kilder i prækambriske ocean blev oxideret ved molekylær ilt [O 2] fremstillet af cyanobakterier. De ældste BIF'er, pålægges før den Store Oxidation Event (GOE) på omkring 2400 millioner år (Gy) siden, kunne have dannet ved direkte oxidation af Fe (II) ved anoxygenic photoferrotrophs under iltfrie forhold. Som en metode til at teste geokemiske og mineralogiske mønstre, der udvikler under forskellige biologiske scenarier, vi designet en 40 cm lang lodret gennemstrømning kolonne for at simulere et anoxisk Fe (II)-rige marine upwelling systemet repræsentant af en gammel ocean på en lab skala . Cylinderen blev pakket med en porøs glaskugle matrix for at stabilisere geokemiske gradienter, og flydende prøver til jern kvantificering kunne tages igennem vandsøjlen. Opløst ilt varopdages ikke-invasivt via optodes udefra. Resultater fra biotiske eksperimenter, der involverede upwelling fluxe af Fe (II) fra bunden, en tydelig lys gradient fra toppen, og cyanobakterier til stede i vandsøjlen, viser klare beviser for dannelse af Fe (III) mineralske udfældninger og udvikling af en chemocline mellem Fe (II) og O 2. Denne kolonne giver os mulighed for at teste hypoteser for dannelsen af ​​de BIF'er ved dyrkning cyanobakterier (og i de kommende photoferrotrophs) under simulerede marine prækambriske betingelser. Derudover hypotese vi, at vores kolonne koncept giver mulighed for simulering af forskellige kemiske og fysiske miljøer - herunder lavvandede marine eller lacustrine sedimenter.

Introduction

Prækambrium (4,6 til 0,541 Gy siden) atmosfære oplevet en gradvis opbygning af fotosyntetisk produceret ilt (O 2), måske præget af trinvise ændringer i den såkaldte "Great Oxidation Event" (GOE) ved ca. 2,4 Gy siden, og igen i Neoproterozoic (1 til 0,541 Gy siden) som atmosfærisk O 2 nærmede moderne niveau 1. Cyanobakterier er de evolutionære rester af de første organismer i stand til oxygen fotosyntese 2. Geokemiske beviser og modellering undersøgelser understøtter den rolle, lavvandede kystområder i husly aktive samfund af cyanobakterier eller organismer i stand til oxygen fotosyntese eller oxy- fototrofer, genererer lokale ilt oaser i overfladen havet nedenfor en overvejende anoxisk atmosfære 3-5.

Aflejring af båndet jernformation (BIF'er) fra havvand hele prækambriske punkter til jern (II) (Fe (II)) som en vigtig geokemisk constituent af havvand, i det mindste lokalt, under deres deposition. Nogle af de største BIF'er er dybt vand aflejringer, der dannes fra kontinentalsoklen og hældning. Mængden af Fe deponeret er uforenelig fra en massebalance standpunkt med overvejende kontinentalt (dvs. forvitring) kilde. Derfor meget af Fe skal være forsynet fra hydrotermisk ændring af mafiske eller ultramafiske havbunden skorpe 6. Skøn over antallet af Fe deponerede påhængsmotor af kystområder er i overensstemmelse med Fe (II), der leveres til overfladen havet via upwelling 7. For Fe skal transporteres i upwelling strømninger, må have været til stede i den reducerede, mobil form, - som Fe (II). Den gennemsnitlige oxidationstilstand Fe bevaret i BIF er 2,4 8, og det er generelt menes at BIF bevare Fe deponeret som Fe (III), dannes, når upwelling Fe (II) oxideret, eventuelt med oxygen. Derfor udforske potentielle Fe (II) oxidation mekanismer langs hældning environments er vigtigt at forstå, hvordan BIF dannet. Desuden har raffineret geokemiske karakterisering af marine sedimenter identificeret, jernholdig betingelser, hvor Fe (II) var til stede i et anoxisk vandsøjlen, var en vedholdende træk af havene i hele Prækambrium, og måske ikke blevet begrænset til blot tid og sted hvor BIF blev deponeret 9. Derfor, for mindst to milliarder år af Jordens historie, redox grænseflader mellem Fe (II) og O 2 i de lavvandede oceanerne var sandsynligvis hverdagskost.

Talrige undersøgelser udnytte moderne websteder, der er kemiske og / eller biologiske analoger af forskellige træk ved den prækambriske havet. Et godt eksempel er jernholdig søer, hvor Fe (II) er stabil og til stede i solbeskinnede overfladevand mens fotosyntetiske aktivitet (herunder ved cyanobakterier) blev opdaget 10-13. Resultaterne af disse undersøgelser giver indsigt i de geokemiske og mikrobielle egenskaber for en oxiske til anoxisk / ferruginous chemocline. Men disse steder er generelt fysisk stratificeres med lille vertikal blanding 14 i stedet for de kemiske grænseflader, der forekommer i et upwelling systemet, og menes at støtte de mest ilt produktion i prækambriske tid 4.

En naturlig analog til at udforske udviklingen af ​​en marine ilt oase under en anoxisk atmosfære, og ved en Fe (II) -rig upwelling system solbeskinnede overflade vandsøjlen er ikke tilgængelig på det moderne Jorden. Derfor er et laboratorium, der kan simulere en jernholdig upwelling zone og også støtte væksten i cyanobakterier og photoferrotrophs behov. Forståelsen og identifikation af mikrobielle processer og deres samspil med en upwelling vandigt medium, der repræsenterer prækambriske havvand fremmer forståelsen og kan supplere de oplysninger opnået fra klippen rekord for fuldt ud at forstå de karakteristiske biogeokemiske processer på det gamle Jord. Henimod herpå blev et laboratorium-skala-søjle udformet som Fe (II) -rige havvand medium (pH neutral) blev pumpet ind i bunden af ​​søjlen, og pumpes ud fra toppen. Belysning blev tilvejebragt ved toppen for at skabe en 4 cm bred "fotiske zone", der understøttede væksten af ​​cyanobakterier i top 3 cm. Naturlige miljøer er generelt lagdelte og stabiliseret ved fysisk-kemiske gradienter, som saltholdighed eller temperatur. For at stabilisere vandsøjlen på en lab-skala blev kolonnen cylinder pakket med en porøs glasperle matrix, der hjalp til at fastholde etableringen af ​​geokemiske mønstre, der er udviklet under eksperimentet. En kontinuerlig N2 / CO2 gasstrøm blev påført skylle headspace af søjlen for at opretholde et anoxisk atmosfære afspejler et ocean før GOE 15. Efter en konstant flux af Fe (II) blev oprettet, blev cyanobakterier inokuleret hele kolonnen, og deres growth blev overvåget af celletal på prøver fjernes gennem målestudse. Oxygen blev overvåget in situ ved at placere oxygenfølsomme optode folier på den indvendige væg af kolonnen cylinder og målinger blev foretaget med et optisk fiber fra uden for søjlen. Vandig Fe artsdannelse blev kvantificeret ved at fjerne prøver fra dybde-løst vandrette målestudse og analyseres med det FerroZine metoden. De abiotiske kontrolforsøg og resultater viser proof-of-concept - at laboratorieskala analog af den antikke vandsøjlen, holdes i isolation fra atmosfæren, er opnåeligt. Cyanobakterier voksede og produceret oxygen, og reaktionerne mellem Fe (II) og oxygen var løses. Heri er metodologien for design, forberedelse, montage, udførelse og prøvetagning af en sådan søjle præsenteret, sammen med resultater fra en 84 timers løb i kolonnen, mens podet med marine cyanobakterien Synechococcus sp. PCC 7002.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremstilling af dyrkningsmedium

Bemærk: Oplysninger om de nødvendige udstyr, kemikalier og forsyninger til udarbejdelse af dyrkningsmediet er anført i tabel 1 Kursiv alfanumeriske koder i parentes henviser til det udstyr specificeret i tabel 2 og vist i figur 1..

