Zichzelf staande elektrochemische Set-up te verrijken Anode-respiring bacteriën ter plaatse

Summary

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).

Abstract

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.

Introduction

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 laboratorium^{6, 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.

Protocol

1. bouw van een twee-elektrode systeem voor milieu incubatie Voorbereiding van het materiaal van de anode en de behandeling van Carbon voelde elektrode (Figuur 2). Snijd de carbon voelde om gelijke afmetingen afhankelijk van gewenste biomassa verrijking. Geniet van elke elektrode in 90% ethanol voor 30 min, dan ten minste 8 keer spoelen met gedeïoniseerd water, sonicating voor 1 min na elke spoeling. De elektroden tweemaal in 1 M HCl, roeren …

Representative Results

Huidige productie werd met succes gemeten voor ongeveer 3 maanden met behulp van een datalogger spanning zoals afgebeeld in Figuur 3. Ditmaal werd gekozen als het was de langste stabiele incubatieperiode voor het voorjaar, als gevolg van de sterke daling regens op het gebied van de lente. Een kortere periode kan volstaan, echter een langere periode sterkere verrijking van biomassa bieden kan. We de aansluiting van de twee-elektrode systeem na een incubatieper…

Discussion

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…

Materials

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