On-site microbiële verrijking of in situ -teelttechnieken kunnen het vergemakkelijken van het isolement van de microbiële taxa moeilijk-aan-cultuur, vooral uit laag-biomassa of geochemically extreme omgevingen. Hier beschrijven we een elektrochemische opstelling zonder gebruik te maken van een externe krachtbron te verrijken van microbiële stammen die kunnen extracellulaire elektronentransport (EET).
Anaërobe ademhaling, in combinatie met elektronentransport tot onoplosbare mineralen (hierna: extracellulaire elektronentransport [EET]) wordt beschouwd als essentieel voor microbiële energieproductie en persistentie in veel ondergrond omgevingen, met name die oplosbare terminal elektronen acceptoren ontbreekt. EET-staat microben zijn met succes geïsoleerd uit verschillende omgevingen, de diversiteit van de bacteriën EET staat weliswaar nog slecht begrepen, met name in moeilijk-aan-sample, lage energie of extreme omgevingen, zoals velen ondergrond ecosystemen. Hier beschrijven we een on-site elektrochemische systeem om te verrijken EET-kunnen bacteriën met behulp van een anode als een accepteerder respiratoire terminal elektron. Deze anode is verbonden met een kathode kunnen katalyseren van de abiotische zuurstof vermindering. Vergelijken deze aanpak met electrocultivation-methoden die gebruikmaken van een potentiostaat voor de elektrode potentiële signatuur, hoeft het twee-elektrode-systeem niet een externe stroombron. Presenteren we een voorbeeld van onze on-site verrijking gebruikt in een alkalische vijver op de ceders, een terrestrische serpentinization site in Noord-Californië. Eerdere pogingen om te cultiveren minerale reducerend bacteriën mislukten, die is waarschijnlijk te wijten aan de aard van de lage-biomassa van deze site en/of de lage relatieve overvloed van metaal vermindering van microben. Voorafgaand aan de uitvoering van de verrijking van onze twee-elektrode, we het verticale profiel van het gehalte aan opgeloste zuurstof gemeten. Dit konden we de koolstof plaats voelde anode en platina-galvanische carbon voelde kathode op een diepte die anaërobe en aërobe zou ondersteunen processen, respectievelijk. Na on-site incubatie, we verder verrijkt de anodic elektrode in het laboratorium en een aparte microbiële Gemeenschap ten opzichte van de oppervlakte-ingeschrevenen of biofilm gemeenschappen normaal gesproken waargenomen bij de ceders bevestigd. Deze verrijking vervolgens geleid tot het isolement van de eerste electrogenic microbe van de ceders. Deze methode van on-site microbiële verrijking heeft de potentie om sterk verbeteren het isolement van EET-kunnen bacteriën uit lage biomassa of moeilijk te monster habitats.
Verschillende minerale-reducerende microben is aangetoond dat het gebruik van solid-phase mineralen als terminal elektronen acceptoren, door extracellulaire elektronentransport (EET) processen die het gedrag van elektronen aan de buitenkant van de cel via redox enzymen1. EET is van cruciaal belang, niet alleen voor de microbe-mineraal processen te hebben, maar ook toegepaste energie- en milieutechnologie, zoals microbiële brandstofcellen2, elektrode synthese3en bioremediatie4. Nieuwe EET-staat bacteriën zijn zeer gegeerd en zijn uitvoerig bestudeerd van een fundamentele of toegepaste perspectief5. Wij alleen hebben echter slechts beperkt inzicht in de ecologische of Biogeochemische betekenis van deze bacteriën. De meerderheid van de EET-staat microben zijn geïsoleerd na verrijking van aqua, sediment of anaërobe digereerovens voor solide elektronen acceptoren zoals MnO2, Fe2O3 of klaar elektroden met laboratorium6, 7 , 8. echter, deze methoden produceren vaak soortgelijke consortia en potentieel missen meer gevoelige taxa die domineren kunnen laag energieverbruik of lage biomassa systemen, het vermogen van deze microben aan te passen aan het lab of een cultuur milieu9 vertekenende . Meestal voor lage biomassa omgevingen, zijn grote hoeveelheden water vanaf een site gefilterd, zodat er bacteriecellen concentreren. Echter EET-staat bacteriën vertonen vaak anaërobe stofwisseling en dus zuurstof blootstelling verder kan remmen of te voorkomen dat hun teelt. Alternatieve on-site methodologieën te concentreren cellen zonder ze aan zuurstof bloot te stellen kunnen de isolatie van EET-staat bacteriën vergemakkelijken. Wij rapporteren hier instellingsdetails voor een on-site elektrochemische techniek te verrijken EET-staat microbe gedurende een lange periode van tijd zonder de behoefte voor een externe stroombron.
