المستحثة الميكروبيولوجية الكالسيت الهطول وساطة من قبل<em> Sporosarcina pasteurii</em
Summary
Protocols for microbiologically induced calcite precipitation (MICP) using the bacterium Sporosarcina pasteurii are presented here. The precipitated calcium carbonate was characterized through optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). It is also shown that exposure to MICP increases the compressive strength of sponge.
Abstract
بكتيريا معينة قيد التحقيق هنا (س. pasteurii) هي فريدة من نوعها في قدرتها، في ظل الظروف المناسبة، للحث على التحلل من اليوريا (انحلال اليوريا) في البيئات التي تحدث بشكل طبيعي من خلال إفراز من اليورياز الانزيم. هذه عملية انحلال اليوريا، من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية، ويؤدي إلى تشكيل رواسب كربونات الكالسيوم. هذا هو المعروف باسم الميكروبيولوجية المستحثة الكالسيت الهطول (MICP). وترد تفاصيل بروتوكولات الثقافة المناسبة لMICP هنا. وأخيرا، أجريت تجارب التصور تحت أوضاع مختلفة من الفحص المجهري لفهم الجوانب المختلفة لعملية هطول الأمطار. تقنيات مثل المجهر الضوئي، كانوا يعملون المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والأشعة السينية صور الإلكترون الطيفي (XPS) لتحديد خصائص كيميائيا المنتج النهائي. وعلاوة على ذلك، وقد تجلى قدرة هذه الرواسب لتسد المسام داخل وسط مسامي الطبيعي من خلال تجربة نوعية حيث الإسفنجواستخدمت قضبان لتقليد المسام شبكة مع مجموعة من المقاييس طول. شريط اسفنجة مغموسة في مستنبت التي تحتوي على الخلايا البكتيرية يصلب بسبب انسداد المسام الناتجة عن عملية مستمرة من الترسيب الكيميائي. هذا الشريط الإسفنج تصلب يسلك قوة متفوقة بالمقارنة مع شريط الإسفنج السيطرة التي تصبح مضغوطة وتقلص في إطار العمل من الحمولة الخارجية تطبيقها، في حين أن شريط صلابة غير قادرة على دعم نفس الوزن مع تشوه قليلا.
Introduction
Sporosarcina pasteurii هو نوع من البكتيريا إيجابية الجرام قادرة على البقاء على قيد الحياة في بيئات شديدة القلوية (الرقم الهيدروجيني ~ 10) 1 و هي واحدة من الأنواع البكتيرية التي يمكن أن تصبح عامل المسبب للظاهرة تسمى الميكروبيولوجية المستحثة الكالسيت الهطول (MICP) 2-4. MICP هو عملية يقوم فيها هو فعل ترسيب كربونات الكالسيوم من قبل بعض الميكروبات تحت ظروف بيئية مناسبة. س. وقد تولى pasteurii أهمية في السنوات الأخيرة بسبب هويتها كعامل محتمل للحمل كميات كبيرة من MICP في ظل ظروف معينة. ينبع هذا الاحتمال من كون س. pasteurii لديه قدرة فريدة على إفراز كميات وفيرة من اليورياز الانزيم. ويعمل هذا الانزيم كعامل محفز، والترويج لتحلل المتسارع من اليوريا (أ تحدث بشكل طبيعي مركب كيميائي حيوي مع العرض على نطاق واسع وفيرة) في وجود جزيئات الماء. من خلال سلسلة من ردود الفعل، وهذه العملية في نهاية المطافلاي يؤدي إلى توليد أيونات الكربونات سالبة الشحنة. هذه الأيونات، في المقابل، تتفاعل مع الأيونات المعدنية مثل الكالسيوم إيجابية لتشكيل أخيرا رواسب من كربونات الكالسيوم (الكالسيت)؛ ومن هنا جاءت التسمية MICP 5-9.
عرفت عملية MICP ودرس لعدة عقود 10،11. على مدى السنوات القليلة الماضية، وقد تم التحقيق MICP لمجموعة واسعة من الهندسة والتطبيقات البيئية بما في ذلك من أسفل إلى أعلى البناء الأخضر 12، وتعزيز الهياكل على نطاق واسع 13،14 واحتجاز الكربون وتخزينه 15،16.
