Микробиологически Индуцированные кальцит Осадки опосредованная по<em> Sporosarcina pasteurii</em
Summary
Protocols for microbiologically induced calcite precipitation (MICP) using the bacterium Sporosarcina pasteurii are presented here. The precipitated calcium carbonate was characterized through optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). It is also shown that exposure to MICP increases the compressive strength of sponge.
Abstract
Частности бактерия под следствием здесь (S. pasteurii) является уникальным по своей способности, при правильных условиях, чтобы вызвать гидролиз мочевины (ureolysis) в природных средах за счет секреции фермента уреазы. Этот процесс ureolysis, через цепь химических реакций, приводит к образованию карбоната кальция преципитатов. Это известно как микробиологически Индуцированные кальцита Осадки (MICP). Соответствующие протоколы культуры для MICP подробно описаны здесь. И, наконец, эксперименты визуализации при различных режимах микроскопии были выполнены, чтобы понять различные аспекты процесса осаждения. Такие методы, как оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (SEM) и X-Ray фото-электронной спектроскопии (XPS) были использованы для химически характеристики конечного продукта. Кроме того, способность этих выделений в закупоривает поры внутри естественной пористой среды была продемонстрирована с помощью качественного эксперимента, в котором губкабары были использованы для имитации порового сеть с диапазоном масштабов длины. Губка бар, смоченной в культуральной среде, содержащей бактериальные клетки затвердевает из-за засорения его пор в результате непрерывного процесса химического осаждения. Это закаленные губки бар обладает превосходной прочностью по сравнению с губкой панели управления, которая сжимается и выдавливается под действием приложенного внешней нагрузки, в то время как закаленные бар способен поддерживать одинаковый вес с небольшим количеством деформации.
Introduction
Sporosarcina pasteurii является грамположительной бактерии способны выживать в сильно щелочной среде (рН ~ 10) 1 и является одним из видов бактерий , которые могут стать возбудителем явления , называемого Микробиологически Индуцированные кальцит осадков (MICP) 2-4. MICP представляет собой процесс , в котором осаждение карбоната кальция индуцируется некоторых микробов в подходящих условиях окружающей среды. С. pasteurii приобрела значение в последние годы из – за его идентификации в качестве возможного средства для стимулирования значительных объемов MICP при определенных условиях. Эта возможность связана с тем , что С. pasteurii обладает уникальной способностью секретировать обильное количество фермента уреазы. Этот фермент действует как катализатор, способствуя ускоренному лизис мочевины (естественные биохимические соединения с широко распространенным и избытке) в присутствии молекул воды. Через каскад реакций, этот процесс окончательнойLY приводит к образованию отрицательно заряженных ионов углерода. Эти ионы, в свою очередь, вступает в реакцию с положительными ионами металлов, таких как кальций, чтобы в конце концов образовались осадки карбоната кальция (кальцит); следовательно , ярлык MICP 5-9.
Процесс MICP был известен и изучен в течение нескольких десятилетий 10,11. За последние несколько лет, MICP была исследована для широкого круга инженерных и экологических применений , включая снизу вверх зеленого строительства 12, усиление крупномасштабных структур 13,14 и улавливания углерода и хранения 15,16.
Например, оттяжки Каннингхэма 17 и др. аль разработан реактор умеренной температуры потока высокого давления, содержащего сердцевину из песчаника Berea. Реактор инокулированное бактериями S. fridgidimarina и в условиях высокого давления инжекции диоксида углерода в сверхкритическом состоянии , массивного накопления биомассы внутри пор тмов наблюдалось, что привело к снижению проницаемости более чем на 95%. Jonkers и Schlangen 18 изучали влияние некоторых специальных штаммов бактерий на самовосстановления процесса в бетоне. Внешняя вода транспортируется в сети пор, поступающей через поверхностные поры, как ожидается, чтобы активировать бездействующие бактерии, которые в свою очередь помогают структурную прочность через MICP. Tobler 19 и др. сравнили ureolytic активность S. pasteurii с коренным подземными водами ureolytic микрокосма в условиях , благоприятствующих крупномасштабную MCIP и обнаружили , что С. pasteurii имеет последовательную способность улучшить осаждение кальцита , даже когда коренные общины не имели предварительного активность уреазы. Мортенсен 20 et.al изучали влияние внешних факторов , таких как тип почвы, концентрация хлорида аммония, солености, концентрации кислорода и лизиса клеток на MICP. Их демонстрация того, что процесс биологической очистки очень надежен с соотвЭСТ к широкому разбросу в пространстве параметров обосновывает пригодность этого процесса для различных восстановительных приложений крупномасштабных обеспечили надлежащий процесс обогащения для усиления бактерии предприняты. Phillips 21 и др. аль разработаны опыты по изучению изменения проницаемости и прочности колонны песка и сердечника из песчаника после инъекции с S. pasteurii культуры. Они обнаружили, что в то время как проницаемость снизился в 2 – 4 раза, а предел прочности увеличился в три раза.
