Selbststehende elektrochemischen Aufbau Anode atmender Bakterien vor Ort zu bereichern

Summary

Vor-Ort-mikrobielle Bereicherung oder in Situ Anbautechniken können die Isolierung der mikrobiellen Taxa schwierig zu Kultur, vor allem von Low-Biomasse oder geochemisch extreme Umgebungen erleichtern. Hier beschreiben wir eine elektrochemische Einrichtung ohne eine externe Stromquelle, um mikrobielle Belastungen zu bereichern, die extrazelluläre Elektronentransport (EET) geeignet sind.

Abstract

Anaerobe Atmung gepaart mit Elektronentransport zu unlöslichen Mineralien (extrazelluläre Elektronentransport [EET] genannt) wird angenommen, dass kritische für mikrobielle Energieerzeugung und Persistenz in vielen unterirdischen Umgebungen, insbesondere fehlt es an löslichen terminal Elektronen-Akzeptoren. Während EET-fähigen Mikroben aus verschiedenen Umgebungen erfolgreich isoliert wurden, die Vielfalt der Bakterien in der Lage, EET ist immer noch schlecht verstanden, vor allem in schwierigen Probe, niedrige Energie oder extreme Umgebungen, wie viele Untergrund Ökosysteme. Hier beschreiben wir eine vor-Ort-elektrochemischen System EET-fähigen Bakterien mit eine Anode als eine respiratorische terminal Elektron Akzeptor zu bereichern. Diese Anode ist mit einer Kathode in der Lage katalysieren abiotischen sauerstoffreduktion verbunden. Vergleicht man diesen Ansatz mit Electrocultivation Methoden, mit denen ein potentiostaten für nutzmöglichkeiten potenzielle Elektrode, ist das zwei-Elektroden-System nicht erforderlich, eine externe Stromquelle. Wir präsentieren Ihnen ein Beispiel für unsere vor-Ort-Anreicherung in einem alkalischen Teich an der Zedern, eine terrestrische assimiliert Website in Nordkalifornien genutzt. Vorherige Versuche, mineralischen reduzierende Bakterien kultivieren scheiterten, dürfte aufgrund der niedrigen Biomasse Natur dieser Website und/oder niedrige relative Häufigkeit des Metalls, die Verringerung der Mikroben. Vor der Implementierung unserer zwei-Elektroden-Anreicherung, haben wir das Höhenprofil des gelösten Sauerstoff-Konzentration gemessen. Dies erlaubt uns, legen Sie die Kohle fühlte fühlte Anode und Platin galvanisch gebundenen Kohlenstoff Kathode in tiefen, die anaeroben und aeroben unterstützen würde bzw. verarbeitet. Nach vor-Ort-Inkubation weiter bereichert die anodische Elektrode im Labor und bestätigt eine ausgeprägte mikrobiellen Gemeinschaft im Vergleich zu der Oberfläche befestigt oder Biofilm-Gemeinschaften, die normalerweise bei der Zedern beobachtet. Diese Bereicherung führte später zur Isolierung von der ersten elektrogenes Mikrobe von Zedern. Diese Methode der vor-Ort-mikrobielle Bereicherung hat das Potenzial, die Isolation der EET-fähigen Bakterien aus niedrigen Biomasse oder schwer zu Probe Lebensräume erheblich verbessern.

