Karakterisering van elektronentransport via levende Biofilms
Summary
Een protocol voor het meten van de elektrische geleiding van levende micro-organismen biofilms fysiologisch relevante voorwaarden wordt gepresenteerd.
Abstract
Hier tonen we de methode van elektrochemische gating gebruikt voor het karakteriseren van de elektrische geleiding van microbiële biofilms elektrode-gegroeid fysiologisch relevante omstandigheden. 1 deze metingen worden uitgevoerd op levende biofilms in waterig medium met behulp van bron en afvoer van elektroden patroon op een glazen oppervlak in een gespecialiseerde configuratie genoemd een interdigitated elektrodenserie (IDA). Een biofilm is gegroeid dat zich uitstrekt over de kloof tussen de bron en de afvoer. Potentieel worden toegepast op de elektroden (E,S en ED) het genereren van een bron-afvoer-stroom (ISD) door de biofilm tussen de elektroden. De afhankelijkheid van de elektrische geleidbaarheid op poort potentieel (het gemiddelde van de bron- en afvoer potentiëlen, EG = [E,D + ES] / 2) wordt bepaald door systematisch de potentiële poort wijzigen en het meten van de resulterende bron-afvoer huidige. De afhankelijkheid van geleidbaarheid op poort potentiële informatie mechanistische over het proces van de extracellulaire elektronentransport ten grondslag liggen aan de elektrische geleidbaarheid van de specifieke biofilm onderzochte. De elektrochemische gating meting hier beschreven methode is gebaseerd daarover rechtstreeks gebruikt door M. S. Wrighton2,3 , collega’s en collega’s en R. W. Murray4,5,6 de 1980 is te onderzoeken van dunne film geleidende polymeren.
Introduction
Extracellulaire elektronentransport (EET) is een proces waarmee bepaalde micro-organismen voor het vervoer van elektronen tussen intracellulaire metabole processen en onoplosbare elektronen acceptoren of donoren die zich buiten de cel bevinden, variërend van natuurlijke mineralen aan elektroden. In sommige gevallen kan EET micro-organismen te vormen van elektrisch geleidende meerdere cellen dikke biofilms op elektrode oppervlakken, waarin cellen niet in direct contact met de elektrode nog steeds als een metabole elektron acceptor of donor gebruiken kunnen. Er is aanzienlijke interesse in dergelijke biofilms als elektrode katalysatoren voor diverse toepassingen, zoals microbiële electrosynthesis, verontreiniging sensing/verwijdering, en externe energie-opwekking en opslag,7,,8,9 ,10,11,12,13,14 als gevolg van de diversiteit van de metabole processen uitgevoerd door micro-organismen en de duurzaamheid van de microbiële biofilms vergeleken naar enzym gebaseerde bioelectrodes. 15 , 16 bovendien EET trajecten potentieel kunnen worden gebruikt om elektrisch besturingselement of signaal veranderingen in de natuur voorkomende of genetisch gemanipuleerde microbiële stofwisselingsprocessen betrokken, bijvoorbeeld bij de productie van een gewenste product of de detectie van een doelanalyt of stimulans. De elektrische geleiding van electrocatalytic biofilms, die hen onderscheidt van andere biologische materialen, is een centraal aspect van de eigenschappen van hun electrocatalytic, maar toch weinig wordt begrepen over het onderliggende proces EET in de omgeving van de elektrode, en die heet wordt sterk betwist. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
Hier beschreven is een 2-electrode-methode voor het meten van de geleidbaarheid door middel van levende, elektrode-gegroeid biofilms met behulp van interdigitated elektrode arrays (IDAs). IDAs bestaan van parallelle rechthoekige elektroden patroon op plat glazen oppervlak, zodat elke andere band is verbonden aan weerszijden van de matrix als gevolg in 2 elektroden (de bron- en afvoer). Zorgvuldig onderzoek van een IDA blijkt (zie bijvoorbeeld figuur 6.12b van ref #1) dat de lacunes scheiden van aangrenzende banden ook zijn verbonden in een zodanige vorm een enkele kloof die weeft heen en weer over de serie scheiden van de twee elektroden. Het resultaat is een lange en smalle kloof scheiden van de bron- en afvoer elektroden, zeer hoge bron-afvoer stromingen oplevert wanneer een geleidend materiaal is gevormd, gegoten, polymeervorm of gegroeid (in het geval van het type van biofilms beschouwd als hier) in de matrix. Bovendien, resulteert de geringe omvang van de elektroden in kleine achtergrond huidige vanwege het opladen van de capaciteit en veranderen in oxidatiegetal van de geleidend materiaal met verandering in poort potentieel, aangezien de hoeveelheid materiaal die nodig zijn voor het maken van de geleidbaarheid metingen met behulp van IDAs is zo klein. De techniek van het IDA-gebaseerde elektrochemische gating hier beschreven, ontwikkeld voor het karakteriseren van dunne film geleidende polymeren,2,3,4,25 is pas onlangs toegepast op levende systemen. 18 een andere techniek die gebruikt wordt voor het meten van de geleidbaarheid van levende biofilms gebruikt een grootformaat split bron- en afvoer elektroden en bron meter potentiële instellen van de poort. 26 , 27 echter bezorgdheid over deze methoden hebben zijn gedetailleerd eerder. 18
