Caratterizzazione di trasporto dell'elettrone attraverso biofilm vivente

Summary

Un protocollo per la misurazione di conduttività elettrica di biofilm microbici viventi in condizioni fisiologicamente rilevanti è presentato.

Abstract

Qui dimostriamo che il metodo di gating elettrochimico utilizzato per caratterizzare la conduttività elettrica di biofilm microbici elettrodo-coltivate in condizioni fisiologicamente rilevanti. ¹ queste misurazioni vengono eseguite su biofilm vivente in mezzo acquoso utilizzando origine e scarico elettrodi modellati su una superficie di vetro in una configurazione specializzata indicata come un array di elettrodi interdigitating (IDA). Un biofilm è coltivato che si estende attraverso il gap che collega la fonte e scolo. I potenziali sono applicati agli elettrodi (E_S ed E_D) generando una corrente di fonte-scarico (I_SD) attraverso il biofilm tra gli elettrodi. La dipendenza della conducibilità elettrica sul potenziale del cancello (la media delle potenzialità di source e drain, E_G = [E_D + E_S] / 2) è determinata sistematicamente cambiando il cancello potenziale e misurando il conseguente drenaggio di origine corrente. La dipendenza della conducibilità sul cancello potenziale fornisce meccanicistici informazioni sul processo di trasporto extracellulare dell’elettrone sottostante la conduttività elettrica del biofilm specifico sotto inchiesta. Il metodo di misurazione gating elettrochimico qui descritto si basa direttamente su quello utilizzato dal M. S. Wrighton^2,3 e colleghi e R. W. Murray^4,5,6 e colleghi in il 1980 è indagare su polimeri conduttivi a film sottile.

Introduction

Extracellulare di trasporto dell’elettrone (EET) è un processo che consente alcuni microrganismi per il trasporto di elettroni tra processi metabolici intracellulari e insolubile accettori o donatori che risiedono all’esterno della cella, che vanno da minerali naturali per elettrodi. In alcuni casi, EET consente microrganismi formare elettricamente conduttivo della multi-cellula spesse biofilm su superfici di elettrodo, in cui le cellule non a diretto contatto con l’elettrodo possono utilizzare ancora come un ricettore dell’elettrone metabolica o donatore. C’è un notevole interesse in tali biofilm come catalizzatori di elettrodo per varie applicazioni, come elettrosintesi microbica, rilevamento/rimozione di contaminanti e generazione di energia a distanza e stoccaggio,^{7,8,9 ,10,11,12,13,14} a causa della diversità dei processi metabolici, eseguita da microrganismi e la durevolezza di biofilm microbici rispetto a base di enzima bioelettrodi. ^{15 , 16} inoltre, EET vie possono potenzialmente essere utilizzate per modifiche elettricamente controllo o segnale di naturali o geneticamente microbici processi metabolici coinvolti, ad esempio, nella produzione di un prodotto desiderato o rilevamento di un analita o stimolo. La conduttività elettrica di elettrocatalitica biofilm, che li distingue da altri materiali biologici, è un aspetto centrale della loro proprietà elettrocatalitiche, ancora poco è capito circa il processo di EET fondo nell’ambiente dell’elettrodo, e ciò che è noto è fortemente contestata. ^{17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24}

