Waiting
Login processing...

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

Environment

إنشاء الكهروكيميائية قائم بذاته لإثراء البكتيريا ريسبيرينج اﻷنود في الموقع

Published: July 24, 2018 doi: 10.3791/57632

Summary

يمكن تيسير في الموقع الميكروبية تخصيب اليورانيوم أو في الموقع تقنيات الزراعة عزل الأنواع الميكروبية صعبة للثقافة، خاصة من بيئات منخفضة-الكتلة الحيوية أو جيوتشيميكالي المتطرفة. هنا، نحن تصف البنية الكهروكيميائية دون استخدام مصدر طاقة خارجي لإثراء السلالات الجرثومية التي قادرة على نقل الإلكترون خارج الخلية (EET).

Abstract

التنفس اللاهوائي مقترنة بنقل الإلكترون للمعادن غير قابلة للذوبان (يشار إلى خارج الخلية الإلكترون النقل [EET]) يعتقد أن تكون حاسمة بالنسبة لإنتاج الطاقة الميكروبية والثبات في العديد من البيئات السطحية، لا سيما تلك التي تفتقر متقبلون إلكترون المحطة الطرفية القابلة للذوبان. بينما الميكروبات قادرة على EET تم عزلها بنجاح من بيئات مختلفة، وتنوع البكتيريا قادرة على EET ما زال ضعيفا مفهومة، خاصة في صعوبة عينة، انخفاض الطاقة أو البيئات المتطرفة، مثل الكثير تحت السطح النظم الإيكولوجية. وهنا يصف لنا نظام الكهروكيميائية في الموقع لإثراء البكتيريا EET-قادر على استخدام أنود وصفه يقبلون إلكترون طرفي الجهاز تنفسي. هذا الموجب متصل كاثود قادرة على حفز انخفاض الأوكسجين اللاأحيائية. وبمقارنة هذا النهج مع أساليب اليكتروكولتيفيشن التي تستخدم بوتينتيوستات بويسينج مسرى المحتملة، النظام الكهربائي اثنين لا تتطلب مصدر طاقة خارجي. ونقدم مثالاً للتخصيب في الموقع لدينا تستخدم في بركة قلوية في الأرز، موقع سيربينتينيزيشن أرضية في شمال كاليفورنيا. المحاولات السابقة لزراعة البكتيريا الحد المعدنية لم تكلل بالنجاح، الذي من المحتمل نظراً لطبيعة الكتلة الحيوية المنخفضة من هذا الموقع و/أو انخفاض الوفرة النسبية للمعدن الحد من الميكروبات. قبل تنفيذ تخصيب اثنين-القطب لدينا، قمنا بقياس الشخصية الرأسية لتركيز الأكسجين المذاب. وهذا يسمح لنا بوضع الكربون شعر شعر اﻷنود والبلاتين مطلي الكربون عمليات الكاثود في الأعماق التي من شأنها دعم اللاهوائية والهوائية، على التوالي. عقب حضانة في الموقع، ونحن كذلك أثري مسرى انوديك في المختبر وأكدت جماعة متميزة الميكروبية مقارنة بالسطح-المرفقة أو المجتمعات بيوفيلم عادة لاحظت في الأرز. هذا الإثراء فيما بعد وأدت إلى عزل الميكروب وآﻻت الأولى من الأرز. يحتوي هذا الأسلوب لإثراء الميكروبية في الموقع يمكن أن يعزز إلى حد كبير في عزل البكتيريا قادرة على EET من الكتلة الحيوية منخفضة أو صعوبة في الموائل عينة.