Met behulp van onze experimenten van de electrocultivation van een zeer alkalische Lente in Noord-Californië, de ceders10, beschrijven we deze on-site elektrochemische techniek. De geochemie van de veren op de ceders zijn beïnvloed door de serpentinization in de ondergrond. De veren zijn zeer reductieve, met zuurstofconcentraties onder de limiet van detectie onder de lucht water interface markeren het potentieel voor de productie van de microbiële energie via EET in deze functioneel zuurstofvrije omgeving11. Er is echter geen bewijs ter ondersteuning van EET-staat microben van al-Arz (in 16S rRNA of Metagenomic analyse). Hoewel deze omgeving heeft gekenmerkt als elektron accepteerder beperkt, het potentieel voor het gebruik van onoplosbare mineralen als terminal elektronen acceptoren, met inbegrip van mineralen zoals het ijzer baring mineralen die uit serpentinization (dat wil zeggen voortvloeien, magnesiet), is niet uitgebreid onderzochte12geweest. Wij daarom ingezet onze elektrochemische systeem op Camping voorjaar, een hoge pH-veer op de ceders, te verrijken voor EET-staat microben (figuur1)13.
In de beschreven studie tonen we de verrijking van een microbiële consortium, in situ huidige productie gekoppeld. De waargenomen patronen in de huidige steun microbiële activiteit in dit systeem na verloop van korte en lange tijd schalen. De kritieke stap voor de bouw van een functioneel twee-elektrode (type van stookmiddel kerker)-systeem is te identificeren en met behulp van een locatie met een stabiele water-niveau en de zuurstofconcentratie in de omgeving. De kathode is blootgesteld aan zuurstof in de luc…
The authors have nothing to disclose.
Wij willen erkennen van Roger Raiche en David McCrory voor ons toegang tot de ceders en raadpleging op locaties voor langdurige incubatie. Wij danken ook de ceders veld bemanning tijdens het seizoen 2013-2014: Shino Suzuki, Shunichi Ishii, Greg Wanger, Grayson Chadwick, Bonita Lam en Matthew Schechter. Extra dankzij Shino Suzuki en Gijs Kuenen voor inzichtelijke onderzoek en kweken van ondersteuning. Dit werk werd gefinancierd door middel van een Grant-in-Aid voor jonge wetenschappers A en B van de Society van Japan voor de promotie van wetenschap (JSPS) KAKENHI Grant nummer 17H 04969 en 26810085, respectievelijk, en het Japan Agency voor medisch onderzoek en ontwikkeling (17gm6010002h0002). Amerikaanse financiering verstrekt door de ons Office of Global Marine Research (N62909-17-1-2038) en het centrum voor donkere energie biosfeer onderzoeken (C-DEBI) (OCE0939564) en de NASA astrobiologie Instituut – leven ondergronds (NAI-LU) (NNA13AA92A). Onderdeel van dit werk werd uitgevoerd als onderdeel van een samenleving van Japan voor de bevordering van Wetenschappen: op korte termijn postdoctoral fellowship voor Annette Rowe (PE15019) aan de Universiteit van Tokio in het lab van Kazuhito Hashimoto.
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 |