Charakterisierung von Elektronentransport durch lebende Biofilme
Summary
Ein Protokoll zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von lebenden mikrobielle Biofilme unter physiologisch relevanten Bedingungen wird vorgestellt.
Abstract
Hier zeigen wir die Methode der elektrochemischen gating verwendet, um elektrische Leitfähigkeit der Elektrode angebautes mikrobielle Biofilme unter physiologisch relevanten Bedingungen zu charakterisieren. 1 diese Messungen werden durchgeführt auf lebende Biofilmen im wässrigen Medium mit Quelle und abtropfen lassen Elektroden gemustert auf einer Glasoberfläche in einer speziellen Konfiguration als Array die Elektrode (IDA) bezeichnet. Ein Biofilm wird angebaut, die durch die Lücke zwischen Source und Drain erstreckt. Potentiale gelten für die Elektroden (ES und E-D) erzeugen einen Source-Drain-Strom (ISD) durch den Biofilm zwischen den Elektroden. Die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit auf Tor Potenzial (der Durchschnitt der Source und Drain Potenziale, EG = [ED + ES] / 2) ergibt sich aus systematisch verändert das Tor potenzielle und Messung der resultierenden Source-Drain aktuelle. Die Abhängigkeit der Leitfähigkeit auf Tor potenzielle informiert mechanistischen über den extrazellulären Elektronentransport-Prozess zugrunde liegt die elektrische Leitfähigkeit des spezifischen Biofilms untersucht. Die elektrochemische gating Messmethode, die hier beschriebenen basiert direkt auf, die von M. S. Wrighton2,3 und Kollegen und Kolleginnen und Kollegen im R. W. Murray4,5,6 verwendet die 1980’s, um Dünnschicht-leitfähige Polymere zu untersuchen.
Introduction
Extrazelluläre Elektronentransport (EET) ist ein Prozess, der bestimmte Mikroorganismen ermöglicht zu transportieren Elektronen zwischen intrazellulären Stoffwechselprozessen und unlöslichen Elektronen Akzeptoren oder Spender, die sich außerhalb der Zelle, von natürlichen Mineralien, bis hin zu befinden Elektroden. In einigen Fällen kann EET Mikroorganismen zu elektrisch leitfähigen multizelle dicken Biofilme auf Elektrodenflächen, bilden die Zellen nicht in direktem Kontakt mit der Elektrode immer noch es als metabolische Elektron Akzeptor oder Spender nutzen können. Gibt es erhebliches Interesse an solchen Biofilmen als Elektrode Katalysatoren für verschiedene Anwendungen, wie z. B. mikrobiellen Electrosynthesis, Schadstoff sensing/Entfernung, und remote Energieerzeugung und Speicherung,7,8,9 ,10,11,12,13,14 aufgrund der Vielfalt der Stoffwechselvorgänge von Mikroorganismen und die Haltbarkeit der mikrobielle Biofilme im Vergleich durchgeführt auf Enzymbasis Bioelectrodes. 15 , 16 außerdem EET Wege können potenziell auf elektrisch Kontrolle oder Signal Veränderungen in natürlich vorkommenden genutzt werden oder mikrobiellen Stoffwechselvorgängen beteiligt, zum Beispiel in der Produktion eines gewünschten Produkts oder Detektion gentechnisch ein Ziel Analyten oder Anregung. Die elektrische Leitfähigkeit des elektrokatalytische Biofilme, die sie von anderen biologischen Materialien unterscheidet, ist ein zentraler Aspekt ihrer elektrokatalytische Eigenschaften, doch ist wenig über den zugrunde liegenden EET-Prozess in der Elektrode Umwelt verstanden, und das, was bekannt ist ist stark umkämpft. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
