Caracterizando o transporte de elétrons através de biofilmes vivos
Summary
É apresentado um protocolo para medir a condutividade elétrica de biofilmes microbianos de vivos sob condições fisiologicamente relevantes.
Abstract
Aqui vamos demonstrar o método de retenção de eletroquímica usada para caracterizar a condutividade elétrica de biofilmes microbianos eletrodo-cultivadas sob condições fisiologicamente relevantes. 1 estas medições são executadas em biofilmes de viver em meio aquoso, usando a fonte e drenagem eletrodos estampados em uma superfície de vidro em uma configuração especializada referida como uma matriz de eletrodo interdigitantes (IDA). Um biofilme é cultivado que se estende através da abertura, conectando a fonte e o dreno. Potenciais são aplicadas aos eletrodos (ES e ED) gerando uma corrente de dreno-fonte (ISD) através do biofilme entre os eletrodos. A dependência da condutividade elétrica em potencial de portão (a média dos potenciais fonte e o dreno, EG = [ED + ES] / 2) é determinado sistematicamente alterando o potencial do portão e o dreno-fonte resultante de medição atual. A dependência da condutividade no portão potencial fornece informações mecanicistas sobre o processo de transporte de elétrons extracelular subjacentes a condutividade elétrica do biofilme específico sob investigação. O método de medição associada electroquímico descrito aqui é baseado diretamente no usado por M. S. Wrighton2,3 e colegas e R. W. Murray4,5,6 e colegas em da década de 1980 é para investigar os polímeros condutores de película fina.
Introduction
Transporte de elétrons extracelular (EET) é um processo que permite que certos microorganismos para o transporte de elétrons entre os processos metabólicos intracelulares e aceitadores de electrões insolúveis ou doadores que residem fora da célula, variando de minerais naturais para eléctrodos. Em alguns casos, EET permite que microorganismos formar eletricamente condutivos várias células grossos biofilmes em superfícies de eletrodo, em que as células não em contacto directo com o eléctrodo podem ainda utilizá-lo como um aceptor de elétrons metabólica ou doador. Há considerável interesse em tais biofilmes como catalisadores de eletrodo para diversas aplicações, tais como Eletrosíntese microbiana, contaminantes de detecção/remoção e geração de energia remoto e armazenamento,,7,89 ,10,11,12,13,14 devido a diversidade de processos metabólicos realizados por microorganismos e a durabilidade dos biofilmes microbianos em comparação para bioelectrodes enzimáticos. 15 , 16 além disso, EET caminhos potencialmente podem ser utilizados para mudanças eletricamente controle ou sinal de ocorrência natural ou geneticamente processos metabólicos microbianos envolvidos, por exemplo, na produção de um produto desejado ou detecção de um analito de alvo ou estímulo. A condutividade elétrica de biofilmes de electrocatalytic, que define-os para além de outros materiais biológicos, é um aspecto central de suas propriedades electrocatalytic, no entanto, entende-se pouco sobre o processo subjacente de EET no ambiente do eletrodo, e o que é conhecido é altamente contestado. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
Descrito aqui é um método de 2-eletrodo para medir a condutividade através da vida, eletrodo-crescido biofilmes usando matrizes de eletrodo interdigitantes (IDAs). IDAs consistem em paralelos retangulares eletrodos estampados na superfície de vidro plano, tais que todas as outras bandas é conectada em lados opostos da matriz resultante em 2 eléctrodos (a fonte e o dreno). Exame cuidadoso de uma IDA (ver, por exemplo, a Figura 6.12b de ref #1) revela que as lacunas que separam as faixas adjacentes estão também ligados em forma a forma uma única lacuna que tece e para trás através da matriz separando os dois eletrodos. O resultado é uma longa e estreita abertura separando os eléctrodos de fonte e o dreno, produzindo correntes de fonte-dreno muito alta quando um material condutor é formado, elenco, polimerizado ou crescido (no caso do tipo de biofilmes considerados aqui) sobre a matriz. Além disso, o pequeno tamanho dos eléctrodos resulta em pequeno plano atual devido a capacidade de carga e a alteração no estado de oxidação do material condutor com mudança de portão potencial, desde que a quantidade de material necessário para fazer a condutividade as medições utilizando IDAs são tão pequenas. A técnica de IDA-based gating electroquímico descrito aqui, desenvolvido para caracterizar polímeros condutores de película fina,2,3,4,25 só recentemente tem sido aplicado a sistemas vivos. 18 outra técnica usada para medir a condutividade de biofilmes de vida utilizou um grande formato dividir eletrodos fonte e dreno e fonte metros para definir o portão potenciais. 26 , 27 no entanto, preocupações com esses métodos têm sido detalhadas anteriormente. 18
O protocolo abaixo encapsula a nossa experiência com a fazer medições de condutividade de viver Geobacter sulfurreducens e biocathode MCL biofilmes. G. sulfurreducens é um eletrodo de modelo reduzindo o organismo capaz de usar materiais insolúveis, incluindo eletrodos, como o aceitador de electrões metabólico único. Além disso, formar biofilmes grossos que são capazes de transportar elétrons ao longo de vários comprimentos de célula, tornando-se um organismo modelo ideal para estudar a transferência de elétrons de longa distância extracelular anódica. Nós também incluímos detalhes para o estudo da biocathode MCL, uma comunidade mista aeróbio, autotróficas biofilme isolado do cátodo de uma célula de combustível microbiana bentônica. Biocathode MCL (nomeado para os três principais constituintes – Marinobacter, Chromatiaceaea e Labrenzia) é capaz de oxidar um eletrodo como seu doador de elétron único e transporte de elétrons ao longo de vários comprimentos de pilha, fazendo é um sistema interessante catódico para estudar. Além disso, biocathode MCL tem a mais alta condutividade relatada para um sistema vivo para data usando esses métodos. A inclusão destes biofilmes eletroativos diversa neste protocolo destina-se a destacar que esta técnica é aplicável para medir o transporte de elétrons através de qualquer biofilme de vida capaz de interagir eletricamente com eletrodos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante a configuração do IDA, é crítico para testar que a fonte e o dreno não são curto-circuitados juntos antes da eletroquímicas associadas medições, como isso irá alterar o euSD vs EG curva e pode levar a interpretações e resultados errados. Também é fundamental para selecionar VSD e v tal que a corrente é linearmente dependente VSD e independente de v. Se isso não for o caso, então, as equações acima descritas não podem ser utilizadas para calcular a co…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y, S.M.G-S. e LMT reconheceram o escritório de pesquisa Naval (prêmio #N0001415WX01038 e N0001415WX00195), o laboratório de pesquisa Naval e o Naval Research Laboratory nanociências Institute; M.Y.E.-N. é suportado por os E.U. departamento de energia 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 |
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