Vor-Ort-mikrobielle Bereicherung oder in Situ Anbautechniken können die Isolierung der mikrobiellen Taxa schwierig zu Kultur, vor allem von Low-Biomasse oder geochemisch extreme Umgebungen erleichtern. Hier beschreiben wir eine elektrochemische Einrichtung ohne eine externe Stromquelle, um mikrobielle Belastungen zu bereichern, die extrazelluläre Elektronentransport (EET) geeignet sind.
Anaerobe Atmung gepaart mit Elektronentransport zu unlöslichen Mineralien (extrazelluläre Elektronentransport [EET] genannt) wird angenommen, dass kritische für mikrobielle Energieerzeugung und Persistenz in vielen unterirdischen Umgebungen, insbesondere fehlt es an löslichen terminal Elektronen-Akzeptoren. Während EET-fähigen Mikroben aus verschiedenen Umgebungen erfolgreich isoliert wurden, die Vielfalt der Bakterien in der Lage, EET ist immer noch schlecht verstanden, vor allem in schwierigen Probe, niedrige Energie oder extreme Umgebungen, wie viele Untergrund Ökosysteme. Hier beschreiben wir eine vor-Ort-elektrochemischen System EET-fähigen Bakterien mit eine Anode als eine respiratorische terminal Elektron Akzeptor zu bereichern. Diese Anode ist mit einer Kathode in der Lage katalysieren abiotischen sauerstoffreduktion verbunden. Vergleicht man diesen Ansatz mit Electrocultivation Methoden, mit denen ein potentiostaten für nutzmöglichkeiten potenzielle Elektrode, ist das zwei-Elektroden-System nicht erforderlich, eine externe Stromquelle. Wir präsentieren Ihnen ein Beispiel für unsere vor-Ort-Anreicherung in einem alkalischen Teich an der Zedern, eine terrestrische assimiliert Website in Nordkalifornien genutzt. Vorherige Versuche, mineralischen reduzierende Bakterien kultivieren scheiterten, dürfte aufgrund der niedrigen Biomasse Natur dieser Website und/oder niedrige relative Häufigkeit des Metalls, die Verringerung der Mikroben. Vor der Implementierung unserer zwei-Elektroden-Anreicherung, haben wir das Höhenprofil des gelösten Sauerstoff-Konzentration gemessen. Dies erlaubt uns, legen Sie die Kohle fühlte fühlte Anode und Platin galvanisch gebundenen Kohlenstoff Kathode in tiefen, die anaeroben und aeroben unterstützen würde bzw. verarbeitet. Nach vor-Ort-Inkubation weiter bereichert die anodische Elektrode im Labor und bestätigt eine ausgeprägte mikrobiellen Gemeinschaft im Vergleich zu der Oberfläche befestigt oder Biofilm-Gemeinschaften, die normalerweise bei der Zedern beobachtet. Diese Bereicherung führte später zur Isolierung von der ersten elektrogenes Mikrobe von Zedern. Diese Methode der vor-Ort-mikrobielle Bereicherung hat das Potenzial, die Isolation der EET-fähigen Bakterien aus niedrigen Biomasse oder schwer zu Probe Lebensräume erheblich verbessern.
Mehrere Mineral-reduzierende Mikroben haben gezeigt, dass Festphasen-Mineralien als terminal Elektronen Akzeptoren nutzen durch extrazelluläre Elektronentransport (EET) Prozesse, die Elektronen an der Außenseite der Zelle über Redox Enzyme1durchführen. EET ist entscheidend, nicht nur für Mikroben-Mineral Prozesse aber auch Angewandte Energie- und Umwelttechnologien, wie mikrobielle Brennstoffzellen2, Elektrode Synthese3und Bioremediation4. Neue EET-fähigen Bakterien sind sehr begehrt und wurden von einem grundlegenden und angewandten Perspektive5ausgiebig untersucht. Allerdings haben wir nur einen Einblick in die ökologischen oder biogeochemische Bedeutung dieser Bakterien beschränkt. Die Mehrheit der EET-fähigen Mikroben wurden isoliert nach Anreicherung von Aqua, Sediment oder anaeroben Fermenter mit solide Elektronen-Akzeptoren wie MnO2, Fe2O3 oder balanciert Elektroden im Labor6, 7 , 8. jedoch diese Methoden produzieren häufig ähnliche Konsortien und empfindlicher Taxa, die Niedrigenergie- oder niedrigen Biomasse-Systeme, Vorspannen der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroben an Labor oder in der axenic Kultur Umwelt9 dominieren können potenziell zu verpassen . In der Regel sind für Umgebungen mit niedrigen Biomasse, große Mengen Wasser von einer Website gefiltert, um bakterielle Zellen zu konzentrieren. Allerdings EET-fähigen Bakterien zeigen oft anaeroben Stoffwechsel und daher Sauerstoff-Exposition kann weiter hemmen oder verhindern, dass ihr Anbau. Alternative vor-Ort-Methoden, um Zellen zu konzentrieren, ohne sie zu Sauerstoff könnte die Isolation der EET-fähigen Bakterien erleichtern. Hier berichten wir Einrichtungsdetails für eine vor-Ort-elektrochemische Technik, EET-fähigen Mikrobe über einen langen Zeitraum hinweg ohne die Notwendigkeit für eine externe Stromquelle zu bereichern.