Introduction

أظهرت عدة الميكروبات الحد من المعادن استغلال المعادن الصلبة-المرحلة متقبلون إلكترون المحطة الطرفية، بعمليات النقل الإلكترون خارج الخلية (EET) التي تجري الإلكترونات على السطح الخارجي للخلية عن طريق إنزيمات الأكسدة والاختزال1. EET أمر بالغ الأهمية، ليس فقط لعمليات ميكروب المعدنية ولكن أيضا الطاقة المطبقة والتكنولوجيات البيئية، مثل خلايا الوقود الميكروبية2و توليف القطب3المعالجة البيولوجية4. البكتيريا قادرة على EET الجديدة هي الغاية سعى بعد، وقد درست على نطاق واسع من منظور الأساسية أو التطبيقية5. ومع ذلك، لدينا فقط محدودة ثاقبة أهمية إيكولوجية أو الكيميائية الأرضية الأحيائية لهذه البكتيريا. معظم الميكروبات قادرة على EET تم عزلها بعد تخصيب اليورانيوم من أكوا أو الرواسب اللاهوائية هاضمات استخدام متقبلون إلكترون الصلبة مثل منو2, Fe2س3 أو أقطاب تستعد في مختبر6، 7 , 8-ومع ذلك، هذه الأساليب غالباً ما تنتج اتحادات مماثلة ويحتمل أن يغيب عن الأنواع الأكثر حساسية التي قد تهيمن على الطاقة منخفضة أو نظم الكتلة الحيوية منخفضة، يتحامل هذه الميكروبات قادرة على التكيف مع مختبر أو الثقافة أكسينيك البيئة9 . عادة تتم تصفية كميات كبيرة من المياه من موقع لبيئات منخفضة الكتلة الأحيائية، وتركيز الخلايا البكتيرية. ومع ذلك، غالباً ما يحمل البكتيريا قادرة على EET الأيض اللاهوائي ولذلك التعرض للأوكسجين قد كذلك تعوق أو تمنع زراعتها. يمكن أن تسهل منهجيات بديلة في الموقع إلى تركيز الخلايا دون تعريضها للأكسجين عزل البكتيريا قادرة على EET. هنا، نحن التقرير تفاصيل الإعداد لأسلوب الكهروكيميائية في الموقع لإثراء ميكروب EET-قادرة على مدى فترة طويلة من الزمن دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.

استخدام تجاربنا اليكتروكولتيفيشن من نبع قلوية العالية في كاليفورنيا الشمالية، أرز10، يمكننا وصف هذه التقنية الكهروكيميائية في الموقع. كيمياء الينابيع في "أرز" تتأثر من سيربينتينيزيشن في تحت السطح. الينابيع التخفيض العالية، مع تركيزات الأكسجين الحد الأدنى للكشف تحت الواجهة المائية الجوية تسليط الضوء على إمكانات إنتاج الطاقة الميكروبية عن طريق EET في هذه البيئة وظيفيا وصول11. ومع ذلك، لا يوجد دليل على دعم الميكروبات قادرة على EET من الأرز (في الرنا الريباسي 16S أو تحليل الجينومية). على الرغم من أن هذه البيئة قد اتسم كما يقبلون الإلكترون محدودة، إمكانية استخدام المعادن غير قابلة للذوبان متقبلون إلكترون المحطة الطرفية، بما في ذلك المعادن مثل الحديد حجب المعادن التي تنتج من سيربينتينيزيشن (أي، أكسيد الحديد الأسود)، لم يتم التحقيق على نطاق واسع12. ولذلك، نحن، نشر نظامنا الكهروكيميائية في المخيم في الربيع، ربيع درجة حموضة عالية في الأرز، إثراء EET-قادر على الميكروبات (الشكل1)13.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-بناء نظام القطب اثنين لتفريخ البيئية