  1. Forbered 5 liter Marine fototrof (MP) medium (herefter benævnt "medium") efter protokollen af Wu et al. 16. PH justeres til 6,8 ved hjælp af anoxisk og steril 1 M HCl eller 0,5 M Naco 3. Som kilde til Fe (II), der tilsættes 3,5 ml af en 1 M anoxisk og sterilt FeCl2-opløsning at opnå en endelig Fe (II) -koncentration på 500 uM efter filtrering mediet opløsning i det næste trin.
  2. mediet opløsning ved 5 ° C i 48 timer lagre for at udfælde Fe (II) carbonat og phosphat mineraler. Fe (II) tilsætning og Fe-mineraludfældning resulterer i en pH ændring, derfor korrigeres pH tilbage til 6,8. Filter mediet i et anoxisk (100% N2) handskerum gennem et 0,22 um filterenhed. Dispensere filtrerede medium i en steril 5 liters glasflaske (E.'1) inde i en handskekasse, og hætten med en steril butyl gummiprop.
  3. Skyl headspace af mediet flaske med N2 / CO2 (v / v, 90/10) ved at indsætte en engangsnål forbundet til gasledningen ind i proppen, og en anden nål, der fungerer som en ventil. Sørg for at ændre headspace volumen 10 gange. For eksempel med en konstant gasstrøm på 10 ml / sek, skylle headspace volumen på 50 ml i mindst 50 sek (sammenlign Hungate & Macy 17).
  4. Dæk medium flaske (E), der nu er klar til brug med aluminiumfolie og opbevares ved stuetemperatur under mørke forhold at forhindre fotooxidation af Fe (II). Tillad 3 dage medium forberedelse.

2. Forberedelse af Kultur

"> Bemærk:.. Kulturen i Synechococcus sp PCC 7002, der anvendes i kolonnen eksperimentet beskrives som encellede marine photoheterotrophic cyanobakterier genus 18 Det blev leveret af Dr. M. Eisenhut (Institut for Plantebiokemi, Universitetet i Düsseldorf, Tyskland) . for den nuværende undersøgelse stamkulturen blev dyrket på anoxisk MP medium uden yderligere Fe (II).

  1. Forbered 100 ml MP medium ifølge protokollen af Wu et al. 16, men erstatte ferrichlorid med 1 ml / L ferriammoniumcitrat ved 6 mg / ml.
  2. Under iltfattige forhold (handskerum, 100% N2), dispensere mediet i en 120 ml steril serum flaske, cap med en steril butyl gummiprop og krympe med en aluminium hætte. Skift headspace til N2 / CO2 (v / v, 90/10) (sammenlign Hungate & Macy 17) og inokulering med 5% af stamkulturen. Efterfølgende Kulturen opbevares i en lys inkubator ved 25 ° C og 600 Lux fra en Tungsten pære.
  3. Siden Synechococcus sp. PCC 7002 er lysfølsom, efter overførslen, dække serum flaske med et tyndt stykke køkkenrulle for første 24 timer inden lyset inkubator. Tillad kulturen at vokse i 6-8 dage. Fotosyntetiske aktivitet resulterer i oxidation af Fe (II) og Fe (II) ikke vil være statisk for tidsskalaen af ​​cellulær vækst, derfor overføre kulturen efter 7 dage for at opretholde Fe (II) i medium, og cellerne tilpasset Fe (II).
  4. Overvåg celledensiteten ved at tage prøver til optisk densitet (OD) målinger: Celledensiteten (celler / ml) af kulturen kan bestemmes via absorbansen af cellesuspensionen prøve i en foto-spektrometer ved en bølgelængde på 750 nm 19. En lineær sammenhæng mellem OD 750 og direkte mikroskopiske celletal af en kultur i log-fase vil bestemme den absolutte celletæthed 20.
  5. Så snart en celledensitet på 10 8 celler / ml nås,wrap serum flaske med aluminiumsfolie for at standse oxygenfremstillingskapacitet fotosyntese.
  6. Fjern O 2 i cellesuspensionen ved anvendelse af et 0,22 um sterilt sprøjtefilter fastgjort til en lang (100 mm) engangsnål indsat i det flydende medium. Skyl headspace og boble kulturen med N2 / CO2 i 5 min (sammenlign Hungate & Macy 17). Opbevar prøven i mørke, indtil inokulering i kolonnen.

3. Udarbejdelse af artikler og særskilte dele til Eksperimentel Set-up

Bemærk: Oplysninger om det nødvendige udstyr til den eksperimentelle set-up, er mængder og specifikationer anført i tabel 2.   Dele af de elementer, der skal bruges til den eksperimentelle opstilling er forberedt på forhånd og er individuelt mærket med et enkelt stort bogstav (AG), der er opført i tabel 2 og vist som nærbilleder i figur 1 godt. Kursiv alfanumeriske koder i parentes i protokollen refererer til det udstyr specificeret i tabel 2 og er vist i figur 1.

  1. For at forberede de målestudse (D) for kolonnen, lukker portene med tætsiddende butylgummipropper (A.3). Indsæt en stål kanyle af rustfrit (D. ') ind i butyl gummiprop. Kontroller, at spidsen af ​​kanylen er i midten af ​​kolonnen.
    1. Slut nålen til en gummislange (D.2) og forsegle forbindelse med en varme-shrink rør (D.3). Fastgør den anden ende af røret til et lille Luer lock rør stik ( 'D.5), forsegle forbindelse med en varme-shrink rør (D.3), og dækker røret stik med en passende plastik hætte (D.6) .
      Bemærk: Afhængigt af det ønskede antal målestudse er det nødvendigt at give en vigtigste havn med forskellige målestudse - therefore indsætte stål nåle af rustfrit (D.1) i en skrå vinkel i butyl gummiprop.
  2. For at forbinde mellemstore og udledning flasker til kolonnen, ændre butylgummipropper efter de næste skridt:
    1. Sæt to stål kapillærer rustfrit (E.3; E.4) ind i butyl gummiprop (E.2). Tilslut de passende gummislanger (E.6) til disse kapillærer og forsegle forbindelse med varme-shrink rør (E.5).
    2. Tilføj et rør stik (E.7) til den anden ende af røret af den længere kapillær (E.3) og også løse dette stik med en varme-shrink rør (E.5).
    3. Tilslut en rustfri stål kanyle (E.11) til den frie ende af det andet rør er knyttet til kortere kapillær (E.4), forsegle forbindelserne med varme-shrink rør (E.5), og sæt den anden ende af stål kanyle af rustfrit ind i et mindre butyl gummiprop (E.10). Sæt to stål kapillærer rustfrit (G.3) ind i en stor butyl gummiprop (G.2) og vedhæfte de relevante gummislanger (G.4; G.5). Slut den frie ende af den kortere gummislange (G.4) til et medium udledning flaske kapillær (w2). Udstyre den frie ende af den længere rør (G.5) med et lille rør stik (G.6). Gentag disse trin for at forberede en anden butyl gummiprop til en anden udledning flaske.
  3. Forbered Proppen mediet distributionspanel (F) ved at indsætte to stålnåle rustfrit (F.3) i en butyl gummiprop (F.2) for at producere to medier forsyningslinjer til søjlen. Vedhæft en gummislange (F.4) til hver af nålene, og tilslut en medium flaske kapillær (c1) til en af de gummislanger, hhv.
  4. For at forberede kirtlerne for mediet forsyningsledningen (B), forbinde en mediumforsyning kapillær (c2) til et lille rør stik (B.3) med en gummislange (B.4). Gentag dette trin for andet medium levering kirtel.
    1. Brug længere medium udledning kapillær (w1) i stedet for at forberede kirtler på mellemlang udløbsledningen og følge de tidligere trin (sammenlign (B) i figur 1).
      Bemærk: Det er nyttigt at mærke indløb og udløb med forskellige farver af tape til at hjælpe med korrekt montering.
  5. Saml dele til headspace gasudveksling panel (C) ved at indsætte to lange Luer lock stål nåle af rustfrit (C.2) ind i en gummislange (C.1), og sørg for, at spidserne af nåle nå 4 cm uden den anden ende af røret. Fyld røret med Polymers lim (C.8) og lad samlingen tørre i mindst 6 timer.
    1. Løst fylde to Luer lock glas sprøjter (C.3) med bomuld (C.4).
    2. Separat forberede to butyl rubBER propper (C.5), et med en kanyle af rustfrit stål indsat (C.6) og den anden med en kanyle af rustfrit stål (C.7). Tilslut ikke til glas sprøjter, endnu.
  6. Forbered et glas sprøjte (E.8) fyldt med bomuld (E.9) til senere brug i overensstemmelse med mediet flaske og gas pakke (gp).
  7. Saml udstyr for en 10 L gas pack (gp) ved at forbinde en gummislange (gp.1) på ventilen af gassen pack. Indsætte et rør stik (gp.2) til den frie ende af gummislange. Gentag denne procedure for en anden 10 L gas pack.

