Name: unraveling the unseen players in the ocean - a field guide to water chemistry and marine microbiology
Uploaded: 2014-11-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 43 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Unraveling the Unseen Players in the Ocean - A Field Guide to Water Chemistry and Marine Microbiology at JoVE.com

We thank Elisha Wood-Charlson, Jackie Mueller, Karen Weynberg, and Kathy Morrow for their help and constructive input on this manuscript. We also thank the crew and captain of the Hanse explorer which provided us with a perfect working environment to conduct large parts of this research. Further we would like to thank the three anonymous reviewers for their time and helpful comments to improve the manuscript. This work was funded by the NSF Dimensions of Biodiversity and PIRE awards DEB-1046413 and OISE/IIA-1243541, respectively, the Gordon and Betty Moore Foundation, Investigator Award 3781, and the CIFAR Integrated Microbial Diversity Fellowship IMB-ROHW-141679, all to FR.

The authors have nothing to disclose.

I metodi qui presentati fornirà uno strumento per generare una valutazione globale delle dinamiche virali e microbiche in ecosistemi acquatici. Essi sono mirati a quantificare lo stock in piedi delle risorse organiche e inorganiche a disposizione delle comunità microbiche e per caratterizzare la composizione della comunità microbica e virale presente. Accanto a quantificare l&#39;abbondanza virale e abbondanza microbica e la biomassa, le informazioni sequenza genomica rivela la loro struttura e la funzione della comunità. Tutti i metodi sono stati sviluppati o modificati per consentire l&#39;impiego in ambienti campo remote. Tuttavia la mancanza di applicazioni di laboratorio crea di per sé un po &#39;di possibilità di errori. Qui si discute alcuni avvertimenti associati a ciascuno dei parametri valutati. Accanto al potenziale di contaminazione durante la manipolazione del campione alcuni dei parametri anche produrre possibilità di errore nel processo analitico. Il carbonio organico disciolto Contaminazione carbonio può verificarsi durante le procedure di campionamento (campionamento a valle, o in prossimità di una barca o subacqueo), durante la preparazione del campione (contaminazione di attrezzature o manipolazione involontaria), e anche durante la conservazione del campione (altri campioni in congelatore contenente organica solventi / sostanze volatili). Per evitare le varie fonti di comportamento contaminazione pochi passi di manipolazione possibile, in quanto ogni trasferimento del campione pone un&#39;ulteriore fonte di contaminazione. Il campione non deve entrare in contatto con qualsiasi elemento non acido lavato o bruciato. Infine, designa un congelatore archiviazione esclusivamente per campioni non contenenti sostanze organiche volatili garantisce l&#39;integrità dei campioni durante periodi di inattività. Se i campioni non possono essere mantenute congelate nel corso di un lungo periodo di tempo l&#39;acidificazione dei campioni DOC con HCl concentrato (come descritto 38-41) può essere un&#39;alternativa applicabile. Per verificare i materiali di riferimento di consenso DOC precisione di misura devono essere utilizzati reglarmente durante la misurazione DOC viene eseguito. Soprattutto acqua di mare profondo (&gt; 2.000 m) i riferimenti sono utili nella valutazione della performance della macchina analitica in quanto è molto stabile nel suo contenuto DOC 42. Particolato organico Oltre ad evitare la contaminazione carbonio organico, campionamento POM richiede una particolare attenzione per assicurare l&#39;accuratezza del volume filtrato. Se il volume mirato di 500 ml deve discostarsi per qualsiasi motivo potenziale questo deve essere notato che l&#39;entità di POM catturato sul filtro al filtrato di cui è stato prelevato. Nutrienti inorganici Come nel caso di campionamento di carbonio organico, l&#39;attenzione deve essere rivolta alla possibile contaminazione del campione di nutrienti generati da varie fonti come imbarcazioni o scarichi di acque reflue 12. Filtri utilizzati per il campionamento di carbonio organico con un valore nominale di dimensione dei pori di 0,8 micron, non possono escludere tutta la biomassa microbica e shbbe quindi essere modificata a 0,2 micron filtri per questa fase di filtrazione. Inoltre, i limiti di rilevazione costituiscono un problema con campioni di cibi; soprattutto in acque di superficie oligotrofico intorno decine di citta &#39;della barriera corallina (ad esempio, Cotner et al. 43). Limiti di rilevabilità sono più o meno intorno a 0,1, 0,2, e 0,1 mmol / L per ammonio, nitrati e nitriti, e orto-fosfato, rispettivamente (vedi 36,12,37) Microscopia Accanto a variazioni della concentrazione di campioni di analisi delle immagini da diapositive di microscopia produce ulteriore possibilità di errori. Ad esempio, le immagini possono risultare fuori fuoco in alcune zone del campo visivo, e nel fuoco in altri. Come un filtro matrice di allumina di elevata purezza è un tipo di filtro molto rigido, i detriti sotto il filtro può causare l&#39;intero filtro di sedersi su un angolo alla diapositiva. Di conseguenza, le immagini possono essere costantemente fuori fuoco in varie parti del campo di vista per un determinato filtro, riindipendente- di allineamento microscopio. Rimontaggio filtri, assicurando la parte inferiore del filtro è pulito, può migliorare questo se si osserva. Inoltre, in alcuni casi ci possono essere due piani focali in cui virus e microbi possono essere trovati. Questo è il risultato di oggetti colorati si stacchi dal filtro sul supporto e galleggianti fino alla parte inferiore del vetrino che può rendere conteggi inaffidabile. Pertanto si consiglia sempre di verificare la qualità dei campioni durante il processo. Citometria a flusso Come con i campioni di microscopia, ci possono essere naturalmente differenze tra citofluorimetria campioni che richiedono aggiustamenti del processo analitico. Ad esempio, a seconda della sensibilità dello strumento, debolmente fluorescenti cellule Prochlorococcus può essere inferiore al livello di rumore e non saranno quantificati. Perline servono come controllo campione interna (ad esempio, per confermare che risp dello strumentoOnse ai segnali fluorescenti è coerente da un giorno all&#39;altro (e rimane stabile durante la corsa stessa). Se aggiunta al campione a concentrazione nota, possono anche servire come controllo interno per verificare la corsa volume del campione. Tuttavia, si raccomanda di eseguire sempre una aliquota di un campione di acqua marina precedentemente congelata &quot;standard&quot; che viene scongelato e macchiato con i campioni di interesse per fornire un controllo biologico aggiuntivo per la movimentazione tra corse piastre da 96 pozzetti campione. A seconda della posizione, campioni di acqua marina possono sembrare molto diversi tra loro. Ordinamento popolazioni &quot;rappresentativi&quot; e quindi la visualizzazione al microscopio epifluorescente (EM) può essere un buon modo per verificare rapidamente le popolazioni di fitoplancton sia come Synechococcus sp. O eucarioti fotosintetici. Prochlorococcus cellule non sono in genere visibili sotto EM perché svaniscono troppo in fretta. Oltre alla clorofilla a, Synechococcus sp. Contenere anche il phphycoeurythrin otopigment (PE), che emette luce a lunghezze d&#39;onda più corte (540-630 nm) di clorofilla A (660-700 nm). Quando le cellule Synechococcus sono eccitati con luce blu / verde (470-490 nm), appariranno d&#39;oro se visto sotto un filtro per le emissioni che rimuove tutte le lunghezze d&#39;onda della luce al di sotto di 510 nm. In confronto, la frazione eucariotica sarà rosso, quando eccitato con la stessa lunghezza d&#39;onda della luce. Metagenomica virali È importante notare che il processo di concentrazione VLP e stoccaggio influenza la comunità recuperato. Perdita di particelle virale può verificarsi in qualsiasi fase del processo, e quindi, la selezione dei protocolli di purificazione e di arricchimento virali può in definitiva influenzare la composizione tassonomica osservata e la diversità delle metagenomi virali risultanti 44,45,18. La concentrazione dei campioni può essere fatto utilizzando TFF 19 o 20 flocculazione chimica-based. In base chimico-approccio, positvamente addebitato ioni di ferro si legano le particelle virali naturalmente con carica negativa che formano grandi (&gt; 8 micron) di ferro-virale complessi che flocculare dalla soluzione e possono essere recuperati utilizzando 8 micron filtri. Successivamente il ferro è chelato le particelle virali e ri-sciolto utilizzando magnesio, acido ascorbico, e EDTA, lasciando particelle virali concentrate per l&#39;estrazione dell&#39;acido nucleico 20. Dopo aver confrontato questi due metodi attuali, abbiamo concluso che il metodo di cloruro di ferro richiede meno tempo di quanto la concentrazione virale TFF, ma può dare alcuni avvertimenti. Abbiamo scoperto che la dissociazione e la dissoluzione del ferro-virale richiede una duplice soluzione di magnesio-acido ascorbico-EDTA più concentrato di quello riportato 20, al fine di scioglimento di procedere, prima che le degrada l&#39;acido ascorbico. A parte questo problema, il protocollo purifica particelle virali per dimensione-frazionamento da solo, la rimozione di contaminanti microbici con 0,2 micron di filtrazione. Grandi virus non passano attraverso il filter (ad esempio, Yang et al. 46) e che quindi non essere rilevato nel metagenoma, mentre alcuni batteri fanno (McDole, dati non pubblicati). Ciò si traduce in una contaminazione batterica, mentre discriminare grandi virus. Tale problema specifico tuttavia è importante anche per la rimozione di microbi in connessione con la concentrazione TFF. Poiché il trattamento cloroformio è stato dimostrato per rimuovere virus cloroformio-sensibile con membrane lipidiche esterni 47 alcuni studi suggeriscono che 0,22 micron filtrazione può essere usato per rimuovere la maggior parte dei batteri. Va inoltre notato che il metodo presentato rivolge prevalentemente batteriofago, il più abbondante vettore di materiale genetico in ambienti marini. Poiché fago sono generalmente ritenuto non contengono comunemente lipidi 48 che sono più resistenti al trattamento cloroformio. A nostra conoscenza di un metodo di &quot;catch-all&quot; non esiste fino ad oggi. Il metodo qui presentato è tratto dal ouesperienza sul campo r nel corso degli ultimi 10 anni in diversi ambienti marini tropicali si estendono ai sistemi artiche. Microbica Metagenomica La costruzione di librerie metagenomiche di microbi (ad esempio, batteri e di archeobatteri) è più semplice di quanto metagenomi virali in quanto è più facile per generare le concentrazioni minime di DNA necessari per la preparazione biblioteca. Amplificazione fucile librerie Linker (LASLs) 17,49,50 e intero genoma di amplificazione in base a più di spostamento di amplificazione (MDA) sono i due metodi più comunemente utilizzati per la generazione di DNA sufficiente per il sequenziamento. A volte è necessario l&#39;utilizzo di MDA per ottenere elevate concentrazioni di DNA in metagenomi microbiche. Questo però può causare artefatti nei dati di sequenza, come ad esempio la overamplification di minicircoli dinoflagellati. Metodi di MDA sono noti per amplificare preferenzialmente il DNA a singolo filamento e circolare, con conseguente risultati non quantitativi 51,52. I LASLs ottimizzati avvicinano 50 può quindi serve come un&#39;alternativa migliore in amplificando sia microbica e DNA virale metagenomica per il sequenziamento. È importante notare che l&#39;approccio LASLs ha più passaggi, richiede attrezzature sofisticate, ed è limitata ai modelli dsDNA. Inoltre, il kit di estrazione del DNA dei tessuti ha dimostrato di estrarre il DNA da entrambe phyla negativo Gram positivi e Gram, ma non è stato verificato taxa microbica efficace lyse recalcitrante o le loro strutture associate (ad esempio, alcuni archeobatteri, endospore o spore fungine) . Quindi un pestaggio passo tallone può essere necessario per ottenere il DNA da alcuni microbi. Queste valutazioni globali si tradurrà in una migliore comprensione del funzionamento degli ecosistemi virale e microbico. Anche se alcuni studi hanno assunto l&#39;impegno di valutare tutti i parametri proposti, molti hanno indagato quelli selezionati. Nelson et al. 53 suggerito una connessione between habitat di scogliera specifico e esaurimento in entrambe le concentrazioni di DOC e batterioplancton relativi alle acque al largo. Questi cambiamenti di concentrazione sono state accompagnate da differenziazioni distinte delle comunità batterioplancton. Dinsdale et al. 5 hanno mostrato che maggiore impatto antropico è stato accompagnato da 10x abbondanze elevate di cellule microbiche e particelle virus-simili. Comunità microbiche in acque marine circostanti isole abitate avevano anche più grandi frazioni di eterotrofi e potenziali agenti patogeni 5. Infine McDole et al. 4 hanno mostrato, con l&#39;introduzione del punteggio microbialization, che le attività umane stanno spostando energia per i microbi, a spese dei macrobes. Questi studi, incentrati sui parametri microbiologici e chimici dell&#39;acqua specifici, forniscono nuove intuizioni nella struttura biochimica degli ecosistemi marini. Combinando i dati tradizionali delle attività di monitoraggio degli ecosistemi - come temperatura e pH, valori di biomassa di pesce e diversificazionety, la copertura bentonici, o l&#39;esposizione a impatto umano - con la chimica dell&#39;acqua e valutazioni microbiche, probabilmente porterà a sforzi di monitoraggio ambientale più sensibili, che possono portare a sforzi di conservazione più specificamente mirati.

