Bepaling van de snelheid van afwikkeling van klei/cyanobacteriën Floccules
Summary
De interactie en sedimentatie van klei en bacteriële cellen binnen de mariene realm, waargenomen in de natuurlijke milieus, kunnen het beste worden onderzocht in een gecontroleerde testomgeving. Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol, dat een nieuwe methode voor het meten van de snelheid van sedimentatie van klei en cyanobacteriën floccules schetst.
Abstract
De mechanismen die de afzetting van fijnkorrelig, zijn organisch rijk sediment nog steeds grotendeels besproken. De gevolgen van de interactie van klei-deeltjes met reactief, planktonische cyanobacteriën cellen aan de sedimentaire record wordt in het bijzonder onder bestudeerd. Deze interactie is een potentieel grote bijdrage aan leisteen energetisch modellen. In een lab-omgeving, kunnen de flocculatie en sedimentatie tarieven van deze materialen worden onderzocht en gemeten in een gecontroleerde omgeving. Hier, detail we een protocol voor het meten van de snelheid sedimentatie van cyanobacteriën/klei mengsels. Deze methodologie wordt aangetoond door de beschrijving van twee monster experimenten: de eerste maakt gebruik van kaolien (een gedehydrateerde vorm van kaoliniet) en Synechococcus sp. PCC 7002 (een mariene coccoid cyanobacteriën), en de tweede gebruikt Kaolien en Synechocystis sp. PCC 6803 (een zoetwater coccoid cyanobacteriën). Cyanobacteriën culturen worden vermengd met wisselende hoeveelheden van klei in een speciaal ontworpen tank apparaat geoptimaliseerd zodat continue, real-time video en fotografische opname. De bemonsteringsprocedures zijn gedetailleerd en een post collectie protocol voor nauwkeurige meting van chlorofyl een waaruit de concentratie van cyanobacteriën cellen resterende in suspensie kan worden bepaald. Door middel van experimentele replicatie, is een profiel opgebouwd waarin sedimentatie tarief.
Introduction
Met behulp van huidige milieuomstandigheden en processen om te concluderen uit het verleden energetisch mechanismen is al lang een onderbouwing van de sedimentologie. Terwijl moderne energetisch analogen, zoals de Zwarte Zee, hebben gebruikt om te begrijpen van de afzetting van organische-rijke, fijnmazig deposito’s, hebben laboratoriumexperimenten het potentieel om te werpen nieuw licht op de oorsprong van leisteen deposito’s. Een gebied van onderzoek in de ontstaansgeschiedenis van zwarte leisteen is het mechanisme van oorspronkelijke formatie en afzetting tarief. Traditioneel, heeft zijn veronderstelde dat zwarte leisteen gevormd in omgevingen waar de snelheid sedimentatie, primaire productiviteit en organisch materiaal ademhaling tarieven het promoten van het behoud van organisch materiaal in het sediment,1,2 ,3. Echter, de rol van cyanobacteriën en klei flocculatie grotendeels ondoordachte is gebleven. Dit mechanisme van flocculatie zou voor het snelle aanbrengen van organische-rijke, fijnmazig sedimenten optreden, en doet niet vergen laag-zuurstof. Gezien dit uitgangspunt, dit protocol heeft twee doelen: 1) het meten van de snelheid sedimentatie van cyanobacteriën/klei floccules, en 2) het visualiseren van het proces van de sedimentatie in real-time. Deze methodiek, naast geochemische analyse, is gebruikt om aan te tonen dat cyanobacteriën/klei flocculatie kan in feite worden een belangrijk mechanisme voor shale formatie1. Hoewel oorspronkelijk bedoeld voor de modellering van leisteen depositie, is deze methode van toepassing op andere vakgebieden zoals biologie en milieu sanering waar de invloed van klei input op bacteriële metabolisme en de bevolking moet worden gemeten.