4. Sterilisering af Column og udstyr

Bemærk: Afhængigt af de materialeegenskaber, er det udstyr steriliseres ved en af ​​følgende tre metoder:

  1. Sterilisere udstyr lavet af glas ved tør ovn (180 ° C i 4,25 time):
    1. Steriliser udstyr til frembringelse medium (se afsnit 1.2) separat og på forhånd. Derfor forberede 2 x 5 L glasflasker og dække åbningen og flaskehalsen med aluminiumsfolie. Pack 4 x 5 ml og 5 x 2 ml glas afpipetteres i en varmebestandig beholder og ovn-sterilisere alt udstyr.
    2. Sterilisere udstyr til kolonnen oprettet i et andet trin. Wrap glas sprøjter (C.3, E.8, F.1 - udarbejdet i afsnit 3) med aluminiumsfolie og sørg for, at de tilsvarende butylgummipropper fjernes.
    3. Placer glasperler (A.2) i et bægerglas og dække toppen med aluminiumfolie. Dækker også den transparente glasplade (A.4), 4 x store rør stik (B.2) og 3-vejs multistik (G.7) ​​med aluminiumsfolie og ovn-sterilisere alt.
  2. Sterilisere autoklaverbare plast og væsker ved autoklavering (120 ° C, 10 bar, 20 min):
    1. I det første trin, sterilize den Widdel kolben med mediet, det NaHCO3 -buffer løsning og 2 butylgummipropper for 5 L glasflaske.
      Bemærk: butylgummipropper fremstilles først ved kogning i ultrarent vand 3 gange og derefter autoklaveres i et glas bægerglas med en smule vand, dækket med aluminiumsfolie. De våde propper er lettere at indsætte i glasflasker.
    2. I et andet trin sterilisere udstyr til den eksperimentelle kolonnen oprettet. For at forberede kolonnen til sterilisering i autoklaven, pak den øverste åbning, medieforsyningselementet ventilationskanaler, medier udledning ventilationskanaler, og headspace udluftning med folie af aluminium før autoklavering.
    3. Dæk målestudse (D.'5) med de passende plasthætter (D.'6) og sørg for at fjerne klemmerne (D.4), før autoklavering.
    4. Pak butylgummipropper og de ​​tilsvarende kapillærer på mellemlang og udledning flasker (E.2; 2 x G.2 - forberedt in afsnit 3), de mindre propper til glas sprøjter (2 x C.5, E.'10 «F.'2 - udarbejdet i afsnit 3) og kapillærer er forbundet med de mellemstore forsynings- og udledning kirtler (s2; w1 - udarbejdet i afsnit 3.4) i aluminiumsfolie og sterilisere alt udstyr i autoklaven.
    5. Efter sterilisering tørre det steriliserede søjle og udstyr i en ovn ved 60 ° C i yderligere 4 timer.
  3. Da pumpens rør (pt) er ikke autoklaverbare, sterilisere dem i en Ethanol (EtOH) opløsning (80% EtOH, 20% vand). Fyld en passende bægerglas med EtOH-opløsning og placere pumpen slangen i det, der sikrer, at røret er helt fyldt med EtOH-opløsning. Tegne efter 3 timer og wrap direkte i præ-steriliserede aluminiumfolie (ovn-steriliseret) og lad tørre ved stuetemperatur i 2 timer.

5. Montering af Column og udstyr

  1. Placer kolonne (A) på en flad overflade og stabilisere med et laboratorium stativ og klemmer. Sørg for at arbejde under sterile forhold (f.eks, inden for 40 cm af en bunsenbrænder eller under en laminar flow hætte). Fjern forsigtigt aluminiumsfolie fra top åbning og udfylde de steriliserede glas-perler (A.2).
    1. Forbered urglasset (A.4) for at tæt tæt kolonnen ved at påføre polymererne lim (A.5) til den indre overflade i det område, hvor den vil være i kontakt med søjlen. Tryk let urglasset på plads i toppen af ​​søjlen for at lime to dele tæt sammen. Tillad mindst 6 timer til installationen til tørre.
      Bemærk: Det er muligt at placere en steril, fin bøjelig ledning mellem kolonnen kant og urglasset, for at nemt at fjerne urglasset efter forsøget.
  2. Mens han arbejdede under sterile forhold vedhæfte følgende dele til kolonne:
    1. Tilslut gummislanger (B.1) og den tilsvarende rørforbindelser (B.2) til mediet tilførsel og udledning ventilationskanaler (sammenlign (B) i figur 1).
    2. Tilslut rør stikkene kirtler (B.3) til medier levering og aflade (udarbejdet i afsnit 3.4) til de tilsvarende stik på kolonnen (sammenlign (B) i figur 1).
    3. Fastgør headspace gasudveksling panel (sammenlign (C) i figur 1 - udarbejdet i afsnit 3.5) til headspace udluftning på søjlen og tilslut glas sprøjter (C.3) til de tilsvarende stål nåle af rustfrit (C.2) og insert de relevante butylgummipropper (C.6; C.7 - udarbejdet i afsnit 3.5.2) i bomuld fyldt glas injektionssprøjter (C.3).
  3. Sæt butylgummipropper til udledning flasker (2 x G.20 - udarbejdet i afsnit 3.2) i to sterile 3 L glasflasker (G.1), og tilslut røret stikkene flaskerne (G.6) til den 3-polede stik (G.7).
  4. Slut den frie ende af mediet udledning kirtel kapillær (w1) til den frie ende af en udledning flaske kapillær (w2) med pumpe slange (pt). Gentag denne procedure for det andet medium udledning kirtel kapillær og den anden afladning flaske.
  5. Slut den frie ende af en medium flaske kapillær (s1) til den frie ende af mediet forsyning kirtel kapillær (s2) med pumpen slange (pt). Gentag denne procedure for det andet medium flaske kapillær og det andet medium forsyning kirtel kapillar.
  6. Saml medium-tavler ved at indsætte proppen med de tilsvarende kapillærer (F.2 - udarbejdet i afsnit 3.3) i glasset sprøjten af mediettavler (F.1).
  7. Slut medium-tavler til stikket på butyl gummiprop på mellemlang flaske (E.7 - sammenlign F i figur 1).
  8. Tilslut N2 / CO2 gas linje til headspace gasudveksling panel til Luer lock stål kanyle af rustfrit (se position (LLF) i figur 1), og skylle søjlen installation og kapillarsystem med N2 / CO2 ved lavt tryk (<10 mbar). Opretholde en udstrømning af gas ved de åbne ender af mediet flaske kapillar (E.3), 3-vejs stik (G. 7), og målestudse (D.5). Sørg derfor for at have hætterne af målestudse (D.6) lidt åbne, for at opretholde sterile forhold gennem et overtryk på gas, der strømmer ud.
    1. Skyl hele installationen i mindst 20 min.
      Bemærk: Derudover er det muligt at lukke outgassing nål (C.6) af headspace gasudveksling panel med en passende gummislange og en klemme for at øge effektiviteten af ​​skylning af komplet installation.
  9. I mellemtiden fylde en 10 L gaspose (gp) med N2 / CO2 (v / v, 90/10), efter 10 runder af påfyldning og afluftning (anvendelse af en vakuumpumpe) hele mængden for at sikre at posen er helt anoxisk . Sørg for at lukke ventilen af ​​gassen pack efter den endelige fyld. Gentag denne procedure med en anden gas pakke, men lukke ventilen efter afluftning (dvs. lad det tomme).
    Bemærk: N2 / CO2 fyldt gas pack vil blive forbundet til mediet flasken for at kompensere den stigende headspace volumen på grund medium tab ved pumpning. N2 / CO2 skylles, men tomme gas pack, vil senere blive forbundet til afgangsåbningerne flasker for at tillade gas at undslippe headspace på grund af stigende væskevolumen udledning.
  10. Indsæt than butyl gummiprop (E.10 - udarbejdet i afsnit 3.2.3) i den sterile glas sprøjte fyldt med bomuld (E.8 - udarbejdet i afsnit 3.6).
  11. Placer den fyldte og lukkede medium flaske (E - udarbejdet i afsnit 1) på laboratoriet bænken ved siden af proppen på mellemlang flaske (E.2), og forberede sig på at forbinde proppen til mediet flasken ved hjælp af følgende fremgangsmåde:
    1. Luk N2 / CO2 gas flow ind i kapillarrøret (E.3) ved at lukke den tilsvarende gummislange (E.5) med en slangeklemme.
    2. Let løftes butylgummiprop off mediet flaske og skylle headspace med N2 / CO2 (50 mbar) ved at hænge et steriliseret, bomuld -filled sprøjte med en bøjet, lang metal nål (1 mm x 140 mm) ind i flaskehalsen af mediet flaske (sammenlign Hungate & Macy 17).
      3. (E.2) i mediet flaske (E).
    3. Skift lange metal sprøjtens kanyle (tidligere anvendt til skylning frirummet) til en engangskanyle (0,9 mm x 45 mm, bredt tilgængelige) og injicere i proppen for at skylle headspace af mediet flaske med N2 / CO 2.
    4. Sørg for at have en lille udstrømning af gas ved den åbne ende af gassen sprøjten (E.8 - samlet i afsnit 5.10) forbundet til proppen af mediet flaske. Skyl headspace af mediet flaske (E) og glassprøjte (E.8) i mindst 4 min.
  12. I mellemtiden, stramme plastik hætter (D.6) af målestudse (D.'5) og luk den tilsvarende gummislanger (D.2) med en klemme (D.4).
    Bemærk: Hvis det er nødvendigt, skal du åbneudgasning nål (C.6) af headspace gasudveksling panel igen for at opretholde en udstrømning af gas ved den åbne ende af nålen.
  13. Placer 10 L gas pack, fyldt med N2 / CO2 (fremstillet i afsnit 5.9), på laboratoriearbejdet. Sikre, at røret stik er i stand siden af den åbne ende af glassprøjte (E.8) forbundet til mediet flaske.
  14. Efter skylning af headspace af mediet flaske (E) i mindst 4 min, lukke N2 / CO2 gas linje i flushing sprøjten og hurtigt trække injektionsnålen ud af proppen (E.2). Den resterende overtryk af gas i frirummet af mediet flaske vil blive frigivet gennem glas sprøjten (E.8).
    1. Hurtigt at åbne ventilen af gassen pakken og tryk let på posen for at opretholde en udstrømning af N2 / CO2 for at skylle slangen og konnektoren af gassen pack.
    2. Så snart overtrykket frigives fra mediet flasken, hurtigt at forbinde stikket af gassen pakke (gp.3) til den tilsvarende konnektor af glasset sprøjten (E.8).
  15. Tilslut en tom 10 L gas pakke (gp), der tidligere var skyllet 10 gange med N2 / CO2 (udarbejdet i afsnit 5.9) til frihavnen af 3-vejs multistik (G.7) ​​forbundet til udledning flasker. Sørg for at holde ventilen af ​​gassen pack lukket.
  16. Reducer trykket af N2 / CO2 gasledning (<0,1 mbar) i headspace gasudveksling panel (C i figur 1; position LLF) for at opretholde en udstrømning af gas fra udgasning nål (C.6).
  17. Sæt pumpen slange (pt) ind i pumpen (P) og fjern slangen klemme fra den tilsvarende gummislange (E.6) af mediet flaske (E).
    1. Åbn ventilen af gassen pakke (gp)forbundet med udledning flasker (G) for at tillade luft at blive frigivet ind i gassen pack mens decharge flasker fylde op med udstrømning medium.
  18. Start pumpen og overvåge medium-tavler (se (F)) fyldt op med medium. Sørg for at fjerne det resterende gas i panelet, da det fylder ved at holde det i en omvendt position. Gas frigives gennem kapillærerne, der er forbundet til pumpen.
  19. Overvåg kolonnen som den fyldes med medium, og justere pumpen til en ordentlig pumpehastighed på 0,45 l / dag, som kan omdannes til en lodret strømning af 10 mM Fe (II) / m2 / d, for at simulere den kemiske flux af interesse.
  20. Installere lyskilden (L) 2 cm over den øvre ende af søjlen og dækker de øvre 10 cm omkring søjlen med en mørk tape og / eller aluminiumfolie for at forhindre lyset i at stråle ud af toppen af søjlen og lysende den nedre del af kolonnen. Dække heleinstallation med en mørk tekstilovertræk for at forhindre belysning af søjlen fra eksterne lyskilder.