Ecosistemi marini sono sottoposti ad una vasta gamma di perturbazioni che provocano cambia da disponibilità di nutrienti alla biomassa dei predatori. Negli ultimi dieci anni, diversi studi hanno dimostrato l&#39;importanza delle comunità microbiche in ecosistemi marini 1-4. È evidente che i cambiamenti nella comunità batteriche e virali sono strettamente associati con il degrado complessivo degli ambienti marini 5. Questi cambiamenti possono essere agevolati da geochimica alterato nella colonna d&#39;acqua, come la disponibilità di ossigeno o remineralizzazione carbonio 6,7. Come risultato l&#39;interdipendenza tra la macrorganismi, chimica dell&#39;acqua e microbiche anelli di retroazione di attività può accelerare la velocità di degradazione dell&#39;ecosistema 8. Negli anni 1970 e &#39;80 sono stati fatti diversi tentativi di svelare cicli biogeochimici negli ecosistemi marini 9-11. Una delle principali sfide per questi primi studi è stata la mancanzadi approcci standardizzati per misurare i parametri biogeochimici valutati. Anche se c&#39;erano protocolli disponibili, principalmente su acqua di mare nutrienti 12,13, la valutazione della dinamica del carbonio e la struttura della comunità microbica sono stati limitati dagli strumenti e metodi disponibili. Con il metodo di confronto JGOFS EqPac, Sharp et al. 14 suggerito per la prima volta un protocollo affidabile e standardizzato per valutazioni carbonio organico disciolto (DOC) di concentrazione. Nei primi anni 2000 le sfide analitiche per determinare le risorse disponibili per la comunità microbica era così stato in gran parte risolti e approcci per la caratterizzazione delle comunità microbiche in ambienti di coltura controllati era stato stabilito (vedi DeLong 15). I metodi di sequenziamento tradizionali, a quel tempo in gran parte affidamento su colture clonali coltivate. All&#39;inizio sequenziamento del gene ambientale di campioni naturali rivelato, tuttavia, che la maggior parte della biodiversità microbica era stata persa da cultivmetodi basati zione-16. Nel 2002, Breitbart et al. 17 utilizzato sequenziamento shotgun per la prima volta a descrivere la comunità virale in campioni di acqua marina ambientali stabilisce un metodo per sequenziare l&#39;intero genoma delle comunità virali marini incolte. Nell&#39;ambito delle valutazioni microbici esistenti, i virus rimangono ancora particolarmente sotto-studiato, come la maggior parte sono difficili da coltivare e non hanno un indicatore universalmente conservato come il 16S RNA ribosomiale (rRNA) geni tipicamente utilizzati per valutare la diversità e la comunità profiling. L&#39;approccio di sequenziamento metagenomica offre un&#39;alternativa ai metodi di coltura-dipendente e gene targeting per l&#39;analisi di comunità virali complessi. Mentre i primi metagenomi virali generati da acqua di mare sono stati sequenziati utilizzando il sequenziamento Sanger 17, lo sviluppo di tecnologie di sequenziamento di nuova generazione e le tecniche molecolari miglioramento ha portato ad un rapido aumento negli studi metagenomiche 18 </sup&gt;. Il flusso di lavoro attuale laboratorio per metagenomics virali prevede la separazione, arricchimento e / o la concentrazione di particelle virali, seguito da acido nucleico (DNA o RNA) estrazione, la preparazione biblioteca e sequenziamento 19-21. Per approfondire la conoscenza esistente virale, microbica e il funzionamento biochimico in ecosistemi acquatici, confrontando i set di dati nei vari sistemi in tutto il mondo è essenziale. Tuttavia, sono stati ampiamente sviluppati i protocolli stabiliti per gli ambienti vicino alla costa con strutture di laboratorio facilmente accessibili. Pertanto, la mancanza di metodi standardizzati campo ostacola questi confronti tra ecosistema. Qui introduciamo accuratamente testato e ben standardizzato adattamenti di stato dei protocolli di ricerca dell&#39;arte per l&#39;utilizzo in posizioni di campo remote. Questi metodi sono stati dimostrati con successo in diversi studi che misurano l&#39;ultima decade 5,22 e sono attualmente utilizzati da diversi laboratori marini nonché sulla NOAAReef Valutazione e programma di monitoraggio (RAMP) in tutto l&#39;Oceano Pacifico 4. I protocolli di campionamento sono i parametri dell&#39;acqua di chimica (concentrazioni carbonio organico e inorganico, di concentrazione dei nutrienti inorganici), abbondanza virale e microbico (conta batterica diretti, conta virali diretti, e citometria a flusso per valutare autotroph vs rapporti eterotrofi), e la struttura della comunità microbica e virale e potenziale metabolico attraverso l&#39;analisi metagenomica (per una rassegna si veda la Figura 1). I risultati ottenuti dai metodi qui descritti sono necessari al fine di chiarire i parametri di fondo biogeochimici chiave necessarie per caratterizzare completo ecosistemi acquatici.