С. pasteurii и его роль в MICP являются темами активных исследований и ряд вопросов , связанных с механизмом химического осаждения все еще до конца не изучен. В свете этого, очень важно иметь набор согласованных стандартных протоколов точно культуры соответствующим образом обогащена запас S. pasteurii для достижения MICP. Здесь мы опишем строгий протокол, который будет обеспечивать повторяемости и воспроизводимости. Это маnuscript описывает подробные протоколы для культивирования S. pasteurii и соответствующим образом обогащении культуральной среды , чтобы вызвать осаждение. Процесс исследован с помощью различных микроскопических методов, таких как оптические и сканирующей электронной микроскопии (SEM) и X-Ray фото-электронной спектроскопии (XPS). В центре внимания рукописи на процессе MICP. Процедуры как SEM и SIMS, будучи хорошо зарекомендовавшие себя стандартные протоколы, не описаны отдельно.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги: Эта рукопись подробно описывает протоколы для культивирования жизнеспособного образца S. pasteurii. После того, как культура была приготовился, он должен быть соответствующим образом обогащена. Это является ключевым шагом жизненно важное значение для успех…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to acknowledge the partners in the Helmholtz-Alberta Initiative, the Helmholtz Association and the University of Alberta, for the support resulting from participation in this collaboration. Research funding is provided by the Helmholtz Association’s Initiative and Networking Fund, the participating Helmholtz Centers and by the Government of Alberta through Alberta Environment’s ecoTrust program.
Dr. Tanushree Ghosh is gratefully acknowledged for her critical inputs at a number of crucial stages.
Materials
| Petridish | Fisher Scientific | FB0875712 | Petridishes being used as Agar plate |
| Pyrex Flasks | Fisher Scientific | S63268 | Corning Erlenmeyer |
| Tris-Base | Promega | H5133 | being used to make Tris-Buffer |
| Hydrochloric Acid | Sigma-Aldrich | H9892 | 1.0 N, Bioreagent, suitable for cell culture |
| Agar Powder | Sigma-Aldrich | A1296 | microbiology tested, plant cell culture tested, cell culture tested, powder |
| Ammonium Sulphate | Sigma-Aldrich | A4418 | for Molecular Biology |
| Yeast extract powder | Sigma-Aldrich | 51475 | |
| Measuring Cylinder | Cole-Parmer | CP08559GC | Cole-Parmer Class A Graduated Cylinder w/Cal Cert,TC;1000ml,1/Pk |
| Analytical Balance | OHAUS | AX124E | being used to measure weight of reagents |
| Autoclave | Brinkmann | 58619000 | |
| Autoclave Tape | VWR | 52428864 | |
| Aluminum Foil | Sigma-Aldrich | Z185140 | being used to seal the flask before placing it in Autoclave |
| Bacterial Stock | Cedarlane | 11859 | -80°C stock of S. pasteurii, ATCC No. is mentioned against Cat. No. |
| Mline Single-Channel Mechanical Pipettors, Variable Volume | Biohit | 725010 | Marketed by VWR under catalog number 14005976 |
| Micropipette Tip | Fisher Scientific | 212772B | Used for scratching Agar plates |
| Incubator | Binder | 80079098 | Microbiology Incubator,BF Series |
| Shaking Incubator | VWR | 14004300 | VWR Signature Benchtop Shaking Incubators |
| Phosphate Buffer Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P7059 | |
| BD Falcon Express Pipet-Aid Pipetting Device | BD Biosciences | 357590 | Marketed by VWR under catalog number 53106220 |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | Being used to seal Agar plates |
| Urea | Sigma-Aldrich | U1250 | Enrichment for nutrient medium |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S8875 | Enrichment for nutrient medium |
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | Enrichment for nutrient medium |
References
- Gibson, T. An investigation of the Bacillus pasteurii group. Journal of Bacteriology. 28, 491-502 (1934).
