Summary
पर साइट माइक्रोबियल संवर्धन या सीटू खेती की तकनीक में मुश्किल से संस्कृति माइक्रोबियल taxa के अलगाव की सुविधा, विशेष रूप से कम बायोमास या geochemically चरम वातावरण से कर सकते हैं । यहाँ, हम extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन (ईत) के लिए सक्षम हैं कि माइक्रोबियल उपभेदों को समृद्ध करने के लिए एक बाहरी शक्ति के स्रोत का उपयोग कर के बिना एक विद्युत सेट-अप का वर्णन.
Abstract
Anaerobic अघुलनशील खनिज के लिए इलेक्ट्रॉन परिवहन के साथ मिलकर श्वसन (extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन के रूप में संदर्भित [ईत]) कई उपसतह वातावरण में माइक्रोबियल ऊर्जा के उत्पादन और दृढ़ता के लिए महत्वपूर्ण माना जाता है, विशेष रूप से उन कमी घुलनशील टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है । जबकि ईत सक्षम रोगाणुओं सफलतापूर्वक विभिंन वातावरण से अलग किया गया है, ईत में सक्षम बैक्टीरिया की विविधता अभी भी खराब समझ में आता है, विशेष रूप से मुश्किल में नमूना, कम ऊर्जा या चरम वातावरण, जैसे कई उपसतह के रूप में पारिस्थितिकी प्रणालियों. यहां, हम एक साइट विद्युत प्रणाली का वर्णन करने के लिए ईत सक्षम एक श्वसन टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता के रूप में एक anode का उपयोग कर बैक्टीरिया को समृद्ध । यह anode catalyzing अजैव ऑक्सीजन की कमी करने में सक्षम एक कैथोड से जुड़ा है । इलेक्ट्रोड क्षमता बढ़नी के लिए एक potentiostat का उपयोग electrocultivation विधियों के साथ इस approach की तुलना, दो-इलेक्ट्रोड सिस्टम किसी बाहरी पावर स्रोत की आवश्यकता नहीं है । हम पर हमारी साइट संवर्धन देवदार, उत्तरी कैलिफोर्निया में एक स्थलीय serpentinization साइट पर एक alkaline तालाब में उपयोग का एक उदाहरण पेश करते हैं । पहले खनिज को कम करने बैक्टीरिया की खेती के प्रयास असफल रहे थे, जो इस साइट के कम बायोमास प्रकृति और/या धातु के कम रिश्तेदार बहुतायत रोगाणुओं को कम करने की वजह से होने की संभावना है । हमारे दो इलेक्ट्रोड संवर्धन को लागू करने से पहले, हम भंग ऑक्सीजन एकाग्रता के ऊर्ध्वाधर प्रोफ़ाइल मापा । यह हमें कार्बन लगा anode और प्लैटिनम-electroplated कार्बन गहराई है कि anaerobic और एरोबिक प्रक्रियाओं का समर्थन करेंगे, क्रमशः पर कैथोड लगा जगह की अनुमति दी । पर साइट की मशीन के बाद, हम आगे प्रयोगशाला में anodic इलेक्ट्रोड समृद्ध और सतह की तुलना में एक विशिष्ट माइक्रोबियल समुदाय संलग्न या फिल्म आम तौर पर देवदार में मनाया समुदायों की पुष्टि की । यह संवर्धन बाद में देवदारों से पहले electrogenic सूक्ष्म जीव के अलगाव के लिए नेतृत्व किया । पर साइट माइक्रोबियल संवर्धन के इस विधि के लिए बहुत कम बायोमास या मुश्किल से ईत का नमूना निवास से सक्षम बैक्टीरिया के अलगाव को बढ़ाने की क्षमता है ।
Introduction