على سبيل المثال، Cunnigham 17 آخرون. آل تصميم ارتفاع ضغط درجة حرارة معتدلة مفاعل تدفق تحتوي على الحجر الرملي الأساسية بيريا. تم تلقيح المفاعل مع البكتيريا س. fridgidimarina وتحت ظروف الضغط العالي حقن ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة، وتراكم هائل من الكتلة الحيوية داخل المجلد المساموقد لوحظ umes، مما أدى إلى تخفيض أكثر من 95٪ في نفاذية. Jonkers وتشلانجين 18 دراسة تأثير بعض سلالات خاصة من البكتيريا على عملية الشفاء الذاتي في الخرسانة. ومن المتوقع لتنشيط البكتيريا نائمة والتي بدورها تساعد القوة الهيكلية عبر MICP المياه الخارجية نقلها إلى شبكة المسام تدخل من خلال مسام السطح. توبلر 19 آخرون. ومقارنة النشاط حال اليوريا س pasteurii مع المياه الجوفية حال اليوريا مصغرة الأصليين في ظل ظروف لصالح MCIP على نطاق واسع، ووجدت أن س. pasteurii لديه القدرة مستمرة لتحسين الكالسيت هطول الأمطار حتى عندما تفتقر إلى مجتمعات السكان الأصليين النشاط اليورياز مسبق. مورتنسن 20 et.al درسوا آثار العوامل الخارجية مثل نوع التربة، وتركيز كلوريد الأمونيوم، والملوحة، وتركيز الأكسجين وتحلل الخلايا على MICP. مظاهرتهم أن عملية المعالجة البيولوجية هي قوية جدا مع التركيبإلخ إلى تباين واسع في الفضاء المعلمة يجسد اللياقة البدنية من هذه العملية لمختلف التطبيقات العلاجية على نطاق واسع وفرت عملية تخصيب المناسبة لتعزيز البكتيريا والاضطلاع بها. فيليبس 21 آخرون. آل تصميم التجارب لدراسة التغيرات في نفاذية وقوة عمود الرمل والحجر الرملي الأساسية بعد حقنها مع س. الثقافات pasteurii. ووجد الباحثون أنه في حين انخفضت نفاذية 2-4 مرات في حين زادت قوة الكسر ثلاث مرات.
س pasteurii ودورها في MICP هم لا تزال غير مفهومة مواضيع البحث النشطة والعديد من القضايا المتصلة بآلية من الترسيب الكيميائي تماما. في ضوء ذلك، من المهم جدا أن يكون مجموعة من بروتوكولات موحدة متسقة لبدقة الثقافة مخزون المخصب بشكل مناسب من S. pasteurii لتحقيق MICP. هنا، ونحن الخطوط العريضة لبروتوكول صارم يضمن تكرار واستنساخ. هذا أماهيصف nuscript بروتوكولات مفصلة لزراعة س. pasteurii ومناسبة إثراء مستنبت للحث على هطول الأمطار. ويجري التحقيق في العملية من خلال تقنيات مختلفة المجهرية مثل الضوئي والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والأشعة السينية صور الإلكترون الطيفي (XPS). محور المخطوطة على عملية MICP. إجراءات مثل SEM وسيمز، ويجري البروتوكولات القياسية راسخة، لا يتم وصفها بشكل منفصل.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة: تصف هذه المخطوطة في التفاصيل البروتوكولات لزراعة عينة قابلة للحياة س. pasteurii. مرة واحدة وقد اعدت الثقافة، لا بد من التخصيب بشكل مناسب. هذا هو خطوة رئيسية حيوية لنجاح التجربة لأن الفشل في توفير البيئة المناسبة الكيميائية يؤدي إلى أي جداول زمن?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to acknowledge the partners in the Helmholtz-Alberta Initiative, the Helmholtz Association and the University of Alberta, for the support resulting from participation in this collaboration. Research funding is provided by the Helmholtz Association’s Initiative and Networking Fund, the participating Helmholtz Centers and by the Government of Alberta through Alberta Environment’s ecoTrust program.
Dr. Tanushree Ghosh is gratefully acknowledged for her critical inputs at a number of crucial stages.
Materials
| Petridish | Fisher Scientific | FB0875712 | Petridishes being used as Agar plate |
| Pyrex Flasks | Fisher Scientific | S63268 | Corning Erlenmeyer |
| Tris-Base | Promega | H5133 | being used to make Tris-Buffer |
| Hydrochloric Acid | Sigma-Aldrich | H9892 | 1.0 N, Bioreagent, suitable for cell culture |
| Agar Powder | Sigma-Aldrich | A1296 | microbiology tested, plant cell culture tested, cell culture tested, powder |
| Ammonium Sulphate | Sigma-Aldrich | A4418 | for Molecular Biology |
| Yeast extract powder | Sigma-Aldrich | 51475 | |
| Measuring Cylinder | Cole-Parmer | CP08559GC | Cole-Parmer Class A Graduated Cylinder w/Cal Cert,TC;1000ml,1/Pk |
| Analytical Balance | OHAUS | AX124E | being used to measure weight of reagents |
| Autoclave | Brinkmann | 58619000 | |
| Autoclave Tape | VWR | 52428864 | |
| Aluminum Foil | Sigma-Aldrich | Z185140 | being used to seal the flask before placing it in Autoclave |
| Bacterial Stock | Cedarlane | 11859 | -80°C stock of S. pasteurii, ATCC No. is mentioned against Cat. No. |
| Mline Single-Channel Mechanical Pipettors, Variable Volume | Biohit | 725010 | Marketed by VWR under catalog number 14005976 |
| Micropipette Tip | Fisher Scientific | 212772B | Used for scratching Agar plates |
| Incubator | Binder | 80079098 | Microbiology Incubator,BF Series |
| Shaking Incubator | VWR | 14004300 | VWR Signature Benchtop Shaking Incubators |
| Phosphate Buffer Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P7059 | |
| BD Falcon Express Pipet-Aid Pipetting Device | BD Biosciences | 357590 | Marketed by VWR under catalog number 53106220 |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | Being used to seal Agar plates |
| Urea | Sigma-Aldrich | U1250 | Enrichment for nutrient medium |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S8875 | Enrichment for nutrient medium |
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | Enrichment for nutrient medium |
References
- Gibson, T. An investigation of the Bacillus pasteurii group. Journal of Bacteriology. 28, 491-502 (1934).
