Winogradsky Column - Sediment Separation

Winogradsky Column - Sediment Separation

Name: Petros Prapas
Facility: University of Ioannina
Department: Biological Applications and Technology

Sampling site
The sediment samples were collected at Kalodiki swamp on October 16th. During the mid-Autumn season most of the lake's surface is dried out, yet a small pool of water remains on the northern side providing the surrounding gravel with moisture. These conditions create an ideal environment to study the sedimental microbial diversity as the absence of surface water restricts the vertical oxygen flow through the mud resulting in more intensive zoning, more diverse conditions and higher microbial abundance. A big and diverse initial population is expected to boost the effectiveness of the experiments.

Hypothesis
The periodic fluctuation in climate have a direct effect on the aquatic ecosystem. The microbes adapt swiftly on the new conditions but their dependence on specific factors results in different populations thriving during the hot Summers or the Spring floods. Even the day-night consecution could work as a restricting factor for some species regulating the whole ecosystem. In order to prove or disprove this hypothesis we need to compare a stable to an unstable ecosystem concerning the temporal variations in daylight, temperature and other factors as climate conditions. When examining the more stable experiment we expect to observe less and more distinct microbial marks.


Methods and materials
Containers: 2 plastic bottles
C source: Paper
S source: 3 Pre-boiled chicken eggs (yolks and whites)


Media: Muddy sediment enough to fill the bottles
Lake water

The filling materials were evenly mixed.

The bottles were filled up and let to rest for 5 days before they were put in their spots.
Bottle 1 was placed outdoors in a spot that has about 8 hours of direct sunlight daily. Bottle 2 was placed in a handcrafted water bath with stable conditions of 20oC provided by a commercial aquarium heater and light all over the day by a daylight simulation lamp. The conditions were monitored daily.
The bottles were settle to rest for approximately 3 months before they were observed and cleaned out.

Results 

Sediment zoning under backlight

Regarding the microbial abundance, the results were minimum due to a major problem. Over the course of the experiment a seperation of the water phase was observed. Specifically, during the 3rd week 3 phases could be identified in both ocolumns: 1. fine clay mixed with water (bottom), 2. pure water with free particles (middle), 3. dense wet mud with distinct gas pockets. The inconsistency of the media seemed to cause the expected optical results to the bottles that did not show any substantial signs of microbial zoning. However, high microbial bacterial action was present on bottle 2 which was in need of air pressure relieve in a daily base throughout the course of the experiment. In bottle 1, high pressure developed over only the 2 first weeks. After that the conditions remained relatively stable.

During the incubation of bottle 2, an attempt was made to identify the rate of the lower phase formation. The upper phase seemed to consist of a solid network of mud clusters that was pushed up vertically by the trapped air pockets. The higher levels that lacked water had a more rigid texture. However the lower levels of the mud that met the water phase were less dense and resembled the clay on the bottom at the bottle. Small movement from the rising gases resulted in the precipitation of small particles ending up increasing the peak of the lower clay phase. A try to define the sedimentation rate by marking the peak of the lower phase showed that an upward movement of the clay was also happening. This lead to the temporary formation of a fourth phase of floating fine clay between the mud and the water phase. This phenomenon could not be explained but it is possible that it is linked to the cluster formation procedure caused by microbial activity.

Bottle 2 showed a dark green formation in the water phase which is most likely green sulfur bacteria. This conclusion is drawn from the fact that even though there was a 24/7 light availability, there are little to no photosynthetic organisms on the top layer of the column which is guaranteed to have an adequate concentration of O2 and CO2. Furthermore, the probability of both photosynthetic and sulfur using organisms developing on the same area is rejected as the oxygen produced by the photosynthetic would cause the thriving of organisms who use O2 as an electron carrier.

Handcrafted waterbath

In bottle 1 a small print of purple non-sulfur bacteria was observed in the expected position while no green marks were on the lower middle of the bottle. This proves that the O2 was finely graded vertically through the columns and the light had no effect in both cases.

