הגדרת אלקטרוכימי העומד בפני עצמו להעשיר respiring אנודת חיידקים באתר
Summary
באתר מיקרוביאלי העשרה או בחיי עיר הטיפוח-תרגול טכניקות יכול להקל את ניתוקה של taxa חיידקים קשה-עד-תרבות, במיוחד של סביבות נמוך-ביומסה או geochemically קיצוני. כאן, אנו מתארים את הגדרת אלקטרוכימי של ללא שימוש במקור כוח חיצוני כדי להעשיר את זני חיידקים המסוגלים אלקטרון חוץ-תאית תחבורה (EET).
Abstract
נשימה אנאירובית בשילוב עם אלקטרון התחבורה המינרלים לא מסיסים (המכונה אלקטרון חוץ-תאית התחבורה [EET]) הוא חשב להיות קריטי עבור הפקת אנרגיה מיקרוביאלי והתמדה בסביבות מהסבא רבים, במיוחד אלה חסר אלקטרון מסוף מסיסים acceptors. בעוד חיידקים בעלי יכולת EET כבר בהצלחה מבודד סביבות שונות, המגוון של חיידקים מסוגלים EET הוא עדיין גרוע. מובן, ובמיוחד קשה-עד-לדוגמה, נמוך אנרגיה או סביבות קיצוניות, כמו רבים מהסבא המערכות האקולוגיות. כאן נתאר מערכת אלקטרוכימי באתר להעשיר חיידקים EET בעל יכולת שימוש אנודת מקבל אלקטרון מסוף הנשימה. אנודת זה מקושר עם קטודה מסוגל ותזרז ירידה בחמצן והאביוטיים. השוואה בין גישה זו עם שיטות electrocultivation להשתמש potentiostat עבור poising האלקטרודה פוטנציאליים, מערכת 2-אלקטרודה לא דורשת במקור כוח חיצוני. נציג דוגמה של העשרה באתר שלנו מנוצל באגם אלקליין-הארזים, אתר serpentinization יבשתי בצפון קליפורניה. ניסיונות קודמים לטפח חיידקים תוך צמצום מינרלים הצליחו להזיזה, אשר סביר עקב האופי נמוך-ביומסה של אתר זה ו/או את השפע יחסית נמוכה של מתכת הפחתת חיידקים. לפני יישום העשרה שלנו שני-אלקטרודה, מדדנו את הפרופיל האנכי של ריכוז חמצן מומס. זה אפשר לנו למקם את הפחמן הרגיש אנודת ופחמן electroplated פלטינה הרגיש קטודית בעומק כי יתמכו מתקנים אנארוביים מעבד, בהתאמה. בעקבות הדגירה באתר, אנו עוד יותר מועשר האלקטרודה אנודי במעבדה, אישר קהילה מיקרוביאלי ברורים לעומת את השטח-attached או קהילות biofilm נצפו בדרך כלל על הארזים. העשרה זו לאחר מכן הוביל את הבידוד של תא החיידק electrogenic הראשון של הארזים. שיטה זו של העשרה מיקרוביאלית באתר יש את היכולת לרומם את הבידוד של חיידקים בעלי יכולת EET מ ביומסה נמוך או קשה דוגמת בתי גידול.