<table><tbody><tr><td>Niskin collection and processing units (Hatay Niskins)</td><td></td><td></td><td>&lt;strong&gt;Figure 1&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Filtration setup</td><td></td><td></td><td>&lt;strong&gt;Figure 1&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>32-36% Hydrochloric acid (HCl)</td><td>Fisher Sci</td><td>A508-212</td><td></td></tr><tr><td>High-density polyethylene (HDPE) container</td><td></td><td></td><td>&lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt;, 5 Gallon HDPE UN Certified Pail with Snap-On Lid</td></tr><tr><td>Combustion oven (550 &amp;deg;C)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>60 ml HDPE vials&amp;nbsp;</td><td>Fisher Sci</td><td>02-896-2B</td><td></td></tr><tr><td>25 mm GF/F filter</td><td>Fisher Sci</td><td>09-874-64</td><td></td></tr><tr><td>Forceps&amp;nbsp;</td><td>Fisher Sci</td><td>XX62-000-06</td><td></td></tr><tr><td>Sterile, non-powdered gloves</td><td>Fisher Sci</td><td>19-170-010B</td><td></td></tr><tr><td>Bilge pump&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td>&lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt;, Thirsty Mate 124PF</td></tr><tr><td>20 L collapsible low-density polyethylene carboy</td><td></td><td></td><td>&lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt;, Reliance Fold A Carrier II</td></tr><tr><td>Tangential flow filter (TFF) ultrafiltration hollow fiber cartridges</td><td>Amersham</td><td>CFP-2-E-9A</td><td></td></tr><tr><td>Platinum-cured silicon tubing for TFF</td><td>Cole Parmer</td><td>96440-82</td><td></td></tr><tr><td>Hose clamps</td><td>Cole Parmer</td><td>P-68007-23</td><td></td></tr><tr><td>Peristaltic pump</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-77410-10</td><td></td></tr><tr><td>Sodium hydroxide (NaOH) solution</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>21162</td><td></td></tr><tr><td>0.2 &amp;micro;m Polycarbonate track-etched membrane filter</td><td>Fisher Sci</td><td>09-300-61</td><td></td></tr><tr><td>8.0 &amp;micro;m Polycarbonate track-etched membrane filter</td><td>Fisher Sci</td><td>09-300-57</td><td></td></tr><tr><td>0.22 &amp;micro;m Polyvinylidene difluoride cylindrical filter</td><td>Fisher Sci</td><td>SVGP01050</td><td></td></tr><tr><td>0.45 &amp;micro;m Polyvinylidene difluoride cylindrical filter</td><td>Fisher Sci</td><td>SVHV010RS</td><td></td></tr><tr><td>Synthetic nylon mesh</td><td>Sefar</td><td>03-125-37</td><td></td></tr><tr><td>20 ml Plastic scintillation bottle</td><td>Fisher Sci</td><td>03-341-72C</td><td></td></tr><tr><td>Clean bucket (10-20 L)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>32% Paraformaldehyde</td><td>Electron Microscopy Science</td><td>15714</td><td></td></tr><tr><td>25% Glutaraldehyde</td><td>Electron Microscopy Science</td><td>16220</td><td></td></tr><tr><td>Liquid nitrogen</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>0.02 &amp;micro;m High-purity alumina matrix filter with annular polypropylene support ring&amp;nbsp;</td><td>Fisher Sci</td><td>6809-6002</td><td></td></tr><tr><td>0.2 &amp;micro;m High-purity alumina matrix filter with annular polypropylene support ring</td><td>Fisher Sci</td><td>6809-6022</td><td></td></tr><tr><td>10,000x SYBR Gold nucleic acid stain</td><td>Invitrogen</td><td>S11494</td><td></td></tr><tr><td>DAPI solution 25 &amp;micro;g/ml</td><td>Invitrogen</td><td>D1306</td><td></td></tr><tr><td>Molecular grade water</td><td>sigma aldrich</td><td>W-4502</td><td></td></tr><tr><td>Ascorbic acid</td><td>Fisher Sci</td><td>BP351-500</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate Buffered Saline (PBS)</td><td>Fisher Sci</td><td>BP399-500</td><td></td></tr><tr><td>Glycerol</td><td>Fisher Sci</td><td>G31-500</td><td></td></tr><tr><td>Microscope slide</td><td>Fisher Sci</td><td>12-550-123</td><td></td></tr><tr><td>Coverslip</td><td>Fisher Sci</td><td>12-548-5M</td><td></td></tr><tr><td>Delicate task wipe&amp;nbsp;</td><td>Fisher Sci</td><td>06-666A</td><td></td></tr><tr><td>Slide station with vacuum pump</td><td></td><td></td><td>&lt;strong&gt;Figure 3&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>DNA extraction kit</td><td>Macherey-Nagel</td><td>740952.1</td><td>Nucleospin tissue kit</td></tr><tr><td>Proteinase K (20 mg/ml)</td><td>Lifetechnologies</td><td>AM2546</td><td></td></tr><tr><td>200-proof Ethanol</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>15058</td><td></td></tr><tr><td>Red cap: Male Luer with Lock Ring x Female Luer Coupler&amp;nbsp;</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-45503-88</td><td></td></tr><tr><td>Cesium chloride (CsCl)</td><td>Fisher Sci</td><td>bp1595-500</td><td></td></tr><tr><td>60 ml Syringe</td><td>Fisher Sci</td><td>13-6898</td><td></td></tr><tr><td>0.02 &amp;micro;m Alumina matrix disposable syringe filter</td><td>Fisher Sci</td><td>O992613</td><td></td></tr><tr><td>Ultra-clear centrifuge tubes</td><td>Beckman Coulter</td><td>344059</td><td></td></tr><tr><td>Ultra-swinging bucket rotor</td><td>Beckman Coulter</td><td>333790</td><td>SW41 Ti Rotor&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>DNase I (100 units/&amp;micro;l)</td><td>Calbiochem</td><td>260913</td><td></td></tr><tr><td>0.5 M EDTA</td><td>Fisher Sci</td><td>BP2482-500</td><td></td></tr><tr><td>Formamide</td><td>Fisher Sci</td><td>BP228-100</td><td></td></tr><tr><td>Glycogen</td><td>sigma aldrich</td><td>G-1767</td><td></td></tr><tr><td>1x Tris-EDTA (TE) pH 8.0</td><td>Fisher Sci</td><td>BP2473-500</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Dodecyl Sulfate (SDS)</td><td>Fisher Sci</td><td>02674-25</td><td></td></tr><tr><td>20 &amp;mu;g/ml Proteinase K</td><td>Fisher Sci</td><td>BP1700-500</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Fisher Sci</td><td>BP1145-1</td><td></td></tr><tr><td>Phenol:Chloroform:Isoamyl alcohol 25:24:1</td><td>sigma aldrich</td><td>p3803</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Sci</td><td>BP2618-500</td><td></td></tr><tr><td>50 ml Oak Ridge tube</td><td>Fisher Sci</td><td>05-562-16B</td><td></td></tr></tbody></table>

