Overview
מקור: אליזבת סוטר1, כריסטופר קורבו1, ג'ונתן בלייז1
1 המחלקה למדעי הביולוגיה, מכללת וגנר, דרך הקמפוס 1, סטטן איילנד ניו יורק, 10301
הטור וינוגרדסקי הוא מערכת אקולוגית זעירה וסגורה המשמשת להעשרת קהילות מיקרוביות משקעים, במיוחד אלה המעורבות ברכיבה על אופניים גופרית. הטור שימש לראשונה את סרגיי וינוגרדסקי בשנות ה-80 של ה-19 ומאז הוא מיושם במחקר של מיקרואורגניזמים רבים ומגוונים המעורבים בביוגוכימיה, כגון פוטוסינתזה, מחמצני גופרית, מפחית גופרתיים, מתנוגנים, מחמצני ברזל, רוכבי חנקן ועוד (1,2).
רוב המיקרואורגניזמים על פני כדור הארץ נחשבים בלתי ניתנים לחישוב, כלומר הם לא יכולים להיות מבודדים במבחנה או על צלחת פטרי (3). הסיבה לכך היא גורמים רבים, כולל כי מיקרואורגניזמים תלויים אחרים עבור מוצרים מטבוליים מסוימים. התנאים בטור של וינוגרדסקי מחקים מקרוב את בית הגידול הטבעי של מיקרואורגניזם, כולל האינטראקציות שלהם עם אורגניזמים אחרים, ומאפשרים לגדל אותם במעבדה. לפיכך, טכניקה זו מאפשרת למדענים לחקור אורגניזמים אלה ולהבין כיצד הם חשובים למחזורים הביו-גיאוכימיים של כדור הארץ מבלי לגדל אותם בבידוד.
סביבות כדור הארץ מלאות במיקרואורגניזמים המשגשגים בכל סוגי בתי הגידול, כגון קרקעות, מי אוקיינוס, עננים ומשקעים במעמקי הים. בכל בתי הגידול, מיקרואורגניזמים תלויים זה בזה. ככל שהמיקרואורגניזם גדל, הוא צורך מצעים מסוימים, כולל דלקים עשירים בפחמן כמו סוכרים, כמו גם חומרים מזינים, ויטמינים וגזים נשימתיים כמו חמצן. כאשר משאבים חשובים אלה נגמרים, מיקרואורגניזמים שונים עם צרכים מטבוליים שונים יכולים לפרוח ולשגשג. לדוגמה, בעמודה וינוגרדסקי, חיידקים צורכים תחילה את החומר האורגני שנוסף תוך כדי פירוק החמצן בשכבות התחתונות של העמודה. ברגע שהחמצן מנוצל, אורגניזמים אנאירוביים יכולים להשתלט ולצרוך חומרים אורגניים שונים. התפתחות רצופה זו של קהילות מיקרוביות שונות לאורך זמן נקראת ירושה (4). ירושת מיקרוביאלית חשובה בטור וינוגרדסקי, שבו פעילות מיקרוביאלית משנה את הכימיה של המשקעים, אשר לאחר מכן משפיע על פעילות של חיידקים אחרים וכן הלאה. מיקרואורגניזמים רבים בקרקעות ובמ משקעים חיים גם לאורך שיפועים, שהם אזורי מעבר בין שני סוגים שונים של בתי גידול המבוססים על ריכוזי המצעים (5). בנקודה הנכונה במעבר הצבע, חיידק יכול לקבל כמויות אופטימליות של מצעים שונים. עם התפתחות טור וינוגרדסקי, הוא מתחיל לחקות את השיפועים הטבעיים הללו, במיוחד בחמצן וגופרית (איור 1).
איור 1: ייצוג של שיפועי חמצן (O2) וגופרית (H2S) המתפתחים בעמודה של וינוגרדסקי.
