Mikrobiologisch Induzierte Calcitausfällung Vermittelt durch<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

Die besondere Bakterium untersuchten hier (S. pasteurii) ist einzigartig in seiner Fähigkeit, unter den richtigen Bedingungen, die Hydrolyse von Harnstoff (Ureolyse) zu induzieren in natürlich Umgebungen durch Sekretion eines Enzyms Urease auftritt. Dieser Prozess der Ureolyse, durch eine Kette von chemischen Reaktionen, führt zur Bildung von Calciumcarbonat ausfällt. Dies wird als Mikrobiologisch Induzierte Calcitausfällung (MICP) bekannt. Die richtigen Kulturprotokolle für MICP werden hier detailliert beschrieben. Schließlich wurden Experimente Visualisierung unter verschiedenen Modi Mikroskopie verschiedene Aspekte des Fällungsverfahren zu verstehen. Techniken wie optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurden die Endprodukt chemisch zu charakterisieren, verwendet. die Fähigkeit dieser Präzipitate weiter auf Poren in einem natürlichen porösen Medium verstopfen wurde, in dem Schwamm durch ein Experiment zeigte, qualitativeStäbe wurden mit einem Porennetzwerk mit einer Reihe von Längenskalen zu imitieren verwendet. Ein Schwamm bar eingetaucht in das Kulturmedium die Bakterienzellen enthält, härtet aufgrund der Verstopfung seiner Poren aus dem kontinuierlichen Verfahren der chemischen Fällung führt. Diese gehärteten Schwamm bar eine überlegene Festigkeit, wenn sie mit einem Steuer sponge bar verglichen, die unter der Wirkung eines aufgebrachten externen Last zusammengedrückt wird und komprimiert, während die ausgehärtete bar in der Lage, das gleiche Gewicht mit wenig Verformung zu unterstützen.

Introduction

Sporosarcina pasteurii ist ein gram-positives Bakterium der Lage , in stark alkalischen Umgebungen (pH ~ 10) ¹ , um zu überleben und ist einer der bakteriellen Spezies , die ein Erreger eines Phänomen kann Mikrobiologisch Induced Calcite Precipitation (MICP) ^2-4 genannt. MICP ist ein Verfahren , bei dem die Ausfällung von Calciumcarbonat durch bestimmte Mikroben unter geeigneten Umweltbedingungen induziert wird. S. pasteurii hat Bedeutung in den letzten Jahren angenommen aufgrund seiner Identifizierung als mögliche Mittel für bedeutende Mengen MICP unter bestimmten Bedingungen zu induzieren. Diese Möglichkeit ergibt sich aus der Tatsache , dass S. pasteurii hat die einzigartige Fähigkeit , reichliche Mengen des Enzyms Urease absondern. Dieses Enzym wirkt als Katalysator, um einen beschleunigten Lyse von Harnstoff (ein natürlich vorkommendes biochemische Verbindung mit der weit verbreiteten und reichliche Versorgung) in Gegenwart von Wassermolekülen zu fördern. Durch eine Kaskade von Reaktionen, diesen Prozess ultimatively führt zur Erzeugung von Carbo negativ geladen. Diese Ionen, die wiederum reagieren mit positiven Metallionen, wie Calcium, um schließlich Niederschläge von Calciumcarbonat (Calcit) bilden; daher die Bezeichnung MICP ^5-9.

Der Prozess des MICP ist seit mehreren Jahrzehnten bekannt und ^10,11 sucht. In den letzten Jahren hat sich MICP für ein breites Spektrum an technischen und umwelttechnische Anwendungen einschließlich Bottom-up – grün Bau ^12, Verstärkung der Großstrukturen ^13,14 und Kohlenstoffbindung und -speicherung ^15,16 sucht worden.

