Karakterisering van elektronentransport via levende Biofilms

Extracellulaire elektronentransport (EET) is een proces waarmee bepaalde micro-organismen voor het vervoer van elektronen tussen intracellulaire metabole processen en onoplosbare elektronen acceptoren of donoren die zich buiten de cel bevinden, variërend van natuurlijke mineralen aan elektroden. In sommige gevallen kan EET micro-organismen te vormen van elektrisch geleidende meerdere cellen dikke biofilms op elektrode oppervlakken, waarin cellen niet in direct contact met de elektrode nog steeds als een metabole elektron acceptor of donor gebruiken kunnen. Er is aanzienlijke interesse in dergelijke biofilms als elektrode katalysatoren voor diverse toepassingen, zoals microbiële electrosynthesis, verontreiniging sensing/verwijdering, en externe energie-opwekking en opslag,^7,,^{8,9 ,10,11,12,13,14} als gevolg van de diversiteit van de metabole processen uitgevoerd door micro-organismen en de duurzaamheid van de microbiële biofilms vergeleken naar enzym gebaseerde bioelectrodes. ^{15 , 16} bovendien EET trajecten potentieel kunnen worden gebruikt om elektrisch besturingselement of signaal veranderingen in de natuur voorkomende of genetisch gemanipuleerde microbiële stofwisselingsprocessen betrokken, bijvoorbeeld bij de productie van een gewenste product of de detectie van een doelanalyt of stimulans. De elektrische geleiding van electrocatalytic biofilms, die hen onderscheidt van andere biologische materialen, is een centraal aspect van de eigenschappen van hun electrocatalytic, maar toch weinig wordt begrepen over het onderliggende proces EET in de omgeving van de elektrode, en die heet wordt sterk betwist. ^{17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24}

Hier beschreven is een 2-electrode-methode voor het meten van de geleidbaarheid door middel van levende, elektrode-gegroeid biofilms met behulp van interdigitated elektrode arrays (IDAs). IDAs bestaan van parallelle rechthoekige elektroden patroon op plat glazen oppervlak, zodat elke andere band is verbonden aan weerszijden van de matrix als gevolg in 2 elektroden (de bron- en afvoer). Zorgvuldig onderzoek van een IDA blijkt (zie bijvoorbeeld figuur 6.12b van ref #1) dat de lacunes scheiden van aangrenzende banden ook zijn verbonden in een zodanige vorm een enkele kloof die weeft heen en weer over de serie scheiden van de twee elektroden. Het resultaat is een lange en smalle kloof scheiden van de bron- en afvoer elektroden, zeer hoge bron-afvoer stromingen oplevert wanneer een geleidend materiaal is gevormd, gegoten, polymeervorm of gegroeid (in het geval van het type van biofilms beschouwd als hier) in de matrix. Bovendien, resulteert de geringe omvang van de elektroden in kleine achtergrond huidige vanwege het opladen van de capaciteit en veranderen in oxidatiegetal van de geleidend materiaal met verandering in poort potentieel, aangezien de hoeveelheid materiaal die nodig zijn voor het maken van de geleidbaarheid metingen met behulp van IDAs is zo klein. De techniek van het IDA-gebaseerde elektrochemische gating hier beschreven, ontwikkeld voor het karakteriseren van dunne film geleidende polymeren,^2,3,4,25 is pas onlangs toegepast op levende systemen. ¹⁸ een andere techniek die gebruikt wordt voor het meten van de geleidbaarheid van levende biofilms gebruikt een grootformaat split bron- en afvoer elektroden en bron meter potentiële instellen van de poort. ^{26 , 27} echter bezorgdheid over deze methoden hebben zijn gedetailleerd eerder. ¹⁸

Het protocol hieronder kapselt onze ervaring met het maken van de geleidbaarheid metingen van levende Geobacter sulfurreducens en biocathode MCL biofilms. G. sulfurreducens is een model elektrode vermindering van organisme kundig voor toepassing van onoplosbare materialen, met inbegrip van elektroden, als de enige metabole elektron acceptor. Bovendien vormt het dikke biofilms die kunnen elektronen vervoeren over meerdere lengtes van de cel, waardoor het een ideaal model-organisme om te studeren anodic interlokale extracellulaire elektron overdracht. Wij omvatten ook de details voor de studie van biocathode MCL, een aërobe, autotrofe gemengde Gemeenschap biofilm geïsoleerd van de kathode van een benthische microbiële brandstofcel. Biocathode MCL (genoemd naar de drie primaire onderdelen- Marinobacter, Chromatiaceaea es Labrenzia) is geschikt voor een elektrode als haar enige elektrondonor oxiderende en vervoer van elektronen over meerdere lengtes van de cel, waardoor het een interessant kathodische systeem te bestuderen. Bovendien heeft biocathode MCL de hoogste gerapporteerde geleidbaarheid voor een levend systeem tot op heden gebruik van deze methoden. De opneming van deze uiteenlopende electroactive biofilms in dit protocol is bedoeld om te benadrukken dat deze techniek geldt voor het meten van het vervoer van elektronen door een levende biofilm kunnen elektrisch werken met elektroden.