unraveling the unseen players in the ocean - a field guide to water chemistry and marine microbiology

Qui vi presentiamo una serie di protocolli di ricerca accuratamente testati e ben standardizzati adattati per l&#39;uso in ambienti marini remoti. I protocolli di campionamento comprendono la valutazione delle risorse a disposizione della comunità microbica (carbonio organico disciolto, particelle di materia organica, nutrienti inorganici), e una descrizione esauriente delle comunità batteriche e virali (via conte virali e microbiche diretti, enumerazione dei microbi autofluorescenti, e costruzione di metagenomi virali e microbiche). Noi usiamo una combinazione di metodi, che rappresentano un campo disperso di discipline scientifiche che comprendono i protocolli già esistenti e alcune delle più recenti tecniche sviluppate. Tecniche di sequenziamento Soprattutto metagenomiche utilizzati per la caratterizzazione della comunità virali e batteriche, sono stati stabiliti solo negli ultimi anni, e sono quindi ancora sottoposto a un costante miglioramento. Ciò ha portato a una serie di procedure di campionamento e di elaborazione del campione Currentemente in uso. L&#39;insieme dei metodi qui presentata fornisce un approccio fino a data da raccogliere e trattare campioni ambientali. I parametri affrontati con questi protocolli producono il minimo di informazioni essenziale per caratterizzare e comprendere i meccanismi alla base della dinamica comunità virali e microbiche. Dà facile da seguire le linee guida per condurre indagini complete e discute passaggi critici e potenziali avvertenze pertinenti per ogni tecnica.