Mit unseren Electrocultivation Experimenten aus einer stark alkalischen Quelle in Nordkalifornien, die Zedern10, beschreiben wir diese vor Ort elektrochemische Technik. Die Geochemie der Federn bei The Cedars werden durch assimiliert im Untergrund belastet. Die Federn sind sehr reduktiv, mit Sauerstoffkonzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze unter der Luft-Wasser-Grenzfläche Hervorhebung das Potenzial für die mikrobielle Energieerzeugung über EET in dieser funktional anoxischen Umwelt11. Allerdings gibt es keine Beweise für EET-fähigen Mikroben aus Zedern (in 16 s rRNA oder Metagenomischen Analyse) zu unterstützen. Obwohl dieser Umgebung ist, als Elektronen-Akzeptor begrenzt charakterisiert worden, das Potenzial für die Verwendung von unlöslicher Minerals als terminal Elektronen-Akzeptoren, einschließlich Mineralien wie Eisen, die Mineralien, die aus assimiliert (d.h., baring Magnetit), wurde nicht ausführlich untersuchten12. Wir, hat daher unsere elektrochemische System bereitgestellt, am Campingplatz Feder, ein hoher pH-Wert Feder an den Zedern, EET-fähigen Mikroben (Abbildung1)13zu bereichern.
In der beschriebenen Studie zeigen wir die Anreicherung eines mikrobiellen Konsortiums, verbunden mit in Situ laufende Produktion. Die beobachteten Muster in aktuellen Unterstützung mikrobielle Aktivität in diesem System über kurze und lange Zeit skaliert. Der entscheidende Schritt für den Bau einer funktionalen zwei-Elektroden (Brennstoffzellen-Typ) System ist identifizieren und nutzen eine Lage mit einer stabilen Wasserstand und Sauerstoffkonzentration in der Umwelt. Die Kathode ist Sauerstoff in der Luft-…
The authors have nothing to disclose.
Wir würden gerne Roger Raiche und David McCrory für uns Zugang zu den Zedern und Beratung über Standorte für langfristige Inkubation anerkennen. Wir danken auch die Zedern-Feld-Mannschaft in der Saison 2013 / 2014: Shino Suzuki, Shunichi Ishii, Greg Wanger, Grayson Chadwick, Bonita Lam und Matthew Schechter. Zusätzlicher Dank Shino Suzuki und Gijs Kuenen für aufschlussreiche Forschung und Kultivierung Unterstützung. Diese Arbeit wurde durch eine Beihilfe für junge Wissenschaftler A und B von der Japan Society for Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant 17 H 04969 und 26810085, bzw. die Nummer und die Japan-Agentur für medizinische Forschung und Entwicklung (17gm6010002h0002) finanziert. US-Finanzierung zur Verfügung gestellt von uns Office of Global Marine Research (N62909-17-1-2038) und dem Center für dunkle Energie Biosphäre Untersuchungen (C-DEBI) (OCE0939564) und der NASA Astrobiology Institute – Life Underground (NAI-LU) (NNA13AA92A). Teil dieser Arbeit wurde als Teil einer Japan-Gesellschaft für die Förderung der Wissenschaften durchgeführt: kurzfristige Postdoc-Stipendium für Annette Rowe (PE15019) an der Universität Tokio im Labor von 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 |