Discussion - Conclusion
This particular experiment raised more questions than provided answers. While the hypothesis was not able to either be proved or disproved, it would be interesting to investigate the reasons why the sediment zoning occurred. Is it a phenomenon that was caused exclusively on the home experiment or does it happen in the natural environment too? It is also possible that it can be a direct result of the microbial activity, as the first indications of sediment zoning came along with the first indications of bacterial development. A new experiment on sediment zoning is going to be conducted over the course of the upcoming months the results of which are going to be posted as a new thread on this post.

Optical results

Πείραμα Στήλης Winogradsky

Εισαγωγή

Σκοπός του πειράματος ήταν η δημιουργία στήλης Winogradsky με ίζημα και νερό από το έλος Καλοδικίου. Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε στις 16/10/2019 ενώ οι φωτογραφίες με τα αποτελέσματα του πειράματος λήφθηκαν στις 15/1/2020.

Υλικά/Μέθοδοι

Δημιουργήθηκαν δύο στήλες Winogradsky, σε μπουκάλες νερού των 1.5L, όπως φαίνεται παρακάτω:

      1)     Στήλη Α:

·                     Ως πηγή θείου χρησιμοποιήθηκε ένα βρασμένο αυγό

·                     Ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιήθηκε εφημερίδα

·                     Πλήρη ανάμιξη υλικών εμπλουτισμού με το ίζημα

·                     Το ίζημα καλύπτει συνολικά τα  2/3 του μπουκαλιού

·                     Το νερό καλύπτει συνολικά το 1/3 του μπουκαλιού

·                     Η στήλη αναπτύχθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος, σε εξωτερικό χώρο.

       2)     Στήλη Β:

·                     Ως πηγή θείου χρησιμοποιήθηκε ένα βρασμένο αυγό

·                     Ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιήθηκε εφημερίδα

·                     Ανάμιξη υλικών εμπλουτισμού με το 1/3 του ιζήματος

·                     Το ίζημα καλύπτει συνολικά τα  2/3 του μπουκαλιού

·                     Το νερό καλύπτει συνολικά το 1/3 του μπουκαλιού

·                     Η στήλη αναπτύχθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος, σε εξωτερικό χώρο.

Υπόθεση

Η επιστημονική υπόθεση που έγινε στην αρχή του πειράματος, χωρίζεται σε δύο σκέλη τα οποία είναι τα εξής: 

1.         Αναμένεται να δημιουργηθεί στρωμάτωση και στις δύο στήλες.

2.        Η στρωμάτωση των μεταβολικών ομάδων της στήλης Α αναμένεται να μην παρατηρηθεί στον ίδιο βαθμό και το ίδιο διακριτά όσο θα πραγματοποιηθεί στη στήλη Β, λόγω ανάμιξης του θρεπτικού με όλο το σύνολο του ιζήματος.

Ο έλεγχος της ανάπτυξης διαφόρων μεταβολικών ομάδων πραγματοποιήθηκε με οπτική παρατήρηση των χρωμάτων που εμφανίστηκαν στις μπουκάλες και με όσφρηση της χαρακτηριστικής μυρωδιάς που εκλύεται κατά τις εκτονώσεις των στηλών. Επιπλέον, ο έλεγχος της επιστημονικής υπόθεσης πραγματοποιήθηκε οπτικά με παρατήρηση τόσο των χρωμάτων όσο και το εύρος ανάπτυξης της κάθε μεταβολικής ομάδων οργανισμών.

Αποτελέσματα

Εικόνα 1: Τα αποτελέσματα των δύο στηλών Winogradsky μετά από τρεις μήνες από τη δημιουργία τους, με κυκλωμένες σε κάθε φωτογραφία τις διάφορες μεταβολικές ομάδες. Στα αριστερά βρίσκεται φωτογραφία από τη Στήλη Α, ενώ στα δεξιά φωτογραφία από τη Στήλη Β.

Με βάση την Εικόνα 1, παρατηρούμε ανάπτυξη περισσότερων μεταβολικών ομάδων στη Στήλη Β παρά στη Στήλη Α, εξετάζοντας την ποικιλία των διαφορετικών χρωμάτων τους. Επιπλέον, η τελευταία εμφανίζει μία πιο ψηφιδωτή κατανομή των ομάδων αυτών ενώ στην Στήλη Β οι ομάδες είναι στρωματοποιημένες δημιουργώντας πιο διακεκριμένες ζωνώσεις.

