Erstellen einer Winogradsky-Säule: Eine Methode zur Anreicherung der mikrobiellen Spezies in einer Sedimentprobe
English
Diviser
Vue d'ensemble
Quelle: Elizabeth Suter1, Christopher Corbo1, Jonathan Blaize1
1 Department of Biological Sciences, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301
Die Winogradsky-Säule ist ein miniaturiges, geschlossenes Ökosystem, das zur Anreicherung von mikrobiellen Sedimentgemeinschaften verwendet wird, insbesondere solche, die am Schwefelkreislauf beteiligt sind. Die Säule wurde erstmals von Sergei Winogradsky in den 1880er Jahren verwendet und wurde seitdem in der Untersuchung von vielen verschiedenen Mikroorganismen in der Biogeochemie, wie Photosynthesizer, Schwefeloxidatoren, Sulfat-Reduzierer, Methanogene, Eisenoxidizer, Stickstoff angewendet Cycler und mehr (1,2).
Die Mehrheit der Mikroorganismen auf der Erde gilt als unkultiierbar,was bedeutet, dass sie nicht in einem Reagenzglas oder auf einer Petrischale isoliert werden können (3). Dies ist auf viele Faktoren zurückzuführen, einschließlich, dass Mikroorganismen von anderen für bestimmte Stoffwechselprodukte abhängen. Die Bedingungen in einer Winogradsky-Säule imitieren den natürlichen Lebensraum eines Mikroorganismus, einschließlich ihrer Wechselwirkungen mit anderen Organismen, und ermöglichen es, sie in einem Labor zu wachsen. Daher ermöglicht diese Technik Wissenschaftlern, diese Organismen zu untersuchen und zu verstehen, wie wichtig sie für die biogeochemischen Zyklen der Erde sind, ohne sie isoliert anbauen zu müssen.
Die Umgebungen der Erde sind voll von Mikroorganismen, die in allen Arten von Lebensräumengedeihen, wie Böden, Meerwasser, Wolken und Tiefseesedimente. In allen Lebensräumen sind Mikroorganismen voneinander abhängig. Wenn ein Mikroorganismus wächst, verbraucht er bestimmte Substrate,einschließlich kohlenstoffreicher Brennstoffe wie Zucker sowie Nährstoffe, Vitamine und Atemgase wie Sauerstoff. Wenn diese wichtigen Ressourcen auslaufen, können verschiedene Mikroorganismen mit unterschiedlichen Stoffwechselbedürfnissen blühen und gedeihen. In der Winogradsky-Säule verbrauchen Mikroben beispielsweise zuerst das zugesetzte organische Material, während sie den Sauerstoff in den unteren Schichten der Säule aufbrauchen. Sobald der Sauerstoff verbraucht ist, können anaerobe Organismen dann verschiedene organische Materialien übernehmen und verbrauchen. Diese konsekutive Entwicklung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften im Laufe der Zeit wird Als Nachfolge bezeichnet (4). Die mikrobielle Abfolge ist wichtig in einer Winogradsky-Säule, wo die mikrobielle Aktivität die Chemie des Sediments verändert, was dann die Aktivität anderer Mikroben und so weiter beeinflusst. Viele Mikroorganismen in Böden und Sedimenten leben auch entlang Vonsteigen,die Übergangszonen zwischen zwei verschiedenen Arten von Lebensräumen sind, basierend auf den Konzentrationen von Substraten (5). An der richtigen Stelle im Gradienten kann eine Mikrobe optimale Mengen an verschiedenen Substraten erhalten. Mit der Entwicklung einer Winogradsky-Säule beginnt sie, diese natürlichen Gradienten, insbesondere in Sauerstoff und Sulfid, nachzuahmen (Abb. 1).
Abbildung 1: Eine Darstellung der Sauerstoff – O2) und Sulfid (H2S) Gradienten, die sich in einer Winogradsky-Säule entwickeln.
In einer Winogradsky-Säule werden Schlamm und Wasser aus einem Teich oder Feuchtgebiet in einer transparenten Säule vermischt und inkubieren, typischerweise im Licht. Zusätzliche Substrate werden der Säule hinzugefügt, um der Gemeinschaft Kohlenstoffquellen zu geben, in der Regel in Form von Zellulose und Schwefel. Photosynthesizer beginnen in der Regel in den oberen Schichten des Sediments zu wachsen. Diese photosynthetischen Mikroorganismen bestehen größtenteils aus Cyanobakterien,die Sauerstoff produzieren und als grüne oder rotbraune Schicht erscheinen (Abb. 2, Tabelle 1). Während die Photosynthese Sauerstoff produziert, ist Sauerstoff in Wasser nicht sehr löslich und unter dieser Schicht abnimmt (Abb. 1). Dadurch entsteht ein Sauerstoffgradient, der von hohen Sauerstoffkonzentrationen in den oberen Schichten bis zu Nullsauerstoff in den unteren Schichten reicht. Die sauerstoffhaltige Schicht wird die aerobe Schicht und die Schicht ohne Sauerstoff als anaerobe Schicht bezeichnet.
