Характеризуя переноса электронов через биоплёнки жизни
Summary
Протокол для измерения электропроводности живых микробной биоплёнки физиологически соответствующих условиях представлена.
Abstract
Здесь мы продемонстрировать методом электрохимического стробирования используется для характеристики электрической проводимости электрод выросли микробной биоплёнки физиологически соответствующих условиях. 1 эти измерения выполняются на живых биопленки в водной среде с помощью источника и слейте электродов на поверхности стекла в специализированные конфигурации, упоминаемый как массив штыревой электрода (Ида). Биопленки выращивается, простирается через разрыв, соединяющий источник и сток. Потенциалы применяются к электродам (ES иDE) создание источника стока тока (ISD) через биопленки между электродами. Зависимость электропроводности на ворота потенциал (в среднем источник и сток потенциалов, EG = [ED + ES] / 2) определяется систематически изменяя потенциал ворота и измерения полученный источник сток текущий. Зависимость проводимости на ворота потенциал обеспечивает механистический сведения о процессе внеклеточного переноса электронов, лежащие в основе электропроводности конкретных биопленки под следствием. Электрохимическим шлюзовые метод измерения, описанный здесь, основан прямо на используемой M. S. Wrighton2,3 и коллег и р. у. Мюррей4,5,6 и коллег в 1980’s в том, чтобы расследовать тонкопленочных проводящих полимеров.
Introduction
Внеклеточные переноса электронов (EET) является процессом, который позволяет некоторых микроорганизмов для транспорта электронов между внутриклеточного метаболизма и нерастворимых электрона акцепторов или доноров, которые проживают за пределами ячейки, начиная от природных минералов электроды. В некоторых случаях EET позволяет микроорганизмов сформировать электропроводных многоячеечного толстые биопленки на поверхности электрода, в которых клетки не в прямом контакте с электродом все еще можете использовать его как метаболические электрон акцептора или доноров. Существует значительный интерес к таким биоплёнки электрода катализаторов для различных приложений, таких как микробной электросинтеза, загрязнения зондирования/удаления и удаленного энергии генерации и хранения,7,8,9 ,10,11,12,,1314 ввиду разнообразия метаболических процессов, выполняемых микроорганизмов и долговечность микробной биоплёнки по сравнению в основе фермента bioelectrodes. 15 , 16 Кроме того, пути EET потенциально могут быть использованы для электрически управления или сигнал изменения в естественных или генетически микробной метаболические процессы, участвует, например, в производстве желаемого продукта или обнаружения Целевой исследуемое вещество или стимул. Электрическая проводимость электрокаталитическая биопленки, которая отличает их от других биологических материалов, является центральным аспектом их свойств электрокаталитические, но мало понято о базовой EET процесса в среде электрода, и то, что известно весьма спорным. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
Описанные здесь является 2-электродный метод для измерения проводимости через живой, электрод выросли биопленки, используя массивы штыревой электрода (МДО). МДО состоят из параллельных прямоугольных электродов, узорные на плоской стеклянной поверхности, таким образом, что каждый другой группы подключен на противоположных сторонах результирующего массива в 2 электроды (источник и сток). Тщательное изучение Ида (см. Например, рисунок 6.12b ref #1) показывает, что пробелы, разделения смежные полосы являются также связаны таким образом, чтобы форма один пробел, который ткет взад и вперед через массив, разделяющей два электрода. Результатом является длинный и узкий разрыв, разделяющий источник и сток электродов, уступая токи очень высокого источника стока, когда проводящего материала сформирована, литые, полимеризуется или растет (в случае тип биопленки, здесь рассматривается) массива. Кроме того небольшой размер электродов приводит к небольшой фона текущего благодаря емкость зарядки и изменить в окисления из электропроводящего материала с изменением в ворота потенциал, поскольку количество материала необходимо сделать проводимости измерения с использованием ИДАС настолько мал. Техника на базе Ида электрохимических стробирования описанных здесь, развитые характеризовать тонкопленочных электропроводящие полимеры,2,3,4,25 лишь недавно был применен для живых систем. 18 другой метод, используемый для измерения проводимости жизни биоплёнки использовали Сплит источник и сток электродов и источник метров установить ворота потенциал большого формата. 26 , 27 однако, обеспокоенность по поводу этих методов были подробно ранее. 18
Инкапсулирует протокол ниже наш опыт с делать измерения проводимости жизни биоплёнки MCL Geobacter sulfurreducens и biocathode. G. sulfurreducens является модель электрода, уменьшение организма могут воспользоваться нерастворимых материалов, включая электроды, как единственная метаболически электрон акцептора. Кроме того он образует густой биопленки, способный перевозить электронов через несколько клеток длины, что делает его организма идеальная модель для изучения анодное междугородной внеклеточного электрона передачи. Мы также включать детали для изучения biocathode MCL, аэробика, автотрофных смешанных сообщества биопленки, изолированы от катода бентических микробных топливных элементов. MCL Biocathode (назван в честь трех основных составляющих – Marinobacter, Chromatiaceaea и Labrenzia) способен окисляющих электрода в качестве своего единственного электрона донора и транспортировки электронов через несколько клеток длины, делая Это интересная система катодной учиться. Кроме того biocathode MCL имеет наивысший сообщил проводимости для живой системы на сегодняшний день с помощью этих методов. Включение этих разнообразных Электроактивные биопленки в этот протокол призван подчеркнуть, что этот метод применим для измерения транспорта электронов через любой жизни биопленки электрически взаимодействовать с электродами.
