Published March 4, 2019
| Version v1
Publication
Open
Natural Extracellular Electron Transfer Between Semiconducting Minerals and Electroactive Bacterial Communities Occurred on the Rock Varnish
Creators
- 1. Peking University
Description
Rock varnish is a thin coating enriched with manganese (Mn) and iron (Fe) oxides. The mineral composition and formation of rock varnish elicit considerable attention from geologists and microbiologists. However, limited research has been devoted to the semiconducting properties of these Fe/Mn oxides in varnish and relatively little attention is paid to the mineral–microbe interaction under sunlight. In this study, the mineral composition and bacterial communities on varnish from the Gobi Desert in Xinjiang, China were analyzed. Results of principal components analysis and t–test indicated that more electroactive genera such as Acinetobacter, Staphylococcus, Dietzia and Pseudomonas gathered on varnish bacterial communities than on substrate rock and surrounding soils. We then explored the culture of varnish, substrate and soil samples in media and the extracellular electron transfer (EET) between bacterial communities and mineral electrodes under light/dark condition for the first time. Orthogonal electrochemical experiments demonstrated that the most remarkable photocurrent density of 6.1 ± 0.4 μA/cm2 was observed between varnish electrode and varnish microflora. Finally, based on Raman and 16S rRNA gene sequencing results, coculture system of birnessite and Pseudomonas (the major Mn oxide and one common electroactive bacterium in varnish) was established for mechanism study. A steadily growing photocurrent (205 μA at 100 h) under light was observed with a stable birnessite after 110 h. However, only 47 μA was generated in the dark control and birnessite was reduced to Mn2+ in 13 h, suggesting that birnessite helped deliver electrons instead of serving as an electron acceptor under light. Our study demonstrated that electroactive bacterial communities were positively correlated with Fe/Mn semiconducting minerals in varnish, and diversified EET process occurred on varnish under sunlight. These phenomena may influence bacterial community structure in natural environments over time.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الورنيش الصخري هو طبقة رقيقة غنية بأكاسيد المنغنيز (المنغنيز) والحديد (الحديد). يسترعي التركيب المعدني وتشكيل الورنيش الصخري اهتمامًا كبيرًا من الجيولوجيين وعلماء الأحياء الدقيقة. ومع ذلك، تم تكريس أبحاث محدودة لخصائص أشباه الموصلات لأكاسيد الحديد/المنغنيز هذه في الورنيش ويتم إيلاء اهتمام ضئيل نسبيًا لتفاعل المعادن والميكروبات تحت أشعة الشمس. في هذه الدراسة، تم تحليل التركيبة المعدنية والمجتمعات البكتيرية على الورنيش من صحراء غوبي في شينجيانغ، الصين. أشارت نتائج تحليل المكونات الرئيسية واختبار t إلى أن المزيد من الأجناس النشطة كهربائيًا مثل Acinetobacter و Staphylococcus و Dietzia و Pseudomonas تجمعوا على المجتمعات البكتيرية للورنيش أكثر من تجمعهم على صخور الركيزة والتربة المحيطة. ثم استكشفنا ثقافة الورنيش والركيزة وعينات التربة في الوسائط ونقل الإلكترون خارج الخلية (EET) بين المجتمعات البكتيرية والأقطاب المعدنية في حالة الضوء/الظلام لأول مرة. أظهرت التجارب الكهروكيميائية المتعامدة أن الكثافة الضوئية الأكثر بروزًا البالغة 6.1 ± 0.4 ميكرو أمبير/سم 2 قد لوحظت بين إلكترود الورنيش والنباتات الدقيقة للورنيش. أخيرًا، استنادًا إلى نتائج تسلسل جينات رامان و 16 S rRNA، تم إنشاء نظام الاستزراع المشترك للبيرنيسيت والزائفة (أكسيد المنغنيز الرئيسي وواحدة من البكتيريا النشطة كهربائيًا الشائعة في الورنيش) لدراسة الآلية. لوحظ وجود كربون ضوئي متزايد باطراد (205 ميكرو أمبير عند 100 ساعة) تحت الضوء مع بيرنيسيت مستقر بعد 110 ساعة. ومع ذلك، تم توليد 47 ميكرو أمبير فقط في التحكم المظلم وتم تخفيض بيرنيسيت إلى Mn2+ في 13 ساعة، مما يشير إلى أن بيرنيسيت ساعد في توصيل الإلكترونات بدلاً من العمل كمستقبل للإلكترونات تحت الضوء. أظهرت دراستنا أن المجتمعات البكتيرية النشطة كهربائيًا كانت مرتبطة بشكل إيجابي مع المعادن شبه الموصلة للحديد/المنغنيز في الورنيش، وأن عملية EET المتنوعة حدثت على الورنيش تحت أشعة الشمس. قد تؤثر هذه الظواهر على بنية المجتمع البكتيري في البيئات الطبيعية بمرور الوقت.Translated Description (French)