  1. إعداد مادة اﻷنود والعلاج من الكربون ورأى قطب كهربائي (الشكل 2).
    1. قص الكربون الذي شعر بإبعاد متساوية اعتماداً على تخصيب الكتلة الحيوية المطلوبة. نقع كل قطب كهربائي في الإيثانول 90% لمدة 30 دقيقة، ثم شطف 8 مرات على الأقل مع المياه، سونيكاتينج لمدة 1 دقيقة بعد كل شطف.
    2. أغسل أقطاب كهربائية مرتين في 1 M HCl، إثارة للحد أدنى من 12 ح لكل غسل.
    3. الجاف للأقطاب في فرن دافئ (37 درجة مئوية) ح 6 – 12 أو حتى مجاناً من السائل.
    4. إرفاق كهربائي بسلك التيتانيوم استخدام الإيبوكسي الجرافيت في البروتوكول الخاص بالشركة المصنعة في لوحة تترافلوروايثيلين (غير عصا سطح).
      ملاحظة: قمنا باستخدام سلك تيتانيوم بسبب أن التسامح عالية للتآكل الهوائية.
    5. خبز مسرى على 120 درجة مئوية ح 6.
    6. اختبار المقاومة بين أسلاك التيتانيوم وشعرت مع اومتر الكربون وتأكيد أن المقاومة بين الأسلاك واقطاب شعر أقل من 5 أوم.
  2. شعر اليكتروبليشن البلاتين في الكربون القطب لإعداد مادة الكاثود
    1. غمر أقطاب الكربون شعر، أعد في الخطوة 1، 1، 2 م كوه للحد أدنى من ح 12 في حاوية زجاجية.
    2. لتنظيف الكهروكيميائية، ضع مسرى كقطب كهربائي (نحن) وتعمل في مفاعل ثلاثة-القطب، الذي يستوعب أيضا مرجع (RE) والعداد الكهربائي (CE). الاتصال ونحن RE، و CE إلى بوتينتيوستات بمقاطع التمساح. وتؤكد كافة اتصالات مع اومتر.
      ملاحظة: قمنا باستخدام Ag/AgCl (بوكل المشبعة) القطب والبلاتين من الأسلاك ك RE و CE، على التوالي.
    3. اتزان الكهربائي في مقابل V 1.0. حج/AgCl مقابل 600 s في حل اﻻلكتروﻻيت الذي يحتوي على 2 م كوه (باستخدام كمية كافية لغمر مسرى كله). تأخذ بها مسرى من المفاعل الكهروكيميائية (التي مصنوع من الزجاج). شطف من مسرى في المياه على الأقل 8 مرات، سونيكاتينج لمدة 1 دقيقة بعد كل شطف. الجاف لأقطاب عند 100 درجة مئوية على الأقل 12 ح.
    4. إعداد الحل الطلاء، إضافة 100 غرام حمض الستريك و 5 غ من كبريتات الصوديوم 2 غ من سداسي هيدرات هيكساتشلوروبلاتيناتي (رابعا) هيدروجين إلى 1 لتر حامض الكبريتيك م 2.
    5. تزن تنظيفها والمجففة أقطاب كما أعد الخطوات 1.2.1–1.2.2، وتغطي الكهربائي في محلول طلاء ثم أعد الخطوة 1.2.3. Sonicate الكهربائي في الحل الطلاء ثلاث مرات لمدة 30 ثانية كل.
    6. لبالكهرباء كهربائي واسطة بويسينج مسرى المحتملة في-0.2 الخامس مقابل Ag/AgCl ل 460 s في تصفيح الحل. شطف أقطاب مرتين في المياه وتجاهل النفايات البلاتين.
    7. شطف أقطاب في المياه على الأقل 3 مرات، سونيكاتينج ل 20 ثانية بعد كل شطف. أشطف بدون سونيكيشن على الأقل ثلاث مرات أكثر.
    8. ورأى أقطاب الجافة عند 100 درجة مئوية لمالا يقل عن 12 حاء القطب تزن كمياً البلاتين مطلي على الكربون القطب.