6. Podning af bakterier i kolonne

Bemærk: For en abiotisk kontrol eksperiment dette trin springes over.

  1. Da cellekulturen vil blive direkte injiceret i søjlen gennem butylgummipropper de vigtigste målestudse langs siden af ​​søjlen, så sørg for at have forberedt seks sprøjter med nåle, som er lange nok til at nå frem til midten af ​​søjlen krop.
  2. Sterilisere ydersiden af butylgummipropper af de seks vigtigste målestudse på kolonnen (A.3) med en EtOH opløsning (80%).
  3. Har serum flaske med kulturen til podning klar (udarbejdet i afsnit 2) og sterilisere butylgummiprop ved flammende adskillige dråber EtOH løsning. Skyl sprøjten med sterilt N2 / CO2 før tager en portion af kulturen. Tag en ml of den anoxiske celle opløsningen og indsprøjte det ind i midten af søjlen gennem butylgummipropper af prøver fra porte (A.3).
    Bemærk: Afhængigt af den bakterielle vækst, kan det være nødvendigt at justere pumpehastigheden (eller endog standse pumpning) i de første dage af lag-fasen for cellevækst og udvikling til forebyggelse kulturerne i at blive udvasket.

7. Prøveudtagning

Bemærk: For at indsamle prøver på tværs af kemiske gradienter, der udvikler inde i kolonnen, er det nødvendigt at starte stikprøver fra de øverste målestudse før de dybere havne, som tab volumen opstår. Sørg for at opretholde sterile forhold (f.eks, ved at arbejde inden for 40 cm af en bunsenbrænder eller under en laminar flow hætte).

  1. De første prøver 24 timer efter podning. Skyl sprøjten, der vil blive anvendt til prøveudtagning med steril N2 / CO2, for at undgå oxygen injektion i sampling porte (D). Sørg for at fylde sprøjten med N2 / CO2 før prøveudtagning.
  2. Hurtigt fjerne plastic hætte (D.6) og sæt prøveudtagning sprøjten ind i røret stik (D.5). Oprethold et lille mellemrum mellem sprøjte og rør stik. Slip luft fra sprøjten og skyl slangeforbindelsesdelen med N2 / CO2.
    1. Fast forbinde sprøjten til røret stikket. Fjern klemmen (D.4) og begynder at tage en prøve af ca. 1 ml.
  3. Efter tegning prøven og før du fjerner sprøjten, fastgør klemmen (D.4). Fjern derefter prøveudtagning sprøjten og fast lukke røret stik (D.5) med den tilsvarende plastik hætte (D.6).
  4. gentage Straks trin 7,1-7,3 for prøvetagning fra hver havn.
  5. Saml det næste sæt af prøver hver 24 timer.
    Bemærk: For yderligere prøver på forskellige tidspunkter trin, er det nødvendigt at fjerne en lille amount prøve (fx 0,2-0,4 ml) første gang inden prøven kan tages, med henblik på at fjerne resterende medier inde prøvetagningsrøret, og for at opnå repræsentative prøver fra inde i søjlen.

8. Analysemetoder

  1. Oxygen kvantificering:
    Bemærk: Oxygenkoncentrationen i gennemstrømningskammeret medium og headspace af søjlen kvantificeres ikke-invasivt og ikke-destruktivt under anvendelse af de optiske ilt sensorer og oxygenfølsomme fluorescerende folie pletter af 0,5 x 0,5 cm (såkaldte optodes), limet sammen den indre glasvæg af søjlen under anvendelse af silicium lim (A.6). Det blev sikret, at ilt følsomme folie patches er ufølsomme for Fe arter for at opnå pålidelige aflæsninger.
    1. Sørg for at kalibrere computersoftware med de passende kalibreringsparametre for de optodes, der anvendes i kolonnen. De optiske ilt sensorer kommer med en specifik calibration til måling under anvendelse af en tilsvarende PC-kontrolleret fiberoptisk oxygenmeter.
    2. Start målingen og sørge for at holde polymeren optiske fiber af den ilt måleren i en ret vinkel i forhold til ilt følsomme folie, der er limet inde i gennemsigtige glasvæg af søjlen.
    3. Gentag målingen for hvert enkelt O 2 målepunkt hele søjlen.
  2. Fe (II) og det totale Fe-analyse af vandige prøver:
    1. Eftersom Fe (II) hurtigt oxideres med oxygen i luft ved neutral pH, straks stabilisere de flydende prøver til vandig Fe (II) kvantificering i 1 M HCI-opløsning. For en endelig prøvevolumen på 1 ml blandes 0,5 ml flydende prøve med 0,5 ml 2 M HCl.
    2. Kvantificere totale Fe efter inkubation en portion af 1 M HCl-stabiliseret prøve med hydroxylaminhydrochlorid (10% vægt / vol, i 1 M HCI) i 30 min. Dette reagens reducerer alle Fe (III) til Fe (II), som derefter kan kvantificeres via FerroZine assay
    3. Udfør en FerroZine Assay ved anvendelse af en mikrotiterplade-læser. Absorbansen ved en bølgelængde på 562 nm. Sørg for at have standarder inden for området for påviselige Fe (II) og total Fe koncentrationer.
      Bemærk: Hvis Fe koncentrationer i væskeprøven overstiger standard kalibreringer, er det nødvendigt at fortynde den stabiliserede prøve med 1 M HCI.
    4. Beregning af koncentrationen af ​​Fe (III) ved forskellen mellem total Fe og Fe (II).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

