The aggregation of syntrophic Geobacter metallireducens and Geobacter sulfurreducens is beneficial for enhancing direct interspecies electron transfer (DIET). Although DIET was suspected to occur on the microbial community surface, the surface chemical speciation of such cocultured communities remains unclear. In order to better understand surface interactions related to DIET, the authors characterized a series of samples associated with syntrophic G. metallireducens and G. sulfurreducens using surface sensitive time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Principal component analysis was used in spectral analysis. Our results show that the syntrophic Geobacter aggregates are significantly different from their planktonic cells, indicating a distinct chemical composition (i.e., amino acids, fatty acids, and lipids) and structure formed on their surface. Among these characteristic components, amino acid fragments dominated in the variance, suggesting the importance of proteins in the coculture. Additionally, the quorum sensing signal molecule N-butyryl-l-homoserine lactone was observed in cocultured Geobacter aggregates, implying its role in syntrophic growth and aggregate formation. Furthermore, the electron acceptor organism G. sulfurreducens was shown to be the dominant species in syntrophic communities that drove the syntrophic growth. These results demonstrate that unique chemical compositions distinguish syntrophic Geobacter aggregates from planktonic cells and suggest that ToF-SIMS may be a promising tool to understand the syntrophic mechanism and investigate interspecies electron transfer pathways in complex biofilms.

1.
M. T.
Mee
,
J. J.
Collins
,
G. M.
Church
, and
H. H.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
E2149
(
2014
).
2.
T.
Sari
and
J.
Harmand
,
Math. Biosci.
275
,
1
(
2016
).
3.
Q.
Liu
,
Z. J.
Ren
,
C.
Huang
,
B. F.
Liu
,
N. Q.
Ren
, and
D. F.
Xing
,
Biotechnol. Biofuels
9
,
162
(
2016
).
4.
K. L. I.
Norlund
,
G.
Southam
,
T.
Tyliszczak
,
Y. F.
Hu
,
C.
Karunakaran
,
M.
Obst
,
A. P.
Hitchcock
, and
L. A.
Warren
,
Environ. Sci. Technol.
43
,
8781
(
2009
).
5.
S. H.
Jiang
,
S.
Park
,
Y.
Yoon
,
J. H.
Lee
,
W. M.
Wu
,
N. P.
Dan
,
M. J.
Sadowsky
, and
H. G.
Hur
,
Environ. Sci. Technol.
47
,
10078
(
2013
).
6.
J.
Dolfing
,
B.
Jiang
,
A. M.
Henstra
,
A. J. M.
Stams
, and
C. M.
Plugge
,
Appl. Environ. Microbiol.
74
,
6126
(
2008
).
7.
C. D.
Dube
and
S. R.
Guiot
,
Adv. Biochem. Eng./Biotechnol.
151
,
101
(
2015
).
8.
F. H.
Liu
,
A. E.
Rotaru
,
P. M.
Shrestha
,
N. S.
Malvankar
,
K. P.
Nevin
, and
D. R.
Lovley
,
Energy Environ. Sci.
5
,
8982
(
2012
).
9.
D. R.
Lovley
,
Rev. Environ. Sci. Bio/Technol.
10
,
101
(
2011
).
10.
A.
Kouzuma
,
S.
Kato
, and
K.
Watanabe
,
Front. Microbiol.
6
,
477
(
2015
).
11.
Z. M.
Summers
,
H. E.
Fogarty
,
C.
Leang
,
A. E.
Franks
,
N. S.
Malvankar
, and
D. R.
Lovley
,
Science
330
,
1413
(
2010
).
12.
P. M.
Shrestha
,
A. E.
Rotaru
,
M.
Aklujkar
,
F. H.
Liu
,
M.
Shrestha
,
Z. M.
Summers
,
N.
Malvankar
,
D. C.
Flores
, and
D. R.
Lovley
,
Environ. Microbiol. Rep.
5
,
904
(
2013
).
13.
A. E.
Rotaru
,
P. M.
Shrestha
,
F.
Liu
,
B.
Markovaite
,
S.
