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Erstellen einer Winogradsky-Säule
 

Erstellen einer Winogradsky-Säule: Eine Methode zur Anreicherung der mikrobiellen Spezies in einer Sedimentprobe

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Die meisten Mikroorganismen der Erde können nicht in einem Labor kultiviert werden, oft weil sie sich auf andere Mikroben innerhalb ihrer heimateigenen Gemeinschaften verlassen. Eine Winogradsky-Säule, benannt nach ihrem Erfinder Sergei Winogradsky, ist ein miniaturiges, geschlossenes Ökosystem, das die mikrobiellen Gemeinschaften innerhalb einer Sedimentprobe bereichert und es Wissenschaftlern ermöglicht, viele der Mikroben zu untersuchen, die eine wichtige Rolle in der Erdwelt spielen. biogeochemische Prozesse, ohne sie einzeln isolieren und beleben zu müssen.

Typischerweise werden Schlamm und Wasser aus einem Ökosystem, wie z. B. einem Teich oder einem Sumpf, vermischt. Als optionales Experiment kann dieser Mischung Salz hinzugefügt werden, um verschiedene halophile Arten anzureichern. Als nächstes wird ein kleiner Teil der Mischung mit Kohlenstoff ergänzt, in der Regel in Form von Zellulose aus der Zeitung, und Schwefel, in der Regel aus einem Eigelb. Für ein weiteres optionales Experiment kann dieser Mischung ein Nagel hinzugefügt werden, um bestimmte Gallionella-Arten zu bereichern. Diese neue Mischung wird dann einer transparenten Spalte hinzugefügt, sodass die Spalte ein Viertel voll ist. Schließlich wird der Rest der Schlammmischung und mehr Wasser der Säule hinzugefügt, bis sie den größten Teil des Weges voll ist.

Die Nachfolge, die sich auf die konsekutive Entwicklung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften im Laufe der Zeit bezieht, kann in Echtzeit mit einer Winogradsky-Säule beobachtet werden. Wenn Mikroben innerhalb der Säule wachsen, verbrauchen sie bestimmte Substrate und verändern die Chemie ihrer Umgebung. Wenn ihre Substrate erschöpft sind, sterben die ursprünglichen Mikroben ab und Mikroben mit unterschiedlichen Stoffwechselbedürfnissen können in der veränderten Umgebung gedeihen. Im Laufe der Zeit beginnen sich sichtbar unterschiedliche Schichten zu bilden, die jeweils Teile einer Bakteriengemeinschaft mit unterschiedlichen mikroökologischen Bedürfnissen enthalten.

Zum Beispiel bilden photosynthetische Mikroben, die größtenteils aus Cyanobakterien bestehen, grüne oder rotbraune Schichten in der Nähe der Oberseite der Säule. Da die Photosynthese Sauerstoff produziert, der oft als Blasen im oberen Teil der Säule gesehen wird, wird ein Gradient mit den höchsten Sauerstoffkonzentrationen in der Nähe der Oberseite und dem niedrigsten nach unten gebildet. Je nach verfügbaren Substraten können verschiedene mikrobielle Gemeinschaften in der anaeroben Bodenschicht wachsen. Blasen in dieser Schicht können auf das Vorhandensein von Methanogenen hinweisen, die durch Fermentation Methangas erzeugen. Hier führt die mikrobielle Fermentation von Zellulose zu organischen Säuren. Sulfat-Reduzierer oxidieren diese Säuren, um Sulfid zu produzieren, und ihre Aktivität wird durch schwarze Sedimente angezeigt. Sulfid diffundiert in der Spalte nach oben, wodurch ein weiterer Gradient entsteht, bei dem die Sulfidkonzentrationen am unteren Rand der Säule am höchsten und am niedrigsten in der Nähe der Spitze sind. In der Mitte der Säule nutzen Schwefeloxidatoren den Sauerstoff von oben und Sulfid von unten. Bei ausreichendem Licht entwickeln sich photosynthetische Schwefeloxidatoren wie grüne und violette Schwefelbakterien. Grüne Schwefelbakterien vertragen höhere Sulfidkonzentrationen. So wachsen sie direkt unter den violetten Schwefelbakterien. Direkt über dieser Schicht bilden violette nicht schwefelhaltige Bakterien eine rot-orange Schicht. Nichtphotosynthetische Schwefeloxidatoren werden durch das Vorhandensein von weißen Filamenten angezeigt.

Bedingungen wie Licht und Temperatur können auch variiert werden, um andere Gemeinschaften zu bereichern. In diesem Video erfahren Sie, wie Sie eine Winogradsky-Säule konstruieren und die Wachstumsbedingungen und Substrate variieren, um bestimmte mikrobielle Gemeinschaften zu bereichern.

