מיקרוביולוגי מושרה קלציט רטיבות בתיווך<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
החיידק המסוים תחת החקירה כאן (pasteurii ס) הוא ייחודי ביכולתו, בתנאים המתאימים, כדי לגרום הידרוליזה של האוריאה (ureolysis) ב טבעי סביבות באמצעות הפרשה של באוראז אנזים. תהליך זה של ureolysis, דרך שרשרת של תגובות כימיות, מוביל להיווצרות של משקעי סידן פחם. תופעה זו ידועה בשם מיקרוביולוגי מושרה קלציט רטיבות (MICP). פרוטוקולי התרבות הראויים MICP מפורטים כאן. לבסוף, ניסויים להדמיה תחת מצבים שונים של מיקרוסקופיה בוצעו להבין היבטים שונים של התהליך המשקע. טכניקות כמו מיקרוסקופיה אופטית, מיקרוסקופית אלקטרונים סורק (SEM) ו- X-Ray תמונה אלקטרונים ספקטרוסקופיה (XPS) הועסקו לאפיין את המוצר הסופי כימית. יתר על כן, היכולת של משקעים אלה כדי לסתום נקבוביים בתוך מדיום נקבובי טבעי הודגמה באמצעות ניסוי איכותי שבו ספוגברים שימשו לחקות נקבובית-רשת עם מגוון של סולמות אורך. בר ספוג טבול מדיום התרבות המכיל תאי חיידקיים מתקשה בשל סתימת הנקבוביות שלה הנובעים התהליך המתמשך של משקעים כימיים. בר ספוג מוקשה זה מפגין כוח עליון בהשוואה ברה ספוג שליטה אשר הופך דחוס ולחץ תחת הפעולה של עומס חיצוני מיושם, ואילו הבר המוקשה הוא מסוגל לתמוך המשקל הזהה עם עיוות קטנה.
Introduction
Sporosarcina pasteurii הוא חיידק חיובי גרם מסוגל לשרוד בסביבות בסיסיות מאוד (pH ~ 10) 1 והוא אחד מיני חיידקים שיכולים להיות סוכן סיבתי של תופעה הנקראת מיקרוביולוגי מושרת קלציט רטיבות (MICP) 2-4. MICP הוא תהליך שבו משקעים של סידן פחמתי הוא המושרה על ידי חיידקים מסוימים בתנאים סביבתיים מתאימים. ס pasteurii מקבלת משנה חשיבות בשנים האחרונות בשל זיהויו כסוכן האפשר גרימת בהיקפים משמעותיים של MICP בתנאים מסוימים. אפשרות זו נובעת מהעובדה ש יש pasteurii את היכולת הייחודית להפריש כמויות עצומות של באוראז האנזים. אנזים זה פועל כזרז, קידום תמוגה מואץ של אוריאה (תרכובת ביוכימית טבעית עם אספקה נרחבת בשפע) בנוכחות של מולקולות מים. דרך מפל של תגובות, תהליך זה אולטימטיביly מוביל לדור של יונים טעונים שלילית קרבונט. יונים אלה, בתורם, מגיב עם יוני מתכת חיוביים כמו הסיד ולבסוף ליצירת משקעים של סידן פחם (קלציט); ומכאן תווית MICP 5-9.
תהליך MICP כבר ידוע ולמד במשך כמה עשורים 10,11. במהלך השנים האחרונות, MICP נחקרה על מגוון רחב של הנדסה ויישומים סביבתיים כולל בנייה ירוקה מלמטה למעלה 12, שיפור של מבנים בקנה מידה גדול 13,14 ו קיבוע פחמן ואחסון 15,16.
לדוגמה, et 17 Cunnigham. אל עצב כור זרימת טמפרטורה מתונה בלחץ גבוה המכיל גרעין חול ברא. הכור היה מחוסן עם החיידקים ס fridgidimarina ובתנאים של הזרקת פחמן דו חמצני סופר קריטי בלחץ גבוה, הצטברות מסיבית של ביומסה בתוך הכרך הנקבוביumes נצפתה, אשר הובילה יותר מ -95% הפחתה חדיר. 18 Jonkers ו Schlangen בחן את ההשפעה של זנים מיוחדים של חיידקים על תהליך ריפוי עצמי בבטון. מים חיצוניים מועברים לרשת הנקבובית נכנסת הדרך הנקבובית השטח צפוי להפעיל את החיידקים הרדומים אשר בתורו לעזור חוזק מבנים באמצעות MICP. טובלר 19 et al. השוו את פעילות ureolytic של ס pasteurii עם מיקרוקוסמוס ureolytic תהום הילידים בתנאים לטובת MCIP בקנה מידה גדול ומצא כי ס יש pasteurii יכולת עקבית כדי לשפר ממטרי קלציט גם כאשר קהילות ילידים חסרות פעילות באוראז מוקדמת. Et.al 20 מורטנסן חקרו את ההשפעות של גורמים חיצוניים כמו סוג הקרקע, ריכוז של אמוניום כלוריד, מליחות, ריכוז חמצן תמוגה של תאים על MICP. ההפגנה שלהם כי תהליך הטיפול הביולוגי הוא מאוד חזק עם שו"תect כדי וריאציה רחבה בחלל פרמטר ממחיש את הכושר של תהליך זה עבור יישומי משיקום בקנה מידה גדולה שונים הניתנים תהליך העשרה ראוי לחזק את החיידקים נעשה. Et 21 פיליפס. אל תוכנן ניסויים כדי ללמוד את השינויים בחדירות וכוח של טור חול גרעין חול לאחר שהוזרק לו ס תרבויות pasteurii. הם גילו כי בעוד חדירות ירד 2 – 4 פעמים ואילו הכוח לשברים שלוש פעמים.
Pasteurii ס ותפקידה MICP הם נושאים של מחקר פעיל וכמה סוגיות הנוגעות למנגנון של משקעים כימיים עדיין אינם מובנים במלואם. לאור זאת, חשוב מאוד להיות קבוצה של פרוטוקולים סטנדרטיים עקביים במדויק תרבות מניה מועשרת נאות ס pasteurii להשיג MICP. כאן, אנו מתארים פרוטוקול קפדני שיבטיח דירות ויכולת שחזור. ma זהnuscript מתאר את הפרוטוקולים המפורטים culturing ס pasteurii ובאופן הולם להעשיר את המדיום תרבות להשרות משקעים. התהליך הוא נחקר באמצעות טכניקות מיקרוסקופיות שונות כגון מיקרוסקופי אלקטרונים אופטיים סורק (SEM) ו- X-Ray תמונת אלקטרוני ספקטרוסקופיה (XPS). ההתמקדות של כתב היד היא על התהליך של MICP. נהלים כמו SEM ו SIMS, להיות פרוטוקולים סטנדרטיים ומבוססים, אינם מתוארים בנפרד.
Protocol
Representative Results
Discussion
קריטי שלבים: כתב יד זה מתאר בפירוט את הפרוטוקולים עבור culturing מדגם קיימא של ס pasteurii. לאחר בתרבות כבר הכינה, זה חייב להיות מועשר כראוי. זהו צעד מפתח חיוני להצלחת הניסוי בגלל חוסר היכולת לספק את הסביבה הכימית הנכונה מוביל או קשקשי זמן רבים מאוד של משקעים או ח?…
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)