2-بناء وتركيب نظام القطب الثاني

  1. التحقيق في موقع التثبيت لكل قطب كهربائي في البيئة الطبيعية.
    1. تحديد تركيز الأكسجين باستخدام مجس الأوكسجين الذائب (DO).
    2. التحقق من الشخصية عمق القيام به في الموقع.
      ملاحظة: هي الظروف البيئية المطلوبة اﻷنود ترطيب متسقة واكسجين. إذا كان مطلوباً، إزالة تأثير التمثيل الضوئي أوكسيجينيك بحجب اﻷنود من الضوء. الظروف المثالية للموضع الكاثود هي دائماً رطب، وقرب سطح المياه أن تكون أوضاع مؤكسدة. إذا لزم الأمر، إرفاق عوامات للحفاظ على الاتصال السطحية في الكاثود.
  2. بناء نظام الحضانة 2-القطب نوع خلية الوقود
    1. الاتصال سلك معزول من الطول المطلوب، وتؤدي من التيتانيوم الأسلاك من أقطاب كهربائية (واحد اﻷنود والكاثود مطلي البلاتين واحدة) بالتواء في السطرين. تغطية الاتصالات مع الشمع للماء وكذلك حماية باستخدام الصف البحرية الحرارة يتقلص الأنابيب.
    2. توصيل سلكين مع كاثود وانود بمقاوم للمقاومة معروفة.
      ملاحظة: للنظم البيولوجية، يؤدي انخفاض المقاومات (10 إلى 1,000 Ω) النشاط البيولوجي أكثر اتساقا. إذا رغبت في ذلك، سيمنع مقاوم مقاومة عالية النشاط البيولوجي، كعنصر سلبي. لمنع تآكل من أي اتصالات بين المقاوم والعملاء المتوقعين، علينا حماية لهم مع الحرارة يتقلص الأنابيب.
  3. قياس لتسجيل درجة الحرارة مع مرور الوقت والجهد.
    1. فحص الجهد بين طرفي المقاوم لتقدير الإنتاج الحالي من رد فعل خلية الوقود.
    2. قياس فرق الجهد على مر الزمن باستخدام الفولتميتر تسجيل بيانات مع اتصالات ملائمة تؤدي إلى اﻷنود والكاثود (انظر البروتوكول الخاص بالشركة المصنعة).
      ملاحظة: تسجيل بيانات درجة الحرارة المتزامن اختياري، ولكن يمكن أن تساعد هذه المعلومات تتعلق بالتغيرات في التقلبات البيولوجية الحالية إلى اللاأحيائية بدلاً.
  4. حماية بيانات المسجل واتصالات كهربائية
    1. استخدام حقيبة ثابتة و/أو البلاستيك لحماية المسجل وجميع التوصيلات الكهربائية من المطر.
    2. إصلاح بكيس من البلاستيك والكابلات مشددة لحماية من الرياح القوية. على سبيل مثال يظهر في الشكل 1.

3-جمع العينة الكهربائي من البيئة الطبيعية

  1. لمنع نوعية العينة اﻷنود من التلف بسبب تلوث الأوكسجين، جمع الكهربائي تحت الظروف اللاهوائية.
  2. 30 دقيقة على الأقل قبل جمع العينة القطب، وضع أنبوب اختبار في موقع اللاهوائية. على سبيل المثال، وضعت أنبوبة الاختبار وغطاء بشكل منفصل في الجزء السفلي من الحوض لجعل الزجاجة داخل اللاهوائية.
  3. قطع قيادة التيتانيوم من مسرى مع قطع أسلاك ولطف جمع العينة قطب كهربائي في أنبوب اختبار، وختم ذلك في منطقة المياه اللاهوائية. للاحتفاظ العينة الطازجة، تخزين العينة عند 4 درجة مئوية بعد جمع العينات مباشرة.
    ملاحظة: بدلاً من ذلك، أقطاب يمكن نقلها مباشرة إلى وصول (N2 تطهير) متوسطة. قمنا باستخدام وسيلة أرز (وصف سوزوكي et al. 11) التي تم تصميمه من كيمياء مائي يقاس على الموقع وتعديل لتوفير المواد الغذائية الكافية للنمو الجرثومي. تم تعديل هذه الوسائط للتجارب المعملية المختلفة.