Η εμφάνιση των χρωμάτων κόκκινο, κίτρινο και μαύρο (με τη σειρά που είναι κυκλωμένες οι περιοχές αυτές από πάνω προς τα κάτω στο αριστερό μέρος της Εικόνας 1 – Στήλη Α), πιθανόν αντιστοιχεί σε βακτήρια που οξειδώνουν ιόντα σιδήρου, πορφυρά μη θειικά και πορφυρά θειικά βακτήρια αντίστοιχα. Από την άλλη μεριά, στο δεξί μέρος της Εικόνας 1 - Στήλη Β, τα χρώματα που εμφανίζονται, με σειρά από πάνω προς τα κάτω, ανήκουν στις εξής μεταβολικές ομάδες· Πράσινο-καφέ (ετερότροφα βακτήρια), πορτοκαλί (βακτήρια που οξειδώνουν ιόντα σιδήρου), κίτρινο (πορφυρά μη θειικά βακτήρια), πράσινο (πράσινα μη θειικά βακτήρια), κόκκινο-μαύρο (πορφυρά θειικά βακτήρια).  

Συζήτηση

Η ανάπτυξη των διαφορετικών μεταβολικών ομάδων των οργανισμών ήταν εντονότερη και οι ομάδες αυτές εμφάνισαν πιο διακεκριμένη στρωμάτωση στη Στήλη Β, παρά στη Στήλη Α όπου αναπτύχθηκαν όχι μόνο λιγότερες ομάδες οργανισμών αλλά και πιο διάσπαρτα στο σύνολο της στήλης. Επομένως, τα αποτελέσματα είναι αυτά που αναμέναμε και υποθέσαμε κατά την έναρξη του πειράματος, παράλληλα όμως τα αποτελέσματα αποτελούν ένδειξη, και όχι απόδειξη της υπόθεσής μας, καθώς δεν ελέγχθηκε ούτε η επαναληψιμότητα ούτε η πιστότητα του όλου πειράματος.

Πείραμα Στήλης Winogradsky

Μιχέλης Θεόδωρος

Τμήμα Βιολογικών Εφαρμογών και Τεχνολογιών
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Εισαγωγή:

Στην συγκεκριμένη μελέτη ελέγχθηκε η διαβάθμιση στην αφθονία των φωτότροφων μικροοργανισμών σε μια σκιασμένη κατά το ίμηση στήλη Winogradsky.  Η υπόθεση υποστήριζε ότι η αφθονία των φωτότροφων  μικροοργανισμών θα εμφάνιζε μεγαλύτερες τιμές στην «Φωτεινή» πλευρά ενώ οι τιμές θα μικραίνουν με τη μετάβαση στην «Σκοτεινή» πλευρά.

Πειραματική πορεία:

Λήψη λασπώδους ιζήματος από την περιοχή έλος Καλοδικίου, πλήρης ανάμιξη του τελευταίου με υλικά εμπλουτισμού

Υλικά εμπλουτισμού: Εφημερίδα για πηγή άνθρακα

                                  Βραστό αυγό για πηγή θείου

Το ίζημα μετά την παραπάνω ανάμιξη τοποθέτησέ σε πλαστικό μπουκάλι νερού 1.5 lt όπου κάλυπτε τα 2/3 περίπου της επιφάνειας. Στην συνέχεια προστέθηκε νερό από τη λίμνη Παμβώτιδα και το μπουκάλι επωάστηκε σε συνθήκες εργαστήριου για τρεις περίπου μήνες.

Ο έλεγχος της υπόθεσης έγινε με παρατήρηση της στήλης μια φορά για περίπου κάθε 30 ημέρες όπου πραγματοποιήθηκε παρατήρηση του φαινομένου διαβάθμισης αφθονίας των φωτότροφων μικροοργανισμών μέσω των χρωμάτων που τα χαρακτηρίζουν. Η ολοκλήρωση παρασκευής του δείγματος και το ξεκίνημα της επώασης ξεκίνηση στις 29/10/2019. Ενώ οι υπόλοιπες παρατηρήσεις στις 21/11/2019, 19/12/2019 και 14/1/2020 αντίστοιχα.