B. et ¹⁷ Cunnigham. al entwickelt, um eine hohe Druck moderate Strömung Reaktortemperatur einen Berea-Sandsteinkern enthält. Der Reaktor wurde mit den Bakterien inokuliert S. fridgidimarina und unter Bedingungen von Hochdruck – superkritischem Kohlendioxid Injektion einer massiven Ansammlung von Biomasse in der Pore volUME wurde beobachtet, die in der Permeabilität zu mehr als 95% Reduktion geführt. ¹⁸ Jonkers und Schlangen untersuchten die Wirkung von bestimmten speziellen Bakterienstämme auf die Selbstheilungsprozess in Beton. Externe Wasser transportiert in das Porennetzwerk durch die Oberflächenporen eintritt, wird erwartet, dass die ruhenden Bakterien zu aktivieren, die wiederum strukturelle Festigkeit über MICP helfen. Tobler ¹⁹ et al. die ureolytischen Aktivität von S. haben im Vergleich pasteurii mit einem einheimischen Grundwasser ureolytischen Mikrokosmos unter Bedingungen groß angelegte MCIP Begünstigung und fand heraus , dass S. pasteurii hat eine konsistente Fähigkeit Calcitausfällung zu verbessern , selbst wenn die indigenen Gemeinschaften vor Urease – Aktivität fehlte. Mortensen ²⁰ et.al haben die Auswirkungen von externen Faktoren wie Bodentyp, Konzentration an Ammoniumchlorid, Salzgehalt, Sauerstoffkonzentration und die Lyse von Zellen auf MICP sucht. Ihre Demonstration, dass die biologische Behandlungsverfahren ist sehr robust bzw.ect zu einer großen Variation im Parameterraum belegt die Eignung dieses Verfahrens für verschiedene Sanierungs Anwendungen in großem Maßstab eine richtige Anreicherungsprozess bereitgestellt, um die Bakterien zu verstärken vorgenommen. Phillips ²¹ et. al ausgelegt Experimente die Änderungen der Durchlässigkeit und Festigkeit einer Sandsäule und ein Sandsteinkern zu studieren , nachdem sie mit S. injiziert wird pasteurii Kulturen. Sie fanden heraus, dass, während die Durchlässigkeit verringert 2-4 mal während die Bruchfestigkeit dreimal erhöht.

S. pasteurii und seine Rolle in MICP sind Themen der aktiven Forschung und mehrere Probleme auf den Mechanismus der chemischen Fällung beziehen , sind noch nicht vollständig verstanden. Vor diesem Hintergrund ist es sehr wichtig , eine Reihe konsistenter standardisierte Protokolle zu haben , um genau Kultur ein entsprechend angereichert Lager von S. pasteurii MICP zu erreichen. Hier beschreiben wir ein strenges Protokoll, das die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit gewährleistet. Diese manuscript beschreibt die detaillierten Protokolle für S. Kultivierung pasteurii und in geeigneter Weise die Kulturmedium bereichern Fällung zu induzieren. Das Verfahren wird durch die verschiedenen mikroskopischen Techniken wie optische und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Der Schwerpunkt des Manuskripts ist auf den Prozess der MICP. Verfahren wie SEM und SIMS, gut etablierte Standardprotokolle sind, werden nicht gesondert beschrieben.

Protocol

HINWEIS: Führen Sie die experimentellen Protokolle in der folgenden Reihenfolge beschrieben. Die Bakterienkultur – Protokoll in Abschnitt 1 (siehe auch Abbildung 1) diskutiert wird. Abschnitt 2 beschreibt das Protokoll zur Anreicherung des Kulturmediums mit externen Additiven. Abschnitt 3 beschreibt die Protokolle für die Multi-Mode-Mikroskopie. Gewichte aller einzelnen Komponenten kann unter Verwendung einer Analysenwaage gemessen werden. Volumen jeder Lösung kann unter Verwendung eines volumetrisch…

Representative Results

S. pasteurii ein alkali 24 sein kann relativ harten Bedingungen überleben. Wenn das oben erwähnte Kulturprotokoll folgt, und S. pasteurii ist innerhalb einer Kammer gezüchtet, die Bakterien führt zur Ausfällung von Calciumcarbonat über die Zeit (2A), Fig . 2 (b) zeigt eine Phasenkontrastlichtmikroskopische Aufnahme der bakteriellen Zellpopulation innerhalb des Kulturmediums. Einzelne Zellen können klar…

Discussion

Kritische Schritte: Dieses Manuskript beschreibt detailliert die Protokolle für die Kultivierung einer tragfähigen Probe von S. pasteurii. Sobald die Kultur bereit gemacht worden ist, muss es in geeigneter Weise angereichert werden. Dies ist ein wichtiger Schritt , entscheidend für den Erfolg des Experiments , weil ein Fehler die richtige chemische Umgebung zu schaffen , führt entweder zu sehr langen Zeitskalen von Ausfällen oder einem vollständigen Fehlen derselben. S. pasteurii…

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