Chen
,
K. P.
Nevin
, and
D. R.
Lovley
,
Appl. Environ. Microbiol.
80
,
4599
(
2014
).
14.
D. R.
Lovley
 et al.,
Adv. Microb. Physiol.
59
,
1
(
2011
).
15.
G.
Reguera
,
K. P.
Nevin
,
J. S.
Nicoll
,
S. F.
Covalla
,
T. L.
Woodard
, and
D. R.
Lovley
,
Appl. Environ. Microbiol.
72
,
7345
(
2006
).
16.
D. R.
Lovley
,
S. J.
Giovannoni
,
D. C.
White
,
J. E.
Champine
,
E. J. P.
Phillips
,
Y. A.
Gorby
, and
S.
Goodwin
,
Arch. Microbiol.
159
,
336
(
1993
).
17.
F.
Caccavo
,
D. J.
Lonergan
,
D. R.
Lovley
,
M.
Davis
,
J. F.
Stolz
, and
M. J.
Mcinerney
,
Appl. Environ. Microbiol.
60
,
3752
(
1994
), available at https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=geobacter sulfurreducens sp. nov., a hydrogen and acetate oxidizing dissimilatory metal reducing microorganisms&cmd=correctspelling.
18.
C.
Leang
,
X. L.
Qian
,
T.
Mester
, and
D. R.
Lovley
,
Appl. Environ. Microbiol.
76
,
4080
(
2010
).
19.
D. R.
Lovley
and
N. S.
Malvankar
,
Environ. Microbiol.
17
,
2209
(
2015
).
20.
Y.
Yang
,
S. N.
Tan
,
A. M.
Glenn
,
S.
Harmer
,
S.
Bhargava
, and
M.
Chen
,
Biofouling
31
,
575
(
2015
).
21.
A.
Werner
,
M.
Zadworny
, and
K.
Idzikowska
,
Mycorrhiza
12
,
139
(
2002
).
22.
J. F.
de Brouwer
,
K. E.
Cooksey
,
B.
Wigglesworth-Cooksey
,
M. J.
Staal
,
L. J.
Stal
, and
R.
Avci
,
J. Microbiol. Methods
65
,
562
(
2006
).
23.
S. C.
Youn
,
L. Y.
Chen
,
R. J.
Chiou
,
T. J.
Lai
,
W. C.
Liao
,
F. D.
Mai
, and
H. M.
Chang
,
Sci. Rep.
5
,
18420
(
2015
).
24.
E. A.
Jones
,
J. S.
Fletcher
,
C. E.
Thompson
,
D. A.
Jackson
,
N. P.
Lockyer
, and
J. C.
Vickerman
,
Appl. Surf. Sci.
252
,
6844
(
2006
).
25.
E. J.
Lanni
,
S. S.
Rubakhin
, and
J. V.
Sweedler
,
J. Proteomics
75
,
5036
(
2012
).
26.
X.
Hua
 et al.,
Analyst
139
,
1609
(
2014
).
27.
X.
Hua
 et al.,
Integr. Biol.
8
,
635
(
2016
).
28.
X.
Hua
,
M. J.
Marshall
,
Y.
Xiong
,
X.
Ma
,
Y.
Zhou
,
A. E.
Tucker
,
Z.
Zhu
,
S.
Liu
, and
X. Y.
Yu
,
Biomicrofluidics
9
,
031101
(
2015
).
29.
T.
Leefmann
,
C.
Heim
,
S.
Siljestrom
,
M.
Blumenberg
,
P.
Sjovall
, and
V.
Thiel
,
Rapid Commun. Mass Spectrom.
27
,
565
(
2013
).
30.
I. M.
Kempson
,
A. L.
Martin
,
J. A.
Denman
,
P. W.
French
,
C. A.
Prestidge
, and
T. J.
Barnes
,
Langmuir
26
,
12075
(
2010
).
31.
Y.
Ding
,
Y.
Zhou
,
J.
Yao
,
C.
Szymanski
,
J. K.
Fredrickson
,
L.
Shi
,
B.
Cao
,
Z.
Zhu
, and
X. Y.
Yu
,
Anal. Chem.
