Пълен текст

Цитати

Свързани статии

BioEntities

Външни връзки

Li-Ying Wang

1 Катедра по микробиология, Университет в Масачузетс, Амхърст, Масачузетс, САЩ

Rotaru 2014a

2 Държавна ключова лаборатория по биореакторно инженерство и Институт по приложна химия, Източнокитайски университет за наука и технологии, Шанхай, Китай

Кели П. Невин

1 Катедра по микробиология, Университет в Масачузетс, Амхърст, Масачузетс, САЩ

Тревър Л. Удард

1 Катедра по микробиология, Университет в Масачузетс, Амхърст, Масачузетс, САЩ

Бо-Джунг Му

2 Държавна ключова лаборатория по биореакторно инженерство и Институт по приложна химия, Източнокитайски университет за наука и технологии, Шанхай, Китай

3 Шанхайски съвместен иновационен център за технологии за биопроизводство, Шанхай, Китай

Дерек Р. Ловли

1 Катедра по микробиология, Университет в Масачузетс, Амхърст, Масачузетс, САЩ

Свързани данни

Резюме

Въведение

Директният междувидов електронен трансфер (DIET) е възможна алтернатива на междувидовия водороден трансфер за междувидов електронен обмен, но пълният обхват на екологичното значение на DIET все още не е проучен. DIET е възможно, когато микроорганизмите създават електрически връзки или чрез биологични структури, които осигуряват път за извънклетъчен електронен обмен между клетките (Summers et al., 2010; Shrestha et al., 2013a; Rotaru et al., 2014a, b), или чрез небиологични проводими материали като магнетит (Kato et al., 2012a, b; Liu et al., 2015), гранулиран активен въглен (Liu et al., 2012; Rotaru et al., 2014a), biochar ( Chen et al., 2014b), или въглеродна кърпа (Chen et al., 2014a).

Метатранскриптомичният анализ и анализът на състава на общността предполагат, че DIET е основният механизъм за междувидов електронен обмен в анаеробни дигестри, превръщащи отпадъците от пивоварните в метан (Morita et al., 2011; Rotaru et al., 2014b; Shrestha et al., 2014). Това заключение беше допълнително подкрепено в проучвания с дефинирани съвместни култури. Видовете Geobacter и Methanosaeta са преобладаващите бактерии и метаногенни видове в храносмилателите (Morita et al., 2011; Rotaru et al., 2014b). Кокултури на Geobacter metallireducens и Methanosaeta harundinacea, синтетично метаболизирани етанол чрез DIET (Rotaru et al., 2014b), както и културите на G. metallireducens и Methanosarcina barkeri (Rotaru et al., 2014a). Въпреки че етанолът беше основният субстрат в пивоварните (Shrestha et al., 2014), етанолът е второстепенен междинен продукт в много анаеробни среди, където синтрофичният метаболизъм на късоверижните мастни киселини, като бутират и пропионат, вероятно е причина за по-голям дял на въглеродния и електронния поток, отколкото синтетрофичния метаболизъм на етанола.

Косвени доказателства за възможния метаболизъм на пропионат и бутират чрез DIET идват от проучвания, при които магнетитът е добавен към метаногенните общности. Магнетитът насърчава DIET в определени съвместни култури (Kato et al., 2012b; Liu et al., 2015), вероятно защото може да улесни обмена на електрони по начин, подобен на този на цитохромите от тип c на външната повърхност (Liu et al., 2015). Поправките на магнетита насърчават превръщането на пропионат (Cruz Viggi et al., 2014) и бутират (Li et al., 2014) в метан и няколко редици доказателства предполагат, че това може да се отдаде на добавената диета за повишаване на магнетита. Подобни проучвания за поправка на магнетит предполагат, че бензоатът (Zhuang et al., 2015) и ацетатът (Kato et al., 2012a) също могат да бъдат синтетично метаболизирани чрез DIET при метаногенни условия.