kontroleksperiment

Abiotisk kontrolforsøg (10 dage) viste konsekvent lave iltkoncentrationer (O 2 <0,15 mg / l) med nogen væsentlige udsving i Fe (II) -profil hele upwelling vandsøjlen. Dannelsen af ​​bundfald (formentlig Fe (III) (oxyhydr-) oxider) i mediet reservoiret og lille fald i den samlede Fe (II) koncentration fra 500 um til 440 uM over 10 dage angiver noget ilt diffusion gennem forbindelser fremstillet af gummi (f.eks E.6; gp.1 i figur 1) 22 til dette forsøg de laveste oxygenkoncentrationer, som var rimeligt opnåeligt var ≤0.15 mg / L og er i området for en følsom oxygen kvantificering og over detektionsgrænsen på. 0,03 mg / l. Oxygen værdier under 0,15 mg / l er for remainder af dette papir kaldet "anoxisk".

biotic eksperiment

Synlige parametre, cellevækst, og ændringer i vandsøjlen

Forud for inokulering på dag 0 uden bundfald var synlige (figur 2 A). Dette indikerede, at kolonnen var korrekt opsætning og at intet oxygen var til stede (sammenlign figur 3 A), der kan føre til oxidation af Fe (II) og dannelsen af Fe (III) udfældes. Som et resultat heraf (II) -koncentration Fe var konstant i hele upwelling vandsøjlen som det er vist i profil i figur 4A. Figur 2 A viser, at lyset gradient indsnævret til de øvre 6 cm ivandsøjlen ved hjælp af glasperler matrix i søjlen cylinder.

Den grønne farve i de øverste 2,0 cm af vandsøjlen 84 timer efter inokulering angiver væksten af cyanobakterier (fig 2 B). Den bemærkelsesværdige lys orange bånd ved en dybde på -3 cm (fremhævet med pilen i figur 2 B) under grønt bånd skyldes de Fe-præcipitater, der dannes under Fe (II) oxidation med molekylært oxygen, produceret af cyanobakterier. Lignende bundfald var også synlige på overfladen af ​​vandsøjlen. Lys orange skum dannet ved vandsøjlen overflade 84 timer efter indsprøjtning (fig 2 B), hvilket indikerer produktionen af O 2 ved cyanobakterier. Bundfaldene på overfladen af ​​vandsøjlen formodentlig dannet på grund af den ilt, der er afgasning vedoverflade. Residual Fe (II) blev til sidst oxideres ved overfladen og dannede præcipitater på glaskugle matrix.

Oxygen gradient

Forud for inokulering på dag 0, blev bestemt startkoncentrationen O 2 i det flydende medium. Figur 3 A viser klart, at koncentrationen for O 2 i hele vandsøjlen var konsekvent under den koncentration stede i kontroleksperimentet. Præ-inokulation O 2 -koncentrationen aldrig oversteg værdier på 0,13 mg / LO 2 (O 2 middelværdi = 0,099 ± 0,002 mg / l). Dette viser, at søjlen var anoxiske før inokulering.

Figur 3 B viser en stigning i O 2 koncentration på84 timer efter podning med cyanobakterier. Dette, sammen med den synlige grønne biomasse (fig 2 B) er i overensstemmelse med den fotosyntetiske produktion og akkumulering af O 2 i kolonnen. O 2 koncentrationen efter 84 timers opnået en maksimal koncentration for O 2 = 29,87 mg / l i en dybde på -0,5 cm under vandsøjlen overflade. O 2 værdier i figur 3 B indikerer, at O 2 niveauer var altid over baggrunden koncentration i de øverste 8,5 cm i vandsøjlen (O 2> 0,15 mg / l). Mærkbart høje O 2 koncentrationer (> 0,50 mg / l) blev påvist fra -0,5 til -5,5 cm dybde under vandsøjlen overflade. Lavere koncentrationer for O 2 ≤ 0,15 mg / l ved dybder under -10.5 cm, sammen med den laveste målte værdi for O 2 = 0,09 mg / l i en dybde på -20.5 cm indikerer, at THESe områder var anoxisk.

Fe (II) gradient

Figur 4 A viser, at Fe (II) -koncentration på dag 0, inden inokulering med cyanobakterier, var konstant i hele vandsøjlen med en gennemsnitlig koncentration af Fe (II) middelværdi = 282,6 ± 6,8 uM. Koncentrationen i mediet reservoir på dag 0 var Fe (II) reservoir = 320,4 ± 11,6 uM.

84 timer efter podning med cyanobakterier den (II) -koncentration Fe faldet betydeligt i de øverste 9 cm i vandsøjlen. Figur 4 B viser en tydelig Fe (II) gradient, hvor koncentrationer af Fe (II) reduceres til den øverste overflade af vandsøjle. Imidlertid Fe (II) var stadig påviselig ved overfladen af ​​vandsøjlen. th e laveste Fe (II) -koncentration detekteret var direkte under det flydende medium overflade i en dybde på -0,9 cm. Fe (II) øgedes med dybde fra Fe (II) = 9,9 ± 2,8 pM ved -0.9 cm til Fe (II) = 258,6 ± 3,1 uM i en dybde på -8.9 cm, danner en stejl positiv lineær Fe (II) gradient i løbet dybde ([Fe (II) d] = (d + 1,278) ∙ 0,031 -1 d: dybde (cm) ; R2 = 0,9694) begrænset til de øvre 6,8 cm. Områder i det flydende medium under -9 cm dybde tydeligt forbliver konstant og viser ingen signifikant nedgang i deres koncentrationer for Fe (II) sammenlignet med deres oprindelige værdier for Fe (II) på dag 0 (t-test, p> 0,05).

figur 1
Figur 1. Skematisk eksperiment sat op. Alfanumeriske koder for elementer refererer til dele, der er anført i tabel 2.href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/54251/54251fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Synlige ændringer i glaskugle matrix hele kolonnen cylinder før og 84 timer efter podning med cyanobakterier. Pink pladser er ilt sensorer. (A) Nærbillede af de øverste 6 cm i kolonnen oprettet før podning. Den væskefyldte kolonne viser en synligt lys-gradient. Glaskugletypen matrix indsnævrer det synlige lys gradient til de øverste 6 cm.   (B) Nærbillede af den øverste 6 cm 84 timer efter podning. Grøn angiver synligt biomasse, tættere på toppen af ​​kolonne, hvor lysintensiteten er højest. Pilen peger på en svagt synlig appelsin band, hvilket resulterede fra dannelsen af ​​Fe(III) udfældes på grund af Fe (II) oxidation ved molekylær O 2 produceret af cyanobakterier. Svagt synlig orange skum oven på vandsøjlen overfladen, Fe (III) også udfældning der. O 2 afgasning gennem overfladen bevirker skumning af Fe (III) udfældes. (C) Oversigt over fyldt kolonne cylinder. Synlig vækst af cyanobakterier er begrænset til de øverste 4 cm grundet begrænset lys tilgængelighed med dybde. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Oxygen profil i vandsøjlen før og 84 timer efter podning med cyanobakterier. Zero cm til dybden på y-aksen angiver vandet column overflade. Positive værdier for dybder refererer til frit rum over det flydende medium niveau, mens negative værdier repræsenterer dybder i vandsøjlen. Bemærk den logaritmiske skala for O 2 koncentrationer på x-aksen. Den lodrette stiplede linje angiver tærsklen for anoxiske betingelser (O 2 ≤ 0,15 mg / l).   (A) Oxygen profil [0h] før podning. Værdier for O 2 var konstant under 0,13 mg / l i hele vandsøjlen. (B) Oxygen profil 84 timer efter podning. O 2 var over 0,5 mg / l i de øverste 5,5 cm af vandsøjlen. O 2 koncentrationer var højere end baggrundskoncentrationer (≥ 0,15 mg / L, stiplet linje) i områder over -8,5 cm dybde. Dybere områder var anoxisk med O 2 ≤ 0,15 mg / l. Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 4
Figur 4. Fe (II) profil i vandsøjlen før og 84 timer efter podning med cyanobakterier. Bemærk: Fejl søjler repræsenterer tekniske replikater udledes tredobbelte målinger af en prøve i FerroZine analysen. (A) Fe (II) profil [0h] før podning. Værdier for Fe (II) var konstant i hele vandsøjlen med en gennemsnitlig værdi for Fe (II) middelværdi = 282,6 ± 6,8 uM. Variationer i Fe (II) profil skyldes en enkelt prøve Fe (II) kvantificeringer. Fe (II) kvantificering på prøve tre eksemplarer vil sandsynligvis føre til mindre variation. (B) Fe (II) profil 84 timer efter podning. koncentrationer Mærkbart lavere Fe (II) i de øverste 6,8 cm i vandsøjlen. Fe (II) værdier under -8,9 cm dybde viser højere Fe(II) koncentrationer, der ikke afviger væsentligt fra de oprindelige Fe (II) værdier før podning med cyanobakterier (T-test, p <0,05). Klik her for at se en større version af dette tal.

