위노그라드스키 칼럼 생성: 퇴적물 검체에서 미생물 종을 풍부하게하는 방법

출처: 엘리자베스 수터^1,크리스토퍼 코르보^1,조나단 블레이즈^1
1 생물과학부, 바그너 칼리지, 1 캠퍼스 로드, 스태튼 아일랜드 뉴욕, 10301

위노그라드스키 기둥은 퇴적물 미생물 공동체, 특히 유황 사이클링에 관련된 미생물 커뮤니티를 풍요롭게 하는 데 사용되는 소형동 밀폐형 생태계입니다. 이 칼럼은 1880년대에 세르게이 위노그라드스키에 의해 처음 사용되었으며 이후 광합성기, 황 산화제, 황산염 감속기, 메탄노겐, 철 산화제, 질소 사이클러 등과 같은 생화학에 관여하는 다양한 미생물의 연구에 적용되었습니다.

지구상의 미생물의 대부분은 테스트 튜브 또는 페트리 접시 (3)에서 분리 될 수 없다는 것을 의미하는, culturable것으로 간주됩니다. 이것은 많은 요인 에 기인, 미생물 특정 신진 대사 제품에 대 한 다른 사람에 의존 하는 것을 포함 하 여. 위노그라드스키 기둥의 조건은 다른 유기체와의 상호 작용을 포함하여 미생물의 자연 서식지를 밀접하게 모방하고 실험실에서 재배할 수 있게 합니다. 이를 위해, 이 기술은 과학자가 이 유기체를 연구하고 고립에서 그(것)들을 성장하지 않고 지구의 생지구화학적 주기에 어떻게 중요한지 이해하는 것을 허용합니다.

지구의 환경은 토양, 해수, 구름 및 심해 퇴적물과 같은 모든 유형의 서식지에서번성하는 미생물로 가득합니다. 모든 서식지에서 미생물은 서로 에 의존합니다. 미생물이 성장함에 따라 설탕과 같은 탄소가 풍부한 연료뿐만 아니라 영양소, 비타민 및 산소와 같은 호흡기를 포함하여 특정 기판을소비합니다. 이 중요한 자원이 다 소모될 때, 다른 신진 대사 필요를 가진 다른 미생물은 그 때 피고 번창할 수 있습니다. 예를 들어, 위노그라드스키 컬럼에서 미생물은 먼저 첨가된 유기 물질을 소비하면서 컬럼의 하단 층에서 산소를 고갈시다. 산소가 소진되면 혐기성 유기체가 다른 유기 물질을 인수하고 소비할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 다른 미생물 공동체의 이러한 연속적인 발달은 계승 (4)이라고합니다. 미생물 승계는 위노그라드스키 컬럼에서 중요하며, 여기서 미생물 활동은 퇴적물의 화학을 변화시키고, 이는 다른 미생물의 활동에 영향을 미칩니다. 토양과 퇴적물의 많은 미생물은 또한 기판의 농도 (5)에 근거를 둔 서식지의 두 개의 다른 모형 사이 과도기 구역인 그라데이션을따라 살고 있습니다. 그라데이션의 올바른 지점에서 미생물은 최적의 양의 상이한 기판을 받을 수 있습니다. 위노그라드스키 컬럼이 발전함에 따라, 특히 산소와 황화물에서 이러한 자연 그라데이션을 모방하기 시작합니다(도 1).

그림 1: 위노그라드스키 컬럼에서 발생하는 산소(O₂₎및 황화물(H₂S) 그라데이션의 표현이다.

위노그라드스키 기둥에서 연못이나 습지의 진흙과 물은 투명한 기둥에 혼합되어 일반적으로 빛으로 배양할 수 있습니다. 추가 기판은 일반적으로 셀룰로오스 및 황의 형태로 탄소의 지역 사회 소스를 제공하기 위해 열에 추가됩니다. Photoynthesizer는 일반적으로 퇴적물의 상단 층에서 성장하기 시작합니다. 이러한 광합성 미생물은 주로 산소를 생성하고 녹색 또는 적갈색 층으로 나타나는 시아노박테리아로구성됩니다(도 2, 표 1). 광합성은 산소를 생성하는 동안, 산소는 물에 매우 용해되지 않으며이 층 아래에 감소 (도 1). 이것은 산소의 그라데이션을 만듭니다, 하단 층에 있는 산소의 높은 농도에서 구역 수색. 산소화된 층은 호기성 층이라고 하며 산소가 없는 층은 혐기성 층이라고 합니다.

혐기성 층에서, 많은 다른 미생물 공동체는 사용 가능한 기판의 종류 및 양, 초기 미생물의 근원 및 퇴적물의 다공성에 따라 증식할 수 있다. 기둥의 하단에, 혐기성 유기 물질을 분해 유기체는 번창 할 수 있습니다. 미생물 발효는 셀룰로오스의 분해에서 유기산을 생성합니다. 이러한 유기산은 황산염을 사용하여 그 유기물을 산화하고 부산물로 황화를 생산하는 황산 감속기에서사용할 수 있습니다. 황산염 감속기의 활성은 퇴적물이 검은 색으로 변하는 경우, 철과 황화물이 검은 철 황화 광물을 형성하기 위해 반응하기 때문에 표시됩니다(도 2, 표 1). 황화물은 또한 위쪽으로 확산되어 황화물 농도가 컬럼 의 맨 아래에 높고 컬럼 의 상단에 낮은 또 다른 그라데이션을 만듭니다 (도 1).

기둥 의 중간 근처, 황 산화제는 아래에서 산소의 공급을 활용하 고 아래에서 황화물. 적당한 양의 빛으로, 광합성 황 산화제는 이 층에서 발전할 수 있습니다. 이 유기체는 녹색과 보라색 유황 박테리아로알려져 있으며 종종 녹색, 보라색 또는 보라색 빨간색 필라멘트와 얼룩으로 나타납니다 (도 2, 표 1). 녹색 황 박테리아는 황화물에 대 한 높은 허용 오차를 가지고 일반적으로 보라색 황 박테리아 바로 아래 층에서 개발. 보라색 유황 박테리아 위에, 보라색 비황 박테리아는 또한 발전할 수 있습니다. 이 유기체는 황화물 대신 전자 기증자로 유기 산을 사용하여 광합성을 하고 종종 빨간색, 보라색, 주황색 또는 갈색 층으로 나타납니다. 비광합성 유황 산화제는 보라색 비황 박테리아 위에 발전할 수 있고, 이들은 일반적으로 백색 필라멘트로 나타납니다 (도 2, 표 1). 또한 위노그라드스키 열에서도 거품이 형성될 수 있습니다. 에어로빅 층의 거품은 시아노박테리아에 의한 산소 생산을 나타낸다. 혐기성 층의 거품은 유기물을 혐기성분해하고 부산물로 메탄을 형성하는 메탄오겐,유기체의 활성으로 인해 발생할 수 있습니다.

표 1: 고전적인 위노그라드 스키 열에 나타날 수 있습니다 박테리아의 주요 그룹, 위에서 아래로. 각 그룹에서 유기체의 예가 주어지며, 유기체의 각 층의 시각적 지표가 나열됩니다. 페리 외 (2002) 및 로간 외 (2005)를 기반으로합니다.