وصف الإلكترون النقل عبر الأغشية الحيوية الحية
Summary
ويرد على بروتوكول لقياس الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية الميكروبية الحية تحت الظروف ذات الصلة فسيولوجيا.
Abstract
هنا نظهر طريقة النابضة الكهروكيميائية المستخدمة لوصف الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية الميكروبية نابعة من قطب كهربائي في ظل الظروف ذات الصلة فسيولوجيا. 1 هذه القياسات يتم أداؤها على الأغشية الحيوية الحية في وسط مائي باستخدام المصدر واستنزاف أقطاب منقوشة على سطح زجاج في تكوين متخصصة المشار إليها كمصفوفة إينتيرديجيتاتيد كهربائي (IDA). ويزرع بيوفيلم التي تمتد عبر الفجوة الاتصال بالمصدر واستنزاف. إمكانات تطبق على أقطاب كهربائية (ES و Eد) توليد تيار مصدر استنزاف (طSD) من خلال بيوفيلم بين الأقطاب. تبعية الموصلية الكهربائية على إمكانات بوابة (متوسط المصدر واستنزاف الإمكانات، هز = [هد + هS]/2) يتحدد بتغيير البوابة المحتملة بصورة منتظمة وقياس المصدر-استنزاف الناتجة الحالية. التبعية للتوصيل على بوابة المحتملة يوفر المعلومات آليا حول عملية نقل الإلكترون خارج الخلية الأساسية الموصلية الكهربائية بيوفيلم محددة قيد التحقيق. تقوم طريقة القياس النابضة الكهروكيميائية الموصوفة هنا مباشرة على أن يستخدمها رايتون س. م.2،3 والزملاء وموراي ر. دبليو4،،من56 والزملاء في في عام 1980 التحقيق رقيقة البوليمرات الموصلة.
Introduction
نقل الإلكترون خارج الخلية (EET) هي عملية التي تمكن بعض الكائنات المجهرية لنقل الإلكترونات بين العمليات الأيضية داخل الخلية ومتقبلون إلكترون غير قابلة للذوبان أو المانحين الذين يقيمون خارج الخلية، بدءاً من المعادن الطبيعية إلى أقطاب كهربائية. وفي بعض الحالات، تمكن EET الكائنات الدقيقة لتشكيل موصلة كهربائياً متعددة الخلايا الأغشية الحيوية سميكة على الأسطح القطب، الذي الخلايا لا في اتصال مباشر مع مسرى يمكن لا يزال الاستفادة منها يقبلون الإلكترون الأيضية أو الجهات المانحة. وهناك اهتمام كبير بهذه الأغشية الحيوية كعوامل حفازة الكهربائي لمختلف التطبيقات، مثل اليكتروسينثيسيس الجرثومية والملوث الاستشعار/إزالة، وتوليد الطاقة البعيد والتخزين،7،8،9 ،،من1011،12،،من1314 نظراً لتنوع العمليات الأيضية التي يؤديها الكائنات المجهرية ومتانة الأغشية الحيوية الميكروبية مقارنة للقائم على إنزيم بيوليكتروديس. 15 , 16 وبالإضافة إلى ذلك، قد يحتمل أن يستفاد من التغييرات كهربائياً إشارة أو التحكم في شكل طبيعي مسارات EET أو المهندسة وراثيا العمليات الأيضية الجرثومية تنطوي، على سبيل المثال، في إنتاج المنتج المطلوب أو الكشف عن أكثر هدف أو حافز. الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية اليكتروكاتاليتيك، الذي يحدد لهم وبصرف النظر عن غيرها من المواد البيولوجية، جانبا أساسيا من خصائصها اليكتروكاتاليتيك، ولكن القليل من المفهوم حول عملية EET الكامنة في بيئة القطب، ومما هو معروف جداً هو المتنازع عليها. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
الموصوفة هنا أسلوب 2-القطب لقياس التوصيل من خلال الأغشية الحيوية الحية، نمت القطب استخدام صفائف الكهربائي إينتيرديجيتاتيد (كيبوشي). كيبوشي تتكون موازية أقطاب مستطيلة منقوشة على سطح الزجاج المسطح حيث أن كل عصابة أخرى متصل على طرفي نقيض من المصفوفة الناتجة في أقطاب 2 (المصدر واستنزاف). دراسة متأنية المؤسسة الإنمائية الدولية (انظر على سبيل المثال، الرقم 6.12 b من ref #1) يكشف عن أن هذه الثغرات التي تفصل بين العصابات المجاورة أيضا متصلة بطريقة تسمح بشكل فجوة واحد أن ينسج ذهابا وإيابا عبر الصفيف فصل قطبين. والنتيجة وجود فجوة طويلة وضيقة تفصل بين أقطاب المصدر واستنزاف، تسفر عن التيارات استنزاف المصدر عالية جداً عند مادة موصلة تشكيل أو يلقي، بلمرة أو نما (في حالة نوع الأغشية الحيوية تعتبر هنا) على الصفيف. وبالإضافة إلى ذلك، يؤدي صغر حجم الأقطاب الصغيرة الخلفية الحالية بسبب اتهام السعة، وتغيير في حالة الأكسدة المواد موصلة مع التغيير في بوابة المحتملة، نظراً لكمية المواد اللازمة لجعل الموصلية القياسات باستخدام كيبوشي صغير جداً. النابضة الكهروكيميائية الموصوفة هنا، وضعت تقنية تستند إلى المؤسسة الدولية للتنمية لتوصيف البوليمرات الموصلة رقيقة،2،،من34،25 إلا في الآونة الأخيرة تم تطبيقه على نظم المعيشة. 18 تستخدم تقنية أخرى تستخدم لقياس موصلية للأغشية الحيوية الحية شكل كبير تقسيم أقطاب المصدر واستنزاف ومتر المصدر لتعيين البوابة المحتملة. 26 , 27 إلا أن المخاوف المتعلقة بهذه الأساليب قد تم مفصلة سابقا. 18