Αποτελέσματα και Συζήτηση:

Γενικότερα εξαιτίας της ανάδευσης του νερού με το ίζημα που παρατηρήθηκε αλλά και της τοποθεσίας του μπουκαλιού που δεν το έβλεπε αρκετός ήλιος στο κάτω μέρος δεν εμφανίστηκαν σημεία ζωής στα κατωτέρα στρωματά

1^η  παρατήρηση 21/11/19: Παρατηρήθηκε ανάδευση του νερού με το ίζημα και μετατόπιση μεγάλου μέρους της μάζας νερού σε κατώτερο στρώμα. Το φαινόμενο αυτό εικάζεται πως οφείλεται στο γεγονός ότι εμφανίστηκε μεγάλη δραστηριότητα μικροοργανισμών κάτω από το σημείο μετατόπισης και μέσω της παραγωγής μεγάλης ποσότητας φυσαλίδων μεθανίου δημιουργήθηκαν κενά στο ίζημα από όπου πέρασε το νερό και άλλαξε επίπεδο. Έτσι φαίνεται η επιφάνεια στο μπουκάλι να μη περιέχει νερό αλλά αν αποτελείται από λασπώδες ίζημα. Επίσης γίνονται διακριτοί οι πρώτοι οργανισμοί οι οποίοι βρίσκονται προσκολλημένοι στα τοιχώματα του μπουκαλιού και πιθανώς αποτελούν άλγη ή κυανοβακτήρια.

2^η παρατήρηση 19/12/19: Παρατηρήθηκε καφέ χρωματισμός στη στήλη για πρώτη φορά και αποτελεί βιοδηλωτικό σημάδι και πιο συγκεκριμένα οξειδωμένο σίδηρο. Στην επιφάνεια φαίνεται να έχει δημιουργηθεί ένα βιοφίλμ από κυανοβακτήρια και άλγη (πράσινο), μια καφέ περιοχή που θα μπορούσαμε να την αποδώσουμε πάλι σαν οξειδωμένο σίδηρο ή ως πορφυρά μη θεϊκά βακτήρια ή ακόμα και ως πορφυρά θειοβακτήρια αν δεχτούμε ότι μπορεί σε αυτό το σημείο να δημιουργηθεί μικροενδιατημάτων σχεδόν ανοξικό.

3^η παρατήρηση 14/1/20: Ξετύλιγμα αλουμινόχαρτου και εκτεταμένη εξέταση φωτεινής και σκοτεινής πλευράς. Έγινε αντιληπτό πως σε όλη τη στήλη τα βιοδηλωτικό σημάδια δηλαδή ο οξειδωμένος σίδηρος, οι φυσαλίδες μεθανίου εμφανίστηκαν σε μεγάλο βαθμό στην φωτεινή πλευρά (A-14/1/2020) αλλά σε μηδαμινό σχεδόν βαθμό στη σκοτεινή πλευρά (B-14/1/2020) όπως και είχε υποτεθεί. Στην επιφάνεια και στα τοιχώματα φαίνεται ξεκάθαρα (C-14/1/2020) η επίπτωση που είχε η απουσία φωτός στα κυνοβακτήρια και την άλγη που μειώνονται σταδιακά καθώς μετακινούμαστε προς τη σκοτεινή πλευρά ώσπου μετρά από ένα σημείο πάυουν να εμφανίζονται και να κυριαρχεί

Πείραμα Στήλης Winogradsky

Πείραμα Στήλης Winogradsky

Γεωργαλής Χάρης
Τμήμα Βιολογικών Εφαρμογών και Τεχνολογιών
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Κατά την πειραματική άσκηση αυτή δημιουργήθηκαν δύο στήλες οι οποίες προέρχονταν από διαφορετικά ενδιαιτήματα . Η πρώτη ήταν κατασκευασμένη με νερό και ίζημα από το έλος του Καλοδικίου (εικόνα 1) και η δεύτερη από την παραλία Βάλτος στην Πάργα (εικόνα 2).