Le vernis de roche est un revêtement mince enrichi en oxydes de manganèse (Mn) et de fer (Fe). La composition minérale et la formation de vernis de roche suscitent une attention considérable de la part des géologues et des microbiologistes. Cependant, des recherches limitées ont été consacrées aux propriétés semi-conductrices de ces oxydes Fe/Mn dans le vernis et relativement peu d'attention est accordée à l'interaction minéral-microbe sous la lumière du soleil. Dans cette étude, la composition minérale et les communautés bactériennes sur le vernis du désert de Gobi au Xinjiang, en Chine, ont été analysées. Les résultats de l'analyse en composantes principales et du test t ont indiqué que plus de genres électroactifs tels que Acinetobacter, Staphylococcus, Dietzia et Pseudomonas se sont rassemblés sur des communautés bactériennes de vernis que sur la roche substrat et les sols environnants. Nous avons ensuite exploré la culture des échantillons de vernis, de substrat et de sol dans les milieux et le transfert d'électrons extracellulaire (EET) entre les communautés bactériennes et les électrodes minérales dans des conditions claires/sombres pour la première fois. Des expériences électrochimiques orthogonales ont démontré que la densité de photocourant la plus remarquable de 6,1 ± 0,4 μA/cm2 a été observée entre l'électrode de vernis et la microflore de vernis. Enfin, sur la base des résultats du séquençage du gène Raman et de l'ARNr 16S, un système de coculture de birnessite et de Pseudomonas (le principal oxyde de Mn et une bactérie électroactive commune dans le vernis) a été établi pour l'étude du mécanisme. Un photocourant en croissance constante (205 μA à 100 h) sous lumière a été observé avec une birnessite stable après 110 h. Cependant, seulement 47 μA ont été générés dans le contrôle de l'obscurité et la birnessite a été réduite à Mn2+ en 13 h, ce qui suggère que la birnessite a aidé à délivrer des électrons au lieu de servir d'accepteur d'électrons sous la lumière. Notre étude a démontré que les communautés bactériennes électroactives étaient positivement corrélées avec les minéraux semi-conducteurs Fe/Mn dans le vernis, et un processus EET diversifié s'est produit sur le vernis sous la lumière du soleil. Ces phénomènes peuvent influencer la structure des communautés bactériennes dans les environnements naturels au fil du temps.Translated Description (Spanish)
El barniz de roca es un recubrimiento delgado enriquecido con óxidos de manganeso (Mn) y hierro (Fe). La composición mineral y la formación del barniz de roca suscitan una atención considerable por parte de los geólogos y microbiólogos. Sin embargo, se ha dedicado una investigación limitada a las propiedades semiconductoras de estos óxidos de Fe/Mn en el barniz y se presta relativamente poca atención a la interacción mineral-microbio bajo la luz solar. En este estudio, se analizó la composición mineral y las comunidades bacterianas en el barniz del desierto de Gobi en Xinjiang, China. Los resultados del análisis de componentes principales y la prueba t indicaron que más géneros electroactivos como Acinetobacter, Staphylococcus, Dietzia y Pseudomonas se reunieron en comunidades bacterianas de barniz que en la roca de sustrato y los suelos circundantes. Luego exploramos por primera vez el cultivo de muestras de barniz, sustrato y suelo en medios y la transferencia extracelular de electrones (EET) entre comunidades bacterianas y electrodos minerales en condiciones de luz/oscuridad. Los experimentos electroquímicos ortogonales demostraron que la densidad de fotocorriente más notable