Udstyr Mængde Varebeskrivelse Information detaljer
Brand Ordre nummer. henvisning adresse
1 Widdel kolbe (5 l) Ochs 110015 labor-ochs.de
2 Glasflasker (5 L) Rotilabo Y682.1 carlroth.com
3 Glaspipetter (5 ml) 51.714 labor-ochs.de
1 0,22 um Steritop filterenhed (0,22 um polyetersulfon membran) Millipore X337.1 carlroth.com
0,5 m 2 Sølvpapir -
Supplies - N2 - handskerum (100% N2) -
- N2 / CO2 - gas (90/10, vol / vol 50 mbar) -
1 Steril Luer Lock glassprøjte, fyldt med bomuld C681.1 carlroth.com
1 Luer Lock rustfrit stål nåle (150 mm, 1,0 mm ID) 201.015 labor-ochs.de
Kemikalier 4.8 L MQ-vand -
i 5 L medium opløsning 100 g NaCl 433.209 sigmaaldrich.com
34 g MgSO4 208.094 sigmaaldrich.com
7,5 g CaCl2 C4901 sigmaaldrich.com
1,25 g NH4Cl A9434 sigmaaldrich.com
0,34 g KH 2 PO 4 P5655 sigmaaldrich.com
0,45 g KBr P3691 sigmaaldrich.com
3,3 g KCI P9541 sigmaaldrich.com
200 ml Iltfattige Na 2 HCO 3 -buffer løsning (22 mM) -
15 mg Selen og tungstate opløsning (forb. Wu et al., 2014) -
5 ml Na2S 2 O 3-opløsning (1 M) -
2,5 ml Marine fototrof (MP) vitamin opløsning (forb. Wu et al., 2014) -
5 ml MP sporstof solution (forb. Wu et al., 2014) -
Reference
Wu, W., Swanner, ED, Hao, LK, Zeitvogel, F., Obst, M., Pan, YX, & Kappler, A. (2014). Karakterisering af fysiologi og celle-mineralske interaktioner af det marine anoxygenic fototrofe Fe (II) iltningsmiddel Rhodovulum iodosum - konsekvenser for Prækambrium Fe (II) oxidation. FEMS Microbiology Ecology, 88 (3), 503-515.

Tabel 1. Medium Forberedelse. Udstyr liste, leverancer og kemikalier til fremstilling af dyrkningsmediet.

<td> <td>
Qty. Ref. Varebeskrivelse Information detaljer
til 1 (EN) Glas cylinder Y310.1 carlroth.com * Custom ændret af glas produktionsfacilitet
2 g (A.1) Glasuld 7377,2 carlroth.com
1.03 L (A.2) Glasperler (ø 0,55 - 0,7 mm) 11079105 biospec.com
6 (A.3) Butyl gummiprop (ø 1,2 cm) 271.024 labor-ochs.de
1 (A.4) Petriskål, glas (ø 8,0 cm) T939.1 carlroth.com
40 ml (A.5) Polymerer lim OTTOSEAL S68 adchem.de
11 (A.6) Optisk ilt sensor folie (til ilt analyse, se nedenfor) - På anmodning - presens.de
til 4 (B) Medium Kirtler
4 (B.1) Gummislanger (35 mm, 7 mm ID) 770.350 labor-ochs.de
4 (B.2) Luer Lock rør stik (3,0 mm, Luer lock mandlige = LLM) P343.1 carlroth.com
4 (B.3) Luer Lock rør stik (3,0 mm, Luer lock kvindelige = LLF) P335.1 carlroth.com
4 (B.4) Gummislanger (25 mm, 0,72 mm ID) 2600185 newageindustries
.com
til 1 (C) Headspace Gas Exchange Panel
1 (C.1) Gummislanger (50 mm, 7 mm ID) 770.350 labor-ochs.de
2 (C.2) Luer Lock rustfrit stål kanyle (150 mm, 1,0 mm ID) 201.015 labor-ochs.de
2 (C.3) Luer Lock glas sprøjte (10 ml) C680.1 carlroth.com
2 g (C.4) Løs bomuld -
2 (C.5) Butyl gummiprop (ø 1,75 cm) 271.050 labor-ochs.de
1 (C.6) Kanyle af rustfrit stål (40 mm, 1,0 mm ID) Sterican 4665120 bbraun.de
1 (C.7) Luer Lock rustfrit stål kanyle (150 mm, 1,5 mm ID) 201.520 labor-ochs.de
(LLF) position: Luer Lock kvindelige Connector delvis C.7
10 ml (C.8) Polymerer lim OTTOSEAL S68 adchem.de
til 1 (D) sampling Port
1 (D.1) Rustfrit stål kanyle (120 mm, 0,7 mm ID) Sterican 4665643 bbraun.de
1 (D.2) Gummislanger (40 mm, 0,74 mm ID) 2600185 newageindustries
.com
2 (D.3) Heat krympeflex (35 mm, 3 mm ID skrumpet) 541458 - 62 conrad.de
1 (D.4) rørklemme STHC-C-500-4 tekproducts.com
1 (D.5) Luer Lock rør stik (1,0 mm, LLF) P334.1 carlroth.com
1 (D.6) Luer Lock plasthætte (LLM) CT69.1 carlroth.com
til 1 (E) Medium flaske
1 (E.1) Glasflaske (5 I) Rotilabo Y682.1 carlroth.com
1 (E.2) Butyl gummiprop (for GL45) 444.704 labor-ochs.de
1 (E.3) Rustfrit stål kapillar (300 mm, 0,74 mm ID) 56.736 sigmaaldrich.com
1 (E.4) Rustfrit stål kapillar (50 mm, 0,74 mm ID) 56737 sigmaaldrich.com
4 (E.5) Krympeflex (35 mm, 3 mm ID skrumpet) 541458 - 62 conrad.de
2 (E.6) Gummislanger (100 mm, 0,74 mm ID) 2600185 newageindustries
.com
1 (E.7) Luer Lock rør stik (1,0 mm, LLF) P334.1 carlroth.com
1 (E.8) Luer Lock glas sprøjte (10 ml) C680.1 carlroth.com
1 g (E.9) Løs bomuld -
1 (E.10) Butyl gummiprop (ø 1,75 cm) 271.050 labor-ochs.de
1 (E.11) Kanyle af rustfrit stål (40 mm, 0,8 mm ID) Sterican 4657519 bbraun.de
til 1 (F) Medium-tavler
1 (F.1) Luer Lock glas sprøjte (5 ml) C679.1 carlroth.com
1 (F.2) Butyl gummiprop (ø 1,75 mm) 271.050 labor-ochs.de
2 (F.3) Kanyle af rustfrit stål (40 mm, 0,8 mm ID) Sterican 4657519 bbraun.de
2 (F.4) Gummislanger (40 mm, 0,74 mm ID) 2600185 newageindustries
.com
til 2 (G) Udledning flasker
2 (G.1) Glasflaske (2 L) Rotilabo X716.1 carlroth.com
2 (G.2) Butyl gummiprop (for GL45) 444.704 labor-ochs.de
4 (G.3) Rustfrit stål kapillar (50 mm, 0,74 mm ID) 56.736 sigmaaldrich.com
2 (G.4) Gummislanger (30 mm x 0,74 mm ID) 2600185 newageindustries
.com
2 (G.5) Gummislanger (100 mm x 0,74 mm ID) 2600185 newageindustries
.com
2 (G.6) Luer Lock rør stik (1,0 mm, LLF) P334.1 carlroth.com
1 (G.7) Luer Lock 3-vejs multistik (LLF, 2x LLM) 6134 cadenceinc.com
ekstra udstyr
1 (L) Lyskilde Samsung SI-P8V151DB1US samsung.com
1 (P) peristaltisk pumpe Ismatec EW-78.017-35 coleparmer.com
4 (Pt) Pumping rør (0,89 mm ID) EW-97.628-26 coleparmer.com
4 (S1 / 2) Rustfrit stål kapillar (200 mm, 0,74 mm ID) 56.736 sigmaaldrich.com
4 (W3 / 4) staiedmindre stål kapillar (400 mm, 0,74 mm ID) 56737 sigmaaldrich.com
2 (Gp) Supel-Inert Folie (Tedlar - PFC) gas pakke (10 L) 30240-U sigmaaldrich.com
med 2 (Gp.1) Gummislange (30 mm, 6 mm ID) 770.300 labor-ochs.de
1 (Gp.2) Luer Lock rør stik (3,0 mm, LLM) P343.1 carlroth.com
1 (Gp.3) Luer Lock rør stik (3,0 mm, LLF) P335.1 carlroth.com
Supplies 2 - N2 / CO2 - gasledning (90/10, vol / vol; 50mbar) -
2 - Gastæt sprøjte (20 ml) C681.1 carlroth.com
1 - bunsen brænder -
1 - Fiberoptisk ilt måler til ilt kvantificering Presens TR-FB-10-01 presens.de
1 - vakuumpumpe -
1 - Silikone lim til ilt optodes Presens PS1 presens.de
-: Poster markeret med en bindestreg (-) er generelt tilgængelige og ikke somÆRLIGE element