בעמוד וינוגרדסקי, בוץ ומים מבריכה או ביצות מעורבבים בעמוד שקוף ומותר להם לדגור, בדרך כלל באור. מצעים נוספים מתווספים לעמודה כדי לתת למקורות הקהילה של פחמן, בדרך כלל בצורה של תאית, וגופרית. פוטוסינתזות בדרך כלל מתחילות לגדול בשכבות העליונות של המשתך. מיקרואורגניזמים פוטוסינתזה אלה מורכבים ברובם ציאנובקטריה, המייצרים חמצן ומופיע כשכבה ירוקה או אדומה-חומה (איור 2, טבלה 1). בעוד הפוטוסינתזה מייצרת חמצן, חמצן אינו מסיס מאוד במים והוא יורד מתחת לשכבה זו (איור 1). זה יוצר שיפוע של חמצן, החל בריכוזים גבוהים של חמצן בשכבות העליונות לאפס חמצן בשכבות התחתונות. השכבה המחומצנת נקראת השכבה האירובית והשכבה ללא חמצן נקראת השכבה ה אנאירובית.
בשכבה אנאירובית, קהילות מיקרוביות רבות ושונות יכולות להתרבות בהתאם לסוג וכמות המצעים הזמינים, למקור החיידקים הראשוניים ולנקבוביות המשקעים. בתחתית העמוד, אורגניזמים שמפרקים חומר אורגני באופן אנאירובי יכולים לשגשג. תסיסה מיקרוביאלית מייצרת חומצות אורגניות מפירוק תאית. חומצות אורגניות אלה יכולות לשמש לאחר מכן על ידי מפחית סולפט, אשר מחמצנים את אותם אורגנים באמצעות סולפט, ומייצרים גופרתיתו כיוצר לוואי. הפעילות של מפחית גופרתיים מסומנת אם המשתך הופך שחור, כי ברזל וגופרית מגיבים ליצירת מינרלים שחורים מברזל גופרתי (איור 2, טבלה 1). הגופרית גם מתפזרת כלפי מעלה ויוצרת שיפוע נוסף שבו ריכוזי הגופרית גבוהים בתחתית העמוד ונמוכים בחלק העליון של העמודה (איור 1).
בסמוך לאמצע העמוד, מחמצני גופרית מנצלים את אספקת החמצן מלמעלה וגופרית מלמטה. עם הכמות הנכונה של אור, חמצון גופרית פוטוסינתזה יכול להתפתח בשכבות אלה. אורגניזמים אלה ידועים כחיידק גופרית ירוק וסגול , ולעתים קרובות מופיעים כחיתים וכתמים ירוקים, סגולים או סגולים-אדומים (איור 2, טבלה 1). חיידקי גופרית ירוקה יש סובלנות גבוהה יותר עבור גופרית ובדרך כלל לפתח בשכבה ישירות מתחת חיידקי גופרית סגולה. מעל חיידקי הגופרית הסגולה, חיידקים סגולים שאינם גופרית עשויים להתפתח גם. אורגניזמים אלה פוטוסינתזה באמצעות חומצות אורגניות כתורמים אלקטרונים במקום גופרתי ולעתים קרובות מופיעים כמו שכבה אדומה, סגולה, כתומה או חומה. מחמצני גופרית לא-פוטוסינתטיים יכולים להתפתח מעל החיידקים הסגולים שאינם גופרית, ואלה מופיעים בדרך כלל כחיתים לבנים (איור 2, טבלה 1). בנוסף, בועות עשויות להיווצר גם בעמודה וינוגרדסקי. בועות בשכבות האירוביות מצביעות על ייצור חמצן על ידי הציאנובקטריה. בועות בשכבות אנאירוביות נובעות ככל הנראה מפעילות של מתנוגנים, אורגניזמים אשר באופן אנאירובי לשבור חומר אורגני וליצור מתאן כמו תוצר לוואי.