Microscopia Campioni Microscopia possono e devono essere analizzati immediatamente per assicurare che siano della qualità desiderata. Per misurare l&#39;abbondanza e la distribuzione delle dimensioni della comunità batterica, diapositive DAPI saranno esaminate mediante microscopia in epifluorescenza (eccitazione / emissione: 358/461 nm, vedere McDole et al 2012). (Figura 6A). Conta delle cellule e le dimensioni possono essere raccolti mediante software di imaging (ad esempio, ImagePro o ImageJ). Dalla volumi lunghezza e in larghezza cellulari (V) sono derivati ​​facendo l&#39;ipotesi che tutte le cellule hanno la forma di cilindri con tappi emisferiche utilizzando la seguente equazione: V = π / 4 × w 2 (L - w / 3) dove L è la lunghezza e w è la larghezza di ciascuna cella di 23,4. Biomassa microbica può essere stimata utilizzando le relazioni dipendenti dalle dimensioni precedentemente stabiliti for comunità microbiche marine 24. Generalmente batteri marini variano in lunghezza 0,1-4 micron, ma andare fino a ~ 8 micron di alcune località. Mentre i filtri (0.2 micron) colorati con DAPI verranno visualizzati solo i batteri, i filtri utilizzati per la macchia SYBR Gold (0,02 micron) contengono batteri e virus. Misurare l&#39;abbondanza di virus segue lo stesso protocollo per i microbi, tuttavia una eccitazione di 325-375 nm sarà utilizzato e il massimo di emissione è a 537 nm (Figura 6B). Per generare dati quantitativi il volume di campionamento può essere necessario regolare seconda dell&#39;abbondanza virale nel campione originale. Il volume corretto per filtrare è meglio determinata empiricamente per una data massa di acqua. Esempi di micrografie contenenti campioni con concentrazioni variabili virali sono illustrati nella Figura 7. I risultati di studi precedenti suggeriscono che il virus di Microborapporti (VMR) variano generalmente da 1 a 50 nei sistemi acquatici 25-29, e tra 3 e 20, con una media di circa 6 nei sistemi di barriera corallina (Knowles dati non pubblicati). Citometria a flusso Oltre ai conteggi diretti e stima della dimensione della comunità microbica, la valutazione del rapporto tra autotrofi a microbi eterotrofi tramite citometria di flusso possono essere ulteriormente estratti dai campioni raccolti (flusso esemplare citometria uscita indicato nella Figura 8). Per determinare il numero totale di cellule batteri, i campioni vengono colorati con SYBR Green e un tubo fotomoltiplicatore con un filtro passa-banda 530/30 viene utilizzato per il rilevamento. Un canale per la clorofilla (torna specchi LP back determinata in una gamma di 675-735 nm) e (filtro passa-banda 585/42) phycoerytherin viene usato per contare l&#39;abbondanza di autotrofi in campioni non colorati. Per determinare l&#39;abbondanza di microbi eterotrofi, autotrofi i conteggi della nonparte macchiato sono quindi sottratto dal conteggio SYBR-tinto totale (McDole et al. submitted). Metagenomica virali Metagenomica virale utilizza un approccio molecolare cultura indipendente all&#39;ecologia virale, utilizzando le informazioni di totale sequenza genomica per determinare la struttura e la funzione della comunità. Metagenomica fa progredire la nostra comprensione della complessità e la diversità delle comunità virali a livello locale da 17 a scala globale 30. Il recente sviluppo di una vasta gamma di strumenti bioinformatici per l&#39;analisi dei dati metagenomiche virale è diminuita colli di bottiglia di calcolo, consentendo una visione più completa della della virosphere attraverso la lente della metagenomica. I metodi qui presentati evidenziano l&#39;isolamento e l&#39;arricchimento di particelle virali dall&#39;acqua di mare usando una combinazione di prefiltrazione con ampio nylon dimensione dei pori della maglia per rimuovere i detriti e materiale cellulare, concentrazione dicampioni con TFF (figura 3) ed una successiva 0,45 micron filtrazione per rimuovere le cellule più grandi. Questo metodo produce circa un 100x campione concentrato (figure 5B-5E), che ci permette di eseguire processi a valle in volumi più piccoli. Al fine di prevenire la crescita di eventuali cellule microbiche rimanenti nel lisato virale e quindi le variazioni di abbondanza virale del campione durante il lungo tempo di transito tra la stazione di campo e di laboratorio, il cloroformio viene spesso aggiunto ad una concentrazione finale del 2% per la conservazione. Dopo isolamento e purificazione di VLP, epifluorescenza con coloranti acidi nucleici come SYBR oro vengono utilizzati per verificare la presenza e la purezza delle particelle virali (figure 5B-5E). Qui, vi presentiamo due metagenomi virali dalla barriera corallina Island Line meridionale, in particolare, la Starbuck (star7) e Millennium (CAR9, precedentemente conosciuto come Caroline) isole. Un volume totale di 120 L samacqua ple è stato raccolto da ciascun sito ad una profondità di 10 metri e lavorata come descritto al punto 3.7 e 5.2. Le VLP purificate dal gradiente di cloruro di cesio centrifugazione erano 3,3 x 10 8 particelle / ml per CAR9 (Figura 5D) e 2,9 x 10 9 particelle per ml per star7 come verificato secondo il metodo descritto nel paragrafo 4 (Figura 5B). La quantità totale di DNA isolato da questi campioni sono stati di circa 400 ng basa sulla misurazione NanoDrop. Il DNA è stato amplificato utilizzando Phi29 polimerasi e sequenziato dalla facilità Environmental Genomics Nucleo nel 2011. Le caratteristiche dei dati di sequenza è presentato in Tabella 1. Sulla base di ricerche di somiglianza con database esistenti, la maggior parte (&gt; 70%) delle sequenze spesso causato non caratterizzate, cioè, origini sconosciute e funzioni. Allo stesso modo, i due viromes presentati qui presentati oltre il 97% delle sequenze sconosciute. Come risultato, non di databaseanalisi dipendente è stato utilizzato per l&#39;analisi e ha aperto un nuovo braccio di opportunità di ricerca sulla &quot;materia oscura&quot; in metagenomica virali (Seguritan et al. in corso di stampa). Microbica Metagenomica L&#39;analisi di metagenomi microbici permette la caratterizzazione della comunità microbica presente e la descrizione funzionale di queste comunità. Gli esempi includono le stime della presenza di agenti patogeni e virulenza 5,22 o confronti tra i cambiamenti nella struttura della comunità macrobial o nutrienti disponibili e l&#39;abbondanza delle specie e dei loro predominanti vie metaboliche (Figura 9; Kelly et al 2014.). Chimica dell&#39;acqua Parametri chimici dell&#39;acqua in genere prendono vasta elaborazione analitica per generare i dati desiderati; campioni per analisi DOC saranno misurati tramite ossidazione catalitica ad alta temperatura 31,32, particolato organico (POM) mediante spettrometria di massa a rapporto isotopico accoppiato ad un analizzatore elementare 33-35, e nutrienti inorganici da Flow Injection Analysis 36,12,37. Dopo il completamento di tutte le analisi, le informazioni come mostrato nella tabella 1 sarà disponibile per completare la caratterizzazione delle comunità microbiche e virali. Queste informazioni possono essere complimentato con rapporti di isotopi stabili di campioni di carbonio e di azoto organico (Vedi Haas et al. 35) e il rapporto tra autotrofi ed eterotrofi (McDole et al. Submitted). <img alt="Figura 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig1highres.jpg" width="600" /> Figura 1. Panoramica dei metodi descritti nella sezione del protocollo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig1highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questo FIGU</a>ri. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig2highres.jpg" /> Figura 2. Esempio di configurazione di elaborazione rig. La messa a punto di filtrazione introdotto qui (disegno schematico a sinistra, immagine reale pannello di destra) non è necessariamente tenuto a produrre campioni, ma sarà accelerare il processo in modo significativo. La configurazione consiste di una piastra posteriore, su cui sono montate le unità Hatay Niskin (1). In uscita rivolta verso il basso, le unità Hatay Niskin sono collegate con tubi in silicone ai possessori filtro in linea (2). Questi lasciano passare l&#39;acqua campionata attraverso il rispettivo filtro nelle fiale di campionamento HDPE (3) montato proprio sotto. Il processo di filtrazione viene accelerato tramite aria in pressione (4), e regolato da un manometro (5). Una cassa di espansione impedisce la fuoriuscita d&#39;acqua durante il cambiamento delle fiale HDPE o filtrazione POM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig2highres.jpg" target="_blank">Si prega di</a>clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig3highres.jpg" /> Acqua di campionamento Figura 3. tangenziale scaletta filtro flusso (modificato da Thurber et al. 19). Nylon Mesh filtrata viene pompata dal serbatoio (1) mediante una pompa peristaltica (2) per un filtro a flusso tangenziale (3). I campioni di acqua torna al serbatoio (1) lungo la linea di ritorno (4) in assenza di contropressione. Quando contropressione viene applicata attraverso una fascetta (5) sulla linea di ritorno, l&#39;acqua passa attraverso il filtro e viene scartato o consegnato al serbatoio filtrato (6). Acqua campione è sostituito come è concentrata la linea filtrato fino a quando tutta l&#39;acqua campione è concentrata nelle linee di tubi. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig4highres.jpg" /> Figura 4. Microscopio impostazione filtrazione diapositiva.Per distribuire uniformemente DAPI e SYBR oro campioni colorati sul rispettivo filtro matrice di allumina (1), filtri devono essere messi in una torre del filtro (2) e lo stelo del collettore filtrazione e fissato con un morsetto (4). Un vuoto regolata pressione (5) sarà accelerare il processo di filtrazione (in alto disegno schematico, attuale pannello inferiore dell&#39;immagine). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig4highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig5highres.jpg" /> Figura 5. Purificazione e concentrazione di particelle fagiche. Un totale di 1 ml di ciascuna gradiente di densità cloruro di cesio è strato sopra l&#39;altro prima che porta il campione pretrattato (A). Ogni strato deve essere marcato all&#39;esterno del tubo per facilitare l&#39;estrazione dopo ultracentrifugazione. Freccia segni rossi dove il tubo viene trafitto a extratto la frazione VLP. (BE) Micrografie di concentrati virali: microscopio a epifluorescenza di 0,45 concentrati virali rappresentativi micron-filtrati di star7 (B) e CAR9 (D). Le particelle più grandi, tra cui le cellule batteriche erano visibili dalle 0,45 micron-filtrati da entrambi (D) campioni star7 (B) e CAR9, mentre solo VLP (frecce bianche) rimangono dopo gradiente di cloruro di cesio ultracentrifugazione; Stella 7 (C) e CAR9 (E). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig5highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig6highres.jpg" /> Figura 6. Esempio di DAPI e l&#39;analisi al microscopio SYBR oro. Schermata dall&#39;analisi di (A) e DAPI (B) SYBR oro macchiato esempio diapositiva. (A) lunghezza e larghezza (micron) di tutti evidenziati particelle(= Microbi) possono essere valutate con l&#39;ausilio di un programma di imaging. Nota l&#39;aggregazione nel centro dell&#39;immagine. Questi gruppi dovranno essere esclusi dalla successiva analisi. (B) Durante i virus e batteri di analisi devono essere raggruppati in base alla soglia di grandezza in VLP e forcelle di dimensioni cellulari (VLP rosso, verde cellulare). Si noti che di solito ci sono alcune deboli VLP Uncategorized dal rispettivo programma di imaging. Questi VLP che appaiono come puntini bianchi deboli devono essere contati manualmente e aggiunti ai conti virali automatizzati. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig6highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig7highres.jpg" /> Figura 7. Le concentrazioni di SYBR oro macchiato campioni. Micrografie di un filtro di 0,02 matrice di allumina contenente vari numeri di SYBR macchiato campioni del virus. Pannello A mostra afiltro contenente una quantità adeguata di acqua di mare filtrata, mentre le concentrazioni sul filtro mostrato in B sono troppo elevati e in C troppo basso per i conteggi affidabili. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig7highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 8" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig8highres.jpg" width="600" /> Figura 8. Risultati di citometria a flusso in uscita l&#39;analisi di un campione di reef-acqua. Pannello (A) mostra l&#39;acqua di grado molecolare solo con microsfere di colore giallo-verde fluorescente (0,75 micron), utilizzati per verificare sfondo minimalista con le impostazioni dello strumento. Pannello (B) rappresenta l&#39;uscita della corsa campione di acqua barriera corallina con le stesse impostazioni e il layout come in A. Si noti che le perle sono ancora visibili nella stessa posizione, insieme a diverse popolazioni di autotrofi. (C) </strong&gt; Lo stesso campione come in (B), utilizzato per eseguire il cancello del citometro a flusso, il targeting SYBR eventi positivi (autotrofi eterotrofi + count) e minimizzando sfondo. (D) Il campione rappresentativo reef-acqua colorati con SYBR Green I. Utilizzo il gating con sede in (C), sono stati generati totale conta microbica, e microbi eterotrofi ed autotrofi partizionati dalla clorofilla autofluorescenza (vedi McDole et al. 4). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig8highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 9" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/52131/52131fig9highres.jpg" width="600" /> Figura 9. Esempio di dati metagenoma microbiche. Modelli tra i dati di sequenza metagenomiche microbiche e del sito variabili dipendenti. Qui, l&#39;abbondanza relativa di Synechococcus </em&gt; spp. è stata positivamente correlata con il coperchio per cento del corallo, mentre Pelagibacter spp. non è stato (a sinistra pannelli). La via metabolica per il trasferimento coniugativo era positivamente correlata con concentrazioni di nitrati, mentre la via metabolica per la riparazione del DNA è stato coerente tra tutti metagenomi (pannelli a destra). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131fig9highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Stella 7 </td><td> CAR9 </td></tr><tr><td> Numero totale di letture </td><td> 939.311 </td><td> 591.600 </td></tr><tr><td> Numero di pre-elaborato Letture </td><td> 579.664 </td><td> 360.246 </td></tr><tr><td> Media Sequenza Lunghezza (bp) </td><td> 395 ± 131 </td><td> 451 ± 159 </td></tr><tr><td> Sequenze annotato (%) </td><td> 42.218 (7,3%) </td&gt; <td> 9.117 (2,5%) </td></tr><tr><td> Sconosciuto (%) </td><td> 537.446 (92,7%) </td><td> 351.129 (97,5%) </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Caratteristiche dei dati di due viromes generati dalle Isole linea sud, Starbuck e Millennium. Il grado di annotazione è basata su BLAT utilizzando il server MG-RAST. <img alt="Tabella 2" fo:content-width="7in" src="/files/ftp_upload/52131/52131table2.jpg" width="700" /> Tabella 2. Risultati rappresentativi che mostrano i dati da vari siti durante una spedizione. I parametri qui valutati dispongono inoltre di acqua misurazioni di chimica in coppia con microbica e abbondanze virali. La tabella contiene inoltre i nomi dei file relativi ai rispettivi dati metagenomiche per ogni punto di campionamento. Le concentrazioni di carbonio e nutrienti inorganici sono dati in mmol / l. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52131/52131table2.jpg" target="_blank">Si prega di</a>clicca qui per vedere una versione più grande di questa tabella.