Tabel 2. Kolonne opsætning. Mængder, alfanumeriske referencenumre og punkt beskrivelser af udstyr til forsøgsopstilling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mikrobielle samfund i prækambriske ocean blev reguleret af, eller ændres som følge af, deres aktiviteter og de herskende geokemiske forhold. Ved fortolkningen oprindelsen af BIF, forskere generelt udlede tilstedeværelsen eller aktiviteten af mikroorganismer baseret på sedimentologi eller geokemi af BIF, fx Smith et al. 23 og Johnson et al. 24. Studiet af moderne organismer i moderne miljøer, der har geokemiske analoger til gamle miljøer er også en værdifuld tilgang, f.eks Crowe et al. 11 og Koeksoy et al. 14. En tredje tilgang er at udnytte organismer manipuleret laboratoriesystemer, der simulerer processer, der finder sted i det prækambriske havet, f.eks Krepski et al. 25. Denne type tilgang er nyttig til at teste specifikke hypoteser, og fjerne kemiske eller biologiske faktorer, der kan være til stede i moderne systemer, men var ikkedel af prækambriske ocean (f.eks, akvatiske planter og dyr). Vi præsenterer derfor et proof-of-concept-metoden for en dynamisk, laboratorie upwelling system, hvor aktiviteten af ​​(cyano-) bakterier og deres indflydelse på resulterende geokemiske profiler kan vurderes under kontrollerede laboratorieforhold. Vores kolonne kan bruges til at teste hypoteser om de organismer og processer, der bidrager til aflejring af BIF, og biosignaturer tilbageholdt i BIF.

Vi optimeret protokollen for kolonnen setup, så samlingen er forståelig og let conductible. Men nogle trin i protokollen skal behandles omhyggeligt og ideelt udført med hjælp fra en medhjælpende person. Navnlig skal udføres hurtigt for at undgå kontaminering af mediet opløsning med oxygen forbindelsen af ​​mellemstore flasker til søjlen cylinder. Brugen af ​​usterilt udstyr eller arbejder under ikke-sterile laboratorieforhold vil resultere in forurening af eksperimentet og upålidelige resultater. Derfor er det en absolut nødvendighed at sterilisere udstyr og vedligeholde sterile forhold (arbejder i en laminar flow hætte eller 40 cm ved siden af ​​en bunsenbrænder), mens opsætning af eksperimentet og indsamle prøver. Desuden er nogle fysisk-kemiske parametre kolonnen-materiale forårsagede kemiske ændringer over lang tid set-up i kolonnen eksperimentet. Dele, der er lavet af gummi slange synes at have en diffusionskoefficient for oxygen, der er høj nok til signifikant påvirker mediet reservoir flasken og føre til oxidation af Fe (II) og mineralsk udfældning i medium opløsning. Den abiotisk forbrug af> 10% Fe (II) på grund af nedbør under abiotiske eksperiment over 10 dage (sammenlign: repræsentative resultater) skal tages i betragtning ved fremtidige langsigtede eksperimenter. Lyskilden, som blev anvendt i den aktuelle undersøgelse skabt en downwelling lys gradient inden for den øvre 6 cmaf kolonnen. Lyset spektre omfattede de fotosyntetiske aktive bølgelængder af klorofyl a og b i Synechococcus og tilladt vækst og fotosyntetisk aktivitet. Faktisk lyskilden er et af de vigtigste parametre vedrørende fototrofe organismer eftersom begge, kan lys kvalitet og mængde stærkt påvirke fototrofe bakterier 11,13. Variationer af bølgelængder og spektrale intervaller, også overvejer højere UV-stråling under Prækambrium, kan yderligere give indsigt i lys afhængige biogeokemiske reaktioner. Under lette inkubation eksperimenter bemærkede vi, at lyset blev udført gennem glasvæggen af ​​kolonnen, der udsender lys gennem målestudse og ved bunden af ​​kolonnen. Til fremtidige eksperimenter bør glasset ved toppen af ​​søjlen blive erstattet af ikke-lysledende glasvarer. Lyset gradient skal måles i en mock set-up, som der var ingen nem og billig måde at måle lyset gradient inden forlukket kolonne system til rådighed. Vi antager en betydelig ændring over tid i den maksimale indtrængningsdybde lys på grund af absorption af lys ved celler og mineraler. Måling lyset gradient in situ under forsøget vil være af interesse for fremtidige eksperimenter. Anvendelsen af ​​lysspredende perler i glasperler matrix og kvantificering af spredt lys udefra kan være en mulighed at kvantificere relative lys tilgængelighed i visse dybder over tid. En yderligere forbedring ville omfatte et dæksel, der ikke behøver at blive limet, men kunne let fastgøres og fjernes med en flange og omkredsende klemme. En 4-punkts forsyning og udledning medier port ville resultere i en mere homogen flow felt i kolonnen. Smallere positionering af de vigtigste målestudse til flydende prøver vil resultere i en højere opløsning på prøvetagning af de biologiske og geokemiske gradienter i kolonnen.

Alligevel de første resultater viserd, at den lodrette gennemstrømning kolonne kan betragtes som et passende forsøgsopstilling til at undersøge mikrobielle processer og geokemiske ændringer i en upwelling system. Vi hævder, at denne kolonne fungerer som en prototype for at bevise den overordnede funktionalitet af systemet. Endvidere vores resultater validere udbredte antagelser, modelresultater og slutninger fra sedimentære geokemi at en chemocline mellem ilt og Fe (II) resultater, hvis cyanobakterier er til stede i en Fe (II) -rig upwelling 20. De anoxiske forhold forud for podning afspejler en prækambriske ocean før kolonisering af cyanobakterier eller organismer i stand til oxygen fotosyntese. Med fremkomsten af ilt i overfladevand, bliver upwelling Fe (II) oxideres og udfældes som Fe (III) mineraler, såsom opstået under aflejring af BIF 26 .Den etablering af en chemocline og mineralet dannelse kan vurderes at ekstrapolere geokemiske processer i større målestok miljøs. Men for opskalering de evaluerede resultater naturlige (gamle) miljøer, skal overvejes yderligere fysiske processer. Advektiv lateral transport, for eksempel, kan forstyrre etableringen af ​​en chemocline, samme som vind-inducerede turbulens i overfladevandet.