εικόνα 2. Παραλία Βάλτος

(εικόνα 1)Έλος Καλοδικίου

Υλικά/Μέθοδοι

Η διαδικασία για την δημιουργία της στήλης ήταν η τυπική μέθοδος με χρήση εφημερίδας για πηγή άνθρακα και ενός βραστού αυγού για πηγή θείου. Οι δύο στήλες διατηρήθηκαν σε εξωτερικό χώρο κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Υπόθεση

Στην προκειμένη περίπτωση η υπόθεση που έγινε ήταν ότι η μικροβιακή ανάπτυξη στη θαλάσσια στήλη θα παρουσιάσει καθυστέρηση, κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες, εξαιτίας της υψηλής αλατότητας, των ολιγοτροφικών συνθηκών που επικρατούν στο θαλασσινό νερό και του χονδρόκοκκου ιζήματος, συγκριτικά με την στήλη προερχόμενη από το έλος.
Ο έλεγχος της επιστημονικής υπόθεσης πραγματοποιήθηκε με οπτική παρατήρηση της θολερότητας του νερού, τον χρωμάτων στο νερό αλλά και στο ίζημα καθώς και με την οσμή.

Αποτελέσματα

Έλος

Η Στήλη που προήλθε από το έλος είχε εξ αρχής αυξημένη θολερότητα στο νερό (ημέρα 1, εικόνα 3) και πολύ γρήγορα μέχρι την ημέρα 7 αυτή η θολερότητα αυξήθηκε και το πράσινο χρώμα έγινε πιο έντονο (εικόνα 4). Άλλη ιδιαίτερη αλλαγή δεν παρατηρήθηκε μέχρι την ημέρα 78 όπου το νερό απορροφήθηκε τελείως από το ίζημα και κατέβηκε κάτω από την στήλη χώματος (Εικόνα 5). Αυτό έγινε ενδεχομένως λόγο της υψηλής πίεσης που δημιουργήθηκε μέσα στην στήλη από την παραγωγή αερίων. Το πράσινο χρώμα στο νερό οφείλεται μάλλον από την ανάπτυξη κυανοβακτηρίων . Επιπλέον χρώματα δεν παρατηρήθηκαν.

Θάλασσα

Αντίθετα στην στήλη από την θάλασσα η ανάπτυξη ήταν πολύ αργή. Το διαυγές νερό (εικόνα 6) της πρώτης ημέρας άργησε πολύ να θολώσει και να εμφανιστεί το πρώτο σημάδι πράσινου (εικόνα 7) την ημέρα 78. Το χρώμα δεν φαινόταν έντονα και έγινε χρήση του φλας της κάμερας για να εμφανίζεται καλύτερα.

Εικόνα 3. έλος ημέρα 1

εικόνα 4. έλος ημέρα 7

εικόνα 5. έλος ημέρα 78

Εικόνα 6. θάλασσα ημέρα 1

Εικόνα 7 . Θάλασσα ημέρα 78

Συζήτηση

Η υπόθεση επαληθεύτηκε μόνο με την παρατήρηση της στήλης του νερού καθώς εμφανίστηκε έντονη μικροβιακή αύξηση από πολύ νωρίς η οποία συνεχίστηκε μέχρι την λήξη του πειράματος όπως καταλάβαμε από την παραγωγή αερίων, αν και δεν φάνηκε κάποια διαφοροποίηση στο χρώμα του ιζήματος. Η αλλαγή αυτή στην ταχύτητα παρόλα αυτά δεν φάνηκε να επηρεάζει τον τύπο των κυττάρων που αναπτύχθηκαν (κυανοβακτήρια).

Πείραμα με την Στήλη Winogradsky

Χρήστος Ασημακόπουλος

Βιολογικών εφαρμογών και τεχνολογιών
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Δημιουργήθηκαν δύο στήλες στα πλαίσια του πειράματος:

1.  Με ίζημα από το Έλος Καλοδικίου με νερό από την ίδια περιοχή



 Έλος Καλοδικίου

2. Με ίζημα από την παραλία Αγίου Βασιλείου (Πάτρα) με νερό από την ίδια περιοχή.