Suchen Sie zunächst ein geeignetes aquatisches Ökosystem, z. B. einen Teich oder Sumpf. Die Sedimentproben sollten aus dem Bereich in der Nähe des Wasserrandes stammen und vollständig mit Wasser gesättigt sein. Dann verwenden Sie eine Schaufel und einen Eimer, um ein bis zwei Liter des gesättigten Schlamms zu sammeln. Als nächstes erhalten Sie etwa drei Liter Frischwasser aus der gleichen Quelle und kehren mit den Feldproben ins Labor zurück.

Legen Sie im Labor die entsprechende persönliche Schutzausrüstung an, einschließlich Labormantel und Handschuhe. Nun ca. 750 Milliliter Schlamm in eine Mischschüssel geben. Dann durchsieben sie den Schlamm, um große Felsen, Zweige oder Blätter zu entfernen und einen Löffel zu verwenden, um Klumpen auseinander zu brechen. Als nächstes etwas frisches Wasser in die Rührschüssel geben und mit einem großen Löffel umrühren. Fügen Sie Wasser hinzu, bis die Konsistenz der Wasser-Schlamm-Mischung einem Milchshake ähnelt. Fahren Sie fort, um sicherzustellen, dass es keine Klumpen gibt.

Als optionales Experiment wählen Sie für halophile Bakterien, indem Sie 25 bis 50 Milligramm Salz in die Schlammmischung geben.

Dann ca. 1/3 der Wasser-Schlamm-Mischung in eine zweite Mischschüssel geben. Fügen Sie ein Eigelb und eine Handvoll geschredderter Zeitung in die Schüssel. Fügen Sie als Nächstes diese Mischung zur Spalte hinzu, bis sie etwa 1/4 voll ist. Als nächstes fügen Sie die Wasser-Schlamm-Mischung ohne Ei und Zeitung in die Spalte, bis sie etwa 3/4 voll ist. Fügen Sie dann mehr Wasser in die Spalte ein, sodass ein 1/2 Zoll Leerraum oben bleibt. Bedecken Sie die Säule mit Plastikfolie und befestigen Sie sie mit einem Gummiband.

Inkubieren Sie die Säule in der Nähe eines Fensters bei Raumtemperatur für die nächsten vier bis acht Wochen. Während der gesamten Inkubationszeit, überwachen Veränderungen in der Winogradsky-Säule mindestens einmal pro Woche für die Entwicklung von verschiedenen farbigen Schichten und die Bildung von Blasen. Zeichnen Sie außerdem die Zeit auf, die für die Entwicklung verschiedener Layer benötigt wird.

Eine weitere Modifikation, die durchgeführt werden kann, ist die Inkubation der Säule in der Nähe eines Heizkörpers, um für thermophile Bakterien zu wählen, oder in einem Kühlschrank für psychophile Bakterien zu wählen. Variieren Sie die Lichtverhältnisse, indem Sie verschiedene Säulen in hohes Licht, schwaches Licht oder Dunkelheit legen, um zu bebrüten. Alternativ können Sie die Wellenlänge des einfallenden Lichts begrenzen, indem Sie die Säule mit verschiedenen Zellophantönen abdecken, um zu bestimmen, welche Farben für verschiedene Bakteriengruppen ausgewählt werden. Für ein weiteres optionales Experiment, eisenoxidierende Bakterien anzureichern, fügen Sie einen Nagel in das Schlamm-Wasser-Gemisch vor dem Zusatz von Zeitung und Eigelb.

Nach ein bis zwei Wochen wird das Wachstum der cyanobakteriellen Schicht durch einen grün-rot-braunen Film auf der Schlammschicht der klassischen Winogradsky-Säule angezeigt. Im Laufe der Zeit wird das Aussehen und die Entwicklung der verschiedenen Schichten überwacht, die jeweils auf die verschiedenen Arten von Bakterien hinweisen. Wenn wir eine im Dunkeln gewachsene Säule mit einer traditionellen Winogradsky-Säule vergleichen, sehen wir, dass die dunkle Behandlung die schwarze Schicht am unteren Rand der Säule ergibt, was auf sulfatreduzierende Bakterien hindeutet.

Die dunkle Säule kann je nach anderen Inkubationsbedingungen auch andere Schichten ergeben. Darüber hinaus ergibt die dunkle Säule weder die grüne cyanobakterielle Schicht noch die roten, violetten oder grünen Schichten, die auf violette Nicht-Schwefel-, violette Schwefel- und grünschwefelbakterien hinweisen. Diese Gruppen sind für das Wachstum auf Licht angewiesen.

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