| מיקום בעמודה | קבוצה פונקציונלית | דוגמאות לאורגניזם | מחוון חזותי |
| סביבון | פוטוסינתזות | ציאנובקטריה | שכבה ירוקה או חומה אדמדמה. לפעמים בועות של חמצן. |
| מחמצני גופרית לא-פוטוסינתטיים | בג'יאטואה, תיובסילוס | שכבה לבנה. | |
| חיידקים סגולים שאינם גופרית | רודומיכרוביום, רודוספירילום, רודופסאודמונאס | שכבה אדומה, סגולה, כתומה או חומה. | |
| חיידקי גופרית סגולה | כרומטיום | שכבה סגולה, או סגולה-אדומה. | |
| חיידקי גופרית ירוקה | כלורוביום | שכבה ירוקה. | |
| חיידקים להפחתת גופרתית | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfuromonas | שכבה שחורה. | |
| ישבן | מתנוגנים | מתנוקוקוס, מתנוזרצ'ינה | לפעמים בועות של מתאן. |
טבלה 1: הקבוצות העיקריות של חיידקים שעשויים להופיע בעמודה וינוגרדסקי קלאסית, מלמעלה למטה. דוגמאות של אורגניזמים מכל קבוצה ניתנות, ואת האינדיקטורים החזותיים של כל שכבה של אורגניזמים מפורטים. מבוסס על פרי ואח ' (2002) ורוגן ואח ' (2005).
Procedure
1. הגדרת
- כדי להגדיר עמודת Winogradsky, תזדקק לכמה חומרים מתכלים בסיסיים:
- את חפירה, דלי ובקבוק לאיסוף הדגימות בשטח
- כלי אנכי ושקוף, כגון גליל מדורג או בקבוק מים מפלסטיק של כ-1 ליטר
- ניילון נצמד וגומיות
- קערות ערבוב גדולות וכף גדולה לערבוב
- מקור גופרית (חלמון ביצה או סידן גופרתי)
- מקור של פחמן אורגני (תאית, בצורה של עיתון מגורר)
- מקור אור (חלון שטוף שמש או מנורת שולחן)
- אדמה או בוץ שנאספו מביצה, ביצות, בריכה או נחל
- מים מאותו בית גידול
- OPTIONAL, יהיה צורך בניסויים האופציונליים המתוארים בפרוטוקול זה:
- מלח שולחן
- צלופן בצבע שונה
- מקור ברזל (כגון מסמר או צמר פלדה)
- מקרר עם מקור אור
- רדיאטור ליד מקור אור
- אם משתמשים בבקבוק מים מפלסטיק, חותכים את אזור הצוואר כך שהעמודה מעוצבת באופן גלילי. הסר את כל העטיפות כך שהאור יוכל לחדור דרך הפלסטיק.
- ביצים לא מבושלות עשויות להכיל סלמונלה ויש לטפל בהן בזהירות. יש לעקוב אחר טכניקות שטיפת ידיים מתאימות. לחלופין, ביצה מבושלת ניתן להשתמש. בנוסף, אין דרך לדעת בוודאות אם בוץ או משקעים מזוהמים עם ביוב או חומר מזיק אחר. כפפות יש להשתמש בעת ערבוב הבוץ והקמת העמוד.
2. הרכבת טור וינוגרדסקי
- בעזרת האת, לחפור ולאסוף בוץ לתוך הדלי. משקעים צריכים להיות ליד שפת המים ורוויים לחלוטין במים. תזדקק למספיק בוץ כדי למלא כל טור של וינוגרדסקי. לאסוף קצת מים מאותו מקור לתוך בקבוק המדגם (כ 3000 מ"ל לכל עמודה יש צורך).
- במעבדה, העבירו מספיק בוץ לקערת הערבוב הראשונה כדי למלא כ-75% מעמודת הנפח של ליטר אחד. לאחר מכן, לנפות כדי להסיר סלעים גדולים, זרדים, או עלים תוך שימוש בכף לשבור גושים.
- מוסיפים חלק מהמים שאספת לקערת הערבוב תוך כדי ערבוב. מוסיפים עד שהעקביות של תערובת בוץ המים היא כמו מילקשייק. המשך לוודא שאין גושים.
- מעבירים כ-1/3 ממילקשייק בוץ המים לקערה השנייה. מוסיפים את החלמון וקומץ עיתון מגורר ומערבבים.
- מוסיפים לטור את תערובת הבוץ, החלמון והעיתון עד שהטור מלא ב-1/4.
- מוסיפים את תערובת בוץ המים הרגילה לעמודה עד שהעמודה מלאה ב-3/4.
- מוסיפים את המים הנוספים לעמודה, ומשאירים רק חלל קטן (~1/2 אינץ') של אוויר למעלה.
- מכסים את העמוד בניילון נצמד ומאובטחים בגומייה.