4-مختبر تأكيدا للإنتاج الحالي وتحليل الحمض النووي

  1. تأكيد الكهروكيميائية للقدرة الإنتاجية الحالية لاتحادات الميكروبية إرفاق مسرى.
    1. بناء مفاعلات الكهروكيميائية14،15 مسرى عينات وسلك البلاتين Ag/AgCl (بوكل المشبعة) القطب كما نحن، CE، والطاقة المتجددة، على التوالي، في دائرة لاهوائي. تعبئة المفاعل الكهروكيميائية بالأرز المتوسطة المحتوية على المانحين الإلكترون الكربوهيدرات القابلة للذوبان.
    2. موازنة مسرى المحتملة في +0.2 الخامس مقابل Ag/AgCl وقياس الإنتاج الحالي.
  2. استخراج الحمض النووي من العينة الكهربائي باستخدام الحمض النووي الميكروبي كيت (انظر الجدول للمواد).
    1. تنظيف داخل صندوق قفازات اللاهوائية مع الإيثانول 70% ووضع صحن معقم على رقائق الألومنيوم.
      ملاحظة: غرفة اللاهوائية يبقى تركيز الأكسجين أقل من 1 جزء في المليون بالحفاظ على جو من هيدروجين في حوالي ~ 2 – 3% مسح الأكسجين حضور محفز البلاديوم.
    2. فتح المفاعل الكهروكيميائية في المربع القفازات ووضع مسرى عينة على الطبق وتقطع إلى حجم لاحتواء أنبوب يستخدم في الطقم الحمض النووي. المضي قدما في البروتوكول الخاص بالشركة المصنعة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وتم قياس الإنتاج الحالي بنجاح لمدة 3 أشهر تقريبا باستخدام مسجل بيانات التيار الكهربائي كما هو مبين في الشكل 3. تم اختيار هذه المرة كما كان أطول فترة حضانة مستقرة لفصل الربيع، بسبب الأمطار سقوط القوى التي تؤثر في فصل الربيع. يمكن أن تكون أقصر فترة كافية، ولو لفترة أطول يمكن أن توفر تخصيب أقوى من الكتلة الحيوية. نحن أكد الاتصال النظام الكهربائي اثنين بعد الاحتضان الكهروكيميائية ولاحظ أية أدلة من التآكل في النظام. ولوحظ ارتفاع الإنتاج الحالية في النظام الكهربائي اثنين مع مقاومة أقل (1,000 Ω) مقارنة مع المراقبة السلبية مع 100 kΩ المقاومة. قد تشير إلى زيادة الإنتاج الحالي تدريجيا في الشهر الأول النمو أو تراكم أو الإقامة للميكروبات على سطح القطب بعد استقرار الإنتاج الحالي لشهرين آخرين. من المثير للاهتمام، تأرجحت الإنتاج الحالي في دورة ح حوالي 24 من خلال كامل فترة إثراء الكهروكيميائية.

للتأكد من القدرة على الإنتاج الحالي من اتحادات الميكروبية إرفاق على مسرى، أجرينا تشرونوامبيروميتري مع اﻷنود جمعها في المختبر باستخدام مفاعل الكهروكيميائية 3-القطب. ونحن تستعد مسرى المحتملة في +0.4 الخامس مقابل. قطب هيدروجين قياسي (أنها) حضور مختلف المانحين الإلكترون الكربوهيدرات. ولوحظت التذبذبات اليومية لم يعد على اﻷنود عندما المحتضنة في المختبر. وهذا يوحي بأن العوامل البيئية أثرت الإنتاج الحالي للميكروبات، والمرجح أن أدت إلى التذبذبات الملحوظة.

مقارنة المجتمع الميكروبي لاحظ على أقطاب المخصب مع المجتمعات غير القطب المرفقة والعوالق، لاحظنا فروق واضحة في الهيكل الأسمى (الشكل 4). كان المجتمع الميكروبي القطب عالي التخصيب في الوحدات التصنيفية التشغيلية (OTUs) من الأنساب جاهل، فضلا عن الأنساب فيرميكوتي من عصيات. ولوحظ أيضا تحولاً في تكوين بروتيوباكتيريا ؛ على وجه التحديد، سادت بيتابروتيوباكتيريا (غالباً سيربينتيناموناس sp.) الكالسيت البيئية وعينات العوالق، وسيطر جامابروتيوباكتيريا عينات القطب10. الإثراء التفاضلية للسلالات الجرثومية بين البيئة وعينات القطب يوفر الدعم للنشاط الميكروبي يقود التجربة الملاحظة. وأيد كذلك من خلال عزل عبئا اليكتروتشيميكالي النشطة من OTUs فيرميكتوتيس المخصب ل أرز9في نهاية المطاف.