Introduction

Mehrere Mineral-reduzierende Mikroben haben gezeigt, dass Festphasen-Mineralien als terminal Elektronen Akzeptoren nutzen durch extrazelluläre Elektronentransport (EET) Prozesse, die Elektronen an der Außenseite der Zelle über Redox Enzyme¹durchführen. EET ist entscheidend, nicht nur für Mikroben-Mineral Prozesse aber auch Angewandte Energie- und Umwelttechnologien, wie mikrobielle Brennstoffzellen², Elektrode Synthese³und Bioremediation⁴. Neue EET-fähigen Bakterien sind sehr begehrt und wurden von einem grundlegenden und angewandten Perspektive⁵ausgiebig untersucht. Allerdings haben wir nur einen Einblick in die ökologischen oder biogeochemische Bedeutung dieser Bakterien beschränkt. Die Mehrheit der EET-fähigen Mikroben wurden isoliert nach Anreicherung von Aqua, Sediment oder anaeroben Fermenter mit solide Elektronen-Akzeptoren wie MnO₂, Fe₂O₃ oder balanciert Elektroden im Labor^{6, 7 , 8}. jedoch diese Methoden produzieren häufig ähnliche Konsortien und empfindlicher Taxa, die Niedrigenergie- oder niedrigen Biomasse-Systeme, Vorspannen der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroben an Labor oder in der axenic Kultur Umwelt⁹ dominieren können potenziell zu verpassen . In der Regel sind für Umgebungen mit niedrigen Biomasse, große Mengen Wasser von einer Website gefiltert, um bakterielle Zellen zu konzentrieren. Allerdings EET-fähigen Bakterien zeigen oft anaeroben Stoffwechsel und daher Sauerstoff-Exposition kann weiter hemmen oder verhindern, dass ihr Anbau. Alternative vor-Ort-Methoden, um Zellen zu konzentrieren, ohne sie zu Sauerstoff könnte die Isolation der EET-fähigen Bakterien erleichtern. Hier berichten wir Einrichtungsdetails für eine vor-Ort-elektrochemische Technik, EET-fähigen Mikrobe über einen langen Zeitraum hinweg ohne die Notwendigkeit für eine externe Stromquelle zu bereichern.

Mit unseren Electrocultivation Experimenten aus einer stark alkalischen Quelle in Nordkalifornien, die Zedern¹⁰, beschreiben wir diese vor Ort elektrochemische Technik. Die Geochemie der Federn bei The Cedars werden durch assimiliert im Untergrund belastet. Die Federn sind sehr reduktiv, mit Sauerstoffkonzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze unter der Luft-Wasser-Grenzfläche Hervorhebung das Potenzial für die mikrobielle Energieerzeugung über EET in dieser funktional anoxischen Umwelt¹¹. Allerdings gibt es keine Beweise für EET-fähigen Mikroben aus Zedern (in 16 s rRNA oder Metagenomischen Analyse) zu unterstützen. Obwohl dieser Umgebung ist, als Elektronen-Akzeptor begrenzt charakterisiert worden, das Potenzial für die Verwendung von unlöslicher Minerals als terminal Elektronen-Akzeptoren, einschließlich Mineralien wie Eisen, die Mineralien, die aus assimiliert (d.h., baring Magnetit), wurde nicht ausführlich untersuchten¹². Wir, hat daher unsere elektrochemische System bereitgestellt, am Campingplatz Feder, ein hoher pH-Wert Feder an den Zedern, EET-fähigen Mikroben (Abbildung1)¹³zu bereichern.

Protocol

1. Bau eines zwei-Elektroden-Systems zur Umwelt Inkubation Vorbereitung des Materials Anode und Behandlung von Carbon fühlte Elektrode (Abbildung 2). Schneiden Sie die Kohle gleich Dimensionen je nach gewünschten Biomasse Bereicherung empfunden. Einweichen Sie jede Elektrode in 90 % Ethanol für 30 min, dann spülen Sie mindestens 8 Mal mit entionisiertem Wasser, nach jedem Spülgang für 1 min beschallen. Waschen Sie die Elektroden zweimal …

Representative Results

Aktueller Produktion gemessen wurde erfolgreich für ca. 3 Monate mit einer Spannung Datenlogger wie in Abbildung 3dargestellt. Diesmal wurde gewählt, da es die längste stabile Inkubationszeit für das Frühjahr, aufgrund der starken Rückgang Regenfälle beeinträchtigen die Feder war. Eine kürzere Frist könnte ausreichen, wenn eine längere stärkere Anreicherung von Biomasse liefern könnten. Wir bestätigt die Verbindung von zwei-Elektroden-System nac…