de 6,1 ± 0,4 μA/cm2 se observó entre el electrodo de barniz y la microflora de barniz. Finalmente, con base en los resultados de secuenciación de genes Raman y 16S rRNA, se estableció un sistema de cocultivo de birnessita y Pseudomonas (el principal óxido de Mn y una bacteria electroactiva común en el barniz) para el estudio del mecanismo. Se observó una fotocorriente en constante crecimiento (205 μA a las 100 h) bajo la luz con una birnessita estable después de 110 h. Sin embargo, solo se generaron 47 μA en el control oscuro y la birnessita se redujo a Mn2+ en 13 h, lo que sugiere que la birnessita ayudó a suministrar electrones en lugar de servir como aceptor de electrones bajo la luz. Nuestro estudio demostró que las comunidades bacterianas electroactivas se correlacionaron positivamente con los minerales semiconductores de Fe/Mn en el barniz, y se produjo un proceso EET diversificado en el barniz bajo la luz solar. Estos fenómenos pueden influir en la estructura de la comunidad bacteriana en entornos naturales a lo largo del tiempo.Files
pdf.pdf
Files
(2.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:c95151976598a0884ed5e7bc232059f0
|
2.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يحدث نقل الإلكترون الطبيعي خارج الخلية بين المعادن شبه الموصلة والمجتمعات البكتيرية النشطة كهربائيًا على ورنيش الصخور
- Translated title (French)
- Le transfert d'électrons extracellulaire naturel entre les minéraux semi-conducteurs et les communautés bactériennes électroactives s'est produit sur le vernis de roche
- Translated title (Spanish)
- La transferencia de electrones extracelular natural entre minerales semiconductores y comunidades bacterianas electroactivas se produjo en el barniz de roca
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2920316963
- DOI
- 10.3389/fmicb.2019.00293
References
- https://openalex.org/W1906682345
- https://openalex.org/W1966285309
- https://openalex.org/W1967677046
- https://openalex.org/W1970977789
- https://openalex.org/W1976379176
- https://openalex.org/W1980361407
- https://openalex.org/W1981078926
- https://openalex.org/W1982129609
- https://openalex.org/W1982552644
- https://openalex.org/W1983450564
- https://openalex.org/W1986052302
- https://openalex.org/W1990827143
- https://openalex.org/W1991471609
- https://openalex.org/W1997772382
- https://openalex.org/W2015467942
- https://openalex.org/W2015856769
- https://openalex.org/W2025671109
- https://openalex.org/W2026699540
- https://openalex.org/W2026979800
- https://openalex.org/W2027173010
- https://openalex.org/W2032412789
- https://openalex.org/W2034688177
- https://openalex.org/W2035790288
- https://openalex.org/W2039268996
- https://openalex.org/W2051921900
- https://openalex.org/W2058306764
- https://openalex.org/W2067384646
- https://openalex.org/W2079620589
- https://openalex.org/W2080347284
- https://openalex.org/W2082823380
- https://openalex.org/W2083400641
- https://openalex.org/W2083767254
- https://openalex.org/W2085847412
- https://openalex.org/W2086032959
- https://openalex.org/W2086131703
- https://openalex.org/W2099666324
- https://openalex.org/W2100072849
- https://openalex.org/W2108211322
- https://openalex.org/W2118203054
- https://openalex.org/W2131806333
- https://openalex.org/W2134324495
- https://openalex.org/W2134814167
- https://openalex.org/W2135445963
- https://openalex.org/W2144379882
- https://openalex.org/W2150231600
- https://openalex.org/W2151544236
- https://openalex.org/W2204347736
- https://openalex.org/W2300294069
- https://openalex.org/W2466507495
- https://openalex.org/W2471110129
- https://openalex.org/W2515138080
- https://openalex.org/W2518467579
- https://openalex.org/W2579409630
- https://openalex.org/W2587872640
- https://openalex.org/W2592375098
- https://openalex.org/W2768502949
- https://openalex.org/W2806802091
- https://openalex.org/W4241456496