Microbiologisch Induced calciet Neerslag gemedieerd door<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
De bijzondere bacterie in onderzoek hier (S. pasteurii) is uniek in zijn vermogen, onder de juiste omstandigheden, om de hydrolyse van ureum (ureolysis) in de natuur voorkomende omgevingen door middel van uitscheiding van een enzym urease induceren. Dit proces van ureolysis, via een keten van chemische reacties, leidt tot de vorming van calciumcarbonaat precipitaten. Dit staat bekend als Microbiologisch Induced Kalkspaat Neerslag (MICP). De juiste cultuur protocollen voor MICP worden hier beschreven. Tenslotte visualisatie experimenten onder verschillende vormen van microscopie werd uitgevoerd om verschillende aspecten van de precipitatie proces te begrijpen. Technieken zoals optische microscopie, scanning elektronenmicroscopie (SEM) en X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) toegepast voor chemische kenmerken het eindproduct. Verder is het vermogen van deze precipitaten poriën verstoppen in een natuurlijke poreuze medium werd aangetoond met een experiment waarbij kwalitatieve sponsstaven werden gebruikt om een porie-netwerk nabootsen met verschillende lengteschalen. Een spons bar ondergedompeld in het kweekmedium dat de bacteriecellen verhardt door de verstopping van de poriën gevolg van de continue werkwijze van chemisch neerslaan. Deze geharde spons bar vertoont superieure sterkte in vergelijking met een controle spons bar die wordt samengedrukt en geperst onder invloed van een toegepaste externe belasting, terwijl de uitgeharde bar kan hetzelfde gewicht ondersteunen met weinig vervorming.
Introduction
Sporosarcina pasteurii is een gram-positieve bacterie kunnen overleven in sterk alkalisch milieu (pH ~ 10) 1 en is een van de bacteriële soorten die een verwekker van een fenomeen genaamd Microbiologisch geïnduceerde calciet Neerslag (MICP) 2-4 kan worden. MICP is een werkwijze waarbij precipitatie van calciumcarbonaat wordt geïnduceerd door bepaalde microben onder geschikte omstandigheden. S. pasteurii belang is de laatste jaren aangenomen vanwege de identificatie als een mogelijk middel voor het teweegbrengen van significante hoeveelheden MICP onder bepaalde omstandigheden. Deze mogelijkheid komt voort uit het feit dat S. pasteurii biedt de unieke mogelijkheid om grote hoeveelheden van het enzym urease scheiden. Dit enzym katalyseert, waarmee een versnelde afbraak van ureum (een natuurlijk voorkomend biochemische verbinding met wijdverspreide en overvloedige toevoer) in aanwezigheid van watermoleculen. Via een cascade van reacties, dit proces uiteindelijkly leidt tot de vorming van negatief geladen carbonaationen. Deze ionen op hun beurt reageren met positieve metaalionen zoals calcium om uiteindelijk neerslag vormen van calciumcarbonaat (calciet); vandaar het label MICP 5-9.
Het proces van MICP is bekend en onderzocht decennialang 10,11. In de afgelopen jaren heeft MICP onderzocht voor een breed scala van techniek en milieu-toepassingen, inclusief bottom-up groene bouw 12, verhoging van grootschalige structuren 13,14 en koolstofvastlegging en -opslag 15,16.
Bijvoorbeeld Cunnigham 17 et. al ontwierp een hoge druk gematigde temperatuur stroming reactor die een Berea zandsteen kern. De reactor was geënt met de bacteriën S. fridgidimarina en onder omstandigheden van hoge druk superkritisch kooldioxide injectie, een enorme accumulatie van biomassa in de poriën vollumes waargenomen, wat leidde tot meer dan 95% vermindering van de permeabiliteit. Jonkers en Schlangen 18 bestudeerde het effect van bepaalde bijzondere stammen van bacteriën op de self-healing proces in beton. getransporteerd naar de poriënnetwerk invoeren via de oppervlakteporiën buitenwater wordt verwacht dat de slapende bacteriën die beurtelings structurele sterkte te activeren via MICP. Tobler 19 et al. de ureolytische activiteit van S. hebben vergeleken pasteurii met een inheemse grondwater ureolytische microkosmos onder omstandigheden grootschalige MCIP en vond dat S. pasteurii heeft een consistente mogelijkheid om calciet neerslag te verbeteren, zelfs wanneer de inheemse gemeenschappen ontbrak voorafgaand urease activiteit. Mortensen 20 et.al hebben de effecten van externe factoren zoals grondsoort, de concentratie van ammoniumchloride, zoutgehalte, zuurstofconcentratie en lysis van cellen op MICP bestudeerd. Hun demonstratie dat de biologische behandeling proces is zeer robuust met respect tot een grote variatie in parameter space onderbouwt de geschiktheid van dit proces voor diverse grootschalige sanering toepassingen die een goede verrijkingsproces om de bacteriën te versterken wordt ondernomen. Phillips 21 et. al experimenten ontworpen om de veranderingen in permeabiliteit en sterkte van een kolom en een zand zandsteen kern na injectie met S. bestuderen pasteurii culturen. Zij vonden dat terwijl de permeabiliteit verlaagd 2-4 keer terwijl de breuksterkte drie maal verhoogd.
S. pasteurii en haar rol in MICP zijn onderwerpen van actief onderzoek en een aantal kwesties met betrekking tot het mechanisme van chemische neerslag nog steeds niet volledig begrepen. In het licht van deze, is het zeer belangrijk om een set van samenhangende gestandaardiseerde protocollen om nauwkeurig cultuur een voldoende verrijkte voorraad van S. hebben pasteurii MICP te bereiken. Hier schetsen we een strenge protocol dat zal zorgen voor de herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid. deze manuscript beschrijft de gedetailleerde protocollen voor het kweken van S. pasteurii en geschikte het verrijken van het kweekmedium om neerslag te induceren. Het proces wordt onderzocht via verschillende microscopische technieken zoals optische en Scanning Electron Microscopy (SEM) en X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS). De focus van het manuscript is het proces van MICP. Procedures zoals SEM en SIMS, die gevestigde standaardprotocollen, worden niet apart beschreven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische Stappen: Dit manuscript beschrijft in detail de protocollen voor het kweken van een levensvatbare steekproef van S. pasteurii. Zodra de kweek werd klaargemaakt, moet geschikt worden verrijkt. Dit is een belangrijke stap essentieel voor het succes van het experiment omdat niet de juiste chemische omgeving bieden leidt hetzij een zeer lange tijdschalen van precipitatie of een volledig ontbreken daarvan. S. pasteurii nogal gevoelig voor verschillende externe instanties en worden…
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)