In der anaeroben Schicht können sich viele verschiedene mikrobielle Gemeinschaften vermehren, abhängig von der Art und Menge der verfügbaren Substrate, der Quelle der ersten Mikroben und der Porosität des Sediments. Am unteren Rand der Säule können Organismen gedeihen, die anaerobe organische Materie abbauen. Die mikrobielle Fermentation produziert organische Säuren aus dem Abbau von Zellulose. Diese organischen Säuren können dann von Sulfat-Reduzierernverwendet werden, die diese organischen Stoffe mit Sulfat oxidieren und Sulfid als Nebenprodukt produzieren. Die Aktivität von Sulfat-Reduzierern wird angezeigt, wenn das Sediment schwarz wird, da Eisen und Sulfid auf schwarze Eisen-Sulfid-Mineralien reagieren (Abb. 2, Tabelle 1). Der Sulfid diffundiert auch nach oben, wodurch ein weiterer Gradient entsteht, bei dem die Sulfidkonzentrationen im unteren Rand der Säule hoch und oben in der Säule niedrig sind (Abb. 1).
In der Mitte der Säule nutzen Schwefeloxidatoren die Sauerstoffzufuhr von oben und Sulfid von unten. Mit der richtigen Lichtmenge können sich in diesen Schichten photosynthetische Schwefeloxidatoren entwickeln. Diese Organismen sind als grüne und violette Schwefelbakterienbekannt und erscheinen oft als grüne, lila oder lila-rote Filamente und Flecken (Abb. 2, Tabelle 1). Grüne Schwefelbakterien haben eine höhere Toleranz für Sulfid und entwickeln sich in der Regel in der Schicht direkt unter violetten Schwefelbakterien. Oberhalb der violetten Schwefelbakterien können sich auch violette Nicht-Schwefelbakterien entwickeln. Diese Organismen photosynthetisieren mit organischen Säuren als Elektronenspender anstelle von Sulfid und erscheinen oft als rote, lila, orange oder braune Schicht. Nichtphotosynthetische Schwefeloxidatoren können sich oberhalb der violetten Nichtschwefelbakterien entwickeln, die in der Regel als weiße Filamente erscheinen (Abb. 2, Tabelle 1). Darüber hinaus können sich auch Blasen in der Winogradsky-Spalte bilden. Blasen in den aeroben Schichten zeigen die Produktion von Sauerstoff durch die Cyanobakterien an. Blasen in den anaeroben Schichten sind wahrscheinlich auf die Aktivität von Methanogenenzurückzuführen, Organismen, die organische Stoffe anaeroben zerlegen und Methan als Nebenprodukt bilden.
| Position in Spalte | Funktionsgruppe | Organismus Beispiele | Visueller Indikator |
| Nach oben | Photosynthesizer | Cyanobakterien | Grüne oder rötlich-braune Schicht. Manchmal Blasen von Sauerstoff. |
| Nichtphotosynthetische Schwefeloxidatoren | Beggiatoa | Weiße Schicht. | |
| Violette Nicht-Schwefelbakterien | Rhodomicrobium, Rhodospirilum, Rhodopseuodmonas | Rote, lila, orange oder braune Schicht. | |
| Violettschwefelbakterien | Chromatium | Lila oder lila-rote Schicht. | |
| Grüne Schwefelbakterien | Chlorobium | Grüne Schicht. | |
| Sulfat reduzierende Bakterien | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfuromonas | Schwarze Schicht. | |
| Unteres | Methanogens | Methanococcus | Manchmal Blasen von Methan. |
Tabelle 1: Die wichtigsten Gruppen von Bakterien, die in einer klassischen Winogradsky-Säule erscheinen können, von oben nach unten. Es werden Beispiele für Organismen aus jeder Gruppe gegeben, und die visuellen Indikatoren jeder Schicht von Organismen werden aufgelistet. Basierend auf Perry et al. (2002) und Rogan et al. (2005).
Procédure
Résultats
In this experiment, water and sediment were collected from a freshwater habitat. Two Winogradsky columns were constructed and allowed to develop: a classical Winogradsky column incubated in the light at room temperature (Fig. 2A) and a Winogradsky column incubated in the dark at room temperature (Fig. 2B).