Παραλία Αγίου Βασιλείου

Υλικά/Μέθοδοι

Υλικά εμπλουτισμού που χρησιμοποιήθηκαν:

• Ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιήθηκε εφημερίδα 
• Ως πηγή θείου χρησιμοποιήθηκε βραστό αυγό

Επίσης έγινε: 

• Πλήρης ανάμιξη υλικών εμπλουτισμού με το ίζημα
• Οι στήλες διατηρήθηκαν σε εξωτερικό περιβάλλον κατά την διάρκεια του πειράματος 

Υπόθεση

Διαφορετική ανάπτυξη μικροοργανισμών που ανήκουν σε διαφορετικές μεταβολικές  ομάδες σε κάθε στήλη λόγω διαφορετική πηγή ιζήματος για την κάθε στήλη.
Ο έλεγχος της επιστημονικής υπόθεσης έγινε  με οπτική παρατήρηση των στηλών. Διαφορετικά χρώματα (όπως μαύρο, πράσινο, κόκκινο)  αντιπροσωπεύουν διαφορετικές μεταβολικές ομάδες. 

Αποτελέσματα

Και στις δύο στήλες παρατηρήθηε έντονη ανάπτυξη πορφυρών θειοβακτηρίων και θειικοαναγωγικών βακτηρίων μετά τις 66 ημέρες. Τα αποτελέσματα δεν επιβεβαιώνουν την αρχική μας υπόθεση καθώς και στα δύο μπουκάλια φαίνεται να αναπτύχθηκαν οι ίδιοι μικροοργανισμοί.

Στήλη από το Έλος Καλοδικίου , 66 ημέρες μετά.

Στήλη απο την θάλασσα Αγίου Βασιλείου, 40 ημέρες μετά

Στήλη απο την θάλασσα Αγίου Βασιλείου, 66 ημέρες μετά.

Winogradsky Column Experiment

Winogradsky Column Experiment 

Winogradsky Column Experiment is a simple way of cultivating diverse microorganisms and study how they interact with each other.

Nutrients: Lentils as source of Ferrum

                  Two Eggs as source of Sulfur

                  Sugar as source of Carbon

Sampling Procedure: On October 16th we went to the Kalodiki marsh (Photo 1) in order to collect mud and water and each student had to create at least one Winogradsky column. Bottles of 1.5lt volume were used as columns. The two-thirds of my column were filled with mud mixed with nutrients and the other one-third was filled with water. Firstly, I collected the mud and mixed it with all nutrients. Then, I filled with the enriched mud the two-thirds of my bottle and added the water which originated from the same marshland. The bottle was covered with a black plastic bag and was left to the hydrobiology lab to incubate in room temperature.

Hypothesis: The Ferrum would help the Photosynthetic microorganisms to grow but the black plastic bag would be an obstacle in this precdure. So I supposed that finally I would't see the green photosynthetic bacteria in the top of my column.

Complications: In October 18th I went to relieve the gas pressure in my bottle but it exploded . I suppose that the reason of this explosion was the production of large amounts of gases and especially of Ηydrogen Sulfide from the sulfur bacteria.

Due to this incident, I decided to create a new colum:

The two-thirds of the new column were filled with mud from the University campus and the rest was filled with water from the eutrophic lake of Ioannina, Pamvotis. The first one-third was filled with mud mixed with one egg as source of sulfur and shredded paper as source of carbon, the second one-third had mud without any nutrient and the last one-third had was filled with lake water. The bottle was left to incubate in the lab at room temperature.

Results: After almost two months of incubation, in the end of the semester I did not notice any sign of growth in my new column(Photo 2). These results, compared to the ones of my fellow students that used mud from the marshland, may indicate that the mud from the University campus was not so rich in microorganisms as the one collected from Kalodiki wetland. 

          

Photo 1: The Kalodiki marsh                          Photo 2: The new column after

                                                                          two months of incubation