Figure 1
الشكل 1 : نظام الكهروكيميائية. () التخطيطي صورة النظام الكهروكيميائية في الموقع لإثراء EET-قادر على البكتيريا في البيئة. أنود من الكربون ورأى يقبل الجهاز التنفسي الإلكترونات من الميكروب وثود شعر مطلي Pt الكربون يحفز الحد من الأكسجين. وراقب الإنتاج الحالي مسجل بيانات الخامس متصلة بالتوازي مع كل من طرفي المقاوم ر. (ب) مثال الإعداد في ربيع الأرز حيث تم وضع اﻷنود في الجزء السفلي من الربيع والكاثود قرب سطح الماء. (ج) حماية بيانات المسجل والمقاوم ببلاستيك كيس والصخور. حجم اﻷنود هو نفسه كالذي يظهر في الشكل 2. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2 : الكربون ورأى قطب كهربائي متصل بسلك تيتانيوم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 : لاحظ الإنتاج الحالي في النظام الكهربائي اثنين لفترة حضانة مدتها ثلاثة أشهر. وترد البيانات لنظم استخدام المقاومات 100 kΩ و 1,000 Ω في (). وكان طرح الخلفية الحالية إلى الصفر القيمة الحالية الأولية. لوحة (ب) يناظر الساحة في لوحة (أ). ولوحظت التذبذبات اليومية الحالية عبر التجارب التي يتضح في الفريق (أ).

Figure 4
4 الرقم: توزيع تسلسل المجتمع الميكروبي لموقع مخيم الينابيع. الحمض النووي المستخرج من تصفية المياه (كامبسيتيسبرينج العوالق) أو ز 1 من الكالسيت مأخوذة من أسفل حوض (كامبسيتيسبرينج الكالسيت المرفقة) وقورنت بالحمض النووي المستخرج من الأقطاب الكربونية شعر (القطب المرفقة) أو الحمض النووي من الخلايا في مرحلة السوائل المفاعلات الكهروكيميائية (القطب العوالق). التسميات تسلسل قائمة على هويات الأسرة في اللغات-أو على مستوى الفئة يعج المهيمنة فيرميكوتيس و بروتيوباكتيريا. وتستند وفرة ما يلي: مجموع النسبة المئوية. وترد التغييرات في الأنساب بروتيوباكتيريال في الخطوط المنقطة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في وصف الدراسة، نعرض في إثراء اتحاد الميكروبية، المرتبطة بالإنتاج الحالي في الموقع . جداول الأنماط الملاحظة في الحالي دعم النشاط الميكروبي في هذا النظام مع مرور الوقت القصير والطويل. خطوة حاسمة لبناء نظام فنية يومين قطب كهربائي (نوع خلايا الوقود) هو تحديد واستخدام موقع مع مستوى المياه مستقرة وتركيز الأكسجين في البيئة. الكاثود يتعرض للأكسجين في الواجهة المائية الجوية، في حين يتم الاحتفاظ اﻷنود تحت الظروف اللاهوائية، وفرق الجهد الكهربائي ويشجع التنفس اللاهوائي للبكتيريا قادرة على EET.