Het protocol hieronder kapselt onze ervaring met het maken van de geleidbaarheid metingen van levende Geobacter sulfurreducens en biocathode MCL biofilms. G. sulfurreducens is een model elektrode vermindering van organisme kundig voor toepassing van onoplosbare materialen, met inbegrip van elektroden, als de enige metabole elektron acceptor. Bovendien vormt het dikke biofilms die kunnen elektronen vervoeren over meerdere lengtes van de cel, waardoor het een ideaal model-organisme om te studeren anodic interlokale extracellulaire elektron overdracht. Wij omvatten ook de details voor de studie van biocathode MCL, een aërobe, autotrofe gemengde Gemeenschap biofilm geïsoleerd van de kathode van een benthische microbiële brandstofcel. Biocathode MCL (genoemd naar de drie primaire onderdelen- Marinobacter, Chromatiaceaea pt Labrenzia) is geschikt voor een elektrode als haar enige elektrondonor oxiderende en vervoer van elektronen over meerdere lengtes van de cel, waardoor het een interessant kathodische systeem te bestuderen. Bovendien heeft biocathode MCL de hoogste gerapporteerde geleidbaarheid voor een levend systeem tot op heden gebruik van deze methoden. De opneming van deze uiteenlopende electroactive biofilms in dit protocol is bedoeld om te benadrukken dat deze techniek geldt voor het meten van het vervoer van elektronen door een levende biofilm kunnen elektrisch werken met elektroden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tijdens de installatie van de IDA is het essentieel om te testen dat de bron en de afvoer niet samen vóór elektrochemische gating metingen, kortgesloten worden zoals dit zal veranderen de ikSD vs. EG curve en tot onjuiste resultaten en interpretaties leiden kan. Het is ook cruciaal om te selecteren VSD en v zodanig zijn dat de huidige lineair afhankelijk VSD en onafhankelijk zijn van v. Als dit niet het geval, dan is de vergelijkingen hierboven beschreven kunnen niet worden g…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y, S.M.G-S. en LMT erkennen de Office of Naval Research (Award #N0001415WX01038 en N0001415WX00195), de Naval Research Laboratory en het Naval Research Laboratory nanowetenschappen Institute; M.Y.E.-N. wordt ondersteund door het VS departement van energie Grant DE-FG02-13ER16415.
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 |
Referências
- Boyd, D. A., et al. . Biofilms in Bioelectrochemical Systems. , 177-210 (2015).
- Natan, M. J., Wrighton, M. S. Chemically modified microelectrode arrays. Prog Inorg Chem. 7, 391-494 (1990).
- Paul, E. W., Ricco, A. J., Wrighton, M. S. Resistance of polyaniline films as a function of electrochemical potential and the fabrication of polyaniline-based microelectronic devices. J Phys Chem-US. 89, 1441-1447 (1985).
- Dalton, E. F., et al. Charge transport in electroactive polymers consisting of fixed molecular redox sites. Chem Phys. 141, 143-157 (1990).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Electroactive Polymers and Macromolecular Electronics. Science. 231, 25-31 (1986).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Redox capacity and direct current electron conductivity in electroactive materials. J Phys Chem-US. 90, 1479-1484 (1986).
- Gregoire, K. P., Glaven, S. M., Hervey, J., Lin, B., Tender, L. M. Enrichment of a High-Current Density Denitrifying Microbial Biocathode. J Electrochem Soc. 161, H3049-H3057 (2014).
- Siegert, M., Yates, M. D., Spormann, A. M., Logan, B. E. Methanobacterium dominates biocathodic Archaeal communities in methanogenic microbial electrolysis cells. ACS Sus Chem Eng. 3, 1668-1676 (2015).
- Wang, Z., et al. A previously uncharacterized, nonphotosynthetic member of the Chromatiaceae is the primary CO2-fixing constituent in a self-regenerating biocathode. Appl Environ Microbiol. 81, 699-712 (2015).
- Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., May, H. D. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environ Sci Technol. 47, 6023-6029 (2013).
- Strik, D. P. B. T. B., Picot, M., Buisman, C. J. N., Barrière, F. pH and Temperature Determine Performance of Oxygen Reducing Biocathodes. Electroanalysis. 25, 652-655 (2013).