Discussion

In der beschriebenen Studie zeigen wir die Anreicherung eines mikrobiellen Konsortiums, verbunden mit in Situ laufende Produktion. Die beobachteten Muster in aktuellen Unterstützung mikrobielle Aktivität in diesem System über kurze und lange Zeit skaliert. Der entscheidende Schritt für den Bau einer funktionalen zwei-Elektroden (Brennstoffzellen-Typ) System ist identifizieren und nutzen eine Lage mit einer stabilen Wasserstand und Sauerstoffkonzentration in der Umwelt. Die Kathode ist Sauerstoff in der Luft-…

Materials

Carbon felt sheet	n/a	n/a	Used for anode and cathode
Titanium wire	The Nilaco Cooporation	TI-451485	Used to construct fuel cell system
Graphite epoxy	Electrolytica lnc.	n/a	Used to connect the electrodes and Ti wire
Drying oven	Yamato	DY300	bake the electrode to solidify conductive graphite epoxy
Digital multi meter	Fluke	616-1454	to check the ohmic value of resistance
Dissolved oxygen probe	Sper Science	#  850045	to check the oxygen concentration in the environments
Resistor	Sodial		Used to construct fuel cell system
Conducting wire	Pico	81141s	Used to construct fuel cell system
Voltmeter and Data logger	T&D corporation	VR-71	Used for data recording
Hydrogen Hexachloroplatinate(IV) Hexahydrate	wako	18497-13-7	Used for electropolation
Citric acid	Wako	038-06925	Used for electropolation
Sulfuric acid	Wako	192-04696	Used for electropolation
HCl	Wako	083-01095	Used for electrode washing
Glass cylinder	N/A	N/A	Custom-made, used as the electrochemical reactor
PTFE cover and base	N/A	N/A	Custom-made, used as a cover and a foundation of the electrochemical reactor
Buthyl rubber	N/A	N/A	Custom-made, inserted between each component of electrochemical reactor
Septa	GL Science	3007-16101	Used as an injection port of electrochemical reactor
Indium tin-doped oxide (ITO) electrode	GEOMATEC	No.0001	Used as a working electrode, 5Ω/sq
Ag/AgCl KCl saturated electrode	HOKUTO DENKO	HX-R5	Used as a reference electrode, Φ0.30mm
Platinum wire	The Nilaco Cooporation	PT-351325	Used as a counter electrode
NaHCO3	Wako	191-01305	Used for The Cedars Media (CMS)
CaCO3	Wako	030-00385	Used for CMS
NH4Cl	Wako	011-03015	Used for CMS
MgCl2 • 6H2O	Wako	135-00165	Used for CMS
NaOH	Wako	198-13765	Used for CMS
Na2SO4	Wako	194-03355	Used for CMS
K2HPO4	Wako	164-04295	Used for CMS
CABS	SANTA CRUZ	SC-285279	Used for CMS
Incubator	TOKYO RIKAKIKAI CO. LTD.	LTI-601SD	Used for precultivation
Autoclave machine	TOMY SEIKO CO. LTD.	LSX-500	Used for sterilization of the electrochemical reactor and the medium
Clean bench	SANYO	MCV-91BNF	Used to prevent the contamination of the electrochemical reactor and the medium with other microbes
Centrifuge separator	Eppendorf	5430R	Rotational speed upto 6000×g is required
Nitrogen gas generator	Puequ CO. LTD.	PNTN-2	Nitrogen gas cylinder can also be used instead of gas generator
UV-vis spectrometer	SHIMADZU	UV-1800	Used for optimization of cell density
Potentiostat	BioLogic	VMP3	Used for biofilm formation and kinetic isotope effect experiments
Thermal water circulator	AS ONE	TR-1A	Used for maintanance of temperature of electrochemcial reactor
Faraday cage	HOKUTO DENKO	HS-201S	Used for electrochemical experiments
Anaerobic Chamber	COY	TypeB (Vinyl)	TO conduct experiments under anaerobic condition
Ultraclean DNA Extraction kit	MoBio