- לדגור על העמוד באור בטמפרטורת החדר.
- במשך 4 עד 8 השבועות הבאים, נטר שינויים בעמודה וינוגרדסקי לפיתוח שכבות צבעוניות שונות ויצירת בועות, כמתואר בטבלה 1. בנוסף, עליך לתעד את הזמן שלוקח לפתח שכבות שונות.
3. שינויים אופציונליים בעמודה הקלאסית של וינוגרדסקי
- מוסיפים 25-50 גרם מלח לעמוד וינוגרדסקי 1L לבוץ שנאסף לפני הוספת מים וערבוב (שלב 2.3). תוספת המלח בוחרת לחיידקים הלופיליים (אוהבי מלח).
- מצעים חלופיים, כגון ברזל, בצורה של מסמר או צמר פלדה, ניתן להוסיף לעמוד יחד עם חלמון הביצה ואת העיתון מגורר (שלב 2.4). זה יעשיר חיידקים מחמצנים ברזל, כגון Gallionella, ויופיע כמו שכבה בצבע חלודה.
- במקום טמפרטורת החדר (שלב 2.9), ניתן לדגור על הטור ליד רדיאטור כדי לבחור חיידקים תרמופיליים (אוהבי חום) או במקרר עם מקור אור לבחירה עבור חיידקים פסירופיליים (אוהבי קור).
- כמות האור שעמודה מקבלת כשהיא מדגירה (שלב 2.9) יכולה להיות מגוונת גם על-ידי הצבת עמודות שונות באור גבוה, באור נמוך או בחושך.
- אורך הגל של האור הנכנס יכול להיות מוגבל על ידי כיסוי העמוד עם צלופנים מוצלים שונים כפי שהוא מדגירה (שלב 2.9) כדי לקבוע אילו צבעים לבחור עבור קבוצות חיידקים שונות.
4. ניתוח נתונים
- לאחר 1-3 שבועות, כמה צביעה ירוקה על גבי שכבת הבוץ של טור וינוגרדסקי הקלאסי צריך להיות גלוי (איור 2A). אלה הם הסימנים הראשונים לצמיחה של השכבה הציאנובקטריאלית.
- עם הזמן, המשיכו לעקוב אחר המראה והאבולוציה של השכבות השונות, שכל אחת מהן מעידה על סוגי החיידקים השונים. רמז: עיין במושגים ובטבלה 1 כדי להבין אילו חיידקים תורמים לשכבות השונות.
איור 2א: תמונה של טור וינוגרדסקי קלאסי שדגר בטמפרטורת החדר במשך 21 יום. שים לב למ משקעים ירוקים, המעידים על ציאנובקטריה, בחלק העליון של העמודה.
- אם הוכנו גם שינויים בעמודה הקלאסית של וינוגרדסקי, השווה את התוצאות של כל עמודה.
- שים לב לשכבות בכל אחת מהעמודות של ווינגרדסקי שהשתנו. שים לב לאפשרויות הבאות:
- האם העמודות מציגות את אותו מספר שכבות?
- האם השכבות הן באותו צבע ועובי?
- האם השכבות מתרחשות באותם עומקים?
- כמה זמן לקח לפתח כל עמודה?
- האם עמודה אחת התפתחה לאט יותר מהאחרים?
- שים לב לשכבות בכל אחת מהעמודות של ווינגרדסקי שהשתנו. שים לב לאפשרויות הבאות:
רוב המיקרואורגניזמים של כדור הארץ לא יכולים להיות תרבותיים במעבדה, לעתים קרובות משום שהם מסתמכים על חיידקים אחרים בתוך קהילות האם שלהם. טור וינוגרדסקי (באנגלית: Winogradsky column), הקרוי על שמו של ממציאו סרגיי וינוגרדסקי, הוא מערכת אקולוגית זעירה וסגורה, אשר מעשירה את הקהילות המיקרוביות בתוך דגימת משקעים, ומאפשרת למדענים לחקור רבים מהמיקרואורגניזמים הממלאים תפקיד חיוני בתהליכים הביו-גיאוכימיים של כדור הארץ, ללא צורך לבודד ולתרבות אותם בנפרד.
