- Wie was Sergei Winogradsky?
- Wat is de Winogradsky-kolom?
- Wat gebeurt er in de wervelkolom?
- Zonering van de Winogradsky-kolom
- Anaërobe zone
- Aërobe zone
- Toepassingen
- Referenties
De Winogradsky-kolom is een apparaat dat wordt gebruikt voor het kweken van verschillende soorten micro-organismen. Het is gemaakt door de Russische microbioloog Sergei Winogradsky. De groei van de micro-organismen wordt gestratificeerd over de kolom.
Stratificatie wordt uitgevoerd op basis van de voedings- en milieueisen van elke groep organismen. Hiervoor worden verschillende soorten voedingsstoffen en energiebronnen aan het apparaat geleverd.
Winogradsky-kolom. Genomen en bewerkt vanuit: UPVD-BioEcoL3-2010, van Wikimedia Commons.
De kolom is een verrijkt kweekmedium, waarin micro-organismen van verschillende groepen zullen groeien. Na een rijpingsperiode die enkele weken tot enkele maanden kan duren, komen deze micro-organismen beschikbaar in specifieke microhabitats.
De microhabitats die worden gecreëerd, zijn afhankelijk van het gebruikte materiaal en de onderlinge relaties tussen de organismen die zich ontwikkelen.
Wie was Sergei Winogradsky?
Sergei Winogradsky (1856-1953), de maker van de column die zijn naam draagt, was een Russische microbioloog geboren in Kiev, nu de hoofdstad van Oekraïne. Naast microbioloog was hij ook expert in ecologie en bodemonderzoek.
Zijn werk met zwavelafhankelijke micro-organismen en biogeochemische stikstofprocessen bezorgden hem grote bekendheid. Hij beschreef talrijke nieuwe micro-organismen, waaronder de genera Nitrosomona en Nitrobacter. Hij was ook de ontdekker van chemosynthese.
Onder de vele erkenningen die deze microbioloog ontving, wordt hij benoemd tot erelid van de Moscow Society of Natural Sciences.
Hij was ook lid van de Franse Academie van Wetenschappen. In 1935 ontving hij de Leeuwenhoekmedaille, een erkenning verleend door de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. Hij werd door Louis Pasteur zelf uitgenodigd om hoofd microbiologie te worden bij het Pasteur Instituut.
Wat is de Winogradsky-kolom?
Dit apparaat is niets meer dan een glazen of plastic cilinder met daarin verschillende materialen. De cilinder is tot een derde van zijn capaciteit gevuld met slib of modder dat rijk is aan organisch materiaal.
Vervolgens worden cellulose en andere organische stoffen toegevoegd, die als bron van organische koolstof zullen dienen. Als een bron van zwavel wordt calciumsulfaat toegevoegd en calciumcarbonaat wordt toegevoegd om de pH-balans te behouden. De kolom wordt aangevuld met water uit een rivier, meer, put, etc.
Het apparaat moet vervolgens enkele weken tot enkele maanden onder zonlicht of kunstlicht worden gerijpt of geïncubeerd. Na die tijd stabiliseert de wervelkolom zich en worden goed gedefinieerde microhabitats gevestigd. In elke microhabitat zullen specifieke micro-organismen zich ontwikkelen volgens hun specifieke behoeften.
Wat gebeurt er in de wervelkolom?
De eerste micro-organismen die de kolom koloniseren, zullen de elementen van de kolom gaan gebruiken en gassen en andere stoffen afgeven die de ontwikkeling van andere soorten zullen remmen of bevorderen.
Naarmate de tijd verstrijkt, zal de activiteit van micro-organismen en abiotische processen chemische en omgevingsgradiënten langs de kolom produceren. Hierdoor zullen verschillende niches ontstaan voor microbiële groei.
Door deze kolom weken of maanden te laten rijpen of incuberen onder zonlicht of kunstlicht, worden gradiënten van zuurstof en sulfiden gevormd.
Dit maakt de ontwikkeling mogelijk van een gestructureerd microbieel ecosysteem met een grote verscheidenheid aan microhabitats. Op deze manier vinden alle processen die het onderhouden van nutriëntencycli mogelijk maken in de kolom plaats.
Het bovenste gedeelte van de kolom, dat in contact staat met lucht, zal het rijkst zijn aan zuurstof, dat langzaam naar beneden zal diffunderen.
Tegelijkertijd zullen de producten die in het onderste gedeelte van de kolom worden gegenereerd, het product van de afbraak van cellulose en waterstofsulfide, verticaal naar boven diffunderen.