कई खनिज-को कम करने रोगाणुओं के रूप में ठोस चरण खनिजों का उपयोग करने के लिए दिखाया गया है extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन (ईत) प्रक्रियाओं है कि redox एंजाइमों1के माध्यम से सेल के बाहरी करने के लिए इलेक्ट्रॉनों आचरण टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है । ईत न केवल सूक्ष्म जीव-खनिज प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह भी इस तरह के माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं के रूप में ऊर्जा और पर्यावरणीय प्रौद्योगिकियों, लागू2, इलेक्ट्रोड संश्लेषण3, और अधिक उपचारात्मक4। नई ईत-सक्षम बैक्टीरिया अत्यधिक के बाद की मांग कर रहे हैं, और बड़े पैमाने पर एक मौलिक या लागू परिप्रेक्ष्य5से अध्ययन किया गया है । हालांकि, हम केवल इन बैक्टीरिया के पारिस्थितिक या biogeochemical महत्व में सीमित अंतर्दृष्टि है । ईत के अधिकांश सक्षम रोगाणुओं एक्वा, तलछट, या anaerobic MnO2, Fe2हे3 या प्रयोगशाला6में तैयार इलेक्ट्रोड के रूप में ठोस इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने वालों का उपयोग कर डाइजेस्टर से संवर्धन के बाद अलग किया गया है, 7 , 8. हालांकि, इन तरीकों अक्सर समान consortia और संभावित कम ऊर्जा या कम बायोमास सिस्टम हावी हो सकता है कि अधिक संवेदनशील taxa याद आती है, इन रोगाणुओं की क्षमता को प्रयोगशाला या axenic संस्कृति पर्यावरण9 के लिए अनुकूल पक्षपातपूर्ण . आमतौर पर कम बायोमास वातावरण के लिए, एक साइट से पानी की बड़ी मात्रा में बैक्टीरियल कोशिकाओं ध्यान फ़िल्टर कर रहे हैं । हालांकि, ईत-सक्षम बैक्टीरिया अक्सर प्रदर्शन anaerobic चयापचय और इसलिए ऑक्सीजन जोखिम आगे या रोकना हो सकता है उनकी खेती को रोकने । पर वैकल्पिक साइट के तरीके से उंहें ऑक्सीजन को उजागर बिना कोशिकाओं ध्यान केंद्रित करने के लिए ईत-सक्षम बैक्टीरिया के अलगाव की सुविधा सकता है । यहां, हम एक ऑन-साइट विद्युत तकनीक के लिए सेटअप विवरण की रिपोर्ट करते है ताकि किसी बाह्य शक्ति स्रोत की आवश्यकता के बिना ईत-सक्षम सूक्ष्म जीव को लंबे समय तक समृद्ध बनाया जा सके ।
उत्तरी कैलिफोर्निया में एक उच्च alkaline वसंत से हमारे electrocultivation प्रयोगों का उपयोग करना, देवदारों10, हम इस साइट पर विद्युत तकनीक का वर्णन । देवदारों पर झरनों के geochemistry का असर उपसतह में serpentinization से होता है । स्प्रिंग्स उच्च reductर हैं, हवा पानी अंतरफलक के तहत पता लगाने की सीमा के नीचे ऑक्सीजन सांद्रता के साथ इस कार्यात्मक anoxic पर्यावरण11में ईत के माध्यम से माइक्रोबियल ऊर्जा उत्पादन के लिए क्षमता पर प्रकाश डाला । हालांकि, देवदार (या तो 16S rRNA या Metagenomic विश्लेषण में) से ईत सक्षम रोगाणुओं का समर्थन करने के लिए कोई सबूत नहीं है । हालांकि इस वातावरण के रूप में किया गया है इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता सीमित, टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है, के रूप में अघुलनशील खनिजों का उपयोग करने के लिए संभावित लौह baring खनिजों के रूप में खनिजों सहित कि serpentinization से परिणाम (यानी, मैग्नेटाइट),12की बड़े पैमाने पर जांच नहीं की गई है । इसलिए हम, ईत-सक्षम रोगाणुओं (चित्रा1)13के लिए समृद्ध करने के लिए कैम्पिंग स्प्रिंग, देवदारों पर एक उच्च पीएच वसंत में हमारे विद्युत प्रणाली तैनात ।
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Protocol
1. पर्यावरण की मशीन के लिए एक दो इलेक्ट्रोड प्रणाली का निर्माण
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anode सामग्री और कार्बन के उपचार की तैयारी इलेक्ट्रोड (चित्रा 2) लगा ।