تغليف البروتوكول أدناه أن تجربتنا مع إجراء قياسات الموصلية للمعيشة سولفوريدوسينس جيوباكتير وبيوكاثودي MCL الأغشية الحيوية. زاي-سولفوريدوسينس قطب نموذجي تخفيض الكائن قادراً على استخدام مواد غير قابلة للذوبان، بما في ذلك أقطاب، كما يقبلون الإلكترون الأيضية الوحيد. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يشكل سميكة الأغشية الحيوية التي تكون قادرة على نقل الإلكترونات عبر أطوال الخلية متعددة، مما يجعل من كائن نموذج مثالي لدراسة نقل الإلكترون مسافات طويلة خارج الخلية انوديك. نحن تشمل أيضا تفاصيل لدراسة بيوكاثودي MCL، بيوفيلم الهوائية والتغذية المجتمعية مختلطة معزولة من القطب السالب لخلية الوقود الميكروبية القاعية. MCL بيوكاثودي (اسمه لمقومات الأساسية الثلاثة – مارينوباكتيرو تشروماتياسييا و لابرينزيا) قادر على المؤكسدة قطب كمانح الإلكترون الوحيد لها ونقل الإلكترونات عبر أطوال الخلية متعددة، مما يجعل أنه نظام الكاثودية مثيرة لاهتمام للدراسة. بالإضافة إلى ذلك، قد بيوكاثودي MCL الموصلية عنها أعلى لنظام معيشة حتى الآن باستخدام هذه الأساليب. والمقصود بإدراج هذه الأغشية الحيوية اليكترواكتيفي المتنوعة في هذا البروتوكول لتسليط الضوء على أن هذا الأسلوب المنطبق على قياس نقل الإلكترونات من خلال أي بيوفيلم الحية قادرة على التفاعل كهربائياً مع أقطاب.
Protocol
Representative Results
Discussion
أثناء الإعداد للمؤسسة الدولية للتنمية، من المهم لاختبار أن المصدر واستنزاف هي لا قلل معا قبل القياسات الكهروكيميائية النابضة، وهذا سوف يغير الأولSD مقابل منحنى هز ويمكن أن يؤدي إلى نتائج خاطئة وتفسيرات. من المهم أيضا تحديد VSD والخامس أن الحالي خطيا تعتمد على VSD ومست…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y، س. S.M.G، و L.M.T. يعترف مكتب الأبحاث البحرية (جائزة #N0001415WX01038 و N0001415WX00195) ومختبر البحوث البحرية، ومعهد Nanosciences مختبر الأبحاث البحرية؛ M.Y.E.-أ. معتمد من قبل الولايات المتحدة إدارة للطاقة المنحة دي-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 |
References
- Boyd, D. A., et al. . Biofilms in Bioelectrochemical Systems. , 177-210 (2015).
- Natan, M. J., Wrighton, M. S. Chemically modified microelectrode arrays. Prog Inorg Chem. 7, 391-494 (1990).
- Paul, E. W., Ricco, A. J., Wrighton, M. S. Resistance of polyaniline films as a function of electrochemical potential and the fabrication of polyaniline-based microelectronic devices. J Phys Chem-US. 89, 1441-1447 (1985).
- Dalton, E. F., et al. Charge transport in electroactive polymers consisting of fixed molecular redox sites. Chem Phys. 141, 143-157 (1990).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Electroactive Polymers and Macromolecular Electronics. Science. 231, 25-31 (1986).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Redox capacity and direct current electron conductivity in electroactive materials. J Phys Chem-US. 90, 1479-1484 (1986).
- Gregoire, K. P., Glaven, S. M., Hervey, J., Lin, B., Tender, L. M. Enrichment of a High-Current Density Denitrifying Microbial Biocathode. J Electrochem Soc. 161, H3049-H3057 (2014).
- Siegert, M., Yates, M. D., Spormann, A. M., Logan, B. E. Methanobacterium dominates biocathodic Archaeal communities in methanogenic microbial electrolysis cells. ACS Sus Chem Eng. 3, 1668-1676 (2015).
- Wang, Z., et al. A previously uncharacterized, nonphotosynthetic member of the Chromatiaceae is the primary CO2-fixing constituent in a self-regenerating biocathode. Appl Environ Microbiol. 81, 699-712 (2015).
- Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., May, H. D. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environ Sci Technol. 47, 6023-6029 (2013).
- Strik, D. P. B. T. B., Picot, M., Buisman, C. J. N., Barrière, F. pH and Temperature Determine Performance of Oxygen Reducing Biocathodes. Electroanalysis. 25, 652-655 (2013).
- Strycharz, S. M., et al. Reductive dechlorination of 2-chlorophenol by Anaeromyxobacter dehalogenans with an electrode serving as the electron donor. Environ Microbiol Report. 2, 289-294 (2010).
- Yates, M. D., et al. Microbial Electrochemical Energy Storage and Recovery in a Combined Electrotrophic and Electrogenic Biofilm. Environ Sci Technol Lett. 4, 374-379 (2017).
- Tender, L. M., et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nature Biotechnology. 20, 821-825 (2002).
- Yates, M. D., Siegert, M., Logan, B. E. Hydrogen evolution catalyzed by viable and non-viable cells on biocathodes. Int J Hydrogen Energ. 39, 16841-16851 (2014).
- Fokina, O., Eipper, J., Winandy, L., Kerzenmacher, S., Fischer, R. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus. Bioresource Technol. 175, 445-453 (2015).
- Yates, M. D., et al. Thermally activated long range electron transport in living biofilms. Phys Chem Chem Phys. 17, 32564-32570 (2015).
- Yates, M. D., et al. Measuring conductivity of living Geobacter sulfurreducens biofilms. Nat Nano. 11, 910-913 (2016).
- Snider, R. M., Strycharz-Glaven, S. M., Tsoi, S. D., Erickson, J. S., Tender, L. M. Long-range electron transport in Geobacter sulfurreducens biofilms is redox gradient-driven. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 15467-15472 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., Tender, L. M. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energ Environ Sci. 4, 4366-4379 (2011).
- Malvankar, N. S., Tuominen, M. T., Lovley, D. R. Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms” by S. M. Strycharz-Glaven, R. M. Snider, A. Guiseppi-Elie and L. M. Tender, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4366. Energy Environ. Sci. 5, 6247-6249 (2012).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nanotechnol. 6, 573-579 (2011).
- Strycharz-Glaven, S. M., Tender, L. M. Reply to the ‘Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms”‘ by N. S. Malvankar, M. T. Tuominen and D. R. Lovley, Energy Environ. Sci., 2012, 5. Energy Environ. Sci. 5, 6250-6255 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., et al. Electron Transport through Early Exponential-Phase Anode-Grown Geobacter sulfurreducens Biofilms. Chem Electro Chem. 1, 1957-1965 (2014).
- Chidsey, C. E., Feldman, B. J., Lundgren, C., Murray, R. W. Micrometer-spaced platinum interdigitated array electrode: fabrication, theory, and initial use. Anal Chem. 58, 601-607 (1986).
- Li, C., Lesnik, K. L., Fan, Y., Liu, H. Redox Conductivity of Current-Producing Mixed Species Biofilms. PLOS ONE. 11, e0155247 (2016).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nano. 6, 573-579 (2011).
- Ing, N. L., Nusca, T. D., Hochbaum, A. I. Geobacter sulfurreducens pili support ohmic electronic conduction in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys. 19, 21791-21799 (2017).
- Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells. Energ Environ Sci. 1, 144-147 (2008).
- Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms. Appl Environ Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).
- Kankare, J., Kupila, E. -. L. In-situ conductance measurement during electropolymerization. J Electroanal Chem. 322, 167-181 (1992).
- Byun, H. S., Pirbadian, S., Nakano, A., Shi, L., El-Naggar, M. Y. Kinetic Monte Carlo Simulations and Molecular Conductance Measurements of the Bacterial Decaheme Cytochrome MtrF. Chem Electro Chem. 1, 1932-1939 (2014).
- El Kasmi, A., Wallace, J. M., Bowden, E. F., Binet, S. M., Linderman, R. J. Controlling interfacial electron-transfer kinetics of cytochrome c with mixed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 120, 225-226 (1998).
- Bortolotti, C. A., et al. The Reorganization Energy in Cytochrome c is Controlled by the Accessibility of the Heme to the Solvent. J Phys Chem Lett. 2, 1761-1765 (2011).
- Gallaway, J. W., Calabrese Barton, S. A. Kinetics of Redox Polymer-Mediated Enzyme Electrodes. J Am Chem Soc. 130, 8527-8536 (2008).
- Thackeray, J. W., White, H. S., Wrighton, M. S. Poly(3-methylthiophene)-coated electrodes: optical and electrical properties as a function of redox potential and amplification of electrical and chemical signals using poly(3-methylthiophene)-based microelectrochemical transistors. J Phys Chem-US. 89, 5133-5140 (1985).
- Jugnet, Y., Tourillon, G., Duc, T. M. Evidence of Intrinsic Extended π-Bonding Band and Metalliclike Behavior in Undoped and Doped Electropolymerized Poly (3-methylthiophene) Films. Phys Rev Lett. 56, 1862-1865 (1986).
