Microbiologiquement Induced Précipitation de calcite Mediated par<em> Sporosarcina pasteurii</em
Summary
Protocols for microbiologically induced calcite precipitation (MICP) using the bacterium Sporosarcina pasteurii are presented here. The precipitated calcium carbonate was characterized through optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). It is also shown that exposure to MICP increases the compressive strength of sponge.
Abstract
La bactérie particulière sous enquête ici (S. pasteurii) est unique dans sa capacité, dans les bonnes conditions, pour induire l'hydrolyse de l' urée (uréolyse) dans des environnements naturels grâce à la sécrétion d'une enzyme uréase. Ce processus de uréolyse, à travers une série de réactions chimiques conduit à la formation de précipités de carbonate de calcium. Ceci est connu comme microbiologiquement Induced Précipitation de calcite (MICP). Les protocoles de culture appropriées pour MICP sont détaillées ici. Enfin, des expériences de visualisation sous différents modes de microscopie ont été réalisés pour comprendre les divers aspects du processus de précipitation. Des techniques comme la microscopie optique, microscopie électronique à balayage (MEB) et X-Ray Photo-électronique Spectroscopy (XPS) ont été utilisées pour caractériser chimiquement le produit final. En outre, la capacité de ces précipités à obstruer les pores à l'intérieur d'un milieu poreux naturel a été démontrée par une expérience qualitative où l'épongebarres ont été utilisés pour simuler un pore-réseau avec une gamme d'échelles de longueur. Une barre d'éponge trempée dans le milieu de culture contenant les cellules bactériennes durcit en raison de l'obstruction des pores résultant du procédé continu de précipitation chimique. Cette barre d'éponge durcie présente une résistance supérieure par rapport à une barre d'éponge de commande qui devient comprimé et pressé sous l'action d'une charge externe appliquée, tandis que la barre durcie est capable de supporter le même poids avec peu de déformation.
Introduction
Sporosarcina pasteurii est une bactérie capable de survivre dans des environnements fortement alcalins (pH ~ 10) 1 gram-positif et est l' une des espèces bactériennes qui peuvent devenir un agent causal d'un phénomène appelé microbiologiquement Induced Précipitation de calcite (MICP) 2-4. MICP est un procédé dans lequel la précipitation du carbonate de calcium est induite par certains microbes dans des conditions environnementales appropriées. S. pasteurii a pris une importance au cours des dernières années en raison de son identification comme un agent possible pour induire des volumes importants de MICP sous certaines conditions. Cette possibilité résulte du fait que S. pasteurii a la capacité unique de sécréter de grandes quantités de l'enzyme uréase. Cette enzyme agit comme un catalyseur, favorisant une lyse accélérée de l'urée (composé biochimique d'origine naturelle avec une alimentation répandue et abondante) en présence de molécules d'eau. À travers une cascade de réactions, ce procédé ultimely conduit à la génération d'ions carbonate chargés négativement. Ces ions, à leur tour, réagissent avec les ions métalliques positifs tels que le calcium pour former finalement des précipités de carbonate de calcium (calcite); d' où l'étiquette MICP 5-9.
Le processus de MICP a été connu et étudié depuis plusieurs décennies 10,11. Au cours des dernières années, MICP a été étudié pour une large gamme d'applications environnementales , y compris bottom-up construction verte 12, d'amélioration des structures à grande échelle 13,14 et la séquestration du carbone et le stockage 15,16 ingénierie et.
Par exemple, Cunnigham 17 et. al conçu un réacteur à écoulement à température modérée à haute pression contenant un noyau de grès Berea. Le réacteur a été inoculé avec la bactérie S. fridgidimarina et dans des conditions d'injection de dioxyde de carbone supercritique à haute pression, une accumulation massive de la biomasse à l' intérieur du volume de poresumes a été observée, ce qui conduit à une réduction de plus de 95% de la perméabilité. Jonkers et Schlangen 18 ont étudié l'effet de certaines souches particulières de bactéries sur le processus d'auto-guérison dans le béton. eau externe transporté dans le réseau de pores pénétrant par les pores de surface est prévu pour activer les bactéries dormantes qui à son tour aider la résistance structurelle via MICP. Tobler 19 et al. ont comparé l'activité uréolytique de S. pasteurii avec une eau souterraine uréolytique microcosme indigène dans des conditions favorisant MCIP à grande échelle et a constaté que S. pasteurii a une capacité cohérente pour améliorer la précipitation de calcite même lorsque les communautés autochtones manquaient activité uréase préalable. Mortensen 20 et.al ont étudié les effets de facteurs externes tels que le type de sol, la concentration de chlorure d'ammonium, la salinité, la concentration en oxygène et la lyse des cellules sur MICP. Leur démonstration que le processus de traitement biologique est très robuste avec respect à une grande variation dans l'espace des paramètres corrobore l'aptitude de ce processus pour diverses applications d'assainissement à grande échelle fournis un processus d'enrichissement propre à renforcer les bactéries est entrepris. Phillips 21 et. al conçu des expériences pour étudier les changements dans la perméabilité et la résistance d'une colonne de sable et d' un noyau de grès après l'injection de S. cultures pasteurii. Ils ont constaté que, bien que la perméabilité a diminué de 2 – 4 fois tandis que la résistance à la rupture a augmenté trois fois.