Hier beschrieben ist eine 2-Elektroden-Methode zur Messung der Leitfähigkeit durch lebendige, Elektrode angebautes Biofilme über die Elektroden (IDAs). IDAs bestehen aus parallelen rechteckige Elektroden auf Flachglas Oberfläche gemustert, so dass jede andere Band an gegenüberliegenden Seiten des Array resultierenden verbunden ist in 2 Elektroden (Source und Drain). Sorgfältiger Prüfung eine IDA zeigt (siehe zum Beispiel Abbildung 6.12b der Ref #1), dass die Lücken, die Trennung von benachbarten Bands auch eine einzige Lücke in solch eine Weise hinsichtlich Form verbunden, die hin und her über das Array trennen die beiden Elektroden webt. Das Ergebnis ist eine lange und schmale Kluft zwischen Source und Drain Elektroden, sehr hohe Source-Drain-Ströme nachgeben, wenn ein leitendes Material gebildet, gegossen, polymerisiert oder das Array (im Falle der Art von Biofilmen hier betrachteten) gewachsen. Darüber hinaus führt die geringe Größe der Elektroden im kleinen Hintergrund aktuelle Kapazität aufgeladen und in Oxidationsstufe des leitenden Materials mit Tor Potenzial zu ändern, da die Menge des Materials erforderlich, um die Leitfähigkeit zu machen Messungen mit IDAs ist so klein. Die Technik der IDA-basierte beschriebenen elektrochemischen Anspritzung entwickelt, um Dünnschicht leitfähigen Polymeren zu charakterisieren,2,3,4,25 wurde erst vor kurzem auf lebende Systeme angewendet. 18 eine andere Technik zur Messung der Leitfähigkeit von Biofilmen leben verwendet eine großformatige split Source und Drain Elektroden und Quelle Metern das Tor potenzielle festlegen. 26 , 27 jedoch haben Bedenken im Hinblick auf diese Methoden vorher detailliert wurde. 18
Das Protokoll unten kapselt unsere Erfahrung mit Messungen der Leitfähigkeit des Lebens Geobacter Sulfurreducens und Biocathode MCL Biofilmen. G. Sulfurreducens ist ein Modell-Elektrode reduziert Organismus unlösliche Materialien, einschließlich Elektroden, als den alleinigen metabolische Elektron Akzeptor verwenden. Darüber hinaus bildet es dicken Biofilme, die in der Lage, Elektronen über mehrere Zelle Längen, so dass es eine ideale Modellorganismus anodische Fernverkehr extrazelluläre Elektronentransfer studieren zu transportieren sind. Wir berücksichtigen auch Details für das Studium der Biocathode MCL, eine aerobic, autotroph gemischte Gemeinde Biofilm isoliert von der Kathode einer benthische mikrobielle Brennstoffzelle. Biocathode MCL (benannt nach den drei primäre Bestandteile – Marinobacter, Chromatiaceaea und Labrenzia) ist in der Lage, eine Elektrode als seinen alleinigen Elektron Spender oxidiert und den Transport von Elektronen über mehrere Zelle Längen machen es ein interessantes kathodischen System zu studieren. Darüber hinaus hat Biocathode MCL gemeldeten höchste Leitfähigkeit für ein lebendiges System bis dato mit diesen Methoden. Die Einbeziehung von diesen vielfältigen Elektroaktive Biofilmen in diesem Protokoll soll darauf hinweisen, dass diese Technik für den Transport von Elektronen durch jede lebende Biofilm mit Elektroden elektrisch interagieren zu messen gilt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Während der Einrichtung der IDA ist es wichtig zu überprüfen, ob die Quelle und den Abfluss nicht zusammen vor dem elektrochemischen gating Messungen kurzgeschlossen werden da dies ändert die ichSD vs. E-G -Kurve und zu falschen Ergebnissen und Interpretationen führen könnte. Es ist auch entscheidend für VSD und v wählen, so dass der Strom linear abhängig VSD und unabhängig von v ist. Wenn dies nicht der Fall ist, können nicht die oben beschriebenen Gleichungen genut…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
L.M.T, M.D.Y und S.M.G-S. bestätigen das Office of Naval Research (Award-#N0001415WX01038 und N0001415WX00195), Naval Research Laboratory und das Naval Research Laboratory Nanowissenschaften Institute; M.Y.E.-N. wird durch die US Abteilung von Energie Grant DE-FG02-13ER16415 unterstützt.
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 |
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