Introduction
מספר החיידקים בהפחתת מינרליים הוכחו מנצלים מינרלים מוצק-שלב כמו acceptors אלקטרון מסוף, על-ידי תהליכים אלקטרונים חוץ-תאית תחבורה (EET) כי התנהלות אלקטרונים החיצוני של התא באמצעות אנזימים חמצון-חיזור1. EET הוא קריטי, לא רק עבור חיידק-מינרליים תהליכים אבל גם אנרגיה שימושית, טכנולוגיות סביבתיות, כגון חיידקים בתאי דלק2, סינתזה אלקטרודה3למצבה4. חיידקים בעלי יכולת EET חדשים מבוקשים מאוד, נחקרו בהרחבה מן היסוד או מוחלת פרספקטיבה5. עם זאת, אנחנו רק מוגבלת תובנה החשיבות האקולוגית או biogeochemical של חיידקים אלו. הרוב המכריע של חיידקים בעלי יכולת EET היה מבודד בעקבות העשרה אקווה, משקעים או אנאירובית digesters באמצעות acceptors אלקטרון מוצק כגון המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2, Fe2O3 או אלקטרודות לראיון במעבדה6, 7 , 8. עם זאת, שיטות אלה לעיתים קרובות לייצר קונסורציומים דומה, שעלולים להחמיץ taxa רגישים יותר זה יכול לשלוט באנרגיה נמוכה או מערכות ביומסה נמוך, ממתח היכולת של החיידקים האלה כדי להתאים המעבדה או תרבות axenic הסביבה9 . בדרך כלל עבור ביומסה נמוך סביבות, כמויות גדולות של מים מאתר מסוננים להתרכז תאים חיידקיים. אולם, חיידקים בעלי יכולת EET לעתים קרובות להפגין שיטות ההזנה אנאירובית, ולכן החשיפה חמצן עשוי נוסף לעכב או למנוע הטיפוח-תרגול. מתודולוגיות באתר חלופי להתרכז תאים מבלי לחשוף אותם חמצן יכול להקל את הבידוד של חיידקים EET בעל יכולת. כאן, אנו מדווחים פרטים ההתקנה עבור שיטת אלקטרוכימי באתר להעשיר את חיידק בעל יכולת EET על פני תקופה ארוכה של זמן ללא הצורך במקור כוח חיצוני.
באמצעות ניסויים electrocultivation שלנו ממעיין אלקליין מאוד בצפון קליפורניה, ארזים10, אנו מתארים שיטה אלקטרוכימי באתר זו. ה גאוכימיה של המעיינות בסידרס שמושפעים serpentinization ב תת הקרקע. המעיינות הם מאוד מוטעה, עם ריכוז חמצן מתחת לגבול של זיהוי תחת ממשק מים אוויר סימון הפוטנציאל לייצור אנרגיה חיידקים באמצעות EET זו סביבה פונקציונאלית אנאוקסיים11. עם זאת, יש שום ראיות שיתמכו חיידקים EET בעל יכולת של הארזים (ב- rRNA מטוסי אף-16 או ניתוח Metagenomic). למרות שהסביבה הזאת מלווה כמו מקבל האלקטרונים מוגבל, הפוטנציאל באמצעות מינרלים לא מסיסים כמו acceptors אלקטרון מסוף, כולל מינרלים כמו ברזל חושף מינרלים הנובעים serpentinization (קרי, מגנטיט), לא היתה בהרחבה ובדוקים12. אנו, לכן, יישמה מערכת אלקטרוכימי שלנו המחנה מעיין, מעיין pH גבוה-הארזים, להעשיר עבור חיידקים (איור1) תומך-EET13.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר שתואר, אנו מראים את העשרת של קונסורציום מיקרוביאלי, מקושר עם בחיי עיר הייצור הנוכחי. אומד הדפוסים שנצפו בתמיכה מיקרוביאלי הפעילות הנוכחית במערכת זו לאורך זמן קצר וארוך. השלב הקריטי עבור בניית מערכת תפקודית שני-אלקטרודה (סוג תא דלק) הוא בזיהוי וניצול מיקום עם אורווה במפלס המים וש…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות רוג’ר Raiche, דוד מקרורי ומאפשרת לנו גישה הארזים, ייעוץ על מקומות דגירה לטווח ארוך. אנו מודים גם אנשי הצוות שדה ארזים בעונת 2013-2014: סוזוקי שינו, אישיאי Shunichi, גרג Wanger, גרייסון צ’דוויק, בוניטה לאם, מתיו שכטר. נוספים הודות שינו סוזוקי חיס Kuenen עבור תובנה ומחקר culturing תמיכה. עבודה זו מומן באמצעות מענק הסיוע מדענים צעירים A ו- B מן האגודה יפן של קידום המדע (JSPS) KAKENHI מענק מספר 17H. 04969, 26810085, בהתאמה, הסוכנות יפן מחקר רפואי ופיתוח (17gm6010002h0002). ארה ב מימון מסופקים על ידי אותנו למשרד של הכללית הימי המחקר (N62909-17-1-2038), ואל המרכז אנרגיה אפלה הביוספרה חקירות (C-דבי) (OCE0939564), מכון אסטרוביולוגיה נאס א – חיים מתחת לאדמה (נאי-LU) (NNA13AA92A). במסגרתו נערך במסגרת חברה יפן עבור קידום המדעים: בתר לטווח קצר עבור אנט רואו (PE15019) באוניברסיטת טוקיו במעבדה של Kazuhito השימוטו.