- कटौती कार्बन वांछित बायोमास संवर्धन के आधार पर बराबर आयामों को महसूस किया । 30 मिनट के लिए ९०% इथेनॉल में प्रत्येक इलेक्ट्रोड सोख, तो कुल्ला पानी से कम 8 बार, प्रत्येक कुल्ला के बाद 1 मिनट के लिए sonicating ।
- 1 मी एचसीएल में दो बार इलेक्ट्रोड धो, प्रत्येक धोने के लिए 12 घंटे की एक ंयूनतम के लिए सरगर्मी ।
- एक गर्म में इलेक्ट्रोड (३७ डिग्री सेल्सियस) ओवन के लिए 6-12 ज या तरल से मुक्त जब तक सूखी ।
- एक polytetrafluoroethylene प्लेट (गैर-स्टिक सतह) पर निर्माता के प्रोटोकॉल प्रति ग्रेफाइट epoxy का उपयोग कर टाइटेनियम तार करने के लिए इलेक्ट्रोड देते हैं ।
नोट: हम एरोबिक जंग के लिए अपनी उच्च सहिष्णुता की वजह से एक टाइटेनियम तार का इस्तेमाल किया । - 6 एच के लिए १२० ° c पर इलेक्ट्रोड सेंकना ।
- परीक्षण टाइटेनियम तार और कार्बन के बीच प्रतिरोध एक ohmmeter के साथ महसूस किया और पुष्टि करते है कि तार और लगा इलेक्ट्रोड के बीच प्रतिरोध से कम 5 ohms है ।
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कार्बन पर प्लैटिनम का Electroplation कैथोडिक सामग्री तैयार करने के लिए इलेक्ट्रोड लगा
- जलमग्न कार्बन लगा इलेक्ट्रोड, चरण १.१ में तैयार, 2 M KOH में एक गिलास कंटेनर में 12 घंटे की एक ंयूनतम के लिए ।
- विद्युत सफाई के लिए, इलेक्ट्रोड के रूप में काम इलेक्ट्रोड (हम) में एक तीन इलेक्ट्रोड रिएक्टर, जो भी एक संदर्भ (RE) और काउंटर इलेक्ट्रोड (CE) समायोजित करता रखें. कनेक्ट हम, पुन, और potentiostat को मगरमच्छ क्लिप द्वारा CE । एक ohmmeter के साथ सभी कनेक्शन की पुष्टि करें ।
नोट: हम एक एजी/AgCl (KCl संतृप्त) इलेक्ट्रोड और पुन और CE, क्रमशः के रूप में एक प्लैटिनम तार का इस्तेमाल किया. - १.० वी बनाम पर इलेक्ट्रोड शिष्टता ६०० के लिए एजी/AgCl 2 एम KOH युक्त इलेक्ट्रोलाइट समाधान में (पूरे इलेक्ट्रोड जलमग्न करने के लिए एक पर्याप्त राशि का उपयोग). विद्युत रिएक्टर से इलेक्ट्रोड बाहर ले (जो कांच से बना है) । कुल्ला पानी में इलेक्ट्रोड से कम 8 बार, प्रत्येक कुल्ला के बाद 1 मिनट के लिए sonicating । १०० डिग्री सेल्सियस से कम 12 घंटे के लिए शुष्क इलेक्ट्रोड ।
- चढ़ाना समाधान तैयार करने के लिए, साइट्रिक एसिड की १०० ग्राम, सोडियम सल्फेट के 5 जी, और dihydrogen hexachloroplatinate के 2 जी (IV) hexahydrate 2 मीटर सल्फर एसिड की 1 एल जोड़ें ।
- 1.2.1 चरणों में तैयार के रूप में साफ और सूखे इलेक्ट्रोड तौलना-1.2.2, और फिर चरण 1.2.3 में तैयार के रूप में एक चढ़ाना समाधान में इलेक्ट्रोड कवर. चढ़ाना समाधान में इलेक्ट्रोड Sonicate के लिए तीन बार 30 एस प्रत्येक ।
- इलेक्ट्रोड क्षमता पर बिजली-०.२ वी बनाम एजी/AgCl समाधान चढ़ाना में ४६० एस के लिए की ओर अग्रसर द्वारा इलेक्ट्रोड । कुल्ला पानी में दो बार इलेक्ट्रोड और प्लैटिनम अपशिष्ट त्यागें ।
- एक कुल्ला के बाद 20 एस के लिए कम से कम 3 बार, sonicating के लिए पानी में कुल्ला इलेक्ट्रोड । अधिक से अधिक तीन बार sonication के बिना कुल्ला ।
- १०० डिग्री सेल्सियस से कम 12 घंटे के लिए शुष्क इलेक्ट्रोड वजन इलेक्ट्रोड पर कार्बन electroplated प्लैटिनम का अंदाजा लगा इलेक्ट्रोड.