S. pasteurii et son rôle dans MICP sont des sujets de recherche active et plusieurs questions relatives au mécanisme de précipitation chimique ne sont pas encore pleinement compris. À la lumière de cela, il est très important d'avoir un ensemble de protocoles normalisés cohérents de culture avec précision un stock convenablement enrichi de S. pasteurii pour réaliser MICP. Ici, nous présentons un protocole rigoureux qui assurera la répétabilité et la reproductibilité. Cette manuscript décrit les protocoles détaillés pour la culture de S. pasteurii et d' enrichir de manière appropriée le milieu de culture pour induire la précipitation. Le processus est étudié grâce à diverses techniques microscopiques comme optique et microscopie électronique à balayage (MEB) et X-Ray Photo-électronique Spectroscopy (XPS). L'accent du manuscrit est sur le processus de MICP. Procédures comme SEM et SIMS, étant des protocoles standards bien établis, ne sont pas décrits séparément.
Protocol
Representative Results
Discussion
Étapes critiques: Ce manuscrit décrit en détail les protocoles pour la culture d' un échantillon viable de S. pasteurii. Une fois que la culture a été prépara, il doit être convenablement enrichi. Ceci est une étape clé essentielle à la réussite de l'expérience , car un défaut de l'environnement chimique approprié conduit soit à des échelles de temps très longues de précipitations ou d' une absence totale de celui – ci. S. pasteurii est très sensible…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to acknowledge the partners in the Helmholtz-Alberta Initiative, the Helmholtz Association and the University of Alberta, for the support resulting from participation in this collaboration. Research funding is provided by the Helmholtz Association’s Initiative and Networking Fund, the participating Helmholtz Centers and by the Government of Alberta through Alberta Environment’s ecoTrust program.
Dr. Tanushree Ghosh is gratefully acknowledged for her critical inputs at a number of crucial stages.
Materials
| Petridish | Fisher Scientific | FB0875712 | Petridishes being used as Agar plate |
| Pyrex Flasks | Fisher Scientific | S63268 | Corning Erlenmeyer |
| Tris-Base | Promega | H5133 | being used to make Tris-Buffer |
| Hydrochloric Acid | Sigma-Aldrich | H9892 | 1.0 N, Bioreagent, suitable for cell culture |
| Agar Powder | Sigma-Aldrich | A1296 | microbiology tested, plant cell culture tested, cell culture tested, powder |
| Ammonium Sulphate | Sigma-Aldrich | A4418 | for Molecular Biology |
| Yeast extract powder | Sigma-Aldrich | 51475 | |
| Measuring Cylinder | Cole-Parmer | CP08559GC | Cole-Parmer Class A Graduated Cylinder w/Cal Cert,TC;1000ml,1/Pk |
| Analytical Balance | OHAUS | AX124E | being used to measure weight of reagents |
| Autoclave | Brinkmann | 58619000 | |
| Autoclave Tape | VWR | 52428864 | |
| Aluminum Foil | Sigma-Aldrich | Z185140 | being used to seal the flask before placing it in Autoclave |
| Bacterial Stock | Cedarlane | 11859 | -80°C stock of S. pasteurii, ATCC No. is mentioned against Cat. No. |
| Mline Single-Channel Mechanical Pipettors, Variable Volume | Biohit | 725010 | Marketed by VWR under catalog number 14005976 |
| Micropipette Tip | Fisher Scientific | 212772B | Used for scratching Agar plates |
| Incubator | Binder | 80079098 | Microbiology Incubator,BF Series |
| Shaking Incubator | VWR | 14004300 | VWR Signature Benchtop Shaking Incubators |
| Phosphate Buffer Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P7059 | |
| BD Falcon Express Pipet-Aid Pipetting Device | BD Biosciences | 357590 | Marketed by VWR under catalog number 53106220 |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | Being used to seal Agar plates |
| Urea | Sigma-Aldrich | U1250 | Enrichment for nutrient medium |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S8875 | Enrichment for nutrient medium |
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | Enrichment for nutrient medium |
References
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