בדרך כלל, בוץ ומים ממערכת אקולוגית, כגון בריכה או ביצה, מעורבים. כניסוי אופציונלי, ניתן להוסיף מלח לתערובת זו כדי להעשיר מינים הלופילים שונים. לאחר מכן, חלק קטן של התערובת הוא בתוספת פחמן, בדרך כלל בצורה של תאית מהעיתון, וגופרית, בדרך כלל חלמון ביצה. לניסוי אופציונלי נוסף, ניתן להוסיף מסמר לתערובת זו כדי להעשיר מינים מסוימים של גליונלה. תערובת חדשה זו מתווספת לאחר מכן לעמודה שקופה, כך שהעמודה מלאה ברבע. לבסוף, שאר תערובת הבוץ ומים נוספים מתווספים לעמוד עד שהוא מלא ברובו.
ירושה, המתייחסת להתפתחות רצופה של קהילות מיקרוביות שונות לאורך זמן, ניתן לראות בזמן אמת עם טור וינוגרדסקי. ככל שהמיקרואורגניזמים גדלים בתוך הטור, הם צורכים מצעים ספציפיים ומשנים את הכימיה של הסביבה שלהם. כאשר המצעים שלהם מתרוקנים, החיידקים המקוריים מתים ומיקרואורגניזמים עם צרכים מטבוליים שונים יכולים לפרוח בסביבה שהשתנתה. עם הזמן, שכבות נפרדות בעליל מתחילות להיווצר, שכל אחת מהן מכילה חלקים של קהילה חיידקית עם צרכים מיקרו-סביבה שונים.
לדוגמה, חיידקים פוטוסינתזה, המורכבים ברובם ציאנובקטריה, יוצרים שכבות ירוקות או אדומות-חומות ליד החלק העליון של העמוד. מאז פוטוסינתזה מייצרת חמצן, לעתים קרובות נראה כמו בועות בחלק העליון של העמודה, שיפוע נוצר עם ריכוזי החמצן הגבוהים ביותר ליד החלק העליון, ואת הנמוך ביותר לכיוון הקרקעית. בהתאם למצעים הזמינים, קהילות מיקרוביות שונות יכולות לגדול בשכבה התחתונה ה אנאירובית. בועות בשכבה זו יכול להצביע על נוכחות של מתנוגנים, אשר יוצרים גז מתאן באמצעות תסיסה. כאן, התסיסה המיקרוביאלית של תאית גורמת לחומצות אורגניות. מפחית סולפטים מחמצנים את החומצות האלה כדי לייצר גופרית, ופעילותן מסומנת על ידי משקעים שחורים. גופרית מתפזרת כלפי מעלה בעמודה ויוצרת מעבר צבע נוסף שבו ריכוזי הגופרית הם הגבוהים ביותר לכיוון תחתית העמודה, והנמוכים ביותר ליד החלק העליון. לקראת אמצע העמוד, מחמצני גופרית מנצלים את החמצן מלמעלה וגופרית מלמטה. עם אור הולם, מחמצני גופרית פוטוסינתזה, כגון חיידקי גופרית ירוקה וסגולה, מתפתחים. חיידקי גופרית ירוקה סובלים ריכוזי גופרית גבוהים יותר. לכן, הם גדלים ישירות מתחת לחיידקי הגופרית הסגולה. ממש מעל שכבה זו, חיידקים סגולים שאינם גופרית יוצרים שכבה אדומה-כתומה. מחמצני גופרית לא-פוטוסינתטיים מסומנים על ידי נוכחות של חוטים לבנים.
תנאים כגון אור וטמפרטורה יכולים להיות מגוונים גם כדי להעשיר קהילות אחרות. בסרטון זה תלמד כיצד לבנות טור וינוגרדסקי, ושנה את תנאי הגידול והמצעים להעשרת קהילות מיקרוביות ספציפיות.
ראשית, אתר מערכת אקולוגית מימית מתאימה, כגון בריכה או ביצה. דגימות המשקעים צריכות להגיע מהאזור הסמוך לקצה המים, ולהיות רוויות לחלוטין במים. לאחר מכן, השתמש באת חפירה ודלי כדי לאסוף ליטר אחד עד שני ליטר של הבוץ הרווי. לאחר מכן, להשיג כשלושה ליטרים של מים מתוקים מאותו מקור ולחזור למעבדה עם דגימות השדה.
