Mikrobiologisk induceret Calcit Precipitation medieret af<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
Den særlige bakterie under efterforskning her (S. pasteurii) er enestående i sin evne, under de rette betingelser, for at fremkalde hydrolyse af urea (ureolysis) i naturligt forekommende miljøer gennem sekretion af et enzym urease. Denne proces med ureolysis, via en kæde af kemiske reaktioner, fører til dannelsen af calciumcarbonat præcipitater. Dette er kendt som Mikrobiologisk Induced Calcite Nedbør (MICP). De korrekte kultur protokoller for MICP er beskrevet her. Endelig blev udført visualisering eksperimenter under forskellige former for mikroskopi til at forstå forskellige aspekter af udfældningsprocessen. Teknikker som optisk mikroskopi blev Scanning Electron Microscopy (SEM) og X-Ray Foto-elektron spektroskopi (XPS) ansat til kemisk karakterisere slutproduktet. Endvidere blev evnen af disse præcipitater at tilstoppe porerne inde i en naturlig porøst medium dokumenteres ved en kvalitativ eksperiment, hvor svampbarer blev anvendt til at efterligne en pore-netværk med en række længdeskalaer. En svamp bar dyppet i dyrkningsmediet indeholdende de bakterielle celler hærder på grund af tilstopning af dets porer som følge af den kontinuerlige proces med kemisk fældning. Dette hærdede svamp bar udviser overlegen styrke, når sammenlignet med en kontrol svamp bar, som bliver komprimeret og presset under indvirkning af en påført ekstern belastning, mens den hærdede bar er i stand til at understøtte den samme vægt med lille deformation.
Introduction
Sporosarcina pasteurii er en gram-positiv bakterie i stand til at overleve i stærkt alkaliske miljøer (pH ~ 10) 1 og er en af de bakterielle arter, der kan blive en agens af et fænomen kaldet Mikrobiologisk Induced Calcit Precipitation (MICP) 2-4. MICP er en fremgangsmåde, hvor udfældning af calciumcarbonat induceres af visse mikrober under egnede miljøbetingelser. S. pasteurii har antaget betydning i de seneste år på grund af sin identifikation som et muligt middel til at fremkalde betydelige mængder af MICP under visse betingelser. Denne mulighed skyldes, at S. pasteurii har den unikke evne til at udskille rigelige mængder af enzymet urease. Dette enzym fungerer som en katalysator, som fremmer en fremskyndet lysis af urinstof (et naturligt forekommende biokemisk forbindelse med udbredt og rigelig forsyning) i nærvær af vandmolekyler. Gennem en kaskade af reaktioner, denne proces ultimatively fører til generering af negativt ladede carbonationer. Disse ioner, til gengæld reagerer med positive metalioner såsom calcium til endelig danner præcipitater af calciumcarbonat (calcit); dermed etiketten MICP 5-9.
Processen med MICP har været kendt og undersøgt i flere årtier 10,11. I de seneste år har MICP blevet undersøgt for en bred vifte af teknik og miljø applikationer, herunder bottom-up grønt byggeri 12, forbedring af store strukturer 13,14 og kulstofbinding og opbevaring 15,16.
F.eks Cunnigham 17 et. al designet en højtryks- moderat temperatur flow reaktor indeholdende en Berea sandsten kerne. Reaktoren blev podet med bakterier S. fridgidimarina og under betingelser med højt tryk superkritisk carbondioxid injektion, en massiv akkumulering af biomasse inde i pore volmængderne, blev observeret, hvilket førte til mere end 95% reduktion i permeabilitet. Jonkers og Schlangen 18 undersøgte effekten af visse særlige stammer af bakterier på selvhelende proces i beton. Ekstern vand transporteres ind porenetværket ind gennem overfladeporerne forventes at aktivere de hvilende bakterier, som igen hjælper strukturel styrke via MICP. Tobler 19 et al. har sammenlignet ureolytiska aktivitet af S. pasteurii med en indfødt grundvand ureolytiska mikrokosmos under forhold favoriserer store MCIP og fandt, at S. pasteurii har en konsekvent evne til at forbedre calcit nedbør, selv når de oprindelige samfund manglede forudgående urease aktivitet. Mortensen 20 et.al har studeret virkningerne af eksterne faktorer som jordtype, koncentration af ammoniumchlorid, saltholdighed, oxygenkoncentration og lysis af celler på MICP. Deres demonstration, at den biologiske behandlingsproces er meget robust med hhvect til en bred variation i parameter rummet underbygger egnethed denne proces for forskellige store oprydning applikationer forudsat en ordentlig berigningsproces at styrke bakterier foretages. Phillips 21 et. al designet eksperimenter for at studere ændringerne i permeabiliteten og styrken af en sand-søjle og en sandsten kerne efter at være blevet injiceret med S. pasteurii kulturer. De fandt, at mens permeabiliteten faldt 2 – 4 gange, mens brudstyrken forøget tre gange.
S. pasteurii og dens rolle i MICP er emner af aktiv forskning og flere spørgsmål i forbindelse med mekanismen for kemisk fældning stadig ikke fuldt forstået. I lyset af dette, er det meget vigtigt at have et sæt af sammenhængende standardiserede protokoller til præcist kultur en passende beriget bestand af S. pasteurii at opnå MICP. Her vil vi skitsere en streng protokol, som vil sikre repeterbarhed og reproducerbarhed. Denne manuscript beskriver de detaljerede protokoller til dyrkning S. pasteurii og passende berigelse dyrkningsmediet for at inducere udfældning. Processen undersøgt gennem forskellige mikroskopiske teknikker, såsom optiske og scanningselektronmikroskopi (SEM) og X-Ray Foto-elektron spektroskopi (XPS). Fokus i manuskriptet er på processen med MICP. Procedurer som SEM og SIMS, idet veletablerede standard protokoller, er ikke beskrevet separat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin: Dette håndskrift beskriver i detaljer, protokollerne til dyrkning af en levedygtig prøve af S. pasteurii. Når kulturen er blevet klargjort, skal den passende berigelse. Dette er et vigtigt skridt afgørende for succes af forsøget, fordi en manglende den korrekte kemiske miljø fører til enten meget lange tidsskalaer for nedbør eller et komplet mangel på samme. S. pasteurii er ganske følsom over for flere eksterne bureauer og skal dyrkes med en høj grad af omhu o…
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)