- Strycharz, S. M., et al. Reductive dechlorination of 2-chlorophenol by Anaeromyxobacter dehalogenans with an electrode serving as the electron donor. Environ Microbiol Report. 2, 289-294 (2010).
- Yates, M. D., et al. Microbial Electrochemical Energy Storage and Recovery in a Combined Electrotrophic and Electrogenic Biofilm. Environ Sci Technol Lett. 4, 374-379 (2017).
- Tender, L. M., et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nature Biotechnology. 20, 821-825 (2002).
- Yates, M. D., Siegert, M., Logan, B. E. Hydrogen evolution catalyzed by viable and non-viable cells on biocathodes. Int J Hydrogen Energ. 39, 16841-16851 (2014).
- Fokina, O., Eipper, J., Winandy, L., Kerzenmacher, S., Fischer, R. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus. Bioresource Technol. 175, 445-453 (2015).
- Yates, M. D., et al. Thermally activated long range electron transport in living biofilms. Phys Chem Chem Phys. 17, 32564-32570 (2015).
- Yates, M. D., et al. Measuring conductivity of living Geobacter sulfurreducens biofilms. Nat Nano. 11, 910-913 (2016).
- Snider, R. M., Strycharz-Glaven, S. M., Tsoi, S. D., Erickson, J. S., Tender, L. M. Long-range electron transport in Geobacter sulfurreducens biofilms is redox gradient-driven. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 15467-15472 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., Tender, L. M. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energ Environ Sci. 4, 4366-4379 (2011).
- Malvankar, N. S., Tuominen, M. T., Lovley, D. R. Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms” by S. M. Strycharz-Glaven, R. M. Snider, A. Guiseppi-Elie and L. M. Tender, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4366. Energy Environ. Sci. 5, 6247-6249 (2012).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nanotechnol. 6, 573-579 (2011).
- Strycharz-Glaven, S. M., Tender, L. M. Reply to the ‘Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms”‘ by N. S. Malvankar, M. T. Tuominen and D. R. Lovley, Energy Environ. Sci., 2012, 5. Energy Environ. Sci. 5, 6250-6255 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., et al. Electron Transport through Early Exponential-Phase Anode-Grown Geobacter sulfurreducens Biofilms. Chem Electro Chem. 1, 1957-1965 (2014).
- Chidsey, C. E., Feldman, B. J., Lundgren, C., Murray, R. W. Micrometer-spaced platinum interdigitated array electrode: fabrication, theory, and initial use. Anal Chem. 58, 601-607 (1986).
- Li, C., Lesnik, K. L., Fan, Y., Liu, H. Redox Conductivity of Current-Producing Mixed Species Biofilms. PLOS ONE. 11, e0155247 (2016).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nano. 6, 573-579 (2011).
- Ing, N. L., Nusca, T. D., Hochbaum, A. I. Geobacter sulfurreducens pili support ohmic electronic conduction in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys. 19, 21791-21799 (2017).
- Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells. Energ Environ Sci. 1, 144-147 (2008).
- Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms. Appl Environ Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).
- Kankare, J., Kupila, E. -. L. In-situ conductance measurement during electropolymerization. J Electroanal Chem. 322, 167-181 (1992).
- Byun, H. S., Pirbadian, S., Nakano, A., Shi, L., El-Naggar, M. Y. Kinetic Monte Carlo Simulations and Molecular Conductance Measurements of the Bacterial Decaheme Cytochrome MtrF. Chem Electro Chem. 1, 1932-1939 (2014).
- El Kasmi, A., Wallace, J. M., Bowden, E. F., Binet, S. M., Linderman, R. J. Controlling interfacial electron-transfer kinetics of cytochrome c with mixed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 120, 225-226 (1998).
- Bortolotti, C. A., et al. The Reorganization Energy in Cytochrome c is Controlled by the Accessibility of the Heme to the Solvent. J Phys Chem Lett. 2, 1761-1765 (2011).
- Gallaway, J. W., Calabrese Barton, S. A. Kinetics of Redox Polymer-Mediated Enzyme Electrodes. J Am Chem Soc. 130, 8527-8536 (2008).
- Thackeray, J. W., White, H. S., Wrighton, M. S. Poly(3-methylthiophene)-coated electrodes: optical and electrical properties as a function of redox potential and amplification of electrical and chemical signals using poly(3-methylthiophene)-based microelectrochemical transistors. J Phys Chem-US. 89, 5133-5140 (1985).
- Jugnet, Y., Tourillon, G., Duc, T. M. Evidence of Intrinsic Extended π-Bonding Band and Metalliclike Behavior in Undoped and Doped Electropolymerized Poly (3-methylthiophene) Films. Phys Rev Lett. 56, 1862-1865 (1986).