במעבדה, לבשו את ציוד המגן האישי המתאים, כולל חלוק מעבדה וכפפות. עכשיו, להעביר כ 750 מיליליטר של בוץ לקערת ערבוב. לאחר מכן, לנפות את הבוץ כדי להסיר סלעים גדולים, זרדים, או עלים ולהשתמש בכף לשבור את כל גושים. לאחר מכן, מוסיפים מעט מהמים המתוקים לקערת הערבוב, ומערבבים בכף גדולה. מוסיפים מים עד שהעקביות של תערובת בוץ המים דומה למילקשייק. המשך לוודא שאין גושים.
כניסוי אופציונלי, בחר עבור חיידקים הלופיליים על ידי הוספת 25 עד 50 מיליגרם של מלח לתערובת הבוץ.
לאחר מכן, מעבירים כ-1/3 מתערובת בוץ המים לקערת ערבוב שנייה. מוסיפים לקערה חלמון ביצה אחד וקומץ עיתון מגורר. לאחר מכן, מוסיפים תערובת זו לעמודה, עד שהיא בערך 1/4 מלא. לאחר מכן, מוסיפים את תערובת בוץ המים ללא הביצה והעיתון לעמוד, עד שהוא כ 3/4 מלא. לאחר מכן, הוסף מים נוספים לעמודה, והשאר רווח של 1/2 אינץ' למעלה. מכסים את העמוד בניילון נצמד ומאבטחים אותו בגומייה.
לדגור על העמוד באור ליד חלון בטמפרטורת החדר במשך ארבעה עד שמונה שבועות הבאים. לאורך כל תקופת הדגירה, לפקח על שינויים בעמודה וינוגרדסקי לפחות פעם בשבוע להתפתחות של שכבות צבעוניות שונות היווצרות של בועות. בנוסף, הקלט את הזמן שלוקח לפתח שכבות שונות.
שינוי נוסף שניתן לעשות הוא דגירה של הטור ליד רדיאטור כדי לבחור חיידקים תרמיפיליים, או במקרר כדי לבחור חיידקים פסיכיאטריים. שנה את תנאי האור על-ידי הצבת עמודות שונות באור גבוה, באור נמוך או בחושך כדי לדגור. לחלופין, להגביל את אורך הגל של אור נכנס על ידי כיסוי העמודה עם גוונים שונים של צלופן כדי לקבוע אילו צבעים לבחור עבור קבוצות חיידקים שונות. לניסוי אופציונלי נוסף, להעשרת חיידקים מחמצני ברזל, הוסיפו מסמר לתערובת מי הבוץ לפני הוספת עיתון וחלמון ביצה.
לאחר שבוע עד שבועיים, הצמיחה של השכבה הציאנובקטריאלית מסומנת על ידי סרט ירוק או אדום-חום על גבי שכבת הבוץ של הטור הקלאסי וינוגרדסקי. עם הזמן, המראה והאבולוציה של השכבות השונות מנוטרים, כל אחד מעיד על סוגים שונים של חיידקים נוכחים. כאשר משווים טור שגדל בחושך לעמודה וינוגרדסקי מסורתית, אנו רואים שהטיפול הכהה מניב את השכבה השחורה בתחתית העמוד, מה שמעיד על חיידקים מפחיתי גופרית.
העמודה הכהה עשויה גם להניב שכבות אחרות, בהתאם לתנאי דגירה אחרים. בנוסף, העמודה הכהה אינה מניבה את השכבה הציאנובקטריאלית הירוקה, וגם לא את השכבות האדומות, הסגולות או הירוקות המעידות על סגול שאינו גופרית, גופרית סגולה וחיידקי גופרית ירוקה בהתאמה. קבוצות אלה תלויות באור לצמיחה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
בניסוי זה נאספו מים ומשקעים מבית גידול של מים מתוקים. שני עמודי וינוגרדסקי נבנו והותר להם להתפתח: טור וינוגרדסקי קלאסי דגירה באור בטמפרטורת החדר (איור 2א) וטור וינוגרדסקי דגירה בחושך בטמפרטורת החדר (איור 2B).