Talrijke studies zijn uitgevoerd om te zien hoe de flocculatie van cyanobacteriën en klei, voor het beperken van schadelijke algenbloei2,3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 1 2. echter tijdens het meten van cel concentratie na verloop van tijd, deze studies niet op hebt toegepast cyanobacteriën/klei flocculatie modellering van de afzetting van de rock-record. Deze studies niet als zodanig een visuele component, die cruciaal worden kan wanneer modellering verleden sedimentologische processen. Bovendien, de meerderheid van de studies maken gebruik van cel-tellen (bijvoorbeeld Pan et al.. 11), die moeizaam kunnen zijn. Onze methode, met de recente vooruitgang in meten cyanobacteriën flocculatie, bepaalt de veranderingen in de concentratie van cyanobacteriën cel door het meten van chlorofyl een (Chl een) met discrete tijdsintervallen. Chl een meting met visuele gegevens koppelen is een nieuwe benadering, die kan worden gebruikt voor het afleiden van energetisch voorwaarden. De beelden die gegenereerd kunnen ook worden gebruikt voor de berekening van sedimentatie tarief na het werk van Du et al.. 13. de combinatie van visuele en numerieke gegevens versterkt de betrouwbaarheid van de resultaten. Voorts schetsen wij aanvullende protocollen waardoor de bezinking van dode biomassa en klei ook worden waargenomen. Dit is belangrijk bij het overwegen van verleden sedimentologische omgevingen, waar levende en dode biomassa mede mogelijk hebben voorgedaan. Verschillen in het gedrag van dode biomassa tijdens de flocculatie (bijvoorbeeld flocculatie tarief afname) potentieel sedimentologische gevolgen zou hebben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flocculatie gekatalyseerd door cyanobacteriën cel-klei interactie heeft aangetrokken veel van belang op het gebied van ecologie en engineering2,3,4,5,6,7 ,8,9,10,11,<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen dankbaar financiering uit de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (05448, 165831 en 213411).
Materials
| cyanobacteria (in this study: Synechococcus sp. PCC 7002 and Synechocystis sp. PCC 6803) | Pasteur Culture Collection | PCC 7002 or PCC 6803 | used to inoculate the plates |
| agar | Thermo Scientific | CM0003 | used to fill two petri dishes |
| Petri plates (standard bacteriology, 100 x 15 mm) | Sarstedt | 82.1473.001 | 2 required |
| 1 L heat resistant Erlenmeyer flask | Pyrex | 4980-125 | 1 required |
| 250 mL heat resistant Erlenmeyer flask | Pyrex | 4980-250 | 1 required |
| Nichrome inoculating loop with handle | Fisher Scientific | 14-956-103 | 1 required |
| tinfoil | Reynolds Wrap Aluminum Foil | 89079-067 | 50 cm required; used to cover foam stopper and neck of erlenmeyer flasks |
| growth media (e.g. A+) | 1050 mL required; produced using composition described in tables 1-4 | ||
| Bunsen Burner | Fisher Scientific | S95941 | 1 required |
| plastic tubing | Fisher Scientific | S504591 | 1 m required; used to create the bubbling apparatus |
| sponge stopper | Jaece Industries Inc | 14-127-40E | 1 required; hole made in center for pipette; used for constructin the bubbling apparatus |
| acrylic sheet | Home Depot | Optix clear acrylic sheet model # MC-102S | 1 required; used to construct acrylic tank (20 x 30 x 5.1 cm) |
| clear waterproof silicone adhesive | Home Depot | Loctite clear silicone model # 908570 | 1 required; used to construct acrylic tank (20 x 30 x 5.1 cm) |
| camera or video recorder | Panasonic | HC-V770 HD camcorder | 1 required |
| tripod | Magnus | VT-300 | 1 required |
| black cloth | primomart | EAN 0726670162199; Part number 680254blacknappedfr | 1 required; duvetyne light block-out cloth; approximatly 152 x 213 cm to cover tank experiment |