Figure 2B: A photo of classical Winogradsky column (left), incubated at room temperature in light for 68 days and a Winogradsky column incubated at room temperature in the dark for 68 days (right).
After allowing the columns to develop for 7-9 weeks, the layers in the classical column can be compared to the column incubated in the dark (Fig. 2B). In the classical Winogradsky column, a green cyanobacterial layer can be observed near the top of the tube. Near the center of the tube, a red-purple layer can be observed, indicative of purple nonsulfur bacteria. Under this layer, a purple-red layer is observed, indicative of purple sulfur bacteria. Directly under this layer, black sediment can be observed in the anaerobic region of the column, indicative of sulfate reducing bacteria.
The column grown in the dark (Fig. 2B) developed differently than the classical Winogradsky column. Like the classical column, the dark column yielded black sediment near the bottom of the column, indicative of sulfate reducing bacteria. The dark column did not yield the green cyanobacterial layer, nor the red, purple, or green layers indicative of purple nonsulfur, purple sulfur, and green sulfur bacteria, respectively. These groups are dependent on light for growth, and therefore unable to grow in the dark.
The precise results of each Winogradsky column will vary widely with their incubation conditions and their source habitats.
Microbial communities originating from freshwater habitats will not be accustomed to high salt concentrations and the addition of salt may slow down or inhibit growth. Conversely, there may be sufficient halophilic bacteria in brackish and saltwater habitats so that the addition of salts makes no difference or even enhances the growth of particular layers when compared to a column without added salts.
Sandy sediments are more porous than muddy sediments. If enough sulfide is produced in such porous sediments, sulfides can diffuse all the way to the top of the column and inhibit growth of aerobic organisms. In this case, the column may only contain layers indicative of anaerobes and may not contain any aerobes, such as the cyanobacteria.
Freshwater generally contains less sulfate than saltwater. Sulfate is important for the growth of sulfate-reducing bacteria. Sulfate reducers create sulfide as a byproduct and are indicated by the development of a black layer in the bottom of the column. If sulfate is not supplemented to freshwater communities, sulfate reducers may not produce enough sulfide. The creation of the sulfide byproduct is important for the growth of green and purple sulfur bacteria and the nonphotosynthetic sulfur oxidizers. In these cases, sulfur oxidizers can still grow using the egg yolk as a source of sulfur, even if the sulfate reducers (black layer) never develop.
Different wavelengths of light should select for organisms with different absorption pigments. A column kept in the dark will only allow for nonphotosynthetic organisms to grow, including sulfate reducers, iron oxidizers, and methanogens. Photosynthesizers have pigments that absorb light at different wavelengths within the visible range (~400-700nm). By covering a column with, for example, blue cellophane, blue light (~450-490nm) is blocked from entering the column. All of the photosynthesizers in the column have pigments which require the blue wavelengths (6) and their growth should be inhibited. On the other hand, red cellophane will block light of ~635-700nm. These wavelengths are important for the pigments used by cyanobacteria (6), while purple sulfur, green sulfur, and purple nonsulfur bacteria may still be able to grow.
Different microbial communities may have vastly different adaptive abilities to cope with changes in temperatures. High temperatures can enhance rates of microbial activity when sufficient thermophiles are present. On the other hand, in the absence of thermophiles, high temperatures may decrease overall microbial activity. Similarly, low temperatures may decrease overall microbial activity unless the microbial community contains sufficient psychrophiles.
Applications and Summary
The Winogradsky column is an example of an interdependent microbial ecosystem. After mixing mud, water, and additional carbon and sulfur substrates in a vertical column, the stratified ecosystem should stabilize into separate, stable zones over several weeks. These zones are occupied by different microorganisms which flourish at a particular spot along the gradient between the sulfide-rich sediment in the bottom and the oxygen-rich sediment at the top. By manipulating the conditions and substrates within the Winogradsky column, the presence and activity of different microorganisms such as halophiles, thermophiles, psychrophiles, sulfur oxidizers, sulfur reducers, iron oxidizers, and photosynthesizers can be observed.
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
Transcription
Most of the Earth’s microorganisms cannot be cultured in a lab, often because they rely on other microbes within their native communities. A Winogradsky column, named for its inventor Sergei Winogradsky, is a miniature, enclosed ecosystem which enriches the microbial communities within a sediment sample, enabling scientists to study many of the microbes that play a vital role in Earth’s biogeochemical processes, without needing to isolate and culture them individually.
Typically, mud and water from an ecosystem, such as a pond or a marsh, are mixed. As an optional experiment, salt can be added to this mixture to enrich various halophile species. Next, a small portion of the mixture is supplemented with carbon, usually in the form of cellulose from newspaper, and sulfur, usually from an egg yolk. For another optional experiment, a nail can be added to this mixture to enrich certain Gallionella species. This new mixture is then added to a transparent column, so that the column is one quarter full. Finally, the rest of the mud mixture and more water is added to the column until it is most of the way full.