איור 2ב: תמונה של טור וינוגרדסקי קלאסי (משמאל), דגירה בטמפרטורת החדר באור במשך 68 ימים ועמוד וינוגרדסקי דגירה בטמפרטורת החדר בחושך במשך 68 ימים (מימין).
לאחר שאפשרו לעמודות להתפתח במשך 7-9 שבועות, ניתן להשוות את השכבות בעמודה הקלאסית לעמודה המודגרת בחושך (איור 2B). בעמודה הקלאסית של וינוגרדסקי, ניתן לצפות בשכבה ציאנובקטריאלית ירוקה ליד החלק העליון של הצינור. ליד מרכז הצינור, ניתן לראות שכבה אדומה-סגולה, המעידה על חיידקים סגולים שאינם גופרית. מתחת לשכבה זו, שכבה סגולה-אדומה נצפתה, המעידה על חיידקי גופרית סגולה. ישירות מתחת לשכבה זו, משקעים שחורים ניתן לראות באזור אנאירובי של הטור, המעיד על הפחתת גופרית חיידקים.
הטור שגדל בחושך (איור 2B) התפתח באופן שונה מהטור הקלאסי של וינוגרדסקי. בדומה לעמודה הקלאסית, הטור הכהה הניב משקעים שחורים בתחתית העמודה, מה שמעיד על הפחתת חיידקים גופרתיים. העמודה הכהה לא הניבה את השכבה הציאנובקטריאלית הירוקה, וגם לא את השכבות האדומות, הסגולות או הירוקות המעידות על לא גופרית סגולה, גופרית סגולה וחיידקי גופרית ירוקים, בהתאמה. קבוצות אלה תלויות באור לצמיחה, ולכן אינן מסוגלות לצמוח בחושך.
התוצאות המדויקות של כל טור וינוגרדסקי ישתנו במידה רבה עם תנאי הדגירה שלהם ובתי הגידול שלהם.
קהילות מיקרוביות שמקורן בבתי גידול של מים מתוקים לא יורגלו לריכוזים גבוהים של מלח ותוספת מלח עשויה להאט או לעכב את הצמיחה. לעומת זאת, ייתכנו מספיק חיידקים הלופיליים בבתי גידול מליחים ומים מלוחים, כך שתוספת מלחים אינה משנה או אפילו משפרת את הצמיחה של שכבות מסוימות בהשוואה לעמוד ללא מלחים נוספים.
משקעים חוליים הם יותר נקבוביים מאשר משקעים בוציים. אם מספיק גופרית מיוצרת משקעים נקבוביים כאלה, גופרתיים יכולים לפזר כל הדרך לראש העמוד ולעכב צמיחה של אורגניזמים אירוביים. במקרה זה, העמודה עשויה להכיל רק שכבות המעידות על אנארובים ואינה יכולה להכיל אירובים, כגון ציאנובקטריה.
מים מתוקים מכילים בדרך כלל פחות סולפט מאשר מים מלוחים. סולפט חשוב לצמיחת חיידקים מפחיתי גופרית. מפחית סולפט יוצרים גופרית כיוצרי לוואי ומצטיינים על ידי התפתחות שכבה שחורה בתחתית העמודה. אם סולפט אינו מתווסף לקהילות מים מתוקים, מפחית גופרית לא יכול לייצר מספיק גופרית. יצירת תוצר לוואי גופרתי חשובה לצמיחת חיידקי גופרית ירוקה וסגולה ומחמצן גופרית לא-פוטוסינתטי. במקרים אלה, מחמצני גופרית עדיין יכולים לגדול באמצעות חלמון הביצה כמקור לגופרית, גם אם מפחית הגופרית (שכבה שחורה) לעולם לא מתפתחים.