2. निर्माण और दो इलेक्ट्रोड प्रणाली की स्थापना
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प्राकृतिक वातावरण में प्रत्येक इलेक्ट्रोड के लिए स्थापना स्थल की जांच ।
- ऑक्सीजन एकाग्रता एक भंग ऑक्सीजन (DO) जांच का उपयोग कर निर्धारित करें ।
- साइट में की गहराई प्रोफ़ाइल की जांच करें ।
नोट: anode के लिए वांछित पर्यावरण की स्थिति लगातार जलयोजन और anoxia हैं । यदि चाहें, तो प्रकाश से anode को ढाल कर आक्सीजन प्रकाश संश्लेषण के प्रभाव को दूर करें । कैथोड प्लेसमेंट के लिए आदर्श शर्तों लगातार हाइड्रेटेड हैं, और सतह के पास पानी के लिए oxic हो । यदि आवश्यक हो, संलग्न कैथोड में सतह से संपर्क बनाए रखने के लिए मंगाई ।
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ईंधन सेल प्रकार 2-इलेक्ट्रोड मशीन प्रणाली का निर्माण
- वांछित लंबाई के अछूता तार और इलेक्ट्रोड से टाइटेनियम तार का एक नेतृत्व कनेक्ट (एक anode और एक प्लेटिनम मढ़वाया कैथोड) दो पंक्तियों घुमा द्वारा । पानी के साथ कनेक्शन प्रतिरोधी मोम कवर और आगे समुद्री ग्रेड गर्मी हटना ट्यूबों का उपयोग कर की रक्षा ।
- एक कैथोड और ज्ञात प्रतिरोध की एक रोकनेवाला द्वारा एक anode के साथ दो तारों से कनेक्ट करें ।
नोट: जैविक प्रणालियों के लिए, कम प्रतिरोधों (10 से १,००० Ω) अधिक सुसंगत जैविक गतिविधि में परिणाम है । यदि वांछित, एक उच्च प्रतिरोध रोकनेवाला जैविक गतिविधि को रोकने जाएगा, एक नकारात्मक नियंत्रण के रूप में. रोकनेवाला और सुराग के बीच किसी भी कनेक्शन की जंग को रोकने के लिए, हम गर्मी हटना ट्यूबों के साथ उन्हें संरक्षित.
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समय के साथ वोल्टेज और तापमान लॉगिंग के लिए माप.
- ईंधन सेल प्रतिक्रिया से वर्तमान उत्पादन का आकलन करने के लिए रोकनेवाला के सिरों के बीच वोल्टेज की जाँच करें.
- anode और कैथोड के लिए अग्रणी उपयुक्त कनेक्शन के साथ एक डेटा लॉगिंग वाल्टमीटर का उपयोग कर समय के साथ वोल्टेज अंतर को मापने (निर्माता के प्रोटोकॉल देखें) ।
नोट: एक साथ तापमान डेटा लॉगिंग वैकल्पिक है, लेकिन यह जानकारी जैविक उतार चढ़ाव के लिए अजैव के रूप में वर्तमान में परिवर्तन से संबंधित मदद कर सकते हैं ।
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डेटा लकड़हारा और बिजली के कनेक्शन की सुरक्षा
- एक स्टेशनरी और/या प्लास्टिक की थैली का उपयोग करने के लिए लकड़हारा और बारिश से सभी बिजली के कनेक्शन की रक्षा ।
- प्लास्टिक बैग और कसकर मजबूत हवा से बचाने के लिए केबल ठीक करें । चित्र 1में एक उदाहरण दिखाया गया है ।
3. प्राकृतिक पर्यावरण से इलेक्ट्रोड नमूने का संग्रह
- ऑक्सीजन संदूषण के कारण क्षतिग्रस्त होने से anode नमूना की गुणवत्ता को रोकने के लिए, anaerobic हालत के तहत इलेक्ट्रोड इकट्ठा.
- इलेक्ट्रोड नमूने एकत्रित करने से पहले कम से 30 मिनट, एक anaerobic स्थान में एक परीक्षण ट्यूब डाल दिया. उदाहरण के लिए, anaerobic के अंदर बोतल बनाने के लिए तालाब के तल पर अलग से टेस्ट ट्यूब और ढक्कन लगा दें ।
- एक तार कटर के साथ इलेक्ट्रोड से टाइटेनियम का नेतृत्व में कटौती, धीरे परीक्षण ट्यूब में इलेक्ट्रोड नमूना इकट्ठा, और anaerobic जल क्षेत्र में इसे सील. नमूना ताजा रखने के लिए, नमूना संग्रह के तुरंत बाद 4 ° c पर नमूने को संग्रहीत करें ।
नोट: वैकल्पिक रूप से, इलेक्ट्रोड सीधे anoxic (N2 पर्ज) मध्यम करने के लिए स्थानांतरित किया जा सकता है । हम एक देवदार मध्यम इस्तेमाल किया (सुजुकी एट अल द्वारा वर्णित है । 11) कि जलीय geochemistry से डिजाइन किया गया था साइट पर मापा और माइक्रोबियल विकास के लिए पर्याप्त पोषक तत्वों प्रदान करने के लिए संशोधन किया । यह मीडिया विभिंन प्रयोगशाला प्रयोगों के लिए संशोधित किया गया था ।
4. वर्तमान उत्पादन और डीएनए विश्लेषण के लिए प्रयोगशाला पुष्टि
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इलेक्ट्रोड के लिए संलग्न माइक्रोबियल consortia की वर्तमान उत्पादन क्षमता के लिए विद्युत पुष्टि.