Protocol
Representative Results
Discussion
Во время установки Ида важно проверить, что источник и сток являются не замкнуты вместе до электрохимическим шлюзовые измерений, как это изменит яSD против EG кривой и может привести к ошибочным результатам и толкований. Важно также, чтобы выбратьSD V и v таким образом, что…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y, S.M.G-S. и L.M.T. признать управлением военно-морских исследований (премия #N0001415WX01038 и N0001415WX00195), военно-морской научно-исследовательской лаборатории и военно-морской институт нанонауки лабораторных исследований; M.Y.E.-Н. поддерживается в США Департамент по энергии Грант де-FG02-13ER16415.
Materials
| IDAs | CH Instruments | 012125 | Manufactured by ALS-Japan; sold by CH Instruments |
| Wire | Digikey | W7-ND | |
| Conductive silver epoxy | Electron microscopy sciences | 12670-EE | |
| Insulating material | 3M | 2131-B | Scotchast flame retardant compound |
| 15 mL conical centrifuge tube | VWR | 89004-368 | |
| 21g needle | VWR | BD-305165 | |
| 5 mL pipette tips | VWR | 82018-842 | |
| 5 mL pipettor | VWR | 89079-976 | |
| Freshwater medium components | Sigma Aldrich | All standard laboratory chemicals | |
| Ammonium chloride | |||
| Sodium phosphate monobasic | |||
| Sodium bicarbonate | |||
| Artificial seawater medium components | Sigma Aldrich | All standard laboratory chemicals | |
| Sodium chloride | |||
| Magnesium chloride hexahydrate | |||
| Magnesium sulfate heptahydrate | |||
| Potassium chloride | |||
| Sodium bicarbonate | |||
| Calcium chloride dihydrate | |||
| Ammonium chloride | |||
| Potassium phosphate dibasic | |||
| Ag/AgCl reference electrode | Basi | MF-2079 | |
| Graphite rod counter electrode | Electron microscopy sciences | 70230 | |
| Recirculating water bath | Thermo Scientific | 152-5256 | |
| Bipotentiostat | Pine Instruments | WD-20 | http://www.voltammetry.net/pine/aftermath/user |
| Stir bars | VWR | 58947-114 | |
| G. sulfurreducens culture | ATCC | 51573 | |
| Jacketed reactor | Pine Instruments | RRPG085 |
Riferimenti
- Boyd, D. A., et al. . Biofilms in Bioelectrochemical Systems. , 177-210 (2015).
- Natan, M. J., Wrighton, M. S. Chemically modified microelectrode arrays. Prog Inorg Chem. 7, 391-494 (1990).
- Paul, E. W., Ricco, A. J., Wrighton, M. S. Resistance of polyaniline films as a function of electrochemical potential and the fabrication of polyaniline-based microelectronic devices. J Phys Chem-US. 89, 1441-1447 (1985).
- Dalton, E. F., et al. Charge transport in electroactive polymers consisting of fixed molecular redox sites. Chem Phys. 141, 143-157 (1990).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Electroactive Polymers and Macromolecular Electronics. Science. 231, 25-31 (1986).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Redox capacity and direct current electron conductivity in electroactive materials. J Phys Chem-US. 90, 1479-1484 (1986).
- Gregoire, K. P., Glaven, S. M., Hervey, J., Lin, B., Tender, L. M. Enrichment of a High-Current Density Denitrifying Microbial Biocathode. J Electrochem Soc. 161, H3049-H3057 (2014).
- Siegert, M., Yates, M. D., Spormann, A. M., Logan, B. E. Methanobacterium dominates biocathodic Archaeal communities in methanogenic microbial electrolysis cells. ACS Sus Chem Eng. 3, 1668-1676 (2015).
- Wang, Z., et al. A previously uncharacterized, nonphotosynthetic member of the Chromatiaceae is the primary CO2-fixing constituent in a self-regenerating biocathode. Appl Environ Microbiol. 81, 699-712 (2015).
- Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., May, H. D. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environ Sci Technol. 47, 6023-6029 (2013).
- Strik, D. P. B. T. B., Picot, M., Buisman, C. J. N., Barrière, F. pH and Temperature Determine Performance of Oxygen Reducing Biocathodes. Electroanalysis. 25, 652-655 (2013).