- Greenfield, L. J. Metabolism and concentration of calcium and magnesium and precipitation of calcium carbonate by a marine bacterium. Annals of the New York Academy of Sciences. 109, 23-45 (1963).
- Phillips, A. J. Engineered applications of ureolytic biomineralization: a review. Biofouling. 29, 715-733 (2013).
- Dhami, N. K., et al. Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications: a review. Frontiers in microbiology. 4, 314 (2013).
- Cuthbert, M. O., et al. Controls on the rate of ureolysis and the morphology of carbonate precipitated by S. Pasteurii biofilms and limits due to bacterial encapsulation. Ecological Engineering. 41, 32-40 (2012).
- Okwadha, G. D., et al. Optimum conditions for microbial carbonate precipitation. Chemosphere. 81, 1143-1148 (2010).
- Stocks-Fischer, S., et al. Microbiological precipitation of CaCO3. Soil Biology and Biochemistry. 31, 1563-1571 (1999).
- Lauchnor, E. G., et al. Bacterially induced calcium carbonate precipitation and strontium coprecipitation in a porous media flow system. Environmental science & technology. 47, 1557-1564 (2013).
- Al Qabany, A., et al. Factors Affecting Efficiency of Microbially Induced Calcite Precipitation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 138, 992-1001 (2012).
- Morita, R. Y. Calcite precipitation by marine bacteria. Geomicrobiology Journal. 2, 63-82 (2009).
- Chafetz, H. S. Marine peloids: A product of bacterially induced carbonate precipitation. Journal of Sedimentary Petrology. 56, 812-817 (1986).
- Whiffin, V. S. . Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement. , (2004).
- Paassen, L. A., et al. Scale up of BioGrout: a biological ground reinforcement method. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. , 2328-2333 (2009).
- Cunningham, A. B., et al. Microbially enhanced geologic containment of sequestered supercritical CO2. Energy Procedia. 1, 3245-3252 (2009).
- Mitchell, A. C., et al. Biofilm enhanced geologic sequestration of supercritical CO2. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3, 90-99 (2009).
- Cunningham, A. B., et al. Reducing the risk of well bore leakage of CO2 using engineered biomineralization barriers. Energy Procedia. 4, 5178-5185 (2011).
- Jonkers, H. M., et al. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecological Engineering. 36, 230-235 (2010).
- Tobler, D. J., et al. Transport of Sporosarcina pasteurii in sandstone and its significance for subsurface engineering technologies. Applied Geochemistry. 42, 38-44 (2014).
- Mortensen, B. M., et al. Effects of environmental factors on microbial induced calcium carbonate precipitation. Journal of applied microbiology. 111, 338-349 (2011).
- Phillips, A. J., et al. Potential CO2 leakage reduction through biofilm-induced calcium carbonate precipitation. Environmental science & technology. 47, 142-149 (2013).
- vander Heide, P. . X-ray Photoelectron Spectroscopy: An introduction to Principles and Practices. , (2011).
- Wiley, W. R., et al. Requirement of an alkaline pH and ammonia for substrate oxidation by Bacillus pasteurii. Journal of Bacteriology. 84, (1962).
- Tagliaferri, F., et al. Observing strain localisation processes in bio-cemented sand using x-ray imaging. Granular Matter. 13, 247-250 (2011).
- Kumar, A., et al. Microscale confinement features can affect biofilm formation. Microfluidics and Nanofluidics. 14, 895-902 (2012).
- Valiei, A., et al. A web of streamers: biofilm formation in a porous microfluidic device. Lab on a chip. 12, 5133-5137 (2012).
- . LIVE/DEAD Bacterial Viability kit, Two-color bacterial viability assay Available from: https://tools.lifetechnologies.com/content/sfs/manuals/mp07007.pdf (2004)