لاحظنا اليومية التذبذب الحالي في النظام البيئي الكهروكيميائية ولكن ليس في المفاعل المختبري. لأن هذا التذبذب الحالي لوحظ خلال النهار ولوحظت التيارات ساعات-الحد الأقصى والحد الأدنى بين الفجر والغسق تأثير أشعة الشمس و/أو درجة الحرارة يمكن أن يفسر هذا التغيير في الإنتاج الحالي للميكروبات. قياس درجة الحرارة، أشعة الشمس و/أو غيرها من المتغيرات البيئية يمكن المضي في توسيع فهم الضوابط والسائقين لتدفق الإلكترونات الميكروبية في النظم البيئية. بدلاً من ذلك، إضافة العناصر إلى كتلة الشمس يمكن أن يساعد على إزالة أو التخفيف من آثار عملية التمثيل الضوئي أوكسيجينيك و/أو فوتوريكتيونس المحتملة على مسرى، التي يمكن أن تحفز أفضل الظروف المثلى EET. ومع ذلك، قياس العوامل البيئية الأخرى يمكن أن أفضل توضيح السياق EET-قادر على الميكروبات، بما في ذلك التفاعلات بين المجتمع الميكروبية المحتملة، فضلا عن العلاقات بين الميكروبات والبيئة الإيكولوجية.

يحتمل أن تكون أثري نظامنا اثنين-القطب البكتيريا ريسبيرينج اﻷنود، بل أيضا الحد من الأوكسجين البكتيريا التي حصاد الطاقة من امتصاص إلكترون. على الرغم من أننا لم تقم بإجراء تحليل المجتمع على الكاثود، القدرة على امتصاص إلكترون الميكروبية قابل للاختبار في المختبرات الثلاثة-القطب المفاعل مع بويسينج سلبا على القطب السالب المجمعة وجود الأكسجين. تمكين تدرج تركيز مستقرة من المتقبلين الإلكترونات من الكاثود إلى اﻷنود أسلوبنا نظرياً أيضا إثراء البكتيريا ريسبيرينج الكاثود. أسلوب إثراء بديلة للبكتيريا ريسبيرينج الكاثود هو استخدام الجزيئات Fe(0) أو كوبونات ك الجهات مانحة إلكترون صلبة5. على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين يمكن أن تحدث أيضا عند السطح، تم عزل ناجحة من البكتيريا التي يمكن مباشرة استخراج الإلكترونات من سطح القطب المبلغ5،في الفترة من16.

وفي الختام، لدينا أسلوب أثري بنجاح اتحادات EET-قادر على استخدام نظام الكهروكيميائية مكتفية ذاتيا في بيئة منخفضة-الكتلة الحيوية. عدة نهج زراعة السابقة لم تكلل بالنجاح، مما أدى بنا إلى وضع مخطط لتخصيب اليورانيوم في الموقع. في نظامنا، الإخراج الحالي يعكس النشاط البكتيري، وأدت إلى المزيد من الفرضيات حول الإيكولوجيا الميكروبية لهذا النظام. وسيعزز توسيع عزل الميكروبات قادرة على EET فضلا عن تنوع البيئات فهمنا لآلية EET، فضلا عن دور النقل الإلكترون في الميكروبيولوجيا البيئية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