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Unraveling the Unseen Players in the Ocean - A Field Guide to Water Chemistry and Marine Microbiology

Here, we present a comprehensive protocol to assess the organic and inorganic nutrient availability and the abundance and structure of microbial and viral communities in remote marine environments.

Svelare i giocatori invisibili del Mare - Una guida del campo di Acqua Chimica e microbiologia marina

Here we introduce a series of thoroughly tested and well standardized research protocols adapted for use in remote marine environments. The sampling ...

unraveling-unseen-players-ocean-field-guide-to-water-chemistry-marine

Research

JoVE Journal

Environment

25.5K Views.  San Diego State University. Here, we present a comprehensive protocol to assess the organic and inorganic nutrient availability and the abundance and structure of microbial and viral communities in remote marine environments. 

Video: Unraveling the Unseen Players in the Ocean - A Field Guide to Water Chemistry and Marine Microbiology

A Small Volume Bioassay to Assess Bacterial/Phytoplankton Co-culture Using WATER-Pulse-Amplitude-Modulated (WATER-PAM) Fluorometry

Conventional methods for experimental manipulation of microalgae have employed large volumes of culture (20 ml to 5 L), so that the culture can be subsampled throughout the experiment1&#8211;7. Subsampling of large volumes can be problematic for several reasons: 1) it causes variation in the total volume and the surface area:volume ratio of the culture during the experiment; 2) pseudo-replication (i.e., replicate samples from the same treatment flask8) is often employed rather than true replicates (i.e., sampling from replicate treatments); 3) the duration of the experiment is limited by the total volume; and 4) axenic cultures or the usual bacterial microbiota are difficult to maintain during long-term experiments as contamination commonly occurs during subsampling.
The use of microtiter plates enables 1 ml culture volumes to be used for each replicate, with up to 48 separate treatments within a 12.65 x 8.5 x 2.2 cm plate, thereby decreasing the experimental volume and allowing for extensive replication without subsampling any treatment. Additionally, this technique can be modified to fit a variety of experimental formats including: bacterial-algal co-cultures, algal physiology tests, and toxin screening9&#8211;11. Individual wells with an alga, bacterium and/or co-cultures can be sampled for numerous laboratory procedures including, but not limited to: WATER-Pulse-Amplitude-Modulated (WATER-PAM) fluorometry, microscopy, bacterial colony forming unit (cfu) counts and flow cytometry. The combination of the microtiter plate format and WATER-PAM fluorometry allows for multiple rapid measurements of photochemical yield and other photochemical parameters with low variability between samples, high reproducibility and avoids the many pitfalls of subsampling a carboy or conical flask over the course of an experiment.

A Small Volume Bioassay to Assess Bacterial/Phytoplankton Co-culture Using WATER-Pulse-Amplitude-Modulated WATER-PAM Fluorometry

The goal of this procedure is to demonstrate the reproducibility and adaptability of using a microtiter plate format for microalgal screening. This rapid screen combines WATER-Pulse-Amplitude-Modulated (WATER-PAM) fluorometry to measure photosynthetic yield as an indicator of Photosystem II (PSII) health with small volume bacterial-algal co-cultures.

Un piccolo volume Bioassay per valutare batterica / fitoplancton Co-cultura Utilizzando WATER-Pulse-modulata in ampiezza (WATER-PAM) fluorometria

Conventional methods for experimental manipulation of microalgae have employed large volumes of culture (20 ml to 5 L), so that the culture can be ...