| heat resistant serological pipet | corning incorporated C708510 | 13-671-101G | 1 required; used to create the bubbling apparatus |
| sample vials | Dynalon | S30467 | at least 12 (will vary with time interval chosen) |
| heat resistant glass pipette | Fisher Scientific | Corning Incorporated C708510, 13-671-101G | 1 required; used to create the bubbling apparatus; Polystyrene serological pipet would also work, but should be connected to the tubing and stopper after the rest of the apparatus is autoclaved. |
| microcentrifuge | Eppendorf | 22 62 120-3 | 1 required;Comparable products may be used if capable of centrifuging 1.5 -2 mL microfuge tubes at 13,000 x g |
| vortex machine (Vortex-Genie 2) | Scientific Industries, Inc | SI-0236 | 1 required |
| 100% methanol | Fisher Scientific | A412-500 SDS | at least 12 mL (1mL per sample) required; Caution: Flammable, toxic. Wear gloves and safety glasses. Do not use or store near ignition source. Alternate sources may be used. |
| cuvettes (1.6 mL, polystyrene) | Sarstedt | 67.742 | at least 12 required |
| spectrophotometer | Fisher Scientific | 222-271600 | 1 required; Pharmacia Biotech Novaspec ll could also be used. |
| light bulbs | Home Depot | model # 451807; internet #205477895; store SKU #1001061538 | 6-8 bulbs required to provide light for the tank experiments |
| pipette (Pipetman Classic P1000 | Gilson | F123602 | used to collect samples |
| 37 % Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | Caution: Corrosive and toxic. Wear lab coat, safety glasses and acid-resistant gloves while using. Prepared to 4 N before use by dilution into deionized water in a chemical fumehood. |
| Foam stopper (small) | Canlab | T 1385 | |
| Foam stopper (large) | Canlab | T 1387 | Requires some intact stoppers and some with a single hole through the centre |
| 30 °C incubator/growth room with continuous illumination | 1 required | ||
| 70 % Ethanol | Fisher Scientific | BP8201500 | 30 mL required;Caution: Toxic and flammable. Wear lab coat and safety glasses |
| hydrophobic air filter (Midisart 2000, 0.2 µm) | Sartorius | 17805 | 1 required |
| clay (e.g. kaolin) | Fisher Scientific | MFCD00062311 | at least 50 g required |
| microfuge tubes (2 mL, polypropylene) | Sarstedt | 72.695.500 | Comparable products may be used. At least 12 (will vary with time interval chosen) |
| 1000 µL pipet tips | Sarstedt | 70.762 | 1 required |
References
- Macquaker, H. S., Keller, M. A., Davies, S. J. Algal blooms and “marine snow”: mechanisms that enhance preservation of organic carbon in ancient fine-grained sediments. J. Sediment. Res. 80, 934-942 (2010).
- Tyson, R. V. Sedimentation rate, dilution, preservation and total organic carbon: some results of a modeling study. Org. Geochem. 32, 333-339 (2001).
- Piper, D. Z., Calvert, S. E. A marine biogeochemical perspective on black shale deposition. Earth-Sci. Rev. 95, 63-96 (2009).
- Sengco, M. R., Li, A. S., Tugend, K., Kulis, D., Anderson, D. M. Removal of red- and brown-tide cells using clay flocculation I. Laboratory culture experiments with Gymnodiniumbreve and Aureococcus anophagefferens. Mar. Ecol. Prog. Ser. 210, 41-53 (2001).
- Guenther, M., Bozelli, R. Factors influencing algae-clay aggregation. Hydrobiologia. 523, 217-223 (2004).
- Archambault, M. -. C., Grant, J., Bricelj, V. M. Removal efficiency of the dinoflagellate Heterocapsa triquetra by phosphatic clay and implications for the mitigation of harmful algal blooms. Mar. Ecol. Prog. Ser. 253, 97-109 (2003).
- Beaulieu, S. E., Sengco, M. R., Anderson, D. M. Using clay to control harmful algal blooms: deposition and resuspension of clay/algal flocs. Harmful Algae. 4, 123-138 (2005).