Трудно е обаче да се направят окончателни заключения относно механизмите за междувидов електронен трансфер от проучвания със сложни смесени общности, в които множество пътища за електронен обмен могат да работят едновременно. Дефинираните синтрофични съвместни култури с G. metallireducens предлагат възможност за окончателно изследване на потенциала за метаболизма на разнообразие от донори на електрони чрез DIET, защото: (1) G. metallireducens може да расте синтетично чрез DIET, но не е способен на междувидови водород или трансфер на формиат (Shrestha et al., 2013b; Rotaru et al., 2014b) и (2) G. metallireducens могат да използват широк спектър от донори на органични електрони за анаеробно дишане (Lovley et al., 1989, 1993; Lovley and Lonergan, 1990; Sun et al., 2009).

В допълнение към описаните по-горе метаногени, G. sulfulfucens рутинно се използва като приемащ електрона партньор в проучвания на DIET с G. metallireducens, тъй като неговите механизми за извънклетъчен електронен обмен са по-добре разбрани от тези в метаногените и тъй като може да бъде генетично манипулиран за функционални изследвания (Summers et al., 2010; Shrestha et al., 2013a, b). Междувидовият електронен трансфер е необходим за растежа на G. metallireducens/G. sulfulfucens съвместни култури в среда, в която алкохоли или летливи мастни киселини, по-големи от ацетат, служат като електронен донор, а фумаратът е единствен електронен акцептор, тъй като G. metallireducens не може да използва фумарат като електронен акцептор, а G. sulftureducens не може да метаболизира алкохоли или летливи мастни киселини, по-големи от ацетата (Lovley et al., 2011).

Тук докладваме за способността на G. metallireducens да използва донори на органични електрони, докато расте чрез DIET с G. sulftureducens или метаногени като приемащ електрона партньор. Резултатите показват, че субстрати, различни от етанол, могат да поддържат базирана на DIET синтрофия и че електроните, получени от DIET, могат да служат като единствен източник на електрони в подкрепа на растежа на метаногена.

Материали и методи

Микроорганизми, среда и условия за растеж

Ко-култури на G. metallireducens или с див тип G. sulftureducens (Summers et al., 2010), или с описания по-рано (Ueki and Lovley, 2010) цитрат-синтазен дефицитен щам на G. sulftureducens (Shrestha et al., 2013a) са получени от замразени (-75 ° C) запаси от кокултури, депозирани в нашата лабораторна колекция от култури по време на предишни проучвания. Както беше описано по-рано (Summers et al., 2010; Shrestha et al., 2013a), културите се отглеждат рутинно при строги анаеробни условия при 30 ° C в епруветки под налягане, които съдържат 10 ml среда NBF, определена среда с 10 mM етанол като електронен донор и 40 mM фумарат като електронен акцептор. Ко-културите на G. metallireducens и M. harudinacea и G. metallireducens и M. barkeri се поддържат рутинно, съответно, върху модифицирана среда с NB и модифицирана среда 120 с 20 mM етанол като електронен донор и се инкубират при 37 ° C, както е описано по-горе (Rotaru et al., 2014a, b). Всички донори на електрони бяха добавени от анаеробни стерилизирани запаси. Когато се отбележи гранулиран активен въглен (20 g/L) или наночастици магнетит (10 mmol/L) се добавят към подходящата среда, както е описано по-рано (Liu et al., 2012, 2015).

Аналитични техники

Концентрациите на мастни киселини (бутират, пропионат, сукцинат, фумарат, ацетат) се измерват с високоефективна течна хроматография (HPLC), а концентрациите на алкохоли (етанол, пропанол и бутанол) и метан се измерват с газова хроматография (GC), както е описано по-горе (Morita et al., 2011; Rotaru et al., 2014a).

Количествен PCR анализ

Изобилието на G. metallireducens и G. sulfulfucens в съвместните култури се определя с количествена PCR с праймери, специфични за 16S рРНК гена на всеки щам, както е описано по-рано (Summers et al., 2010).

Резултати и дискусия

Обхват на субстрата за DIET с фумарат като краен електронен приемник

маса 1

Стандартна свободна енергия, потенциално достъпна при pH 7 от изследваните метаболитни реакции, изчислена с данни от (Thauer et al., 1977).