Self-standing eletroquímica set-up para enriquecer o ânodo-proliferação de bactérias no local
Summary
Técnicas de cultivo microbianas no local da enriquecimento ou em situ podem facilitar o isolamento dos táxons de difícil-para-cultura microbianos, especialmente de ambientes de baixa biomassa ou geoquímica extremas. Aqui, descrevemos um set-up eletroquímico sem usar uma fonte de alimentação externa para enriquecer cepas microbianas capazes de transporte de elétrons extracelular (EET).
Abstract
Respiração anaeróbica, juntamente com o transporte de elétrons para minerais insolúveis (referido como o transporte de elétrons extracelular [EET]) é pensada para ser crítico para a produção de energia microbiana e persistência em muitos ambientes de subsuperfície, especialmente aqueles falta de aceitadores de electrões terminal solúvel. Enquanto micróbios capazes de EET foram isolados com sucesso de vários ambientes, a diversidade de bactérias capazes de EET é ainda mal compreendida, especialmente em difícil-para-amostra, baixa energia ou ambientes extremos, como muitos subsuperficial ecossistemas. Aqui, descrevemos um sistema eletroquímico no local para enriquecer bactérias EET-capaz usando um ânodo como um aceptor de elétron terminal respiratória. Este ânodo está ligado a um cátodo capaz de catalisar a redução de oxigênio abióticos. Comparar esta abordagem com electrocultivation métodos que usam um potentiostat para equilibrar o potencial de eletrodo, o sistema de dois-eletrodo não requer uma fonte de energia externa. Nós apresentamos um exemplo de nosso enriquecimento no local utilizado em um lago alcalino, cedros, um site serpentinization terrestres no norte da Califórnia. Tentativas anteriores para cultivar bactérias redutoras minerais foram infrutíferas, que é provavelmente devido a natureza de baixa biomassa deste site e/ou a baixa abundância relativa de metal reduzindo os micróbios. Antes de implementar nosso enriquecimento de dois elétrodos, medimos o perfil vertical da concentração de oxigénio dissolvido. Isso nos permitiu colocar o carbono de feltro ânodo e platina-galvanizado carbono feltro cátodo em profundidades que apoiaria aeróbias e anaeróbias processa, respectivamente. Após incubação no local, estamos ainda mais enriquecido o elétrodo anódico em laboratório e confirmou uma comunidade microbiana distinta em comparação com a superfície-anexado ou comunidades de biofilme normalmente observadas nos Cedros. Este enriquecimento que posteriormente levado ao isolamento do primeiro micróbio electrogenic de cedros. Este método de enriquecimento microbiano no local tem o potencial para aumentar consideravelmente o isolamento de bactérias EET-capaz de baixa biomassa ou difícil a habitats de amostra.
Introduction
Vários minerais-reduzindo micróbios foram mostrados para utilizar minerais de fase sólida como aceitadores de electrões terminal, por processos de transporte de elétrons extracelular (EET) que conduzir elétrons para o exterior da célula através de de enzimas redox1. EET é fundamental, não apenas para processos de micróbio-mineral mas também energia aplicada e tecnologias ambientais, tais como células de combustível microbianas2, síntese de eletrodo3e biorremediação4. Nova bactéria capaz de EET é muito procuradas e têm sido muito estudadas a partir de uma perspectiva fundamental ou aplicada5. No entanto, temos apenas limitado insight sobre a importância ecológica ou biogeoquímico destas bactérias. A maioria dos micróbios capazes de EET foram isolada após enriquecimento do aqua, sedimentos ou Digestores anaeróbicos usando aceitadores de electrões sólido como MnO2, Fe2O3 ou eletrodos preparados no laboratório6, 7 , 8. no entanto, esses métodos produzem frequentemente similares consórcios e potencialmente perder os táxons mais sensíveis que podem dominar a baixa energia ou sistemas de biomassa baixa, a capacidade destes micróbios para adaptar-se ao laboratório ou ambiente de cultura axénica9 de polarização . Geralmente para ambientes de baixa biomassa, grandes quantidades de água de um site são filtradas para concentrar as células bacterianas. No entanto, bactérias capazes de EET, muitas vezes, apresentam metabolismo anaeróbico e, portanto, exposição de oxigênio ainda mais pode inibir ou impedir o seu cultivo. Metodologias no local alternativas para concentrar as células sem expô-los ao oxigênio poderiam facilitar o isolamento de bactérias capazes de EET. Aqui, nós relatamos detalhes de configuração para uma técnica eletroquímica no local enriquecer o micróbio capaz de EET durante um longo período de tempo sem a necessidade de uma fonte de energia externa.
Usando nossos experimentos de electrocultivation de uma fonte altamente alcalina no norte da Califórnia, os cedros10, descrevemos esta técnica eletroquímica no local. A geoquímica das molas nos cedros são impactados por serpentinization no subsolo. As molas são altamente redutoras, com concentrações de oxigênio abaixo do limite de detecção sob a interface ar água, destacando o potencial para a produção de energia microbiana através de EET neste ambiente anóxico funcionalmente11. No entanto, não há provas para apoiar a micróbios EET-capaz de cedros (em 16S rRNA ou análise de Metagenomic). Mesmo que este ambiente tem sido caracterizado como aceitador de electrões limitado, o potencial para o uso de minerais insolúveis como aceitadores de electrões terminal, incluindo minerais tais como o ferro descobrindo minerais que resultam de serpentinization (i.e., magnetita), não tem sido extensivamente investigada12. Nós, portanto, implantado o nosso sistema eletroquímico no parque de campismo da Primavera, uma mola de pH elevado em cedros, enriquecer para EET-capaz de micróbios (Figura1)13.
Protocol
Representative Results
Discussion
O estudo descrito, vamos mostrar o enriquecimento de um consórcio microbiano, ligado com a produção atual em situ . Dimensiona os padrões observados no atual apoio atividade microbiana neste sistema ao longo do tempo curto e longo. O passo fundamental para a construção de um sistema funcional dois elétrodos (tipo de célula de combustível) está identificando e utilizando um local com um estábulo nível de água e concentração de oxigênio no ambiente. O cátodo é exposto ao oxigênio na interface á…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nós gostaríamos de reconhecer Roger Raiche e David McCrory nos permitir acesso aos cedros e consultoria sobre locais para a incubação de longo prazo. Agradecemos também a equipe de campo de cedros durante a temporada de 2013-2014: Shino Suzuki, Shunichi Ishii, Greg Wanger, Grayson Chadwick, Bonita Lam e Matthew Schechter. Adicional graças a Shino Suzuki e Gijs Kuenen para investigação perspicaz e cultivo de apoio. Este trabalho foi financiado através de um subsídio para jovens cientistas, A e B da sociedade para a promoção da ciência (JSPS) KAKENHI Grant Japão número 17H 04969 e 26810085, respectivamente e o Japão agência de pesquisa médica e desenvolvimento (17gm6010002h0002). EUA financiamento previstas por nos escritório da Global pesquisa Naval (N62909-17-1-2038) e o centro de investigações de Biosfera de energia escura (C-DEBI) (OCE0939564) e do Instituto de astrobiologia da NASA – vida subterrânea (NAI-LU) (NNA13AA92A). Parte deste trabalho foi realizado como parte de uma sociedade de Japão para a promoção das Ciências: a curto prazo bolsa pós-doutorado em Annette Rowe (PE15019) da Universidade de Tóquio, no laboratório de Kazuhito Hashimoto.
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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