- एक विद्युत रिएक्टर का निर्माण14,15 नमूना इलेक्ट्रोड के साथ, एक प्लैटिनम तार, और एक एजी/AgCl (KCl संतृप्त) इलेक्ट्रोड के रूप में हम, CE, और पुन, क्रमशः, एक anaerobic कक्ष में. विद्युत रिएक्टर को देवदारों से युक्त घुलनशील कार्बोहाइड्रेट इलेक्ट्रॉन दाताओं के साथ भरें ।
- ०.२ वी बनाम एजी/AgCl पर इलेक्ट्रोड क्षमता बढ़नी और वर्तमान उत्पादन को मापने ।
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एक माइक्रोबियल डीएनए किट का उपयोग इलेक्ट्रोड नमूने से डीएनए निष्कर्षण (सामग्री की तालिका देखें) ।
- साफ ७०% इथेनॉल के साथ anaerobic दस्ताने बॉक्स के अंदर और एल्यूमीनियम पंनी पर एक निष्फल पकवान डाल दिया ।
नोट: Anaerobic चैंबर लगभग ~ 2-3% से कम एक पैलेडियम उत्प्रेरक की उपस्थिति में ऑक्सीजन सफाई करने के लिए एक हाइड्रोजन वातावरण को बनाए रखने के द्वारा ऑक्सीजन एकाग्रता से भी अधिक 1 पीपीएम रहता है । - दस्ताने बॉक्स में विद्युत रिएक्टर खोलें, पकवान पर नमूना इलेक्ट्रोड डाल दिया, और डीएनए किट में इस्तेमाल किया ट्यूब फिट करने के लिए एक आकार में कटौती. निर्माता के प्रोटोकॉल के साथ आगे बढ़ें ।
- साफ ७०% इथेनॉल के साथ anaerobic दस्ताने बॉक्स के अंदर और एल्यूमीनियम पंनी पर एक निष्फल पकवान डाल दिया ।
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Representative Results
वर्तमान उत्पादन सफलतापूर्वक लगभग 3 महीने के लिए मापा गया था एक वोल्टेज डेटा लकड़हारा का उपयोग कर के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया. इस बार के रूप में यह वसंत के लिए सबसे लंबे समय तक स्थिर गर्मी की अवधि थी चुना गया था, मजबूत गिरावट वसंत प्रभावित बारिश के कारण । एक छोटी अवधि पर्याप्त हो सकता है, हालांकि एक लंबी अवधि के बायोमास के मजबूत संवर्धन प्रदान कर सकता है । हम विद्युत मशीन के बाद दो इलेक्ट्रोड प्रणाली के संबंध की पुष्टि की है और प्रणाली में जंग का कोई सबूत नहीं मनाया । उच्च वर्तमान उत्पादन में कम प्रतिरोध के साथ दो इलेक्ट्रोड प्रणाली में मनाया गया था (१,००० Ω) १०० kΩ प्रतिरोध के साथ नकारात्मक नियंत्रण के साथ तुलना में. पहले महीने में क्रमिक वर्तमान उत्पादन वृद्धि एक और दो महीने के लिए स्थिर मौजूदा उत्पादन के बाद इलेक्ट्रोड की सतह पर विकास, संचय या रोगाणुओं के आवास का सुझाव कर सकते हैं । दिलचस्प है, वर्तमान उत्पादन विद्युत संवर्धन की पूरी अवधि के माध्यम से एक लगभग 24 एच चक्र में झूलती ।
इलेक्ट्रोड पर संलग्न माइक्रोबियल consortia की वर्तमान उत्पादन क्षमता की पुष्टि करने के लिए, हम एक 3 इलेक्ट्रोड विद्युत रिएक्टर का उपयोग कर प्रयोगशाला में एकत्र anode के साथ chronoamperometry प्रदर्शन किया. हम पर इलेक्ट्रोड क्षमता तैयार + ०.४ वी बनाम एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (वह) विभिन्न कार्बोहाइड्रेट इलेक्ट्रॉन दाताओं की उपस्थिति में. दैनिक दोलनों अब anode जब प्रयोगशाला में मशीन पर मनाया गया । यह पता चलता है कि पर्यावरणीय कारकों माइक्रोबियल वर्तमान उत्पादन प्रभावित है, और संभावना मनाया दोलनों में हुई ।
माइक्रोबियल समुदाय के साथ जुड़े और planktonic गैर इलेक्ट्रोड समुदायों के साथ समृद्ध इलेक्ट्रोड पर मनाया तुलना, हम अधिक मेहराब संरचना (चित्रा 4) में अलग मतभेद मनाया. इलेक्ट्रोड माइक्रोबियल समुदाय अत्यधिक विनियोजित वर्गीकरण इकाइयों में समृद्ध था (OTUs) अनकल्चरल वंश से, साथ ही साथ बैसिलसकी Firmicute वंश. Proteobacteria की संरचना में एक बदलाव भी मनाया गया; विशेष रूप से, Betaproteobacteria (मुख्य रूप से Serpentinamonas सपा.) पर्यावरण केल्साइट और planktonic नमूने हावी है, और Gammaproteobacteria इलेक्ट्रोड नमूने10बोलबाला है । पर्यावरण और इलेक्ट्रोड नमूनों के बीच माइक्रोबियल उपभेदों के विभेदक संवर्धन माइक्रोबियल गतिविधि मनाया प्रयोग ड्राइविंग के लिए समर्थन प्रदान करता है । यह आगे देवदार9के लिए समृद्ध Firmictutes OTUs से एक electrochemically सक्रिय तनाव के अंतिम अलगाव के माध्यम से समर्थित किया गया था ।