אורכי גל שונים של אור צריך לבחור עבור אורגניזמים עם פיגמנטים ספיגה שונים. עמוד שנשמר בחושך יאפשר רק לאורגניזמים לא-פוטו-סינתטיים לגדול, כולל מפחית סולפטים, מחמצני ברזל ומתנוגנים. לפוטוסינתזים יש פיגמנטים הסופגים אור באורכי גל שונים בטווח הנראה (כ-400-700 ננומטר). על-ידי כיסוי עמודה עם, למשל, צלופן כחול, אור כחול (~ 450-490nm) נחסם מלהיכנס לעמודה. כל הפוטוסינתזים בעמודה כוללים פיגמנטים הדורשים את אורכי הגל הכחולים (6) ויש לעכב את צמיחתם. מצד שני, צלופן אדום יחסום אור של ~ 635-700nm. אורכי גל אלה חשובים לפיגמנטים המשמשים ציאנובקטריה (6), בעוד גופרית סגולה, גופרית ירוקה וחיידקים סגולים שאינם גופרית עשויים עדיין להיות מסוגלים לגדול.
לקהילות מיקרוביות שונות עשויות להיות יכולות הסתגלות שונות בתכלית להתמודד עם שינויים בטמפרטורות. טמפרטורות גבוהות יכולות לשפר את שיעורי הפעילות המיקרוביאלית כאשר קיימים מספיק תרמולילים. מצד שני, בהיעדר תרמודילים, טמפרטורות גבוהות עשויות להקטין את הפעילות המיקרוביאלית הכוללת. באופן דומה, טמפרטורות נמוכות עשויות להקטין את הפעילות המיקרוביאלית הכוללת אלא אם הקהילה המיקרוביאלית מכילה מספיק פסיכיאטרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
הטור של וינוגרדסקי הוא דוגמה למערכת אקולוגית מיקרוביאלית תלויה זו בזו. לאחר ערבוב בוץ, מים, ומצעים נוספים של פחמן וגופרית בעמוד אנכי, המערכת האקולוגית המרובדת צריכה להתייצב לאזורים נפרדים ויציבים במשך מספר שבועות. אזורים אלה תפוסים על ידי מיקרואורגניזמים שונים אשר פורחים בנקודה מסוימת לאורך השיפוע בין המשק העשיר בסולפיד בתחתית לבין משקעים עשירים בחמצן בחלק העליון. על ידי מניפולציה של התנאים והמצעים בתוך הטור וינוגרדסקי, נוכחות ופעילות של מיקרואורגניזמים שונים כגון הלופילים, תרמופילים, psychrophiles, מחמצני גופרית, מפחית גופרית, מחמצני ברזל, פוטוסינתזה ניתן לראות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Zavarzin G. (2006). Winogradsky and modern microbiology. Microbiology 75(6): 501-511. doi: 10.1134/s0026261706050018
- Esteban DJ, Hysa B, and Bartow-McKenney C (2015). Temporal and Spatial Distribution of the Microbial Community of Winogradsky Columns. PLoS ONE 10(8): e0134588. doi:10.1371/journal.pone.0134588
- Lloyd KG, Steen AD, Ladau J, Yin J, and Crosby L. (2018). Phylogenetically novel uncultured microbial cells dominate Earth microbiomes. mSystems 3(5): e00055-18. doi:10.1128/mSystems.00055-18
- Anderson DC, and Hairston RV (1999). The Winogradsky Column & Biofilms: Models for Teaching Nutrient Cycling & Succession in an Ecosystem. The American Biology Teacher, 61(6): 453-459. doi: 10.2307/4450728
- Dang H, Klotz MG, Lovell CR and Sievert SM (2019) Editorial: The Responses of Marine Microorganisms, Communities and Ecofunctions to Environmental Gradients. Frontiers in Microbiology 10(115). doi: 10.3389/fmicb.2019.00115
- Stomp M, Huisman J, Stal LJ, and Matthijs HCP. (2007) Colorful niches of phototrophic microorganisms shaped by vibrations of the water molecule. ISME Journal. 1(4): 271-282. doi:10.1038/ismej.2007.59
- Perry JJ, Staley JT, and Lory S. (2002) Microbial Life, First Edition, published by Sinauer Associates
- Rogan B, Lemke M, Levandowsky M, and Gorrel T. (2005) Exploring the Sulfur Nutrient Cycle Using the Winogradsky Column. The American Biology Teacher, 67(6): 348-356. doi: 10.2307/4451860