Zonering van de Winogradsky-kolom
Anaërobe zone
Door de vorming en verspreiding van microbiële metabolieten, als gevolg van de verschillende chemische gradiënten, ontstaat een verdeling van groepen organismen volgens hun behoeften.
Deze verdeling is vergelijkbaar met die in de natuur. Op deze manier simuleert de Winogradsky-kolom de verticale microbiële verspreiding die wordt aangetroffen in onder meer meren, lagunes.
Het onderste gedeelte van de kolom bevat geen zuurstof en is daarentegen rijk aan waterstofsulfide. In dit gebied breken anaërobe bacteriën zoals Clostridium cellulose af. Product van deze afbraak worden organische zuren, alcoholen en waterstof verkregen.
De metabolieten die door Clostridium worden geproduceerd, dienen als substraat voor sulfaatreducerende soorten, bijvoorbeeld Desulfovibrio. Deze gebruiken op hun beurt sulfaten of andere vormen van gedeeltelijk geoxideerde zwavel.
Als eindproduct geven ze waterstofsulfide af en zijn ze verantwoordelijk voor de hoge concentraties van dit gas aan de onderkant van de kolom.
De aanwezigheid van sulfaatreducerende bacteriën op de kolom wordt weergegeven als donkere gebieden aan de onderkant van de kolom. Boven de basale band verschijnen twee ondiepe banden, met soorten die het geproduceerde waterstofsulfide in de onderste band gebruiken. Deze twee banden worden gedomineerd door anaërobe fotosynthetische bacteriën.
De meest basale van deze banden bevat de groene zwavelbacteriën (Chlorobium). De volgende band wordt gedomineerd door de paarse zwavelbacteriën van het geslacht Chromatium. Bij deze banden verschijnen bacteriën die ijzer verminderen, zoals Gallionella, Bacillus of Pseudomonas.
Groene zwavelbacteriën (Chlorobiaceae) op de bodem van een Winogradsky-kolom. Foto van: kOchstudiO, Mikrobiologie Praktikum Universität Kassel März 2007. Genomen en bewerkt op: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Green_d_winogradsky.jpg.
Aërobe zone
Iets verderop in de kolom begint zuurstof te verschijnen, maar in zeer lage concentraties. Dit gebied wordt microaërofiel genoemd.
Hier profiteren bacteriën zoals Rhodospirillum en Rhodopseudomonas van de schaarse zuurstof die beschikbaar is. Waterstofsulfide remt de groei van deze micro-aerofiele bacteriën.
De aerobe zone is verdeeld in twee lagen:
- De meest basale, weergegeven door de modder-water-interface.
- Het buitenste gebied bestaat uit de waterkolom.
Bacteriën van geslachten zoals Beggiatoa en Thiothrix ontwikkelen zich op het modder-water-grensvlak. Deze bacteriën kunnen de zwavel uit de onderste lagen oxideren.
De waterkolom wordt op zijn beurt gekoloniseerd door een grote diversiteit aan organismen, waaronder cyanobacteriën, schimmels en diatomeeën.
Toepassingen
-Winogradsky's kolom heeft verschillende toepassingen, waaronder de meest voorkomende:
-Onderzoek microbiële metabolische diversiteit.
- Bestudeer ecologische successies.
-Verrijking of isolatie van nieuwe bacteriën.
-Bioremediatie testen.
-Opwekking van biowaterstof.
-Bestudeer de invloeden van omgevingsfactoren op de microbiële gemeenschapsstructuur en dynamiek en bijbehorende bacteriofagen.
Referenties
- DC Anderson, RV Hairston (1999). De Winogradsky-column en biofilms: modellen voor het leren van nutriëntencycli en -opvolging in een ecosysteem. De Amerikaanse biologieleraar.
- DJ Esteban, B. Hysa, C. Bartow-McKenney (2015). Temporele en ruimtelijke verspreiding van de microbiële gemeenschap van Winogradsky-kolommen. PLOS EEN.
- JP López (2008). De Winogradsky-kolom. Een voorbeeld van basis microbiologie in een laboratorium voor secundair onderwijs. Eureka Magazine over wetenschappelijk onderwijs en verspreiding.
- Sergei Winogradsky. Op Wikipedia. Opgehaald van en.wikipedia.org.
- ML de Sousa, PB de Moraes, PRM Lopes, RN Montagnolli, DF de Angelis, ED Bidoia (2012). Textielkleurstof foto-elektrolytisch behandeld en gecontroleerd door Winogradsky-kolommen. Milieutechniek.
- Winogradsky-kolom. Op Wikipedia. Opgehaald van en.wikipedia.org.