특성화 생활 Biofilms 통해 전자 전송

Summary

살아있는 미생물 biofilms 순수 관련 조건에서의 전기 전도도 측정 하기 위한 프로토콜 제공 됩니다.

Abstract

여기 전기 게이팅의 방법은 전극 성장 미생물 biofilms 순수 관련 조건에서의 전기 전도도 특성화 하는 데 사용 설명 합니다. ¹ 이 측정 소스를 사용 하 여 수성 매체에서 생활 biofilms에 수행 됩니다 및 전극 센서 전극 (IDA) 배열 이라고 하는 특수 구성에 유리 표면에 무늬를 드레인. Biofilm는 소스와 드레인을 연결 하는 격차에 걸쳐 확장 하는 성장 이다. 잠재력 (E_S 와 E_D) 전극에 적용 되는 전극 사이 biofilm 통해 (I_SD) 소스-드레인 전류를 생성. 게이트 잠재력에 전기 전도도의 종속성 (소스와 드레인 잠재력, E_G 의 평균 = [E_D + E_S] / 2) 체계적으로 잠재적인 게이트 변경 결과 소스-드레인을 측정 하 여 결정 됩니다 현재. 잠재적인 게이트 전도도의 종속성 조사 특정 biofilm의 전기 전도도 기본 extracellular 전자 전송 프로세스에 대 한 기계 정보를 제공 합니다. 여기에 설명 된 전기 제어 측정 방법을 기반으로 M. S. Wrighton^2,3 , 동료 및 R. W. 머 레이^4,,56 와 동료에 의해 사용에 직접 1980 년의 전도성 고분자 박막을 조사.

Introduction

세포 외 전자 전송 (동유럽 표준시)은 특정 미생물 세포내 대사 과정 및 불용 성 전자 수락자 또는 기증자를 천연 광물에서 배열 셀 바깥쪽에 있는 전자 수송 수 있도록 하는 프로세스 전극입니다. 경우에 따라 동유럽 표준시 전기 전도성 다중 셀 두께 biofilms는 셀 전극과의 직접 접촉에 활용할 수 있습니다 여전히 그것은 대사 전자 수락자 또는 기증자로, 전극 표면에 형성 하는 미생물을 수 있습니다. 미생물 electrosynthesis, 오염 감지/제거, 및 원격 에너지 생성 및 저장,^{7,8,9 등 다양 한 응용 프로그램에 대 한 전극 촉매 같은 biofilms에 상당한 관심이 있다 ,10,11,12,,1314} 미생물과 미생물 biofilms 비교의 내구성에 의해 수행 하는 대사 과정의 다양성으로 인해 효소 기반 bioelectrodes을. ^{15 , 16} 또한, 동유럽 표준시 경로 자연스럽 게 발생에 전기 제어 또는 신호 변화에 잠재적으로 활용 될 수 있습니다 또는 유전자 조작 미생물 대사 과정에에서 관련 된, 예를 들어 원하는 제품 또는 탐지의 생산 대상 분석 또는 자극. 다른 생물학 물자 그들을 차별, electrocatalytic biofilms의 전기 전도도 그들의 electrocatalytic 속성의 중앙 측면 아직 작은 전극 환경에서 기본 동유럽 표준시 프로세스에 대 한 이해 그리고 알려져 있는 매우 경쟁 이다. ^{17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24}

여기에 설명 된 생활, 전극 성장 biofilms 센서 전극 배열 (IDAs)를 사용 하 여 통해 전도도 측정 하는 2-전극 방법이입니다. IDAs 모든 다른 밴드 배열 결과의 반대편에 연결 되도록 평면 유리 표면에 패턴화 병렬 직사각형 전극의 구성 2 전극 (소스와 드레인). 아이 다의 주의 깊은 검사 인접 한 밴드를 구분 하는 격차는 또한 그 같은 방식으로 양식 분리 두 전극 배열에 걸쳐 이리저리 엮어 하나의 간격 연결 보여준다 (예를 들어 그림 6.12b ref #1 참조). 결과 소스와 드레인 전극, 전도성 물질은 형성, 캐스팅, 생산, 또는 배열 (여기 간주 biofilms의 유형)의 경우 성장 하는 때 매우 높은 소스-드레인 전류 저조한 분리 길고 좁은 간격. 또한, 전극의 소형 작은 배경 커패시턴스 충전 때문 고 전도성을 만드는 데 필요한 재료의 양을 이후 게이트 잠재력에 변화 전도성 물질의 산화 상태에서 변경 하려면 현재 결과 IDAs를 사용 하 여 측정 너무 작습니다. IDA 기반 기술 여기서 설명한 전기 게이팅 전도성 고분자 박막의 특성 개발,^2,3,,425 만 최근 생활 시스템에 적용 되었습니다. ¹⁸ 생활 biofilms의 전도도 측정 하는 데 사용 하는 또 다른 기술은 대형 소스와 드레인 전극 및 잠재적인 게이트를 설정 하려면 소스 미터 분할 활용. ^{26 , 그러나 27} , 이러한 방법에 대 한 우려 되어 세부 이전. ¹⁸

아래의 프로토콜 캡슐화 우리의 경험과 생활의 전도도 측정 Geobacter sulfurreducens 및 biocathode MCL biofilms. G. sulfurreducens 유기 체 유일한 대사 전자 수락자로 전극를 포함 하 여 불용 성 물질을 사용할 수를 줄이는 모델 전극입니다. 또한, 그것은 여러 셀 길이, 공부 고 장거리 extracellular 전자 전송 하는 이상적인 모델 생물을 만드는 전자를 수송 할 수 있는 두꺼운 biofilms 형성. 우리는 또한 biocathode MCL, 생물이 미생물 연료 전지 음극에서 격리 하는 에어로빅, 자가 영양 혼합된 지역 사회 biofilm의 연구에 대 한 세부 정보를 포함 합니다. Biocathode MCL (라는 세 가지 주요 성분- Marinobacter, Chromatiaceaea 및 Labrenzia)은 그것의 유일한 전자 기증자로 전극 산화 하 고 여러 셀 길이, 전자 수송 그것은 공부에 재미 있는 음극 시스템. 또한, biocathode MCL는 이러한 방법을 사용 하 여 현재까지 살아있는 시스템에 대 한 가장 높은 보고 된 전도성. 이 프로토콜에서 이러한 다양 한 electroactive biofilms의 포함이이 기술은 전기 전극과 상호 작용할 수 있는 생활 biofilm 통해 전자의 수송 측정에 적용 됩니다 강조 의미입니다.

Protocol

1. 센서 microelectrode 배열 (IDA) 준비 상업적으로 사용 가능한 아이 다 전극 절연체를 사용 기판 위에 패턴화 하거나 그들을 합성 표준 리소 그래피 방법을 사용 하 여. 28참고: IDA 크기와 자료 수 있을 다양 한 다른 실험에 대 한 원하는 조건에 따라. IDAs는 여기에 사용 된 상업적으로 얻은 고 두 센서 골드 microelectrodes 배열의 반대 끝에 큰 전극 패드에 연결 된 유리 기판에 ?…

Representative Results

IDAs 유선, 절연 되었고 두 전극은 서로 (그림 1)에서 전기적으로 절연 되도록 테스트. 원자로 조립, G. sulfurreducens와 주사 되었고 incubated a biofilm 전극 사이의 격차에 다리까지. G. sulfurreducens biofilm 배열을 다루는를 시각적으로 볼 수 있습니다. 다른 biofilms는 두 전극에 전기적으로 연결 되어 있는지 전기 제어 측정 할 연구원이 필요할 수 있?…

Discussion

IDA의 설치 하는 동안 그는 소스와 드레인은 하지 누전 함께 전기 제어 측정, 이전이 나에 게 E_G 곡선 대_SD 를 변경 하 고 잘못 된 결과 해석으로 이어질 수 테스트에 중대 하다. 그것은 또한 V_SD 및 v는 전류는 선형 V_SD 에 의존 하 고 독립적인 v의 그런 선택에 중요 한. 이 경우가 아니라, 위에서 설명한 방정식 전도도 계산 하기 위해 사용 수 없습니다.

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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