- Strycharz, S. M., et al. Reductive dechlorination of 2-chlorophenol by Anaeromyxobacter dehalogenans with an electrode serving as the electron donor. Environ Microbiol Report. 2, 289-294 (2010).
- Yates, M. D., et al. Microbial Electrochemical Energy Storage and Recovery in a Combined Electrotrophic and Electrogenic Biofilm. Environ Sci Technol Lett. 4, 374-379 (2017).
- Tender, L. M., et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nature Biotechnology. 20, 821-825 (2002).
- Yates, M. D., Siegert, M., Logan, B. E. Hydrogen evolution catalyzed by viable and non-viable cells on biocathodes. Int J Hydrogen Energ. 39, 16841-16851 (2014).
- Fokina, O., Eipper, J., Winandy, L., Kerzenmacher, S., Fischer, R. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus. Bioresource Technol. 175, 445-453 (2015).
- Yates, M. D., et al. Thermally activated long range electron transport in living biofilms. Phys Chem Chem Phys. 17, 32564-32570 (2015).
- Yates, M. D., et al. Measuring conductivity of living Geobacter sulfurreducens biofilms. Nat Nano. 11, 910-913 (2016).
- Snider, R. M., Strycharz-Glaven, S. M., Tsoi, S. D., Erickson, J. S., Tender, L. M. Long-range electron transport in Geobacter sulfurreducens biofilms is redox gradient-driven. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 15467-15472 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., Tender, L. M. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energ Environ Sci. 4, 4366-4379 (2011).
- Malvankar, N. S., Tuominen, M. T., Lovley, D. R. Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms” by S. M. Strycharz-Glaven, R. M. Snider, A. Guiseppi-Elie and L. M. Tender, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4366. Energy Environ. Sci. 5, 6247-6249 (2012).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nanotechnol. 6, 573-579 (2011).
- Strycharz-Glaven, S. M., Tender, L. M. Reply to the ‘Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms”‘ by N. S. Malvankar, M. T. Tuominen and D. R. Lovley, Energy Environ. Sci., 2012, 5. Energy Environ. Sci. 5, 6250-6255 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., et al. Electron Transport through Early Exponential-Phase Anode-Grown Geobacter sulfurreducens Biofilms. Chem Electro Chem. 1, 1957-1965 (2014).
- Chidsey, C. E., Feldman, B. J., Lundgren, C., Murray, R. W. Micrometer-spaced platinum interdigitated array electrode: fabrication, theory, and initial use. Anal Chem. 58, 601-607 (1986).
- Li, C., Lesnik, K. L., Fan, Y., Liu, H. Redox Conductivity of Current-Producing Mixed Species Biofilms. PLOS ONE. 11, e0155247 (2016).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nano. 6, 573-579 (2011).
- Ing, N. L., Nusca, T. D., Hochbaum, A. I. Geobacter sulfurreducens pili support ohmic electronic conduction in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys. 19, 21791-21799 (2017).
- Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells. Energ Environ Sci. 1, 144-147 (2008).
- Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms. Appl Environ Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).
- Kankare, J., Kupila, E. -. L. In-situ conductance measurement during electropolymerization. J Electroanal Chem. 322, 167-181 (1992).
- Byun, H. S., Pirbadian, S., Nakano, A., Shi, L., El-Naggar, M. Y. Kinetic Monte Carlo Simulations and Molecular Conductance Measurements of the Bacterial Decaheme Cytochrome MtrF. Chem Electro Chem. 1, 1932-1939 (2014).
- El Kasmi, A., Wallace, J. M., Bowden, E. F., Binet, S. M., Linderman, R. J. Controlling interfacial electron-transfer kinetics of cytochrome c with mixed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 120, 225-226 (1998).
- Bortolotti, C. A., et al. The Reorganization Energy in Cytochrome c is Controlled by the Accessibility of the Heme to the Solvent. J Phys Chem Lett. 2, 1761-1765 (2011).
- Gallaway, J. W., Calabrese Barton, S. A. Kinetics of Redox Polymer-Mediated Enzyme Electrodes. J Am Chem Soc. 130, 8527-8536 (2008).
- Thackeray, J. W., White, H. S., Wrighton, M. S. Poly(3-methylthiophene)-coated electrodes: optical and electrical properties as a function of redox potential and amplification of electrical and chemical signals using poly(3-methylthiophene)-based microelectrochemical transistors. J Phys Chem-US. 89, 5133-5140 (1985).
- Jugnet, Y., Tourillon, G., Duc, T. M. Evidence of Intrinsic Extended π-Bonding Band and Metalliclike Behavior in Undoped and Doped Electropolymerized Poly (3-methylthiophene) Films. Phys Rev Lett. 56, 1862-1865 (1986).