- Greenfield, L. J. Metabolism and concentration of calcium and magnesium and precipitation of calcium carbonate by a marine bacterium. Annals of the New York Academy of Sciences. 109, 23-45 (1963).
- Phillips, A. J. Engineered applications of ureolytic biomineralization: a review. Biofouling. 29, 715-733 (2013).
- Dhami, N. K., et al. Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications: a review. Frontiers in microbiology. 4, 314 (2013).
- Cuthbert, M. O., et al. Controls on the rate of ureolysis and the morphology of carbonate precipitated by S. Pasteurii biofilms and limits due to bacterial encapsulation. Ecological Engineering. 41, 32-40 (2012).
- Okwadha, G. D., et al. Optimum conditions for microbial carbonate precipitation. Chemosphere. 81, 1143-1148 (2010).
- Stocks-Fischer, S., et al. Microbiological precipitation of CaCO3. Soil Biology and Biochemistry. 31, 1563-1571 (1999).
- Lauchnor, E. G., et al. Bacterially induced calcium carbonate precipitation and strontium coprecipitation in a porous media flow system. Environmental science & technology. 47, 1557-1564 (2013).
- Al Qabany, A., et al. Factors Affecting Efficiency of Microbially Induced Calcite Precipitation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 138, 992-1001 (2012).
- Morita, R. Y. Calcite precipitation by marine bacteria. Geomicrobiology Journal. 2, 63-82 (2009).
- Chafetz, H. S. Marine peloids: A product of bacterially induced carbonate precipitation. Journal of Sedimentary Petrology. 56, 812-817 (1986).
- Whiffin, V. S. . Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement. , (2004).
- Paassen, L. A., et al. Scale up of BioGrout: a biological ground reinforcement method. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. , 2328-2333 (2009).
- Cunningham, A. B., et al. Microbially enhanced geologic containment of sequestered supercritical CO2. Energy Procedia. 1, 3245-3252 (2009).
- Mitchell, A. C., et al. Biofilm enhanced geologic sequestration of supercritical CO2. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3, 90-99 (2009).
- Cunningham, A. B., et al. Reducing the risk of well bore leakage of CO2 using engineered biomineralization barriers. Energy Procedia. 4, 5178-5185 (2011).
- Jonkers, H. M., et al. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecological Engineering. 36, 230-235 (2010).
- Tobler, D. J., et al. Transport of Sporosarcina pasteurii in sandstone and its significance for subsurface engineering technologies. Applied Geochemistry. 42, 38-44 (2014).
- Mortensen, B. M., et al. Effects of environmental factors on microbial induced calcium carbonate precipitation. Journal of applied microbiology. 111, 338-349 (2011).
- Phillips, A. J., et al. Potential CO2 leakage reduction through biofilm-induced calcium carbonate precipitation. Environmental science & technology. 47, 142-149 (2013).
- vander Heide, P. . X-ray Photoelectron Spectroscopy: An introduction to Principles and Practices. , (2011).
- Wiley, W. R., et al. Requirement of an alkaline pH and ammonia for substrate oxidation by Bacillus pasteurii. Journal of Bacteriology. 84, (1962).
- Tagliaferri, F., et al. Observing strain localisation processes in bio-cemented sand using x-ray imaging. Granular Matter. 13, 247-250 (2011).
- Kumar, A., et al. Microscale confinement features can affect biofilm formation. Microfluidics and Nanofluidics. 14, 895-902 (2012).
- Valiei, A., et al. A web of streamers: biofilm formation in a porous microfluidic device. Lab on a chip. 12, 5133-5137 (2012).
- . LIVE/DEAD Bacterial Viability kit, Two-color bacterial viability assay Available from: https://tools.lifetechnologies.com/content/sfs/manuals/mp07007.pdf (2004)
