Fastsettelse av Settling frekvensen av leire/Cyanobacterial Floccules
Summary
Samhandling og sedimentering leire og bakterieceller marine riket, observert i naturskjønne omgivelser, kan undersøkes best i et kontrollert laboratoriemiljø. Her beskriver vi en detaljert protokoll, som skisserer en ny metode for å måle sedimentering frekvensen av leire og cyanobacterial floccules.
Abstract
Mekanismene underbygger avsetning av finkornet, er organiske-rik sedimenter fortsatt i stor grad omdiskutert. Virkningen av samspillet av leire partikler med reaktive, planktoniske cyanobacterial celler i sedimentære posten er spesielt under studert. Dette samspillet er en potensielt stor bidragsyter til skifer depositional modeller. I lab omgivelser, kan flocculation og sedimentering utbredelsen av disse materialene undersøkes og målt i et kontrollert miljø. Her, detalj vi en protokoll for å måle sedimentasjonsrate cyanobacterial/leire blandinger. Denne metodikken demonstrert ved at beskrivelsen av to sample eksperimenter: først bruker kaolin (en dehydrert form for kaolinite) og Synechococcus sp. PCC 7002 (en marine coccoid Cyanobakterie), og andre bruker kaolin og Synechocystis sp. PCC 6803 (en ferskvann coccoid Cyanobakterie). Cyanobacterial kulturer er blandet med varierende mengder leire i en spesialdesignet tank apparater optimalisert for å gi kontinuerlig, sanntids video og Fotografiske opptak. Utvalgstrekking er detaljerte samt en post samling protokoll for nøyaktig måling av klorofyll en som konsentrasjonen av cyanobacterial celler i suspensjon kan bestemmes. Gjennom eksperimentell replikering, er en profil konstruert som viser sedimentasjonsrate.
Introduction
Med dagens miljømessige forhold og prosesser for å antyde forbi depositional mekanismer har lenge vært en understøttelsen av sedimentology. Mens moderne depositional analoger, som Svartehavet, brukt å forstå avsetning av organiske-rik, spesifiserte har laboratorieforsøk potensial til å kaste ytterligere lys over opprinnelsen av skifer. En er forespørsel i genesis av svart Leirskifer deponering rate og opprinnelige formasjonen mekanisme. Tradisjonelt, har det vært hypotesen at svart Leirskifer dannet i miljøer der sedimentering pris, primære produktivitet, og organisk materiale åndedrett priser fremme bevaring av organisk materiale i sedimenter1,2 ,3. Men rollen som cyanobacterial og leire flocculation hovedsak har vært unconsidered. Denne mekanismen av flocculation ville tillate rask deponering av organiske-rik, spesifiserte sedimenter skje, og ikke kreve lav oksygen. Vurderer dette premisset, denne protokollen har to mål: 1) måle sedimentering frekvensen av cyanobacterial/leire floccules og 2) visualisere sedimentering prosessen i sanntid. Denne metodikken, i tillegg til geokjemiske analyse, har blitt brukt til å demonstrere det cyanobacterial/leire flocculation kan faktisk være en viktig mekanisme for skifer formasjon1. Selv opprinnelig ment for modellering skifer deponering, gjelder denne metoden andre disipliner som biologi og miljømessige Utbedring der innflytelsen av leire inngang på bakteriell metabolisme og befolkningen må måles.
Tallrike studier har vært gjennomført for å observere flocculation Cyanobakterie og leire, for begrensende skadelige alge blomstrer2,3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 1 2. men mens du måler celle konsentrasjon over tid, disse studiene har ikke brukt Cyanobakterie/leire flocculation modellering avsetning av rock posten. Som sådan, mangler disse studiene en visuell komponent, som kan være kritisk når modellering forbi sedimentological prosesser. I tillegg fleste studier utnytte celle-telling (f.eks Pan et al. 11), som kan være en arbeidskrevende. Vår metode, med nylige fremskritt innen måling cyanobacterial flocculation, bestemmer endringene i cyanobacterial celle konsentrasjon av måler klorofyll en (Chl en) for diskret tidsintervaller. Sammenkobling Chl en måling med visuelle data er en ny tilnærming, som kan brukes til å overvåke depositional forhold. Bildene genereres kan også brukes til å beregne sedimentasjonsrate etter arbeidet Du et al. 13. kombinasjonen av visuelle og numeriske data styrker pålitelighet resultatene. Videre skissere vi flere protokoller slik at sedimentering døde biomasse og leire kan også sees. Dette er viktig når du vurderer forbi sedimentological miljøer, der det er levende og døde biomasse co har oppstått. Forskjeller i virkemåten til døde biomasse under flocculation (for eksempel nedgang i flocculation rate) må være sedimentological implikasjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flocculation katalysert av cyanobacterial celle leire interaksjon har tiltrukket seg mye interesse i økologi og engineering2,3,4,5,6,7 ,8,9,10,11,12, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkjenner takknemlig støtte fra naturvitenskap og Engineering Forskningsrådet Canada (05448, 165831 og 213411).