Ricerca

Ambiente

Chemotactic Response of Marine Micro-Organisms to Micro-Scale Nutrient Layers

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and biogeochemical flux. However, to take advantage of nutrient patches in the ocean, swimming microbes must overcome the influences of physical forces including molecular diffusion and turbulent shear, which will limit the availability of patches and the ability of bacteria to locate them. Until recently, methodological limitations have precluded direct examinations of microbial behaviour within patchy habitats and realistic small-scale flow conditions. Hence, much of our current knowledge regarding microbial behaviour in the ocean has been procured from theoretical predictions. To obtain new information on microbial foraging behaviour in the ocean we have applied soft lithographic fabrication techniques to develop 2 microfluidic devices, which we have used to create (i) microscale nutrient patches with dimensions and diffusive characteristics relevant to oceanic processes and (ii) microscale vortices, with shear rates corresponding to those expected in the ocean. These microfluidic devices have permitted a first direct examination of microbial swimming and chemotactic behaviour within a heterogeneous and dynamic seascape. The combined use of epifluorescence and phase contrast microscopy allow direct examinations of the physical dimensions and diffusive characteristics of nutrient patches, while observing the population-level aggregative response, in addition to the swimming behaviour of individual microbes. These experiments have revealed that some species of phytoplankton, heterotrophic bacteria and phagotrophic protists are adept at locating and exploiting diffusing microscale resource patches within very short time frames. We have also shown that up to moderate shear rates, marine bacteria are able to  fight the flow  and swim through their environment at their own accord. However, beyond a threshold high shear level, bacteria are aligned in the shear flow and are less capable of swimming without disturbance from the flow. Microfluidics represents a novel and inexpensive approach for studying aquatic microbial ecology, and due to its suitability for accurately creating realistic flow fields and substrate gradients at the microscale, is ideally applicable to examinations of microbial behaviour at the smallest scales of interaction.  We therefore suggest that microfluidics represents a valuable tool for obtaining a better understanding of the ecology of microorganisms in the ocean.

The fabrication of microfluidic channels and their implementation in experiments for studying the chemotactic foraging behaviour of marine microbes within a patchy nutrient seascape and the swimming behaviour of bacteria within shear flow are described.

Risposta chemiotattica di microrganismi marini a livelli di nutrienti Micro-Scale

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and ...

Biologia

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and detritus, and excreting particulate and dissolved compounds, they serve as important agents for benthic-pelagic coupling. Accurately measuring the compounds removed and excreted by suspension feeders (such as sponges, ascidians, polychaetes, bivalves) is crucial for the study of their physiology, metabolism, and feeding ecology, and is fundamental to determine the ecological relevance of the nutrient fluxes mediated by these organisms. However, the assessment of the rate by which suspension feeders process particulate and dissolved compounds in nature is restricted by the limitations of the currently available methodologies. Our goal was to develop a simple, reliable, and non-intrusive method that would allow clean and controlled water sampling from a specific point, such as the excurrent aperture of benthic suspension feeders, in situ. Our method allows simultaneous sampling of inhaled and exhaled water of the studied organism by using minute tubes installed on a custom-built manipulator device and carefully positioned inside the exhalant orifice of the sampled organism. Piercing a septum on the collecting vessel with a syringe needle attached to the distal end of each tube allows the external pressure to slowly force the sampled water into the vessel through the sampling tube. The slow and controlled sampling rate allows integrating the inherent patchiness in the water while ensuring contamination free sampling. We provide recommendations for the most suitable filtering devices, collection vessel, and storing procedures for the analyses of different particulate and dissolved compounds. The VacuSIP system offers a reliable method for the quantification of undisturbed suspension feeder metabolism in natural conditions that is cheap and easy to learn and apply to assess the physiology and functional role of filter feeders in different ecosystems.

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

We introduce the VacuSIP, a simple, non-intrusive, and reliable method for clean and accurate point sampling of water. The system was developed and evaluated for the simultaneous collection of the water inhaled and exhaled by benthic suspension feeders in situ, to cleanly measure removal and excretion of particulate and dissolved compounds.

VacuSIP, un metodo migliorato per Inex<em&gt; In Situ</em&gt; Misura di particolato e sciolto composti elaborati da Alimentatori sospensioni attive

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and ...

A Simple Approach to Manipulate Dissolved Oxygen for Animal Behavior Observations

The ability to manipulate dissolved oxygen (DO) in a laboratory setting has significant application to investigate a number of ecological and organismal behavior questions. The protocol described here provides a simple, reproducible, and controlled method to manipulate DO to study behavioral response in aquatic organisms resulting from hypoxic and anoxic conditions. While performing degasification of water with nitrogen is commonly used in laboratory settings, no explicit method for ecological (aquatic) application exists in the literature, and this protocol is the first to describe a protocol to degasify water to observe organismal response. This technique and protocol were developed for direct application for aquatic macroinvertebrates; however, small fish, amphibians, and other aquatic vertebrates could be easily substituted. It allows for easy manipulation of DO levels ranging from 2 mg/L to 11 mg/L with stability for up to a 5 min animal-observation period. Beyond a 5 min observation period water temperatures began to rise, and at 10 min DO levels became too unstable to maintain. The protocol is scalable to the study organism, reproducible, and reliable, allowing for rapid implementation into introductory teaching labs and high-level research applications. The expected results of this technique should relate dissolved oxygen changes to behavioral responses of organisms.

This article describes a simple and reproducible protocol to manipulate dissolved oxygen conditions in a laboratory setting for animal behavior studies. This protocol may be used in both teaching and research laboratory settings to evaluate organismal response of macroinvertebrates, fishes, or amphibians to changes in dissolved oxygen concentration.

Un approccio semplice per manipolare ossigeno disciolto per Osservazioni Comportamento animale

The ability to manipulate dissolved oxygen (DO) in a laboratory setting has significant application to investigate a number of ecological and organismal ...

Ecotoxicological Method with Marine Bacteria Vibrio anguillarum to Evaluate the Acute Toxicity of Environmental Contaminants

Bacteria are an important component of the ecosystem, and microbial community alterations can have a significant effect on biogeochemical cycling and food webs. Toxicity testing based on microorganisms are widely used because they are relatively quick, reproducible, cheap, and are not associated with ethical issues. Here, we describe an ecotoxicological method to evaluate the biological response of the marine bacterium Vibrio anguillarum. This method assesses the acute toxicity of chemical compounds, including new contaminants such as nanoparticles, as well as environmental samples. The endpoint is the reduction of bacterial culturability (i.e., the capability to replicate and form colonies) due to exposure to a toxicant. This reduction can be generally referred to as mortality. The test allows for the determination of the LC50, the concentration that causes a 50% decrease of bacteria actively replicating and forming colonies, after a 6 h exposure. The culturable bacteria are counted in terms of colony forming units (CFU), and the &#34;mortality&#34; is evaluated and compared to the control. In this work, the toxicity of copper sulphate (CuSO4) was evaluated. A clear dose-response relationship was observed, with a mean LC50 of 1.13 mg/L, after three independent tests. This protocol, compared to existing methods with microorganisms, is applicable in a wider range of salinity and has no limitations for colored/turbid samples. It uses saline solution as the exposure medium, avoiding any possible interferences of growth medium with the investigated contaminants. The LC50 calculation facilitates comparisons with other bioassays commonly applied to ecotoxicological assessments of the marine environment.

Ecotoxicological Method with Marine Bacteria Vibrio anguillarum to Evaluate the Acute Toxicity of Environmental Contaminants

This work describes a new protocol to assess the ecotoxicity of pollutants, including emerging contaminants such as nanomaterials, using the marine bacterium Vibrio anguillarum. This method allows for the determination of the LC50, or mortality, the concentration that causes a 50% decrease in bacteria culturability, after a 6 h exposure.

Metodo ecotossicologico con i batteri marini<em&gt; Vibrio anguillarum</em&gt; Per valutare la tossicità acuta dei contaminanti ambientali

Bacteria are an important component of the ecosystem, and microbial community alterations can have a significant effect on biogeochemical cycling and food ...

Seawater Sampling and Collection

This video documents methods for collecting coastal marine water samples and processing them for various downstream applications including biomass concentration, nucleic acid purification, cell abundance, nutrient and trace gas analyses. For today's demonstration samples were collected from the deck of the HMS John Strickland operating in Saanich Inlet. An A-frame derrick, with a multi-purpose winch and cable system, is used in combination with Niskin or Go-Flo water sampling bottles. Conductivity, Temperature, and Depth (CTD) sensors are also used to sample the underlying water mass. To minimize outgassing, trace gas samples are collected first.  Then, nutrients, water chemistry, and cell counts are determined. Finally, waters are collected for biomass filtration. The set-up and collection time for a single cast is ~1.5 hours at a maximum depth of 215 meters. Therefore, a total of 6 hours is generally needed to complete the collection series described here.