चित्रा 1 : विद्युत system. (क) पर्यावरण में ईत-सक्षम जीवाणुओं को समृद्ध करने के लिए ऑन-साइट विद्युत प्रणाली की योजनाबद्ध छवि. कार्बन का एक anode लगा सूक्ष्म जीव से श्वसन इलेक्ट्रॉनों स्वीकार करता है और पीटी के एक कैथोड-electroplated कार्बन catalyzes ऑक्सीजन की कमी महसूस की । वर्तमान उत्पादन द्वारा निगरानी की गई एक डेटा लकड़हारा वी समानांतर में एक रोकनेवाला आर के दोनों सिरों के साथ जुड़ा हुआ (ख) देवदारों वसंत में सेटअप उदाहरण जहां anode वसंत और कैथोड के पास पानी की सतह के नीचे रख दिया गया था. (ग) एक प्लास्टिक बैग और एक चट्टान द्वारा डेटा लकड़हारा और रोकनेवाला की सुरक्षा. anode का आकार चित्रा 2में दिखाया गया है के रूप में एक ही है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 2 : कार्बन लगा इलेक्ट्रोड एक टाइटेनियम तार से जुड़े. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 3 : वर्तमान उत्पादन दो इलेक्ट्रोड प्रणाली में एक तीन महीने की मशीन अवधि के लिए मनाया । १०० kΩ और १,००० Ω के प्रतिरोधों का उपयोग प्रणालियों के लिए डेटा में दिखाया गया है (a). प्रारंभिक वर्तमान मान शूंय करने के लिए पृष्ठभूमि वर्तमान घटाया गया था । पैनल (ख) पैनल (ए) में वर्ग से मेल खाती है । दैनिक वर्तमान दोलनों पैनल (क) में सचित्र प्रयोगों भर में मनाया गया ।
चित्रा 4: शिविर साइट स्प्रिंग्स के लिए माइक्रोबियल समुदाय अनुक्रम वितरण। डीएनए फ़िल्टर्ड पानी से निकाले (CampsiteSpring Planktonic) या पूल तल से लिया केल्साइट के 1 जी (CampsiteSpring केल्साइट संलग्न) से निकाले गए डीएनए की तुलना में कार्बन लगा इलेक्ट्रोड (इलेक्ट्रोड संलग्न) या के द्रव चरण में कोशिकाओं से डीएनए विद्युत रिएक्टर (इलेक्ट्रोड Planktonic). अनुक्रम पदनाम जाति स्तर या प्रमुख संघ Firmicutes और Proteobacteriaके लिए वर्ग स्तर की पहचान पर आधारित हैं । बहुतायत प्रतिशत पर आधारित है कुल पढ़ता है । Proteobacterial वंश में परिवर्तन बिंदीदार रेखाओं में उल्लिखित हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
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Discussion
वर्णित अध्ययन में, हम एक माइक्रोबियल संघ के संवर्धन दिखाते हैं, सीटू वर्तमान उत्पादन के साथ जुड़ा हुआ है । कम और लंबे समय तराजू पर इस प्रणाली में वर्तमान समर्थन माइक्रोबियल गतिविधि में मनाया पैटर्न । एक कार्यात्मक दो इलेक्ट्रोड (ईंधन सेल प्रकार) प्रणाली के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण कदम की पहचान है और एक स्थिर जल स्तर और पर्यावरण में ऑक्सीजन एकाग्रता के साथ एक स्थान का उपयोग । कैथोड हवा पानी अंतरफलक पर ऑक्सीजन के संपर्क में है, जबकि anode anaerobic हालत में रखा है, और इलेक्ट्रोड संभावित अंतर ईत-सक्षम बैक्टीरिया की anaerobic श्वसन को बढ़ावा देता है ।
हम पर्यावरण विद्युत प्रणाली में नहीं बल्कि प्रयोगशाला रिएक्टर में दैनिक वर्तमान दोलन मनाया । क्योंकि वर्तमान के इस उतार-चढ़ाव को दिन के उजाले के दौरान मनाया गया था-अधिकतम और न्यूनतम धाराओं भोर और शाम के बीच मनाया गया था-सूरज की रोशनी और/या तापमान के प्रभाव माइक्रोबियल वर्तमान उत्पादन में परिवर्तन की व्याख्या कर सकता है । तापमान, सूरज की रोशनी और/या अंय पर्यावरणीय चर को मापने और नियंत्रण और पर्यावरण प्रणालियों में माइक्रोबियल इलेक्ट्रॉन प्रवाह के ड्राइवरों की समझ का विस्तार कर सकता है । वैकल्पिक रूप से, तत्वों को जोड़ने के लिए सूरज की रोशनी ब्लॉक मदद कर सकता है हटाने या इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषण और/या संभावित photoreactions के प्रभाव को कम करने, जो बेहतर इष्टतम ईत शर्तों को प्रोत्साहित करने के लिए सेवा सकता है । हालांकि, अंय पर्यावरणीय कारकों की माप बेहतर ईत सक्षम रोगाणुओं में पारिस्थितिक संदर्भ स्पष्ट संभावित माइक्रोबियल समुदाय बातचीत, साथ ही साथ रोगाणुओं और पर्यावरण के बीच संबंधों को शामिल कर सकता है ।