88
,
11244
(
2016
).
32.
J. B.
Lhoest
,
M. S.
Wagner
,
C. D.
Tidwell
, and
D. G.
Castner
,
J. Biomed. Mater. Res.
57
,
432
(
2001
).
33.
M. S.
Wagner
,
T. A.
Horbett
, and
D. G.
Castner
,
Langmuir
19
,
1708
(
2003
).
34.
K. P.
Nevin
,
H.
Richter
,
S. F.
Covalla
,
J. P.
Johnson
,
T. L.
Woodard
,
A. L.
Orloff
,
H.
Jia
,
M.
Zhang
, and
D. R.
Lovley
,
Environ. Microbiol.
10
,
2505
(
2008
).
35.
M. V.
Coppi
,
C.
Leang
,
S. J.
Sandler
, and
D. R.
Lovley
,
Appl. Environ. Microbiol.
67
,
3180
(
2001
).
36.
L.
Yang
,
Z.
Zhu
,
X.-Y.
Yu
,
S.
Thevuthasan
, and
J. P.
Cowin
,
Anal. Methods
5
,
2515
(
2013
).
37.
X.-Y.
Yu
,
B.
Liu
, and
L.
Yang
,
Microfluid. Nanofluid.
15
,
725
(
2013
).
38.
L.
Yang
,
X. Y.
Yu
,
Z.
Zhu
,
M. J.
Iedema
, and
J. P.
Cowin
,
Lab Chip
11
,
2481
(
2011
).
39.
L.
Yang
,
X.-Y.
Yu
,
Z.
Zhu
,
T.
Thevuthasan
, and
J. P.
Cowin
,
J. Vac. Sci. Technol., A
29
,
061101
(
2011
).
40.
A. E.
Franks
,
K. P.
Nevin
,
R. H.
Glaven
, and
D. R.
Lovley
,
ISME J.
4
,
509
(
2010
).
41.
O.
Mikoulinskaia
,
V.
Akimenko
,
A.
Galouchko
,
R. K.
Thauer
, and
R.
Hedderich
,
Eur. J. Biochem.
263
,
346
(
1999
).
42.
M. S.
Wagner
and
D. G.
Castner
,
Langmuir
17
,
4649
(
2001
).
43.
R. N.
Foster
,
E. T.
Harrison
, and
D. G.
Castner
,
Langmuir
32
,
3207
(
2016
).
44.
D. J.
Graham
and
D. G.
Castner
,
Biointerphases
7
,
49
(
2012
).
45.
M. S.
Wagner
,
D. J.
Graham
,
B. D.
Ratner
, and
D. G.
Castner
,
Surf. Sci.
570
,
78
(
2004
).
46.
J. D.
Moore
,
A.
Henderson
,
J. S.
Fletcher
,
N. P.
Lockyer
, and
J. C.
Vickerman
,
Surf. Interface Anal.
45
,
461
(
2013
).
47.
P. M.
Wehrli
,
E.
Lindberg
,
T. B.
Angerer
,
A. E.
Wold
,
J.
Gottfries
, and
J. S.
Fletcher
,
Surf. Interface Anal.
46
,
173
(
2014
).
48.
S.
Aoyagi
,
A.
Rouleau
, and
W.
Boireau
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
1071
(
2008
).
49.
V.
Lebec
,
S.
Boujday
,
C.
Poleunis
,
C. M.
Pradier
, and
A.
Delcorte
,
J. Phys. Chem. C
118
,
2085
(
2014
).
50.
N.
Xia
,
C. J.
May
,
S. L.
McArthur
, and
D. G.
Castner
,
Langmuir
18
,
4090
(
2002
).
51.
F.
Bernsmann
,
N.
Lawrence
,
M.
Hannig
,
C.
Ziegler
, and
H.
Gnaser
,
Anal. Bioanal. Chem.
391
,
545
(
2008
).
52.
L.
Baugh
,
T.
Weidner
,
J. E.
Baio
,
P. C.
Nguyen
,
L. J.
Gamble
,
P. S.
Stayton
, and
D. G.
Castner
,
Langmuir
26
,
16434
(
2010
).