- de Magalhães, L., Noyma, N., Furtado, L., Mucci, M., van Oosterhout, F., Husza, V., Marinho, M., Lürling, M. Efficacy of coagulants and ballast compounds in removal of cyanobacteria (Microcystis) from water of the tropical lagoon Jacarepaguá (Rio de Janeiro, Brazil). Estuaries and Coasts. 40, 121-133 (2017).
- Li, L., Pan, G. A universal method for flocculating harmful algal blooms in marine and fresh waters using modified sand. Environ. Sci. Tech. 47, 4555-4562 (2013).
- Miranda, M., Noyma, N., Pacheco, F. S., de Magalhães, L., Pinto, E., Santos, S., Soares, M., Huszar, V., Lürling, M., Marinho, M. The efficiency of combined coagulant and ballast to remove harmful cyanobacterial blooms in a tropical shallow system. Harmful Algae. 65, 27-39 (2017).
- Pan, G., Chen, J., Anderson, D. Modified local sands for the mitigation of harmful algal blooms. Harmful Algae. 10, 381-387 (2011).
- Shi, W., Tan, W., Wang, L., Pan, G. Removal of Microcystis aeruginosa using cationic starch modified soils. Water Research. 97, 19-25 (2016).
- Du, J., Pushkarova, R. A., Smart, R. A cryo-SEM study of aggregate and floc structure changes during clay settling and raking processes. Int. J. Miner. Process. 93, 66-72 (2009).
- Stevens, S. E., Porter, R. D. Transformation in Agmenellum quadruplicatum. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 77, 6052-6056 (1980).
- Owttrim, G. W. RNA helicases in cyanobacteria: biochemical and molecular approaches. Methods Enzymol. 511, 385-403 (2012).
- Rippka, R., Deruelles, J., Waterbury, J. B., Herdman, M., Stanier, R. Y. Generic Assignments, Strain Histories and Properties of Pure Cultures of Cyanobacteria. Microbiology. 111, 1-61 (1979).
- Chamot, D., Owttrim, G. W. Regulation of cold shock-induced RNA helicase gene expression in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120. J. Bacteriol. 182, 1251-1256 (2000).
- Sutherland, B. R., Barrett, K. J., Gingras, M. K. Clay settling in fresh and salt water. Environ. Fluid Mech. 15, 147-160 (2014).
- Porra, R. J., Thompson, W. A., Kriedemann, P. E. Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophylls a and b extracted with four different solvents: verification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy. Biochim. Biophys. Acta. 975, 384-394 (1989).
- Liu, Y. X., Alessi, D. S., Owttrim, G. W., Petrash, D. E., Mloszewska, A. M., Lalonde, S. V., Martinez, R. E., Zhou, Q. X., Konhauser, K. O. Cell surface reactivity of Synechococcus sp. PCC 7002: implications for metal sorption from seawater. Geochim. Cosmochim. Acta. 169, 30-44 (2015).
- Playter, T., Konhauser, K., Owttrim, G., Hodgson, C., Warchola, T., Mloszewska, A. M., Sutherland, B., Bekker, A., Zonneveld, J. -. P., Pemberton, S. G., Gingras, M. Microbe-clay interactions as a mechanism for the preservation of organic matter and trace metal biosignatures in black shales. Chem Geol. 459, 75-90 (2017).
- Verspagen, J. M. H., Visser, P. M., Huisman, J. Aggregation with clay causes sedimentation of the buoyant cyanobacteria Microcystis spp. Aquat. Microb. Ecol. 44, 165-174 (2006).
- Avnimelech, Y., Troeger, B. W., Reed, L. W. Mutual flocculation of algae and clay: evidence and implications. Science. 216, 63-65 (1982).
- Chen, L., Men, X., Ma, M., Li, P., Jiao, Q., Lu, S. Polysaccharide release by Aphanothece halophytica inhibits cyanobacteria/clay flocculation. J. Phycol. 46, 417-423 (2010).
- Pan, G., Zhang, M. -. M., Chen, H., Zou, H., Yan, H. Removal of cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils. I. Equilibrium and kinetic screening on the flocculation of Microcystis aeruginosa using commercially available clays and minerals. Environ. Poll. 141, 195-200 (2006).