हमारे दो इलेक्ट्रोड प्रणाली संभावित न केवल anode-respiring बैक्टीरिया को समृद्ध, लेकिन यह भी ऑक्सीजन-बैक्टीरिया को कम करने कि इलेक्ट्रॉन से ऊर्जा फसल हालांकि हम कैथोड पर समुदाय विश्लेषण आचरण नहीं किया था, उनके माइक्रोबियल इलेक्ट्रॉन की क्षमता तीन प्रयोगशाला में परीक्षण है-नकारात्मक ऑक्सीजन की उपस्थिति में एकत्र कैथोड इलेक्ट्रोड शिष्टता के साथ इलेक्ट्रोड रिएक्टर । एक स्थिर anode कैथोड से इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने की एकाग्रता ढाल हमारे विधि को सक्षम सैद्धांतिक रूप से भी कैथोड-respiring बैक्टीरिया को समृद्ध । कैथोड-respiring बैक्टीरिया के लिए एक वैकल्पिक संवर्धन विधि Fe (0) कणों या एक ठोस इलेक्ट्रॉन दाता5के रूप में कूपन का उपयोग है । हालांकि हाइड्रोजन उत्पादन भी सतह पर हो सकता है, बैक्टीरिया है कि सीधे इलेक्ट्रोड सतह से इलेक्ट्रॉनों निकालने कर सकते हैं की सफल अलगाव5,16रिपोर्ट किया गया है.
अंत में, हमारी विधि सफलतापूर्वक एक कम बायोमास वातावरण में एक स्व-बनाए विद्युत प्रणाली का उपयोग कर ईत-सक्षम consortia समृद्ध । कई पिछले खेती दृष्टिकोण असफल रहे थे, जो हमें एक पर साइट संवर्धन योजना विकसित करने का नेतृत्व किया । हमारी प्रणाली में, वर्तमान उत्पादन माइक्रोबियल गतिविधि परिलक्षित होता है, और इस प्रणाली के माइक्रोबियल पारिस्थितिकी के बारे में आगे की परिकल्पना के लिए नेतृत्व किया । ईत सक्षम रोगाणुओं के अलगाव के साथ ही वातावरण की विविधता का विस्तार ईत के लिए तंत्र की हमारी समझ में वृद्धि होगी, साथ ही पर्यावरण माइक्रोबायोलॉजी में इलेक्ट्रॉन परिवहन की भूमिका ।
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Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
हम हमें देवदार और दीर्घकालिक मशीन के लिए स्थानों पर परामर्श के लिए उपयोग की अनुमति देने के लिए रोजर रायचे और डेविड McCrory स्वीकार करना चाहते हैं । Shino सुजुकी, Shunichi Ishii, ग्रेग वांगर, Grayson Chadwick, Bonita लाम और मैथ्यू Schechter: हम भी 2013-2014 के मौसम के दौरान देवदारों फील्ड क्रू धंयवाद । व्यावहारिक अनुसंधान और संवर्धन समर्थन के लिए Shino सुजुकी और Gijs Kuenen के लिए अतिरिक्त धंयवाद । यह काम एक अनुदान के माध्यम से वित्त पोषित था युवा वैज्ञानिकों ए और बी के लिए जापान सोसायटी से विज्ञान के संवर्धन के लिए सहायता (JSPS) KAKENHI अनुदान संख्या 17H04969 और २६८१००८५, क्रमशः, और जापान चिकित्सा अनुसंधान और विकास के लिए एजेंसी (17gm6010002h0002) । अमेरिका वैश्विक नौसेना अनुसंधान के कार्यालय (N62909-17-1-2038), और डार्क ऊर्जा जैव मंडल जांच (सी DEBI) (OCE0939564) और नासा खगोलजीव विज्ञान संस्थान-जीवन भूमिगत (NAI-LU) (NNA13AA92A) के लिए केंद्र द्वारा प्रदान की फंडिंग । इस काम का हिस्सा विज्ञान के संवर्धन के लिए एक जापान के समाज के हिस्से के रूप में आयोजित किया गया था: Kazuhito Hashimoto की लैब में टोक्यो विश्वविद्यालय में Annette रोवे (PE15019) के लिए अल्पकालिक postdoctoral फैलोशिप ।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carbon felt sheet | n/a | n/a | Used for anode and cathode |