53.
Y. P.
Kim
,
M. Y.
Hong
,
J.
Kim
,
E.
Oh
,
H. K.
Shon
,
D. W.
Moon
,
H. S.
Kim
, and
T. G.
Lee
,
Anal. Chem.
79
,
1377
(
2007
).
54.
J. W.
Voordeckers
,
B. C.
Kim
,
M.
Izallalen
, and
D. R.
Lovley
,
Appl. Environ. Microbiol.
76
,
2371
(
2010
).
55.
K.
Inoue
,
X. L.
Qian
,
L.
Morgado
,
B. C.
Kim
,
T.
Mester
,
M.
Izallalen
,
C. A.
Salgueiro
, and
D. R.
Lovley
,
Appl. Environ. Microbiol.
76
,
3999
(
2010
).
56.
P. L.
Tremblay
,
Z. M.
Summers
,
R. H.
Glaven
,
K. P.
Nevin
,
K.
Zengler
,
C. L.
Barrett
,
Y.
Qiu
,
B. O.
Palsson
, and
D. R.
Lovley
,
Environ. Microbiol.
13
,
13
(
2011
).
57.
M. K.
Passarelli
and
N.
Winograd
,
Biochim. Biophys. Acta
1811
,
976
(
2011
).
58.
M. A.
Robinson
,
D. J.
Graham
,
F.
Morrish
,
D.
Hockenbery
, and
L. J.
Gamble
,
Biointerphases
11
,
02A303
(
2016
).
59.
T.
Leefmann
,
C.
Heim
,
A.
Kryvenda
,
S.
Siljestrom
,
P.
Sjovall
, and
V.
Thiel
,
Org. Geochem.
57
,
23
(
2013
).
60.
Y. K.
Magnusson
,
P.
Friberg
,
P.
Sjovall
,
J.
Malm
, and
Y.
Chen
,
Obesity
16
,
2745
(
2008
).
61.
E. N.
Tokareva
,
A. V.
Pranovich
, and
B. R.
Holmbom
,
Wood. Sci. Technol.
45
,
767
(
2011
).
62.
K.
Saito
,
T.
Kato
,
Y.
Tsuji
, and
K.
Fukushima
,
Biomacromolecules
6
,
678
(
2005
).
63.
X.
Zogaj
,
M.
Nimtz
,
M.
Rohde
,
W.
Bokranz
, and
U.
Romling
,
Mol. Microbiol.
39
,
1452
(
2001
).
64.
C. Y.
Lee
,
G. M.
Harbers
,
D. W.
Grainger
,
L. J.
Gamble
, and
D. G.
Castner
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
9429
(
2007
).
65.
H. C.
Flemming
and
J.
Wingender
,
Nat. Rev. Microbiol.
8
,
623
(
2010
).
66.
S.
Molin
and
T.
Tolker-Nielsen
,
Curr. Opin. Biotechnol.
14
,
255
(
2003
).
67.
M.
Watanabe
,
K.
Sasaki
,
Y.
Nakashimada
,
T.
Kakizono
,
N.
Noparatnaraporn
, and
N.
Nishio
,
Appl. Microbiol. Biotechnol.
50
,
682
(
1998
).
68.
L.
Yang
,
K. B.
Barken
,
M. E.
Skindersoe
,
A. B.
Christensen
,
M.
Givskov
, and
T.
Tolker-Nielsen
,
Microbiol.-Sgm
153
,
1318
(
2007
).
69.
T. A.
Gould
,
J.
Herman
,
J.
Krank
,
R. C.
Murphy
, and
M. E. A.
Churchill
,
J. Bacteriol.
188
,
773
(
2006
).
70.
J. M.
Henke
and
B. L.
Bassler
,
Trends Cell Biol.
14
,
648
(
2004
).
71.
L.
Zheng
,
C. M.
McQuaw
,
M. J.
Baker
,
N. P.
Lockyer
,
J. C.
Vickerman
,
A. G.
Ewing
, and
N.
Winograd
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
1190
(
2008
).
72.
