Bestämning av den lösa lera/Cyanobakterie Floccules
Summary
Samspelet och sedimentering av lera och bakterieceller inom den marina sfären, observerats i naturliga miljöer, kan undersökas bäst i en kontrollerad laboratoriemiljö. Här beskriver vi ett detaljerat protokoll, som skisserar en ny metod för att mäta sänkan av lera och Cyanobakterie floccules.
Abstract
De mekanismer som ligger till grund för nedfall av finkornig, debatteras rika organiska sediment fortfarande till stor del. Specifikt studeras under effekterna av samspelet mellan lera partiklar med reaktiva, plankton Cyanobakterie celler i sedimentära posten. Denna interaktion är en potentiellt viktig bidragsgivare till skiffer depositional modeller. Inom en lab miljö, kan flockning och sedimentation andelen dessa material undersökas och mätt i en kontrollerad miljö. Här, detalj vi ett protokoll för mätning av sänkningsreaktion Cyanobakterie/lera blandningar. Denna metod demonstreras genom en beskrivning av två exempelexperiment: först använder kaolin (en uttorkad form av lermineralet) och Synechococcus sp. PCC 7002 (en Marina kockoida cyanobakterier), och andra använder kaolin och Synechocystis sp. PCC 6803 (en sötvatten kockoida cyanobakterier). Cyanobakterie kulturer blandas med varierande mängder lera inom en specialdesignad tank apparatur optimerad för att möjliggöra kontinuerlig, realtid video och fotografiska inspelning. Provtagningsförfaranden som beskrivs liksom ett efter samling protokoll för exakt mätning av klorofyll en som koncentrationen av Cyanobakterie celler kvar i suspension kan bestämmas. Genom experimentella replikering byggs en profil som visar sänkan.
Introduction
Med nuvarande miljöförhållanden och processer för att härleda förbi depositional mekanismer har länge varit en underbyggnaden av sedimentologi. Medan moderna depositional analoger, såsom svarta havet, har använts för att förstå nedfall av rika organiska, finkornig insättningar, har laboratorieexperiment potential att sprida ytterligare ljus över beskärningen av skiffer inlåning. Ett område av förfrågningen i uppkomsten av svart skiffer är den insvetstal och mekanismen av ursprungliga bildandet. Traditionellt, det har varit en hypotes om att svart skiffer bildade i miljöer där den sänkan, primär produktivitet och organiskt respiration priser främja bevarandet av organiskt material i sediment1,2 ,3. Dock rollen som Cyanobakterie och lera flockning har till stor del återstod unconsidered. Denna mekanism för flockning skulle möjliggöra snabb deponering av rika organiska, finkorniga sediment förekommer, och nödvändiggör inte låg syrehalt. Med tanke på denna premiss, detta protokoll har två mål: 1) Mät sänkningsreaktion Cyanobakterie/lera floccules, och 2) visualisera sedimentering processen i realtid. Har använt denna metod, förutom geokemisk analys, att demonstrera denna Cyanobakterie/lera flockning kan faktiskt vara en viktig mekanism för skiffer bildandet1. Medan ursprungligen avsedd för modellering skiffer nedfall, är denna metod tillämplig på andra discipliner såsom biologi och miljöåterställning där påverkan av lera input på bakteriell ämnesomsättning och befolkningen behöver mätas.
Ett flertal studier har genomförts för att iaktta flockning av cyanobakterier och lera, för att lindra skadliga algblomningar2,3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 1 2. När du mäter cell koncentration över tid, dessa studier har tillämpas dock inte cyanobakterier/lera flockning modellering nedfall av posten rock. Som sådan, saknar dessa studier en visuell komponent, som kan vara avgörande när modellering förbi sedimentologiska processer. Dessutom majoriteten av studierna utnyttja cell-räkna (t.ex. Pan et al. 11), vilket kan vara mödosam. Vår metod, med senaste framstegen inom mätning Cyanobakterie flockning, bestämmer förändringarna i Cyanobakterie cell koncentration genom att mäta klorofyll en (Chl en) med diskreta intervall. Hopkopplingen av Chl en mätning med visuell data i en ny strategi, som kan användas för att härleda depositional villkor. De bilder som genereras kan också användas för att beräkna sänkan efter arbetet från Du et al. 13. kombinationen av visuell och numeriska data stärker tillförlitligheten i resultaten. Dessutom beskriver vi ytterligare protokoll möjliggör sedimentation av döda biomassa och lera ska också observeras. Detta är viktigt när man överväger förbi sedimentologiska miljöer, där levande och döda biomassa kan ha samtidig uppstått. Skillnader i beteendet hos döda biomassa under flockning (exempelvis minska flockning hastighet) skulle potentiellt få sedimentologiska konsekvenser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flockning katalyseras av Cyanobakterie cell-lera interaktion har rönt stort intresse inom ekologi och teknik2,3,4,5,6,7 ,8,9,10,11,12, dock utredninge…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner tacksamt finansiering från de naturliga vetenskaperna och Engineering Research Council of Canada (05448, 165831 och 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).
