स्व-खड़े विद्युत सेट अप को समृद्ध Anode-respiring बैक्टीरिया पर साइट
Summary
पर साइट माइक्रोबियल संवर्धन या सीटू खेती की तकनीक में मुश्किल से संस्कृति माइक्रोबियल taxa के अलगाव की सुविधा, विशेष रूप से कम बायोमास या geochemically चरम वातावरण से कर सकते हैं । यहाँ, हम extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन (ईत) के लिए सक्षम हैं कि माइक्रोबियल उपभेदों को समृद्ध करने के लिए एक बाहरी शक्ति के स्रोत का उपयोग कर के बिना एक विद्युत सेट-अप का वर्णन.
Abstract
Anaerobic अघुलनशील खनिज के लिए इलेक्ट्रॉन परिवहन के साथ मिलकर श्वसन (extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन के रूप में संदर्भित [ईत]) कई उपसतह वातावरण में माइक्रोबियल ऊर्जा के उत्पादन और दृढ़ता के लिए महत्वपूर्ण माना जाता है, विशेष रूप से उन कमी घुलनशील टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है । जबकि ईत सक्षम रोगाणुओं सफलतापूर्वक विभिंन वातावरण से अलग किया गया है, ईत में सक्षम बैक्टीरिया की विविधता अभी भी खराब समझ में आता है, विशेष रूप से मुश्किल में नमूना, कम ऊर्जा या चरम वातावरण, जैसे कई उपसतह के रूप में पारिस्थितिकी प्रणालियों. यहां, हम एक साइट विद्युत प्रणाली का वर्णन करने के लिए ईत सक्षम एक श्वसन टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता के रूप में एक anode का उपयोग कर बैक्टीरिया को समृद्ध । यह anode catalyzing अजैव ऑक्सीजन की कमी करने में सक्षम एक कैथोड से जुड़ा है । इलेक्ट्रोड क्षमता बढ़नी के लिए एक potentiostat का उपयोग electrocultivation विधियों के साथ इस approach की तुलना, दो-इलेक्ट्रोड सिस्टम किसी बाहरी पावर स्रोत की आवश्यकता नहीं है । हम पर हमारी साइट संवर्धन देवदार, उत्तरी कैलिफोर्निया में एक स्थलीय serpentinization साइट पर एक alkaline तालाब में उपयोग का एक उदाहरण पेश करते हैं । पहले खनिज को कम करने बैक्टीरिया की खेती के प्रयास असफल रहे थे, जो इस साइट के कम बायोमास प्रकृति और/या धातु के कम रिश्तेदार बहुतायत रोगाणुओं को कम करने की वजह से होने की संभावना है । हमारे दो इलेक्ट्रोड संवर्धन को लागू करने से पहले, हम भंग ऑक्सीजन एकाग्रता के ऊर्ध्वाधर प्रोफ़ाइल मापा । यह हमें कार्बन लगा anode और प्लैटिनम-electroplated कार्बन गहराई है कि anaerobic और एरोबिक प्रक्रियाओं का समर्थन करेंगे, क्रमशः पर कैथोड लगा जगह की अनुमति दी । पर साइट की मशीन के बाद, हम आगे प्रयोगशाला में anodic इलेक्ट्रोड समृद्ध और सतह की तुलना में एक विशिष्ट माइक्रोबियल समुदाय संलग्न या फिल्म आम तौर पर देवदार में मनाया समुदायों की पुष्टि की । यह संवर्धन बाद में देवदारों से पहले electrogenic सूक्ष्म जीव के अलगाव के लिए नेतृत्व किया । पर साइट माइक्रोबियल संवर्धन के इस विधि के लिए बहुत कम बायोमास या मुश्किल से ईत का नमूना निवास से सक्षम बैक्टीरिया के अलगाव को बढ़ाने की क्षमता है ।
Introduction
कई खनिज-को कम करने रोगाणुओं के रूप में ठोस चरण खनिजों का उपयोग करने के लिए दिखाया गया है extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन (ईत) प्रक्रियाओं है कि redox एंजाइमों1के माध्यम से सेल के बाहरी करने के लिए इलेक्ट्रॉनों आचरण टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है । ईत न केवल सूक्ष्म जीव-खनिज प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह भी इस तरह के माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं के रूप में ऊर्जा और पर्यावरणीय प्रौद्योगिकियों, लागू2, इलेक्ट्रोड संश्लेषण3, और अधिक उपचारात्मक4। नई ईत-सक्षम बैक्टीरिया अत्यधिक के बाद की मांग कर रहे हैं, और बड़े पैमाने पर एक मौलिक या लागू परिप्रेक्ष्य5से अध्ययन किया गया है । हालांकि, हम केवल इन बैक्टीरिया के पारिस्थितिक या biogeochemical महत्व में सीमित अंतर्दृष्टि है । ईत के अधिकांश सक्षम रोगाणुओं एक्वा, तलछट, या anaerobic MnO2, Fe2हे3 या प्रयोगशाला6में तैयार इलेक्ट्रोड के रूप में ठोस इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने वालों का उपयोग कर डाइजेस्टर से संवर्धन के बाद अलग किया गया है, 7 , 8. हालांकि, इन तरीकों अक्सर समान consortia और संभावित कम ऊर्जा या कम बायोमास सिस्टम हावी हो सकता है कि अधिक संवेदनशील taxa याद आती है, इन रोगाणुओं की क्षमता को प्रयोगशाला या axenic संस्कृति पर्यावरण9 के लिए अनुकूल पक्षपातपूर्ण . आमतौर पर कम बायोमास वातावरण के लिए, एक साइट से पानी की बड़ी मात्रा में बैक्टीरियल कोशिकाओं ध्यान फ़िल्टर कर रहे हैं । हालांकि, ईत-सक्षम बैक्टीरिया अक्सर प्रदर्शन anaerobic चयापचय और इसलिए ऑक्सीजन जोखिम आगे या रोकना हो सकता है उनकी खेती को रोकने । पर वैकल्पिक साइट के तरीके से उंहें ऑक्सीजन को उजागर बिना कोशिकाओं ध्यान केंद्रित करने के लिए ईत-सक्षम बैक्टीरिया के अलगाव की सुविधा सकता है । यहां, हम एक ऑन-साइट विद्युत तकनीक के लिए सेटअप विवरण की रिपोर्ट करते है ताकि किसी बाह्य शक्ति स्रोत की आवश्यकता के बिना ईत-सक्षम सूक्ष्म जीव को लंबे समय तक समृद्ध बनाया जा सके ।
उत्तरी कैलिफोर्निया में एक उच्च alkaline वसंत से हमारे electrocultivation प्रयोगों का उपयोग करना, देवदारों10, हम इस साइट पर विद्युत तकनीक का वर्णन । देवदारों पर झरनों के geochemistry का असर उपसतह में serpentinization से होता है । स्प्रिंग्स उच्च reductर हैं, हवा पानी अंतरफलक के तहत पता लगाने की सीमा के नीचे ऑक्सीजन सांद्रता के साथ इस कार्यात्मक anoxic पर्यावरण11में ईत के माध्यम से माइक्रोबियल ऊर्जा उत्पादन के लिए क्षमता पर प्रकाश डाला । हालांकि, देवदार (या तो 16S rRNA या Metagenomic विश्लेषण में) से ईत सक्षम रोगाणुओं का समर्थन करने के लिए कोई सबूत नहीं है । हालांकि इस वातावरण के रूप में किया गया है इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता सीमित, टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है, के रूप में अघुलनशील खनिजों का उपयोग करने के लिए संभावित लौह baring खनिजों के रूप में खनिजों सहित कि serpentinization से परिणाम (यानी, मैग्नेटाइट),12की बड़े पैमाने पर जांच नहीं की गई है । इसलिए हम, ईत-सक्षम रोगाणुओं (चित्रा1)13के लिए समृद्ध करने के लिए कैम्पिंग स्प्रिंग, देवदारों पर एक उच्च पीएच वसंत में हमारे विद्युत प्रणाली तैनात ।
Protocol
Representative Results
Discussion
वर्णित अध्ययन में, हम एक माइक्रोबियल संघ के संवर्धन दिखाते हैं, सीटू वर्तमान उत्पादन के साथ जुड़ा हुआ है । कम और लंबे समय तराजू पर इस प्रणाली में वर्तमान समर्थन माइक्रोबियल गतिविधि में मनाया पैटर्न…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम हमें देवदार और दीर्घकालिक मशीन के लिए स्थानों पर परामर्श के लिए उपयोग की अनुमति देने के लिए रोजर रायचे और डेविड McCrory स्वीकार करना चाहते हैं । Shino सुजुकी, Shunichi Ishii, ग्रेग वांगर, Grayson Chadwick, Bonita लाम और मैथ्यू Schechter: हम भी 2013-2014 के मौसम के दौरान देवदारों फील्ड क्रू धंयवाद । व्यावहारिक अनुसंधान और संवर्धन समर्थन के लिए Shino सुजुकी और Gijs Kuenen के लिए अतिरिक्त धंयवाद । यह काम एक अनुदान के माध्यम से वित्त पोषित था युवा वैज्ञानिकों ए और बी के लिए जापान सोसायटी से विज्ञान के संवर्धन के लिए सहायता (JSPS) KAKENHI अनुदान संख्या 17H04969 और २६८१००८५, क्रमशः, और जापान चिकित्सा अनुसंधान और विकास के लिए एजेंसी (17gm6010002h0002) । अमेरिका वैश्विक नौसेना अनुसंधान के कार्यालय (N62909-17-1-2038), और डार्क ऊर्जा जैव मंडल जांच (सी DEBI) (OCE0939564) और नासा खगोलजीव विज्ञान संस्थान-जीवन भूमिगत (NAI-LU) (NNA13AA92A) के लिए केंद्र द्वारा प्रदान की फंडिंग । इस काम का हिस्सा विज्ञान के संवर्धन के लिए एक जापान के समाज के हिस्से के रूप में आयोजित किया गया था: Kazuhito Hashimoto की लैब में टोक्यो विश्वविद्यालय में Annette रोवे (PE15019) के लिए अल्पकालिक postdoctoral फैलोशिप ।
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 |
References
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