R. P.
Huijbregts
,
A. I.
de Kroon
, and
B.
de Kruijff
,
Biochim. Biophys. Acta
1469
,
43
(
2000
).
73.
B. T.
Wickes
,
Y.
Kim
, and
D. G.
Castner
,
Surf. Interface Anal.
35
,
640
(
2003
).
74.
S.
Muramoto
,
D. J.
Graham
,
M. S.
Wagner
,
T. G.
Lee
,
D. W.
Moon
, and
D. G.
Castner
,
J. Phys. Chem. C
115
,
24247
(
2011
).
75.
S. H.
Kim
,
J.
Kim
,
S. H.
Jo
,
J. H.
Kim
,
K. J.
Kim
, and
S.
Yoon
,
Biointerphases
11
,
041008
(
2016
).
76.
P. M.
Bales
,
E. M.
Renke
,
S. L.
May
,
Y.
Shen
, and
D. C.
Nelson
,
Plos One
8
,
e67950
(
2013
).
77.
A.
Conrad
,
M.
Kontro
,
M. M.
Keinanen
,
A.
Cadoret
,
P.
Faure
,
L.
Mansuy-Huault
, and
J. C.
Block
,
Lipids
38
,
1093
(
2003
).
78.
B.
Frolund
,
R.
Palmgren
,
K.
Keiding
, and
P. H.
Nielsen
,
Water Res.
30
,
1749
(
1996
).
79.
A.
Jahn
and
P. H.
Nielsen
,
Water Sci. Technol.
37
,
17
(
1998
).
80.
D. B.
Hedrick
,
A. D.
Peacock
,
D. R.
Lovley
,
T. L.
Woodard
,
K. P.
Nevin
,
P. E.
Long
, and
D. C.
White
,
J. Indus. Microbiol. Biotechnol.
36
,
205
(
2009
).
81.
S.
Favre-Bonte
,
T.
Kohler
, and
C.
Van Delden
,
J. Antimicrob. Chemother.
52
,
598
(
2003
).
82.
T. T.
Hoang
and
H. P.
Schweizer
,
J. Bacteriol.
181
,
5489
(
1999
), available at https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10464225.
83.
T.
Morohoshi
,
T.
Inaba
,
N.
Kato
,
K.
Kanai
, and
T.
Ikeda
,
J. Biosci. Bioeng.
98
,
274
(
2004
).
84.
N.
Xia
,
Y. H.
Hu
,
D. W.
Grainger
, and
D. G.
Castner
,
Langmuir
18
,
3255
(
2002
).
85.
D.
Wootten
,
C. A.
Reynolds
,
K. J.
Smith
,
J. C.
Mobarec
,
S. G.
Furness
,
L. J.
Miller
,
A.
Christopoulos
, and
P. M.
Sexton
,
Biochem. Pharmacol.
118
,
68
(
2016
).
86.
D.
Wen
and
R. A.
Laursen
,
J. Biol. Chem.
267
,
14102
(
1992
), available at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1629210.
87.
M.
Vargas
,
N. S.
Malvankar
,
P. L.
Tremblay
,
C.
Leang
,
J. A.
Smith
,
P.
Patel
,
O.
Synoeyenbos-West
,
K. P.
Nevin
, and
D. R.
Lovley
,
mBio
4
,
e00105-13
(
2013
).
88.
R. Y.
Adhikari
,
N. S.
Malvankar
,
M. T.
Tuominen
, and
D. R.
Lovley
,
RSC Adv.
6
,
8354
(
2016
).
89.
N. S.
Malvankar
and
D. R.
Lovley
,
ChemSusChem
5
,
1039
(
2012
).
90.
S. B.
Guttenplan
,
K. M.
Blair
, and
D. B.
Kearns
,
Plos Genet.
6
,
e1001243
(
2010
).
91.
H.
Nagarajan
,
M.
Embree
,
A. E.
Rotaru
,
P. M.
Shrestha
,
A. M.
Feist
,
B. O.
Palsson
,
D. R.
Lovley
, and
K.
Zengler
,
Nat. Commun.
4
,
2809
(
2013
).
92.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1116/1.4986832 for details about the sample preparation and supplementary figures and tables.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.