Materials
| cyanobacteria (in this study: Synechococcus sp. PCC 7002 and Synechocystis sp. PCC 6803) | Pasteur Culture Collection | PCC 7002 or PCC 6803 | used to inoculate the plates |
| agar | Thermo Scientific | CM0003 | used to fill two petri dishes |
| Petri plates (standard bacteriology, 100 x 15 mm) | Sarstedt | 82.1473.001 | 2 required |
| 1 L heat resistant Erlenmeyer flask | Pyrex | 4980-125 | 1 required |
| 250 mL heat resistant Erlenmeyer flask | Pyrex | 4980-250 | 1 required |
| Nichrome inoculating loop with handle | Fisher Scientific | 14-956-103 | 1 required |
| tinfoil | Reynolds Wrap Aluminum Foil | 89079-067 | 50 cm required; used to cover foam stopper and neck of erlenmeyer flasks |
| growth media (e.g. A+) | 1050 mL required; produced using composition described in tables 1-4 | ||
| Bunsen Burner | Fisher Scientific | S95941 | 1 required |
| plastic tubing | Fisher Scientific | S504591 | 1 m required; used to create the bubbling apparatus |
| sponge stopper | Jaece Industries Inc | 14-127-40E | 1 required; hole made in center for pipette; used for constructin the bubbling apparatus |
| acrylic sheet | Home Depot | Optix clear acrylic sheet model # MC-102S | 1 required; used to construct acrylic tank (20 x 30 x 5.1 cm) |
| clear waterproof silicone adhesive | Home Depot | Loctite clear silicone model # 908570 | 1 required; used to construct acrylic tank (20 x 30 x 5.1 cm) |
| camera or video recorder | Panasonic | HC-V770 HD camcorder | 1 required |
| tripod | Magnus | VT-300 | 1 required |
| black cloth | primomart | EAN 0726670162199; Part number 680254blacknappedfr | 1 required; duvetyne light block-out cloth; approximatly 152 x 213 cm to cover tank experiment |
| heat resistant serological pipet | corning incorporated C708510 | 13-671-101G | 1 required; used to create the bubbling apparatus |
| sample vials | Dynalon | S30467 | at least 12 (will vary with time interval chosen) |
| heat resistant glass pipette | Fisher Scientific | Corning Incorporated C708510, 13-671-101G | 1 required; used to create the bubbling apparatus; Polystyrene serological pipet would also work, but should be connected to the tubing and stopper after the rest of the apparatus is autoclaved. |
| microcentrifuge | Eppendorf | 22 62 120-3 | 1 required;Comparable products may be used if capable of centrifuging 1.5 -2 mL microfuge tubes at 13,000 x g |
| vortex machine (Vortex-Genie 2) | Scientific Industries, Inc | SI-0236 | 1 required |
| 100% methanol | Fisher Scientific | A412-500 SDS | at least 12 mL (1mL per sample) required; Caution: Flammable, toxic. Wear gloves and safety glasses. Do not use or store near ignition source. Alternate sources may be used. |
| cuvettes (1.6 mL, polystyrene) | Sarstedt | 67.742 | at least 12 required |
| spectrophotometer | Fisher Scientific | 222-271600 | 1 required; Pharmacia Biotech Novaspec ll could also be used. |
| light bulbs | Home Depot | model # 451807; internet #205477895; store SKU #1001061538 | 6-8 bulbs required to provide light for the tank experiments |
| pipette (Pipetman Classic P1000 | Gilson | F123602 | used to collect samples |
| 37 % Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | Caution: Corrosive and toxic. Wear lab coat, safety glasses and acid-resistant gloves while using. Prepared to 4 N before use by dilution into deionized water in a chemical fumehood. |
| Foam stopper (small) | Canlab | T 1385 | |
| Foam stopper (large) | Canlab | T 1387 | Requires some intact stoppers and some with a single hole through the centre |
| 30 °C incubator/growth room with continuous illumination | 1 required | ||
| 70 % Ethanol | Fisher Scientific | BP8201500 | 30 mL required;Caution: Toxic and flammable. Wear lab coat and safety glasses |
| hydrophobic air filter (Midisart 2000, 0.2 µm) | Sartorius | 17805 | 1 required |
| clay (e.g. kaolin) | Fisher Scientific | MFCD00062311 | at least 50 g required |
| microfuge tubes (2 mL, polypropylene) | Sarstedt | 72.695.500 | Comparable products may be used. At least 12 (will vary with time interval chosen) |
| 1000 µL pipet tips | Sarstedt | 70.762 | 1 required |
References
- Macquaker, H. S., Keller, M. A., Davies, S. J. Algal blooms and “marine snow”: mechanisms that enhance preservation of organic carbon in ancient fine-grained sediments. J. Sediment. Res. 80, 934-942 (2010).
- Tyson, R. V. Sedimentation rate, dilution, preservation and total organic carbon: some results of a modeling study. Org. Geochem. 32, 333-339 (2001).
- Piper, D. Z., Calvert, S. E. A marine biogeochemical perspective on black shale deposition. Earth-Sci. Rev. 95, 63-96 (2009).