نود أن نعترف ريتش روجر وديفيد McCrory للسماح لنا بالحصول على الأرز والتشاور بشأن مواقع لتفريخ طويلة الأجل. كما نشكر الطاقم حقل أرز موسم 2013-2014: سوزوكي شينو، إيشي شونيتشى، وانجر جريج، تشادويك غرايسون، لام بونيتا وماثيو شيشتر. الإضافي بفضل سوزوكي شينو وكونين غيس للبحوث الثاقبة واستزراع الدعم. تم تمويل هذا العمل من خلال معونات للعلماء الشباب A و B من "الجمعية اليابانية" لتعزيز العلوم (JSPS) كاكينهي منحة رقم 17 ح 04969 و 26810085، على التوالي، والوكالة اليابانية للأبحاث الطبية والتنمية (17gm6010002h0002). تمويل الولايات المتحدة تقدمها لنا مكتب العالمية البحرية بحوث (N62909-17-1-2038)، والمركز "التحقيقات المحيط الحيوي الطاقة المظلمة" (ج-ديبي) (OCE0939564) ومعهد بيولوجيا الفضاء ناسا-"الحياة تحت الأرض" (ناي-لو) (NNA13AA92A). وأجرى جزء من هذا العمل كجزء من "مجتمع اليابان" "تعزيز العلوم": زمالة ما بعد الدكتوراه قصيرة الأجل أنيت رو (PE15019) في جامعة طوكيو في مختبر كازوهيتو هاشيموتو.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nealson, K. H., Saffarini, D. Iron and manganese in anaerobic respiration: environmental significance, physiology, and regulation. Annual Reviews of Microbiology. 48, 311-343 (1994).
  2. Lovley, D. R. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Reviews Microbiology. 4 (7), 497-508 (2006).
  3. Rabaey, K., Rozendal, R. A. Microbial electrosynthesis - revisiting the electrical route for microbial production. Nature Reviews Microbiology. 8 (10), 706-716 (2010).
  4. Lovley, D. R., Coates, J. D. Bioremediation of metal contamination. Current Opinion in Biotechnology. 8 (3), 285-289 (1997).
  5. Dinh, H. T., et al. Iron corrosion by novel anaerobic microorganisms. Nature. 427 (6977), 829-832 (2004).
  6. Myers, C. R., Nealson, K. H. Bacterial manganese reduction and growth with manganese oxide as the sole electron acceptor. Science. 240 (4857), 1319-1321 (1988).
  7. Lovley, D. R., Phillips, E. J. Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese. Applied and Environmental Microbiology. 54 (6), 1472-1480 (1988).
  8. Arnold, R. G., DiChristina, T. J., Hoffmann, M. R. Reductive dissolution of Fe(III) oxides by Pseudomonas sp 200. Biotechnology and Bioengineering. 32 (9), 1081-1096 (1988).
  9. Rowe, A. R., et al. In situ electrochemical enrichment and isolation of a magnetite-reducing bacterium from a high pH serpentinizing spring. Environmentakl Microbiology. 19 (6), 2272-2285 (2017).
  10. Suzuki, S., et al. Microbial diversity in The Cedars, an ultrabasic, ultrareducing, and low salinity serpentinizing ecosystem. Proceedings of the National Academy of Science U S A. 110 (38), 15336-15341 (2013).
  11. Suzuki, S., et al. Physiological and genomic features of highly alkaliphilic hydrogen-utilizing Betaproteobacteria from a continental serpentinizing site. Nature Communications. 5, 3900 (2014).
  12. McCollom, T. M., et al. Temperature trends for reaction rates, hydrogen generation, and partitioning of iron during experimental serpentinization of olivine. Geochimica et Cosmochimica Acta. 181, 175-200 (2016).
  13. Morrill, P. L., et al. Geochemistry and geobiology of a present-day serpentinization site in California: The Cedars. Geochimica et Cosmochimica Acta. 109, 222-240 (2013).
  14. Okamoto, A., Nakamura, R., Hashimoto, K. In-vivo identification of direct electron transfer from Shewanella oneidensis MR-1 to electrodes via outer-membrane OmcA-MtrCAB protein complexes. Electrochimica Acta. 56 (16), 5526-5531 (2011).
  15. Okamoto, A., Hashimoto, K., Nakamura, R. Spectroelectrochemical Investigation on Biological Electron Transfer Associated with Anode Performance in Microbial Fuel Cells. , InTech. 207-222 (2012).
  16. Deng, X., Nakamura, R., Hashimoto, K., Okamoto, A. Electron from an Extracellular Electrode by Desulfovibrio ferrophilus Strain IS5 Without Using Hydrogen as an Electron Carrier. Electrochemistry. 83 (7), 529-531 (2015).

Tags

العلوم البيئية، 137 قضية، خارج الخلية الإلكترون النقل، انخفاض الكتلة الأحيائية، سيربينتينيزيشن، خلية الوقود الميكروبية، إثراء الميكروبية، البيئات المتطرفة
إنشاء الكهروكيميائية قائم بذاته لإثراء البكتيريا ريسبيرينج اﻷنود في الموقع
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Okamoto, A., Rowe, A., Deng, X.,More

Okamoto, A., Rowe, A., Deng, X., Nealson, K. H. Self-standing Electrochemical Set-up to Enrich Anode-respiring Bacteria On-site. J. Vis. Exp. (137), e57632, doi:10.3791/57632 (2018).

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