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 |
Referências
- Nealson, K. H., Saffarini, D. Iron and manganese in anaerobic respiration: environmental significance, physiology, and regulation. Annual Reviews of Microbiology. 48, 311-343 (1994).
- Lovley, D. R. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Reviews Microbiology. 4 (7), 497-508 (2006).
- Rabaey, K., Rozendal, R. A. Microbial electrosynthesis – revisiting the electrical route for microbial production. Nature Reviews Microbiology. 8 (10), 706-716 (2010).
- Lovley, D. R., Coates, J. D. Bioremediation of metal contamination. Current Opinion in Biotechnology. 8 (3), 285-289 (1997).
- Dinh, H. T., et al. Iron corrosion by novel anaerobic microorganisms. Nature. 427 (6977), 829-832 (2004).
- Myers, C. R., Nealson, K. H. Bacterial manganese reduction and growth with manganese oxide as the sole electron acceptor. Science. 240 (4857), 1319-1321 (1988).
- Lovley, D. R., Phillips, E. J. Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese. Applied and Environmental Microbiology. 54 (6), 1472-1480 (1988).
- Arnold, R. G., DiChristina, T. J., Hoffmann, M. R. Reductive dissolution of Fe(III) oxides by Pseudomonas sp 200. Biotechnology and Bioengineering. 32 (9), 1081-1096 (1988).
- Rowe, A. R., et al. In situ electrochemical enrichment and isolation of a magnetite-reducing bacterium from a high pH serpentinizing spring. Environmentakl Microbiology. 19 (6), 2272-2285 (2017).
- Suzuki, S., et al. Microbial diversity in The Cedars, an ultrabasic, ultrareducing, and low salinity serpentinizing ecosystem. Proceedings of the National Academy of Science U S A. 110 (38), 15336-15341 (2013).
- Suzuki, S., et al. Physiological and genomic features of highly alkaliphilic hydrogen-utilizing Betaproteobacteria from a continental serpentinizing site. Nature Communications. 5, 3900 (2014).
- McCollom, T. M., et al. Temperature trends for reaction rates, hydrogen generation, and partitioning of iron during experimental serpentinization of olivine. Geochimica et Cosmochimica Acta. 181, 175-200 (2016).
- Morrill, P. L., et al. Geochemistry and geobiology of a present-day serpentinization site in California: The Cedars. Geochimica et Cosmochimica Acta. 109, 222-240 (2013).
- Okamoto, A., Nakamura, R., Hashimoto, K. In-vivo identification of direct electron transfer from Shewanella oneidensis MR-1 to electrodes via outer-membrane OmcA-MtrCAB protein complexes. Electrochimica Acta. 56 (16), 5526-5531 (2011).
- Okamoto, A., Hashimoto, K., Nakamura, R. . Spectroelectrochemical Investigation on Biological Electron Transfer Associated with Anode Performance in Microbial Fuel Cells. , 207-222 (2012).
- Deng, X., Nakamura, R., Hashimoto, K., Okamoto, A. Electron from an Extracellular Electrode by Desulfovibrio ferrophilus Strain IS5 Without Using Hydrogen as an Electron Carrier. Electrochemistry. 83 (7), 529-531 (2015).
