יצירת טור וינוגרדסקי: שיטה להעשרת המינים המיקרוביאליים בדוגמת משקעים
English
Share
Overview
מקור: אליזבת סוטר1, כריסטופר קורבו1, ג’ונתן בלייז1
1 המחלקה למדעי הביולוגיה, מכללת וגנר, דרך הקמפוס 1, סטטן איילנד ניו יורק, 10301
הטור וינוגרדסקי הוא מערכת אקולוגית זעירה וסגורה המשמשת להעשרת קהילות מיקרוביות משקעים, במיוחד אלה המעורבות ברכיבה על אופניים גופרית. הטור שימש לראשונה את סרגיי וינוגרדסקי בשנות ה-80 של ה-19 ומאז הוא מיושם במחקר של מיקרואורגניזמים רבים ומגוונים המעורבים בביוגוכימיה, כגון פוטוסינתזה, מחמצני גופרית, מפחית גופרתיים, מתנוגנים, מחמצני ברזל, רוכבי חנקן ועוד (1,2).
רוב המיקרואורגניזמים על פני כדור הארץ נחשבים בלתי ניתנים לחישוב, כלומר הם לא יכולים להיות מבודדים במבחנה או על צלחת פטרי (3). הסיבה לכך היא גורמים רבים, כולל כי מיקרואורגניזמים תלויים אחרים עבור מוצרים מטבוליים מסוימים. התנאים בטור של וינוגרדסקי מחקים מקרוב את בית הגידול הטבעי של מיקרואורגניזם, כולל האינטראקציות שלהם עם אורגניזמים אחרים, ומאפשרים לגדל אותם במעבדה. לפיכך, טכניקה זו מאפשרת למדענים לחקור אורגניזמים אלה ולהבין כיצד הם חשובים למחזורים הביו-גיאוכימיים של כדור הארץ מבלי לגדל אותם בבידוד.
סביבות כדור הארץ מלאות במיקרואורגניזמים המשגשגים בכל סוגי בתי הגידול, כגון קרקעות, מי אוקיינוס, עננים ומשקעים במעמקי הים. בכל בתי הגידול, מיקרואורגניזמים תלויים זה בזה. ככל שהמיקרואורגניזם גדל, הוא צורך מצעים מסוימים, כולל דלקים עשירים בפחמן כמו סוכרים, כמו גם חומרים מזינים, ויטמינים וגזים נשימתיים כמו חמצן. כאשר משאבים חשובים אלה נגמרים, מיקרואורגניזמים שונים עם צרכים מטבוליים שונים יכולים לפרוח ולשגשג. לדוגמה, בעמודה וינוגרדסקי, חיידקים צורכים תחילה את החומר האורגני שנוסף תוך כדי פירוק החמצן בשכבות התחתונות של העמודה. ברגע שהחמצן מנוצל, אורגניזמים אנאירוביים יכולים להשתלט ולצרוך חומרים אורגניים שונים. התפתחות רצופה זו של קהילות מיקרוביות שונות לאורך זמן נקראת ירושה (4). ירושת מיקרוביאלית חשובה בטור וינוגרדסקי, שבו פעילות מיקרוביאלית משנה את הכימיה של המשקעים, אשר לאחר מכן משפיע על פעילות של חיידקים אחרים וכן הלאה. מיקרואורגניזמים רבים בקרקעות ובמ משקעים חיים גם לאורך שיפועים, שהם אזורי מעבר בין שני סוגים שונים של בתי גידול המבוססים על ריכוזי המצעים (5). בנקודה הנכונה במעבר הצבע, חיידק יכול לקבל כמויות אופטימליות של מצעים שונים. עם התפתחות טור וינוגרדסקי, הוא מתחיל לחקות את השיפועים הטבעיים הללו, במיוחד בחמצן וגופרית (איור 1).
איור 1: ייצוג של שיפועי חמצן (O2) וגופרית (H2S) המתפתחים בעמודה של וינוגרדסקי.
בעמוד וינוגרדסקי, בוץ ומים מבריכה או ביצות מעורבבים בעמוד שקוף ומותר להם לדגור, בדרך כלל באור. מצעים נוספים מתווספים לעמודה כדי לתת למקורות הקהילה של פחמן, בדרך כלל בצורה של תאית, וגופרית. פוטוסינתזות בדרך כלל מתחילות לגדול בשכבות העליונות של המשתך. מיקרואורגניזמים פוטוסינתזה אלה מורכבים ברובם ציאנובקטריה, המייצרים חמצן ומופיע כשכבה ירוקה או אדומה-חומה (איור 2, טבלה 1). בעוד הפוטוסינתזה מייצרת חמצן, חמצן אינו מסיס מאוד במים והוא יורד מתחת לשכבה זו (איור 1). זה יוצר שיפוע של חמצן, החל בריכוזים גבוהים של חמצן בשכבות העליונות לאפס חמצן בשכבות התחתונות. השכבה המחומצנת נקראת השכבה האירובית והשכבה ללא חמצן נקראת השכבה ה אנאירובית.
בשכבה אנאירובית, קהילות מיקרוביות רבות ושונות יכולות להתרבות בהתאם לסוג וכמות המצעים הזמינים, למקור החיידקים הראשוניים ולנקבוביות המשקעים. בתחתית העמוד, אורגניזמים שמפרקים חומר אורגני באופן אנאירובי יכולים לשגשג. תסיסה מיקרוביאלית מייצרת חומצות אורגניות מפירוק תאית. חומצות אורגניות אלה יכולות לשמש לאחר מכן על ידי מפחית סולפט, אשר מחמצנים את אותם אורגנים באמצעות סולפט, ומייצרים גופרתיתו כיוצר לוואי. הפעילות של מפחית גופרתיים מסומנת אם המשתך הופך שחור, כי ברזל וגופרית מגיבים ליצירת מינרלים שחורים מברזל גופרתי (איור 2, טבלה 1). הגופרית גם מתפזרת כלפי מעלה ויוצרת שיפוע נוסף שבו ריכוזי הגופרית גבוהים בתחתית העמוד ונמוכים בחלק העליון של העמודה (איור 1).
בסמוך לאמצע העמוד, מחמצני גופרית מנצלים את אספקת החמצן מלמעלה וגופרית מלמטה. עם הכמות הנכונה של אור, חמצון גופרית פוטוסינתזה יכול להתפתח בשכבות אלה. אורגניזמים אלה ידועים כחיידק גופרית ירוק וסגול , ולעתים קרובות מופיעים כחיתים וכתמים ירוקים, סגולים או סגולים-אדומים (איור 2, טבלה 1). חיידקי גופרית ירוקה יש סובלנות גבוהה יותר עבור גופרית ובדרך כלל לפתח בשכבה ישירות מתחת חיידקי גופרית סגולה. מעל חיידקי הגופרית הסגולה, חיידקים סגולים שאינם גופרית עשויים להתפתח גם. אורגניזמים אלה פוטוסינתזה באמצעות חומצות אורגניות כתורמים אלקטרונים במקום גופרתי ולעתים קרובות מופיעים כמו שכבה אדומה, סגולה, כתומה או חומה. מחמצני גופרית לא-פוטוסינתטיים יכולים להתפתח מעל החיידקים הסגולים שאינם גופרית, ואלה מופיעים בדרך כלל כחיתים לבנים (איור 2, טבלה 1). בנוסף, בועות עשויות להיווצר גם בעמודה וינוגרדסקי. בועות בשכבות האירוביות מצביעות על ייצור חמצן על ידי הציאנובקטריה. בועות בשכבות אנאירוביות נובעות ככל הנראה מפעילות של מתנוגנים, אורגניזמים אשר באופן אנאירובי לשבור חומר אורגני וליצור מתאן כמו תוצר לוואי.
| מיקום בעמודה | קבוצה פונקציונלית | דוגמאות לאורגניזם | מחוון חזותי |
| סביבון | פוטוסינתזות | ציאנובקטריה | שכבה ירוקה או חומה אדמדמה. לפעמים בועות של חמצן. |
| מחמצני גופרית לא-פוטוסינתטיים | בג’יאטואה, תיובסילוס | שכבה לבנה. | |
| חיידקים סגולים שאינם גופרית | רודומיכרוביום, רודוספירילום, רודופסאודמונאס | שכבה אדומה, סגולה, כתומה או חומה. | |
| חיידקי גופרית סגולה | כרומטיום | שכבה סגולה, או סגולה-אדומה. | |
| חיידקי גופרית ירוקה | כלורוביום | שכבה ירוקה. | |
| חיידקים להפחתת גופרתית | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfuromonas | שכבה שחורה. | |
| ישבן | מתנוגנים | מתנוקוקוס, מתנוזרצ’ינה | לפעמים בועות של מתאן. |
טבלה 1: הקבוצות העיקריות של חיידקים שעשויים להופיע בעמודה וינוגרדסקי קלאסית, מלמעלה למטה. דוגמאות של אורגניזמים מכל קבוצה ניתנות, ואת האינדיקטורים החזותיים של כל שכבה של אורגניזמים מפורטים. מבוסס על פרי ואח ‘ (2002) ורוגן ואח ‘ (2005).
Procedure
Results
In this experiment, water and sediment were collected from a freshwater habitat. Two Winogradsky columns were constructed and allowed to develop: a classical Winogradsky column incubated in the light at room temperature (Fig. 2A) and a Winogradsky column incubated in the dark at room temperature (Fig. 2B).
Figure 2B: A photo of classical Winogradsky column (left), incubated at room temperature in light for 68 days and a Winogradsky column incubated at room temperature in the dark for 68 days (right).
After allowing the columns to develop for 7-9 weeks, the layers in the classical column can be compared to the column incubated in the dark (Fig. 2B). In the classical Winogradsky column, a green cyanobacterial layer can be observed near the top of the tube. Near the center of the tube, a red-purple layer can be observed, indicative of purple nonsulfur bacteria. Under this layer, a purple-red layer is observed, indicative of purple sulfur bacteria. Directly under this layer, black sediment can be observed in the anaerobic region of the column, indicative of sulfate reducing bacteria.
The column grown in the dark (Fig. 2B) developed differently than the classical Winogradsky column. Like the classical column, the dark column yielded black sediment near the bottom of the column, indicative of sulfate reducing bacteria. The dark column did not yield the green cyanobacterial layer, nor the red, purple, or green layers indicative of purple nonsulfur, purple sulfur, and green sulfur bacteria, respectively. These groups are dependent on light for growth, and therefore unable to grow in the dark.
The precise results of each Winogradsky column will vary widely with their incubation conditions and their source habitats.
Microbial communities originating from freshwater habitats will not be accustomed to high salt concentrations and the addition of salt may slow down or inhibit growth. Conversely, there may be sufficient halophilic bacteria in brackish and saltwater habitats so that the addition of salts makes no difference or even enhances the growth of particular layers when compared to a column without added salts.
Sandy sediments are more porous than muddy sediments. If enough sulfide is produced in such porous sediments, sulfides can diffuse all the way to the top of the column and inhibit growth of aerobic organisms. In this case, the column may only contain layers indicative of anaerobes and may not contain any aerobes, such as the cyanobacteria.
Freshwater generally contains less sulfate than saltwater. Sulfate is important for the growth of sulfate-reducing bacteria. Sulfate reducers create sulfide as a byproduct and are indicated by the development of a black layer in the bottom of the column. If sulfate is not supplemented to freshwater communities, sulfate reducers may not produce enough sulfide. The creation of the sulfide byproduct is important for the growth of green and purple sulfur bacteria and the nonphotosynthetic sulfur oxidizers. In these cases, sulfur oxidizers can still grow using the egg yolk as a source of sulfur, even if the sulfate reducers (black layer) never develop.
Different wavelengths of light should select for organisms with different absorption pigments. A column kept in the dark will only allow for nonphotosynthetic organisms to grow, including sulfate reducers, iron oxidizers, and methanogens. Photosynthesizers have pigments that absorb light at different wavelengths within the visible range (~400-700nm). By covering a column with, for example, blue cellophane, blue light (~450-490nm) is blocked from entering the column. All of the photosynthesizers in the column have pigments which require the blue wavelengths (6) and their growth should be inhibited. On the other hand, red cellophane will block light of ~635-700nm. These wavelengths are important for the pigments used by cyanobacteria (6), while purple sulfur, green sulfur, and purple nonsulfur bacteria may still be able to grow.
Different microbial communities may have vastly different adaptive abilities to cope with changes in temperatures. High temperatures can enhance rates of microbial activity when sufficient thermophiles are present. On the other hand, in the absence of thermophiles, high temperatures may decrease overall microbial activity. Similarly, low temperatures may decrease overall microbial activity unless the microbial community contains sufficient psychrophiles.
Applications and Summary
The Winogradsky column is an example of an interdependent microbial ecosystem. After mixing mud, water, and additional carbon and sulfur substrates in a vertical column, the stratified ecosystem should stabilize into separate, stable zones over several weeks. These zones are occupied by different microorganisms which flourish at a particular spot along the gradient between the sulfide-rich sediment in the bottom and the oxygen-rich sediment at the top. By manipulating the conditions and substrates within the Winogradsky column, the presence and activity of different microorganisms such as halophiles, thermophiles, psychrophiles, sulfur oxidizers, sulfur reducers, iron oxidizers, and photosynthesizers can be observed.
References
- Zavarzin G. (2006). Winogradsky and modern microbiology. Microbiology 75(6): 501-511. doi: 10.1134/s0026261706050018
- Esteban DJ, Hysa B, and Bartow-McKenney C (2015). Temporal and Spatial Distribution of the Microbial Community of Winogradsky Columns. PLoS ONE 10(8): e0134588. doi:10.1371/journal.pone.0134588
- Lloyd KG, Steen AD, Ladau J, Yin J, and Crosby L. (2018). Phylogenetically novel uncultured microbial cells dominate Earth microbiomes. mSystems 3(5): e00055-18. doi:10.1128/mSystems.00055-18
- Anderson DC, and Hairston RV (1999). The Winogradsky Column & Biofilms: Models for Teaching Nutrient Cycling & Succession in an Ecosystem. The American Biology Teacher, 61(6): 453-459. doi: 10.2307/4450728
- Dang H, Klotz MG, Lovell CR and Sievert SM (2019) Editorial: The Responses of Marine Microorganisms, Communities and Ecofunctions to Environmental Gradients. Frontiers in Microbiology 10(115). doi: 10.3389/fmicb.2019.00115
- Stomp M, Huisman J, Stal LJ, and Matthijs HCP. (2007) Colorful niches of phototrophic microorganisms shaped by vibrations of the water molecule. ISME Journal. 1(4): 271-282. doi:10.1038/ismej.2007.59
- Perry JJ, Staley JT, and Lory S. (2002) Microbial Life, First Edition, published by Sinauer Associates
- Rogan B, Lemke M, Levandowsky M, and Gorrel T. (2005) Exploring the Sulfur Nutrient Cycle Using the Winogradsky Column. The American Biology Teacher, 67(6): 348-356. doi: 10.2307/4451860
Transcript
Most of the Earth’s microorganisms cannot be cultured in a lab, often because they rely on other microbes within their native communities. A Winogradsky column, named for its inventor Sergei Winogradsky, is a miniature, enclosed ecosystem which enriches the microbial communities within a sediment sample, enabling scientists to study many of the microbes that play a vital role in Earth’s biogeochemical processes, without needing to isolate and culture them individually.
Typically, mud and water from an ecosystem, such as a pond or a marsh, are mixed. As an optional experiment, salt can be added to this mixture to enrich various halophile species. Next, a small portion of the mixture is supplemented with carbon, usually in the form of cellulose from newspaper, and sulfur, usually from an egg yolk. For another optional experiment, a nail can be added to this mixture to enrich certain Gallionella species. This new mixture is then added to a transparent column, so that the column is one quarter full. Finally, the rest of the mud mixture and more water is added to the column until it is most of the way full.
Succession, which refers to the consecutive development of different microbial communities over time, can be observed in real time with a Winogradsky column. As microbes grow within the column, they consume specific substrates and change the chemistry of their environment. When their substrates are depleted, the original microbes die off and microbes with different metabolic needs can flourish in the altered environment. Over time, visibly distinct layers begin to form, each containing parts of a bacterial community with different microenvironmental needs.
For example, photosynthetic microbes, largely composed of cyanobacteria, form green or red-brown layers near the top of the column. Since photosynthesis produces oxygen, often seen as bubbles in the top portion of the column, a gradient is formed with the highest oxygen concentrations near the top, and the lowest towards the bottom. Depending upon the available substrates, different microbial communities can grow in the anaerobic bottom layer. Bubbles in this layer can indicate the presence of methanogens, which create methane gas via fermentation. Here, the microbial fermentation of cellulose results in organic acids. Sulfate reducers oxidize those acids to produce sulfide, and their activity is indicated by black sediment. Sulfide diffuses upward in the column, creating yet another gradient where sulfide concentrations are highest towards the bottom of the column, and lowest near the top. Towards the middle of the column, sulfur oxidizers utilize the oxygen from above and sulfide from below. With adequate light, photosynthetic sulfur oxidizers, such as green and purple sulfur bacteria, develop. Green sulfur bacteria tolerate higher sulfide concentrations. Thus, they grow directly below the purple sulfur bacteria. Directly above this layer, purple non-sulfur bacteria form a red-orange layer. Nonphotosynthetic sulfur oxidizers are indicated by the presence of white filaments.
Conditions such as light and temperature can also be varied to enrich other communities. In this video, you will learn how to construct a Winogradsky column, and vary the growing conditions and substrates to enrich specific microbial communities.
First, locate an appropriate aquatic ecosystem, such as a pond or marsh. The sediment samples should come from the area near the water’s edge, and be completely saturated with water. Then, use a shovel and a bucket to collect one to two liters of the saturated mud. Next, obtain approximately three liters of fresh water from the same source and return to the lab with the field samples.
In the lab, put on the appropriate personal protective equipment, including a lab coat and gloves. Now, transfer approximately 750 milliliters of mud to a mixing bowl. Then, sift through the mud to remove large rocks, twigs, or leaves and use a spoon to break apart any clumps. Next, add some of the fresh water to the mixing bowl, and stir with a large spoon. Add water until the consistency of the water-mud mixture is similar to a milkshake. Continue to make sure there are no clumps.
As an optional experiment, select for halophilic bacteria by adding 25 to 50 milligrams of salt to the mud mixture.
Then, transfer approximately 1/3 of the water-mud mixture to a second mixing bowl. Add one egg yolk and a handful of shredded newspaper to the bowl. Next, add this mixture to the column, until it is about 1/4 full. Next, add the water-mud mixture without the egg and newspaper to the column, until it is approximately 3/4 full. Then, add more water to the column, leaving a 1/2 inch space on top. Cover the column with plastic wrap and secure it with a rubber band.
Incubate the column in the light near a window at room temperature for the next four to eight weeks. Throughout the incubation period, monitor changes in the Winogradsky column at least once a week for the development of different colored layers and the formation of bubbles. Additionally, record the time it takes for different layers to develop.
Another modification that can be done is incubating the column near a radiator to select for thermophilic bacteria, or in a refrigerator to select for psychrophilic bacteria. Vary the light conditions by placing different columns in high light, low light, or darkness to incubate. Alternatively, limit the wavelength of incoming light by covering the column with different shades of cellophane to determine which colors select for different bacterial groups. For another optional experiment, to enrich iron-oxidizing bacteria, add a nail to the mud-water mixture prior to the addition of newspaper and an egg yolk.
After one to two weeks, growth of the cyanobacterial layer is indicated by a green or red-brown film on top of the mud layer of the classical Winogradsky column. Over time, the appearance and evolution of the different layers is monitored, each indicative of the different types of bacteria present. When comparing a column grown in the dark to a traditional Winogradsky column, we see the dark treatment yields the black layer at the bottom of the column, indicative of sulfate-reducing bacteria.
The dark column may also yield other layers, depending on other incubation conditions. Additionally, the dark column doesn’t yield the green cyanobacterial layer, nor the red, purple, or green layers indicative of purple non-sulfur, purple sulfur, and green sulfur bacteria respectively. These groups are dependent on light for growth.