Succession, which refers to the consecutive development of different microbial communities over time, can be observed in real time with a Winogradsky column. As microbes grow within the column, they consume specific substrates and change the chemistry of their environment. When their substrates are depleted, the original microbes die off and microbes with different metabolic needs can flourish in the altered environment. Over time, visibly distinct layers begin to form, each containing parts of a bacterial community with different microenvironmental needs.
For example, photosynthetic microbes, largely composed of cyanobacteria, form green or red-brown layers near the top of the column. Since photosynthesis produces oxygen, often seen as bubbles in the top portion of the column, a gradient is formed with the highest oxygen concentrations near the top, and the lowest towards the bottom. Depending upon the available substrates, different microbial communities can grow in the anaerobic bottom layer. Bubbles in this layer can indicate the presence of methanogens, which create methane gas via fermentation. Here, the microbial fermentation of cellulose results in organic acids. Sulfate reducers oxidize those acids to produce sulfide, and their activity is indicated by black sediment. Sulfide diffuses upward in the column, creating yet another gradient where sulfide concentrations are highest towards the bottom of the column, and lowest near the top. Towards the middle of the column, sulfur oxidizers utilize the oxygen from above and sulfide from below. With adequate light, photosynthetic sulfur oxidizers, such as green and purple sulfur bacteria, develop. Green sulfur bacteria tolerate higher sulfide concentrations. Thus, they grow directly below the purple sulfur bacteria. Directly above this layer, purple non-sulfur bacteria form a red-orange layer. Nonphotosynthetic sulfur oxidizers are indicated by the presence of white filaments.
Conditions such as light and temperature can also be varied to enrich other communities. In this video, you will learn how to construct a Winogradsky column, and vary the growing conditions and substrates to enrich specific microbial communities.
First, locate an appropriate aquatic ecosystem, such as a pond or marsh. The sediment samples should come from the area near the water’s edge, and be completely saturated with water. Then, use a shovel and a bucket to collect one to two liters of the saturated mud. Next, obtain approximately three liters of fresh water from the same source and return to the lab with the field samples.
In the lab, put on the appropriate personal protective equipment, including a lab coat and gloves. Now, transfer approximately 750 milliliters of mud to a mixing bowl. Then, sift through the mud to remove large rocks, twigs, or leaves and use a spoon to break apart any clumps. Next, add some of the fresh water to the mixing bowl, and stir with a large spoon. Add water until the consistency of the water-mud mixture is similar to a milkshake. Continue to make sure there are no clumps.
As an optional experiment, select for halophilic bacteria by adding 25 to 50 milligrams of salt to the mud mixture.
Then, transfer approximately 1/3 of the water-mud mixture to a second mixing bowl. Add one egg yolk and a handful of shredded newspaper to the bowl. Next, add this mixture to the column, until it is about 1/4 full. Next, add the water-mud mixture without the egg and newspaper to the column, until it is approximately 3/4 full. Then, add more water to the column, leaving a 1/2 inch space on top. Cover the column with plastic wrap and secure it with a rubber band.
Incubate the column in the light near a window at room temperature for the next four to eight weeks. Throughout the incubation period, monitor changes in the Winogradsky column at least once a week for the development of different colored layers and the formation of bubbles. Additionally, record the time it takes for different layers to develop.
Another modification that can be done is incubating the column near a radiator to select for thermophilic bacteria, or in a refrigerator to select for psychrophilic bacteria. Vary the light conditions by placing different columns in high light, low light, or darkness to incubate. Alternatively, limit the wavelength of incoming light by covering the column with different shades of cellophane to determine which colors select for different bacterial groups. For another optional experiment, to enrich iron-oxidizing bacteria, add a nail to the mud-water mixture prior to the addition of newspaper and an egg yolk.
After one to two weeks, growth of the cyanobacterial layer is indicated by a green or red-brown film on top of the mud layer of the classical Winogradsky column. Over time, the appearance and evolution of the different layers is monitored, each indicative of the different types of bacteria present. When comparing a column grown in the dark to a traditional Winogradsky column, we see the dark treatment yields the black layer at the bottom of the column, indicative of sulfate-reducing bacteria.
The dark column may also yield other layers, depending on other incubation conditions. Additionally, the dark column doesn’t yield the green cyanobacterial layer, nor the red, purple, or green layers indicative of purple non-sulfur, purple sulfur, and green sulfur bacteria respectively. These groups are dependent on light for growth.