This video documents methods for collecting coastal marine water samples and processing them for various downstream applications including biomass concentration, nucleic acid purification, cell abundance, nutrient and trace gas analyses.

Campionamento di acqua di mare e di raccolta

This video documents methods for collecting coastal marine water samples and processing them for various downstream applications including biomass ...

Large Volume (20L+) Filtration of Coastal Seawater Samples

The workflow begins with the collection of coastal marine waters for downstream microbial community, nutrient and trace gas analyses. For this method, samples were collected from the deck of the HMS John Strickland operating in Saanich Inlet. This video documents large volume (&ge;20 L) filtration of microbial biomass, ranging between 0.22&mu;m and 2.7&mu;m in diameter, from the water column. Two 20L samples can be filtered simultaneously using a single pump unit equipped with four rotating heads. Filtration is done in the field on extended trips, or immediately upon return for day trips. It is important to record the amount of water passing through each sterivex filter unit. To prevent biofilm formation between sampling trips, all filtration equipment must be rinsed with dilute HCl and deionized water and autoclaved immediately after use. This procedure will take approximately 5 hours plus an additional hour for clean up.

Large Volume 20L+ Filtration of Coastal Seawater Samples

This video documents large volume (&ge;20 L) filtration of microbial biomass, ranging between 0.22&mu;m and 2.7&mu;m in diameter, from the water column.

Volume di grandi dimensioni (20L +) Filtrazione di campioni d&#39;acqua di mare costiero

The workflow begins with the collection of coastal marine waters for downstream microbial community, nutrient and trace gas analyses. For this method, ...

Small Volume (1-3L) Filtration of Coastal Seawater Samples

The workflow begins with the collection of coastal marine waters for downstream microbial community, nutrient and trace gas analyses. For today s demonstration samples were collected from the deck of the HMS John Strickland operating in Saanich Inlet. This video documents small volume (~1 L) filtration of microbial biomass from the water column. The protocol is an extension of the large volume sampling protocol described earlier, with one major difference: here, there is no pre-filtration step, so all size classes of biomass are collected down to the 0.22 &mu;m filter cut-off. Samples collected this way are ideal for nucleic acid analysis. The set-up, filtration, and clean-up steps each take about 20-30 minutes. If using two peristaltic pumps simultaneously, up to 8 samples may be filtered at the same time. To prevent biofilm formation between sampling trips, all filtration equipment must be rinsed with dilute HCl and deionized water and autoclaved immediately after use.

Small Volume 1-3L Filtration of Coastal Seawater Samples

This video documents small volume (~1 L) filtration of microbial biomass from the water column.

Volume piccoli (1-3L) Filtrazione di campioni d&#39;acqua di mare costiero

The workflow begins with the collection of coastal marine waters for downstream microbial community, nutrient and trace gas analyses. For today s ...

A Practical and Low-Cost Setup to Measure Methane in Aqueous Samples

Measuring Dissolved Methane in Aquatic Ecosystems Using An Optical Spectroscopy Gas Analyzer

Measuring greenhouse gas (GHG) fluxes and pools in ecosystems are becoming increasingly common in ecological studies due to their relevance to climate change. With it, the need for analytical platforms adaptable to measuring different pools and fluxes within research groups also grows. This study aims to develop a procedure to use portable optical spectroscopy-based gas analyzers, originally designed and marketed for gas flux measurements, to measure GHG concentrations in aqueous samples. The protocol involves the traditional headspace equilibration technique followed by the injection of a headspace gas subsample into a chamber connected through a closed loop to the inlet and outlet ports of the gas analyzer. The chamber is fabricated from a generic mason jar and simple laboratory supplies, and it is an ideal solution for samples that may require pre-injection dilution. Methane concentrations measured with the chamber are tightly correlated (r2 &#62; 0.98) with concentrations determined separately through gas chromatography-flame ionization detection (GC-FID) on subsamples from the same vials. The procedure is particularly relevant for field studies in remote areas where chromatography equipment and supplies are not readily available, offering a practical, cheaper, and more efficient solution for measuring methane and other dissolved greenhouse gas concentrations in aquatic systems.

This study demonstrates an approach to measure methane gas concentrations in aqueous samples using portable optical analyzers coupled to an injection chamber in a closed loop. The results are similar to conventional gas chromatography, presenting a practical and low-cost alternative particularly suitable for remote field studies.

Measuring greenhouse gas (GHG) fluxes and pools in ecosystems are becoming increasingly common in ecological studies due to their relevance to climate ...

A Toxicological and Ecotoxicological Assay Based on Mussel (Mytilus galloprovincialis) Hemocytes Motility

Hemocytes are the circulating immune-competent cells in bivalve mollusks and play a key role in several important functions of cell-mediated innate immunity. During the early stages of the immune response, hemocytes actively migrate to the site of infection. This inherent motility is a fundamental characteristic of these cells. It represents a key cellular function that integrates multiple processes, such as cell adhesion, cell signaling, cytoskeletal dynamics, and changes in cell volume. Therefore, alterations in cell motility following exposure to drugs or pollutants can serve as a useful toxicological endpoint. Despite the fundamental role of cell motility in cellular physiology, it has been poorly investigated from a toxicological perspective. This work proposes a novel in vitro method for the rapid and sensitive assessment of the toxicity and ecotoxicity of pollutants, based on evaluating the hemocyte motility of Mytilus galloprovincialis. We developed a cell motility assay on hemocytes adhering to the bottom of a 96-well polystyrene microplate. Following exposure to increasing concentrations of drugs, cell trajectories, and velocities were quantified by cell tracking under time-lapse microscopy, allowing us to measure the effects on hemocyte motility. Due to the ease of hemocyte collection from the animals in a relatively non-invasive manner, the proposed method offers an alternative test for screening the effects and mechanisms of action of pollutants and drugs. It aligns with the 3Rs (Replacement, Reduction, and Refinement) criteria, addressing ethical concerns and contributing to the reduction of vertebrate in vivo animal testing.

The article proposes a novel in vitro method for the rapid and sensitive assessment of the toxicity and ecotoxicity of pollutants, based on the motility of Mytilus galloprovincialis hemocytes. The method aims to contribute to the development of more ethical and sensitive toxicological and ecotoxicological exposure tests.

Un test tossicologico ed ecotossicologico basato sulla motilità degli emociti delle cozze (Mytilus galloprovincialis)

Hemocytes are the circulating immune-competent cells in bivalve mollusks and play a key role in several important functions of cell-mediated innate ...

Svelare i giocatori invisibili del Mare - Una guida del campo di Acqua Chimica e microbiologia marina

Riepilogo

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Un piccolo volume Bioassay per valutare batterica / fitoplancton Co-cultura Utilizzando WATER-Pulse-modulata in ampiezza (WATER-PAM) fluorometria

Risposta chemiotattica di microrganismi marini a livelli di nutrienti Micro-Scale

VacuSIP, un metodo migliorato per Inex

Un approccio semplice per manipolare ossigeno disciolto per Osservazioni Comportamento animale

Metodo ecotossicologico con i batteri marini

Campionamento di acqua di mare e di raccolta

Volume di grandi dimensioni (20L +) Filtrazione di campioni d'acqua di mare costiero

Volume piccoli (1-3L) Filtrazione di campioni d'acqua di mare costiero

Measuring Dissolved Methane in Aquatic Ecosystems Using An Optical Spectroscopy Gas Analyzer

Un test tossicologico ed ecotossicologico basato sulla motilità degli emociti delle cozze (Mytilus galloprovincialis)