Qui descritto è un metodo di 2 elettrodi per misurare la conducibilità attraverso biofilm living, elettrodo-coltivate utilizzando matrici interdigitating elettrodo (IDAs). IDAs consistono di elettrodi rettangolari paralleli modellati sulla superficie di vetro piano in modo tale che ogni altra band è collegata ai lati opposti della matrice risultante in 2 elettrodi (la fonte e scolo). L’esame attento di una IDA (Vedi ad esempio, la figura 6.12b di ref #1) rivela che il divario che separa le bande adiacenti è anche collegati in modo tale da formare un singolo spacco che intreccia avanti e indietro attraverso la matrice che separa i due elettrodi. Il risultato è un lungo e stretto che separa gli elettrodi di source e drain, ottenendo molto alta fonte-scarico correnti quando un materiale conduttivo è formato, il cast, polimerizzato o cresciuto (nel caso del tipo di biofilm considerato qui) la matrice. Inoltre, le piccole dimensioni degli elettrodi si traduce in piccolo sfondo corrente a causa della capacità di carica e di cambiare in stato di ossidazione del materiale conduttivo con cambio a cancello potenziale, poiché la quantità di materiale necessario per rendere la conducibilità le misurazioni con IDAs sono così piccole. La tecnica di base di IDA gating elettrochimico descritto qui, sviluppato per caratterizzare i polimeri conduttivi a film sottile,^2,3,4,25 solo recentemente è stata applicata ai sistemi viventi. ¹⁸ un’altra tecnica utilizzata per misurare la conducibilità dei biofilm vivente utilizzato un grande formato split elettrodi di source e drain e metri di origine per impostare la porta potenziali. ^{26 , 27} tuttavia, preoccupazioni per questi metodi sono state dettagliate in precedenza. ¹⁸

Incapsula il protocollo qui sotto la nostra esperienza con effettuare accurate misure di conduttività del vivere biofilm MCL Geobacter sulfurreducens e biocathode. G. sulfurreducens è un elettrodo di modello riducendo l’organismo in grado di utilizzare materiali insolubili, compresi gli elettrodi, come il ricettore dell’elettrone metabolica suola. Inoltre, forma biofilm spesse che sono in grado di trasportare elettroni su più celle di lunghezza, che lo rende un organismo modello ideale per studiare il trasferimento di elettroni a distanza extracellulare anodica. Includiamo anche dettagli per lo studio della biocathode MCL, un biofilm aerobica, autotrofi comunità mista isolato dal catodo di una cella a combustibile microbica bentonico. Biocathode MCL (così chiamato per i tre costituenti primari – Marinobacter, Chromatiaceaea e Labrenzia) è in grado di ossidanti un elettrodo come suo unico elettrone donatore e trasporto di elettroni su più celle di lunghezza, rendendo ha un interessante sistema di catodico per studiare. Inoltre, biocathode MCL ha la più alta conducibilità segnalata per un sistema vivente fino ad oggi utilizzando questi metodi. L’inclusione di questi biofilm elettroattivi diversificata in questo protocollo è destinato per evidenziare che questa tecnica è applicabile al trasporto di elettroni attraverso qualsiasi biofilm vivente in grado di interagire elettricamente con elettrodi di misura.

Protocol

1. preparazione di interdigitating microelettrodo matrice (IDA) Ottenere IDA commercialmente disponibile elettrodi modellati su un substrato non conduttivo o sintetizzarli utilizzando metodi standard litografici. 28Nota: IDA dimensioni e/o materiali possono essere variate sulla base desiderate condizioni per diversi esperimenti. IDAs qui utilizzati sono stati ottenuti in commercio e consisteva di due interdigitating microelettrodo oro modellato su un substrato di vetro collegato ad e…

Representative Results

IDAs erano cablata, isolate e testate per garantire che i due elettrodi erano elettricamente isolati da altro (Figura 1). Reattori sono stati assemblati, inoculati con g. sulfurreducense incubate fino a quando un biofilm colmato il divario tra gli elettrodi. Il biofilm di g. sulfurreducens può essere visto visivamente per coprire la matrice. Altri biofilm possono richiedere al ricercatore di fare un gating misure elettrochimiche per vedere …

Discussion

Durante l’installazione di IDA, è fondamentale per verificare che l’origine e lo scarico non sono corto insieme prima misure elettrochimiche di Gate, come questo altererà I_SD vs curva E_G e potrebbe portare a interpretazioni e risultati errati. È anche fondamentale per selezionare V_SD e v tale che la corrente è linearmente dipendente da V_SD e indipendente di v. Se questo non è il caso, le equazioni descritte sopra non possono essere utilizzate per calcolare la conduttività…

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