Udvindingen af væskeprøver fra vandsøjlen for Fe (II), total Fe målinger, og den ikke-invasive O 2 kvantificering var i stand til at spore udviklingen i en reaktion foran mellem disse kemiske arter på en enkel, hurtig og pålidelig måde . Koncentrationen Den lave Fe (III) i prøver taget fra kolonnen oprettet i abiotiske kontrolforsøg viser tydeligt, at selv om nogle oxidation opstod i medierne flasken blev kolonnen selv lukket hermetisk til ekstern O 2 tilstrømning. Desuden indikerer disse resultater, at vores prøvetagningsprotokol opretholdt anoxiske prøver til Fe (II) kvantificering. Ændringer i pH blev ikke registreret under kolonnen Experiment og kan have en dominerende indflydelse på Fe-speciering. Imidlertid blev den nuværende gennemstrømningssystem bufret med 22 mM NaHCO3, der er i ligevægt med den anoxiske N2 / CO2-atmosfære i frirummet, og for at opretholde en omstændig-neutral pH i mindst 84 timer. Ikke desto mindre kan den in-situ kvantificering af pH være en vigtig parameter for fuldt ud at forstå geokemiske processer i potentielle langsigtede eksperimenter og ekstrapolering til (gamle) åbne hav-systemer. Glaskugletypen matrix, til stabilisering af oprettelse geokemiske gradienter i kolonnen cylinder, førte til en ophobning af Fe-præcipitater i undergrunden af ​​vandsøjlen. Vi hypotesen, at de akkumulerede bundfald ikke har en dominerende indvirkning på vores 84 timers eksperiment. Dog kan nedbryde biomasse inducere redox processer på Fe-præcipitater, der resulterer i Fe cykling. Dette skal overvejes af potentielle langsigtede (<84 t) eksperimenter. Faktisk lysinduceret Fe-redox cykling og en frigivelse af Fe til ferrojern pulje kunne observeres og kvantificeres replikere lang sigt (21 dage) eksperimenter (Wu, W., Maisch, M., Kappler, A., Pan, Y. , & Swanner, ED fotokemisk Fe (III) reduktion stabiliseret Fe (II) i Archean ilt oaser. Geologi. (i prep.)).

Fremtidige kolonne eksperimenter vil inkorporere både forskellige mikroorganismer og variationer i dyrkningsmediet sammensætning. Dette tillader simulering af forskellige miljømæssige forhold, der er repræsentative for forskellige stadier i omdannelsen af ​​Prækambrium Ocean. For eksempel kunne silica tilsættes til mediet for at simulere koncentrationerne af 0,67 til 2,2 mM, der var til stede i prækambriske havvand 27. Desuden kunne ændres koncentrationen af ​​sulfat i mediet løsningen på variationer i sammensætningen af ​​prækambriske havvand. Variationer af dyrkningsmediet vil sandsynligvis påvirke physiology og effekten af mikroorganismer på de geokemiske mønstre i vandsøjlen 19, at den aktuelle kolonne setup giver os mulighed for at undersøge in situ. Ud over dette, vil forventede eksperimenter involverer mere komplekse mikrobielle samfund såsom fototrofe Fe (II) -oxidizing bakterier (f.eks Kappler et al.) 28, mikroaerofile Fe (II) -oxidizing bakterier (f.eks Krepski et al.) 29 og cyanobakterier. De kolonne eksperimenter vil bidrage til at drille hinanden den enkelte bidrag af disse mikrobielle processer til aflejring af båndet jernformation. Men for fortolkningen og ekstrapolation til gamle (og moderne) miljøer skal udledes meget omhyggeligt. Den mikrobielle levested, der er simuleret i den aktuelle undersøgelse modeller kun de grundlæggende funktioner i en potentiel prækambriske upwelling ocean vandsøjlen: lodrette Fe (II) Fluxes, en fotiske zone lys gradient, anoxiske atmosfære og cyanobakterier. I annoncenbetingelse, at betingelserne i den kunstige upwelling systemet potentielt favorisere væksten af cyanobakterier, på grund af konstant temperatur og 24 timers lys potentielt fører til højere O 2 produktion satser, mens den forhøjede O 2 koncentrationer efterfølgende fører til højere Fe (II) oxidation satser . Derfor denne undersøgelse ikke kan fortolkes som et eksperiment, der passer alle hypoteser vedrørende BIF oprindelse.

Alligevel opsætningen tillader in situ undersøgelse af forskellige geokemiske processer og variationen og simulering af visse randbetingelser (lys tilgængelighed, medium sammensætning, Fluxes). Kvantificeringen af ​​enkelte parametre og geokemiske interaktioner under lab-kontrollerede forhold kan give indsigt i antikke og moderne miljøer. Desuden kolonnen system giver os mulighed for at teste hypoteser om, hvordan de geokemiske forhold reguleret mikrobiel aktivitet. For eksempel har det været hypotesend, at høje koncentrationer af Fe (II) i prækambriske upwelling systemer kan have begrænset produktion fotosyntetiske ilt på grund af toksicitet af Fe (II) i sollyse, iltede miljøer 20. Fremtidige undersøgelser vil desuden omfatte kemiske flusmidler og volumetriske satser, der tillader kvalitative og kvantitative støkiometriske beregninger af reaktionskinetik i den kunstige vandsøjlen. Single observationer vil derefter blive koblet til evaluere en model for individuelle miljømæssige simuleringer. Med kolonnen sat op, er vi nu i stand til at undersøge den direkte stress respons (cyano-) bakterier til fluxe af høj Fe (II) og lys i en in-situ upwelling system, der repræsenterer marine Early Earth vilkår 20. Søjlen kan også anvendes til at teste hypoteser om de geokemiske signaturer fremstillet ved mikrobiel aktivitet, for eksempel udviklingen af Fe isotop sammensætninger langs en ​​upwelling system, hvor Fe (II) oxideres (f.eks Czaja etal.) 30. Desuden kunne glasperlerne, der stabiliserer de kemiske gradienter inden i søjlen erstattes med sand eller sedimenter. Det er derfor også muligt at anvende denne kolonne for simuleringer af de geokemiske gradienter, der kan udvikle sig i marine eller ferskvand sedimenter beboet af mikroorganismer (f.eks Melton et al.) 31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfattere har intet at afsløre.

Acknowledgments

Mark Nordhoff assisteret i udformningen og gennemførelsen af ​​slanger forbindelser. Ellen Struve været med til at vælge og anskaffe udstyr, der anvendes.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Raymond, J., Blankenship, R. E. The origin of the oxygen-evolving complex. Coord. Chem. Rev. 252 (3-4), 377-383 (2008).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Holland, H. D. Oceans - Possible Source of Iron in Iron-Formations. Econ. Geol. 68 (7), 1169-1172 (1973).
  7. Holland, H. D., Lazar, B., Mccaffrey, M. Evolution of the Atmosphere and Oceans. Nature. 320 (6057), 27-33 (1986).
  8. 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).
  9. Poulton, S. W., Canfield, D. E. Ferruginous Conditions: A Dominant Feature of the Ocean through Earth's History. Elements. 7 (2), 107-112 (2011).
  10. Busigny, V., et al. Iron isotopes in an Archean ocean analogue. Geochim. Cosmochim. Acta. 133, 443-462 (2014).
  11. Crowe, S. A., et al. Photoferrotrophs thrive in an Archean Ocean analogue. PNAS. 105 (41), 15938-15943 (2008).
  12. Jones, C., et al. Biogeochemistry of manganese in ferruginous Lake Matano, Indonesia. Biogeosciences. 8 (10), 2977-2991 (2011).
  13. Lliros, M., et al. Pelagic photoferrotrophy and iron cycling in a modern ferruginous basin. Sci. Rep. 5 (13803), (2015).
  14. 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).
  15. Canfield, D. E. A new model for Proterozoic ocean chemistry. Nature. 396 (6710), 450-453 (1998).
  16. 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).
  17. Hungate, R. E., Macy, J. The Roll-Tube Method for Cultivation of Strict Anaerobes. Bull. Ecol. Res. Comm. 17 (1), 123-126 (1973).
  18. Van Baalen, C. Studies on marine blue-green algae. Bot. mar. 4 (1-2), 129-139 (1962).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Stookey, L. L. Ferrozine - a New Spectrophotometric Reagent for Iron. Anal. Chem. 42 (7), 779-784 (1970).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Posth, N. R., Konhauser, K. O., Kappler, A. Microbiological processes in banded iron formation deposition. Sedimentology. 60 (7), 1733-1754 (2013).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).

Tags

Environmental Sciences Geomikrobiologi Vandsøjle Fe (II) oxidation Fotosyntese Archean ocean Cyanobakterier Great Oxidation Event Banded Iron Formation
Laboratorium Simulering af en jern (II) -rig Prækambrium Marine Upwelling System til udforske Vækst af fotosyntetiske bakterier
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Maisch, M., Wu, W., Kappler, A.,… More

Maisch, M., Wu, W., Kappler, A., Swanner, E. D. Laboratory Simulation of an Iron(II)-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria. J. Vis. Exp. (113), e54251, doi:10.3791/54251 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter