يمكن تيسير في الموقع الميكروبية تخصيب اليورانيوم أو في الموقع تقنيات الزراعة عزل الأنواع الميكروبية صعبة للثقافة، خاصة من بيئات منخفضة-الكتلة الحيوية أو جيوتشيميكالي المتطرفة. هنا، نحن تصف البنية الكهروكيميائية دون استخدام مصدر طاقة خارجي لإثراء السلالات الجرثومية التي قادرة على نقل الإلكترون خارج الخلية (EET).
التنفس اللاهوائي مقترنة بنقل الإلكترون للمعادن غير قابلة للذوبان (يشار إلى خارج الخلية الإلكترون النقل [EET]) يعتقد أن تكون حاسمة بالنسبة لإنتاج الطاقة الميكروبية والثبات في العديد من البيئات السطحية، لا سيما تلك التي تفتقر متقبلون إلكترون المحطة الطرفية القابلة للذوبان. بينما الميكروبات قادرة على EET تم عزلها بنجاح من بيئات مختلفة، وتنوع البكتيريا قادرة على EET ما زال ضعيفا مفهومة، خاصة في صعوبة عينة، انخفاض الطاقة أو البيئات المتطرفة، مثل الكثير تحت السطح النظم الإيكولوجية. وهنا يصف لنا نظام الكهروكيميائية في الموقع لإثراء البكتيريا EET-قادر على استخدام أنود وصفه يقبلون إلكترون طرفي الجهاز تنفسي. هذا الموجب متصل كاثود قادرة على حفز انخفاض الأوكسجين اللاأحيائية. وبمقارنة هذا النهج مع أساليب اليكتروكولتيفيشن التي تستخدم بوتينتيوستات بويسينج مسرى المحتملة، النظام الكهربائي اثنين لا تتطلب مصدر طاقة خارجي. ونقدم مثالاً للتخصيب في الموقع لدينا تستخدم في بركة قلوية في الأرز، موقع سيربينتينيزيشن أرضية في شمال كاليفورنيا. المحاولات السابقة لزراعة البكتيريا الحد المعدنية لم تكلل بالنجاح، الذي من المحتمل نظراً لطبيعة الكتلة الحيوية المنخفضة من هذا الموقع و/أو انخفاض الوفرة النسبية للمعدن الحد من الميكروبات. قبل تنفيذ تخصيب اثنين-القطب لدينا، قمنا بقياس الشخصية الرأسية لتركيز الأكسجين المذاب. وهذا يسمح لنا بوضع الكربون شعر شعر اﻷنود والبلاتين مطلي الكربون عمليات الكاثود في الأعماق التي من شأنها دعم اللاهوائية والهوائية، على التوالي. عقب حضانة في الموقع، ونحن كذلك أثري مسرى انوديك في المختبر وأكدت جماعة متميزة الميكروبية مقارنة بالسطح-المرفقة أو المجتمعات بيوفيلم عادة لاحظت في الأرز. هذا الإثراء فيما بعد وأدت إلى عزل الميكروب وآﻻت الأولى من الأرز. يحتوي هذا الأسلوب لإثراء الميكروبية في الموقع يمكن أن يعزز إلى حد كبير في عزل البكتيريا قادرة على EET من الكتلة الحيوية منخفضة أو صعوبة في الموائل عينة.
أظهرت عدة الميكروبات الحد من المعادن استغلال المعادن الصلبة-المرحلة متقبلون إلكترون المحطة الطرفية، بعمليات النقل الإلكترون خارج الخلية (EET) التي تجري الإلكترونات على السطح الخارجي للخلية عن طريق إنزيمات الأكسدة والاختزال1. EET أمر بالغ الأهمية، ليس فقط لعمليات ميكروب المعدنية ولكن أيضا الطاقة المطبقة والتكنولوجيات البيئية، مثل خلايا الوقود الميكروبية2و توليف القطب3المعالجة البيولوجية4. البكتيريا قادرة على EET الجديدة هي الغاية سعى بعد، وقد درست على نطاق واسع من منظور الأساسية أو التطبيقية5. ومع ذلك، لدينا فقط محدودة ثاقبة أهمية إيكولوجية أو الكيميائية الأرضية الأحيائية لهذه البكتيريا. معظم الميكروبات قادرة على EET تم عزلها بعد تخصيب اليورانيوم من أكوا أو الرواسب اللاهوائية هاضمات استخدام متقبلون إلكترون الصلبة مثل منو2, Fe2س3 أو أقطاب تستعد في مختبر6، 7 , 8-ومع ذلك، هذه الأساليب غالباً ما تنتج اتحادات مماثلة ويحتمل أن يغيب عن الأنواع الأكثر حساسية التي قد تهيمن على الطاقة منخفضة أو نظم الكتلة الحيوية منخفضة، يتحامل هذه الميكروبات قادرة على التكيف مع مختبر أو الثقافة أكسينيك البيئة9 . عادة تتم تصفية كميات كبيرة من المياه من موقع لبيئات منخفضة الكتلة الأحيائية، وتركيز الخلايا البكتيرية. ومع ذلك، غالباً ما يحمل البكتيريا قادرة على EET الأيض اللاهوائي ولذلك التعرض للأوكسجين قد كذلك تعوق أو تمنع زراعتها. يمكن أن تسهل منهجيات بديلة في الموقع إلى تركيز الخلايا دون تعريضها للأكسجين عزل البكتيريا قادرة على EET. هنا، نحن التقرير تفاصيل الإعداد لأسلوب الكهروكيميائية في الموقع لإثراء ميكروب EET-قادرة على مدى فترة طويلة من الزمن دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.
استخدام تجاربنا اليكتروكولتيفيشن من نبع قلوية العالية في كاليفورنيا الشمالية، أرز10، يمكننا وصف هذه التقنية الكهروكيميائية في الموقع. كيمياء الينابيع في “أرز” تتأثر من سيربينتينيزيشن في تحت السطح. الينابيع التخفيض العالية، مع تركيزات الأكسجين الحد الأدنى للكشف تحت الواجهة المائية الجوية تسليط الضوء على إمكانات إنتاج الطاقة الميكروبية عن طريق EET في هذه البيئة وظيفيا وصول11. ومع ذلك، لا يوجد دليل على دعم الميكروبات قادرة على EET من الأرز (في الرنا الريباسي 16S أو تحليل الجينومية). على الرغم من أن هذه البيئة قد اتسم كما يقبلون الإلكترون محدودة، إمكانية استخدام المعادن غير قابلة للذوبان متقبلون إلكترون المحطة الطرفية، بما في ذلك المعادن مثل الحديد حجب المعادن التي تنتج من سيربينتينيزيشن (أي، أكسيد الحديد الأسود)، لم يتم التحقيق على نطاق واسع12. ولذلك، نحن، نشر نظامنا الكهروكيميائية في المخيم في الربيع، ربيع درجة حموضة عالية في الأرز، إثراء EET-قادر على الميكروبات (الشكل1)13.
في وصف الدراسة، نعرض في إثراء اتحاد الميكروبية، المرتبطة بالإنتاج الحالي في الموقع . جداول الأنماط الملاحظة في الحالي دعم النشاط الميكروبي في هذا النظام مع مرور الوقت القصير والطويل. خطوة حاسمة لبناء نظام فنية يومين قطب كهربائي (نوع خلايا الوقود) هو تحديد واستخدام موقع مع مستوى الميا…
The authors have nothing to disclose.
نود أن نعترف ريتش روجر وديفيد McCrory للسماح لنا بالحصول على الأرز والتشاور بشأن مواقع لتفريخ طويلة الأجل. كما نشكر الطاقم حقل أرز موسم 2013-2014: سوزوكي شينو، إيشي شونيتشى، وانجر جريج، تشادويك غرايسون، لام بونيتا وماثيو شيشتر. الإضافي بفضل سوزوكي شينو وكونين غيس للبحوث الثاقبة واستزراع الدعم. تم تمويل هذا العمل من خلال معونات للعلماء الشباب A و B من “الجمعية اليابانية” لتعزيز العلوم (JSPS) كاكينهي منحة رقم 17 ح 04969 و 26810085، على التوالي، والوكالة اليابانية للأبحاث الطبية والتنمية (17gm6010002h0002). تمويل الولايات المتحدة تقدمها لنا مكتب العالمية البحرية بحوث (N62909-17-1-2038)، والمركز “التحقيقات المحيط الحيوي الطاقة المظلمة” (ج-ديبي) (OCE0939564) ومعهد بيولوجيا الفضاء ناسا-“الحياة تحت الأرض” (ناي-لو) (NNA13AA92A). وأجرى جزء من هذا العمل كجزء من “مجتمع اليابان” “تعزيز العلوم”: زمالة ما بعد الدكتوراه قصيرة الأجل أنيت رو (PE15019) في جامعة طوكيو في مختبر كازوهيتو هاشيموتو.
Carbon felt sheet | n/a | n/a | Used for anode and cathode |
Titanium wire | The Nilaco Cooporation | TI-451485 | Used to construct fuel cell system |
Graphite epoxy | Electrolytica lnc. | n/a | Used to connect the electrodes and Ti wire |
Drying oven | Yamato | DY300 | bake the electrode to solidify conductive graphite epoxy |
Digital multi meter | Fluke | 616-1454 | to check the ohmic value of resistance |
Dissolved oxygen probe | Sper Science | # 850045 | to check the oxygen concentration in the environments |
Resistor | Sodial | Used to construct fuel cell system |
|
Conducting wire | Pico | 81141s | Used to construct fuel cell system |
Voltmeter and Data logger | T&D corporation | VR-71 | Used for data recording |
Hydrogen Hexachloroplatinate(IV) Hexahydrate | wako | 18497-13-7 | Used for electropolation |
Citric acid | Wako | 038-06925 | Used for electropolation |
Sulfuric acid | Wako | 192-04696 | Used for electropolation |
HCl | Wako | 083-01095 | Used for electrode washing |
Glass cylinder | N/A | N/A | Custom-made, used as the electrochemical reactor |
PTFE cover and base | N/A | N/A | Custom-made, used as a cover and a foundation of the electrochemical reactor |
Buthyl rubber | N/A | N/A | Custom-made, inserted between each component of electrochemical reactor |
Septa | GL Science | 3007-16101 | Used as an injection port of electrochemical reactor |
Indium tin-doped oxide (ITO) electrode | GEOMATEC | No.0001 | Used as a working electrode, 5Ω/sq |
Ag/AgCl KCl saturated electrode | HOKUTO DENKO | HX-R5 | Used as a reference electrode, Φ0.30mm |
Platinum wire | The Nilaco Cooporation | PT-351325 | Used as a counter electrode |
NaHCO3 | Wako | 191-01305 | Used for The Cedars Media (CMS) |
CaCO3 | Wako | 030-00385 | Used for CMS |
NH4Cl | Wako | 011-03015 | Used for CMS |
MgCl2 • 6H2O | Wako | 135-00165 | Used for CMS |
NaOH | Wako | 198-13765 | Used for CMS |
Na2SO4 | Wako | 194-03355 | Used for CMS |
K2HPO4 | Wako | 164-04295 | Used for CMS |
CABS | SANTA CRUZ | SC-285279 | Used for CMS |
Incubator | TOKYO RIKAKIKAI CO. LTD. | LTI-601SD | Used for precultivation |
Autoclave machine | TOMY SEIKO CO. LTD. | LSX-500 | Used for sterilization of the electrochemical reactor and the medium |
Clean bench | SANYO | MCV-91BNF | Used to prevent the contamination of the electrochemical reactor and the medium with other microbes |
Centrifuge separator | Eppendorf | 5430R | Rotational speed upto 6000×g is required |
Nitrogen gas generator | Puequ CO. LTD. | PNTN-2 | Nitrogen gas cylinder can also be used instead of gas generator |
UV-vis spectrometer | SHIMADZU | UV-1800 | Used for optimization of cell density |
Potentiostat | BioLogic | VMP3 | Used for biofilm formation and kinetic isotope effect experiments |
Thermal water circulator | AS ONE | TR-1A | Used for maintanance of temperature of electrochemcial reactor |
Faraday cage | HOKUTO DENKO | HS-201S | Used for electrochemical experiments |
Anaerobic Chamber | COY | TypeB (Vinyl) | TO conduct experiments under anaerobic condition |
Ultraclean DNA Extraction kit | MoBio |