- Sengco, M. R., Li, A. S., Tugend, K., Kulis, D., Anderson, D. M. Removal of red- and brown-tide cells using clay flocculation I. Laboratory culture experiments with Gymnodiniumbreve and Aureococcus anophagefferens. Mar. Ecol. Prog. Ser. 210, 41-53 (2001).
- Guenther, M., Bozelli, R. Factors influencing algae-clay aggregation. Hydrobiologia. 523, 217-223 (2004).
- Archambault, M. -. C., Grant, J., Bricelj, V. M. Removal efficiency of the dinoflagellate Heterocapsa triquetra by phosphatic clay and implications for the mitigation of harmful algal blooms. Mar. Ecol. Prog. Ser. 253, 97-109 (2003).
- Beaulieu, S. E., Sengco, M. R., Anderson, D. M. Using clay to control harmful algal blooms: deposition and resuspension of clay/algal flocs. Harmful Algae. 4, 123-138 (2005).
- de Magalhães, L., Noyma, N., Furtado, L., Mucci, M., van Oosterhout, F., Husza, V., Marinho, M., Lürling, M. Efficacy of coagulants and ballast compounds in removal of cyanobacteria (Microcystis) from water of the tropical lagoon Jacarepaguá (Rio de Janeiro, Brazil). Estuaries and Coasts. 40, 121-133 (2017).
- Li, L., Pan, G. A universal method for flocculating harmful algal blooms in marine and fresh waters using modified sand. Environ. Sci. Tech. 47, 4555-4562 (2013).
- Miranda, M., Noyma, N., Pacheco, F. S., de Magalhães, L., Pinto, E., Santos, S., Soares, M., Huszar, V., Lürling, M., Marinho, M. The efficiency of combined coagulant and ballast to remove harmful cyanobacterial blooms in a tropical shallow system. Harmful Algae. 65, 27-39 (2017).
- Pan, G., Chen, J., Anderson, D. Modified local sands for the mitigation of harmful algal blooms. Harmful Algae. 10, 381-387 (2011).
- Shi, W., Tan, W., Wang, L., Pan, G. Removal of Microcystis aeruginosa using cationic starch modified soils. Water Research. 97, 19-25 (2016).
- Du, J., Pushkarova, R. A., Smart, R. A cryo-SEM study of aggregate and floc structure changes during clay settling and raking processes. Int. J. Miner. Process. 93, 66-72 (2009).
- Stevens, S. E., Porter, R. D. Transformation in Agmenellum quadruplicatum. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 77, 6052-6056 (1980).
- Owttrim, G. W. RNA helicases in cyanobacteria: biochemical and molecular approaches. Methods Enzymol. 511, 385-403 (2012).
- Rippka, R., Deruelles, J., Waterbury, J. B., Herdman, M., Stanier, R. Y. Generic Assignments, Strain Histories and Properties of Pure Cultures of Cyanobacteria. Microbiology. 111, 1-61 (1979).
- Chamot, D., Owttrim, G. W. Regulation of cold shock-induced RNA helicase gene expression in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120. J. Bacteriol. 182, 1251-1256 (2000).
- Sutherland, B. R., Barrett, K. J., Gingras, M. K. Clay settling in fresh and salt water. Environ. Fluid Mech. 15, 147-160 (2014).
- Porra, R. J., Thompson, W. A., Kriedemann, P. E. Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophylls a and b extracted with four different solvents: verification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy. Biochim. Biophys. Acta. 975, 384-394 (1989).
- Liu, Y. X., Alessi, D. S., Owttrim, G. W., Petrash, D. E., Mloszewska, A. M., Lalonde, S. V., Martinez, R. E., Zhou, Q. X., Konhauser, K. O. Cell surface reactivity of Synechococcus sp. PCC 7002: implications for metal sorption from seawater. Geochim. Cosmochim. Acta. 169, 30-44 (2015).
- Playter, T., Konhauser, K., Owttrim, G., Hodgson, C., Warchola, T., Mloszewska, A. M., Sutherland, B., Bekker, A., Zonneveld, J. -. P., Pemberton, S. G., Gingras, M. Microbe-clay interactions as a mechanism for the preservation of organic matter and trace metal biosignatures in black shales. Chem Geol. 459, 75-90 (2017).
- Verspagen, J. M. H., Visser, P. M., Huisman, J. Aggregation with clay causes sedimentation of the buoyant cyanobacteria Microcystis spp. Aquat. Microb. Ecol. 44, 165-174 (2006).
- Avnimelech, Y., Troeger, B. W., Reed, L. W. Mutual flocculation of algae and clay: evidence and implications. Science. 216, 63-65 (1982).
- Chen, L., Men, X., Ma, M., Li, P., Jiao, Q., Lu, S. Polysaccharide release by Aphanothece halophytica inhibits cyanobacteria/clay flocculation. J. Phycol. 46, 417-423 (2010).
- Pan, G., Zhang, M. -. M., Chen, H., Zou, H., Yan, H. Removal of cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils. I. Equilibrium and kinetic screening on the flocculation of Microcystis aeruginosa using commercially available clays and minerals. Environ. Poll. 141, 195-200 (2006).