| Titanium wire | The Nilaco Cooporation | TI-451485 | Used to construct fuel cell system |
| Graphite epoxy | Electrolytica lnc. | n/a | Used to connect the electrodes and Ti wire |
| Drying oven | Yamato | DY300 | bake the electrode to solidify conductive graphite epoxy |
| Digital multi meter | Fluke | 616-1454 | to check the ohmic value of resistance |
| Dissolved oxygen probe | Sper Science | # 850045 | to check the oxygen concentration in the environments |
| Resistor | Sodial | Used to construct fuel cell system |
|
| Conducting wire | Pico | 81141s | Used to construct fuel cell system |
| Voltmeter and Data logger | T&D corporation | VR-71 | Used for data recording |
| Hydrogen Hexachloroplatinate(IV) Hexahydrate | wako | 18497-13-7 | Used for electropolation |
| Citric acid | Wako | 038-06925 | Used for electropolation |
| Sulfuric acid | Wako | 192-04696 | Used for electropolation |
| HCl | Wako | 083-01095 | Used for electrode washing |
| Glass cylinder | N/A | N/A | Custom-made, used as the electrochemical reactor |
| PTFE cover and base | N/A | N/A | Custom-made, used as a cover and a foundation of the electrochemical reactor |
| Buthyl rubber | N/A | N/A | Custom-made, inserted between each component of electrochemical reactor |
| Septa | GL Science | 3007-16101 | Used as an injection port of electrochemical reactor |
| Indium tin-doped oxide (ITO) electrode | GEOMATEC | No.0001 | Used as a working electrode, 5Ω/sq |
| Ag/AgCl KCl saturated electrode | HOKUTO DENKO | HX-R5 | Used as a reference electrode, Φ0.30mm |
| Platinum wire | The Nilaco Cooporation | PT-351325 | Used as a counter electrode |
| NaHCO3 | Wako | 191-01305 | Used for The Cedars Media (CMS) |
| CaCO3 | Wako | 030-00385 | Used for CMS |
| NH4Cl | Wako | 011-03015 | Used for CMS |
| MgCl2 • 6H2O | Wako | 135-00165 | Used for CMS |
| NaOH | Wako | 198-13765 | Used for CMS |
| Na2SO4 | Wako | 194-03355 | Used for CMS |
| K2HPO4 | Wako | 164-04295 | Used for CMS |
| CABS | SANTA CRUZ | SC-285279 | Used for CMS |
| Incubator | TOKYO RIKAKIKAI CO. LTD. | LTI-601SD | Used for precultivation |
| Autoclave machine | TOMY SEIKO CO. LTD. | LSX-500 | Used for sterilization of the electrochemical reactor and the medium |
| Clean bench | SANYO | MCV-91BNF | Used to prevent the contamination of the electrochemical reactor and the medium with other microbes |
| Centrifuge separator | Eppendorf | 5430R | Rotational speed upto 6000×g is required |
| Nitrogen gas generator | Puequ CO. LTD. | PNTN-2 | Nitrogen gas cylinder can also be used instead of gas generator |
| UV-vis spectrometer | SHIMADZU | UV-1800 | Used for optimization of cell density |
| Potentiostat | BioLogic | VMP3 | Used for biofilm formation and kinetic isotope effect experiments |
| Thermal water circulator | AS ONE | TR-1A | Used for maintanance of temperature of electrochemcial reactor |
| Faraday cage | HOKUTO DENKO | HS-201S | Used for electrochemical experiments |
| Anaerobic Chamber | COY | TypeB (Vinyl) | TO conduct experiments under anaerobic condition |
| Ultraclean DNA Extraction kit | MoBio |
References
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