A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on...

144
A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL SYSTEMS

Transcript of A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on...

Page 1: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

        

A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY 

IN BIOLOGICAL SYSTEMS    

                  

Page 2: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

A tracer aided study  on silicon chemistry in biological systems 

      

Proefschrift  

ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, 

op gezag van de Rector Magnificus prof.dr.ir. J.T. Fokkema, voorzitter van het College voor Promoties, 

in het openbaar te verdedigen op 14 december 2009 om 10.00 uur  

door  Helena Josephina BRASSER 

scheikundig ingenieur geboren te ‘s‐Gravenhage 

 

Page 3: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof. dr. H.Th. Wolterbeek  Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, voorzitter Prof.dr. H.Th. Wolterbeek, Technische Universiteit Delft, promotor Prof.dr. B. Markert, International Graduate School Zittau, Duitsland Prof.dr. W.W.C. Gieskes, Rijksuniversiteit Groningen Prof.dr.ir. J.J. Heijnen, Technische Universiteit Delft Prof.dr.ir. M. de Bruin, Technische Universiteit Delft Prof.dr.ir. M.C.M. van Loosdrecht, Technische Universiteit Delft dr. G.C. Krijger, Universiteit Wageningen         © 2009 The author and IOS Press  All rights reserved. No part of this book may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, without prior permission from the publisher.  ISBN 978‐1‐60750‐083‐4  Keywords: silicon, silicon chemistry, tracer, Si‐31, Baker’s yeast, diatom, biofilm  Published and distributed by IOS Press under the imprint Delft University Press  Publisher IOS Press Nieuwe Hemweg 6b 1013 BG Amsterdam The Netherlands tel: +31‐20‐688 3355 fax: +31‐20‐687 0019 email: [email protected] www.iospress.nl www.dupress.nl    LEGAL NOTICE The  publisher  is  not  responsible  for  the  use  which  might  be  made  of  the  following information.  PRINTED IN THE NETHERLANDS 

Page 4: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

iv

 Table of contents 1.  Introduction..........................................................................................................1 

1.1 General properties of silicon..........................................................................1 1.2 Silicon in living systems.................................................................................2   1.2.1 Sponges and protozoa..........................................................................3   1.2.2 Diatoms................................................................................................3   1.2.3 Higher plants........................................................................................5   1.2.4 Higher animals......................................................................................5   1.2.5 Overview...............................................................................................7 1.3 Thesis outline................................................................................................8 1.4  References..................................................................................................10 

 2. Preparation of 31Si labelled silicate: a radiotracer for silicon studies in      biosystems..........................................................................................................19 

2.1  Introduction................................................................................................20 2.2 Experimental...............................................................................................21   2.2.1  Chemicals...........................................................................................21   2.2.2 Preparation of the radionuclide...........................................................21   2.2.3 Removal of phosphate, including 32P from the radionuclide solution...22   2.2.4 Analyses.............................................................................................23   2.2.5 Gel  formation.....................................................................................23   2.2.6 Paper chromatography.......................................................................23   2.2.7 Interaction of 32P with non‐radioactive Si............................................24 2.3 Results and discussion.................................................................................24   2.3.1 Production of the radionuclide............................................................24   2.3.2 Removal of 32P from the irridiated target material...............................25   2.3.3 Investigation of the chemical form of 31Si............................................28 2.4  Conclusions.................................................................................................31 2.5  References..................................................................................................32 

 3. The Influence of Silicon on Cobalt, Zinc and Magnesium in Baker's Yeast      Saccharomyces  cerevisiae...................................................................................35 

3.1 Introduction.................................................................................................36 3.2 Materials and Methods................................................................................36   3.2.1 Chemicals and labware........................................................................36   3.2.2 Organism and culture procedures........................................................37   3.2.3 Analyses..............................................................................................38   3.2.4 65Zn and 60Co uptake in yeast cells......................................................38 3.3 Results.........................................................................................................38         3.3.1 Influence of silicate on the growth rate of Baker’s yeast in standard                    medium..............................................................................................38             3.3.2 Influence of silicate on metal levels in Baker’s yeast............................39   3.3.3 Influence of silicon on growth rate at toxic or deficient levels               of  metals............................................................................................40   3.3.4 Influence of silicon on zinc and cobalt uptake in the cell......................41   3.3.5 Comparison of the effect of silicate and germanium on baker’s yeast..42 

Page 5: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

 

v

3.4 Discussion and conclusions..........................................................................43 3.5  References..................................................................................................46 

 4. On the beneficial role of silicon to organisms: a case study on the importance of       silicon chemistry to metal accumulation in yeast................................................49 

4.1  Introduction................................................................................................50 4.2 Materials and Methods................................................................................51   4.2.1 Chemicals and  labware.......................................................................51   4.2.2 Organism and culture procedures.......................................................51   4.2.3  Analyses.............................................................................................52   4.2.4 31Si accumulation in yeast cells...........................................................52   4.2.5 Determination of 31Si release..............................................................52   4.2.6 Determination of the Freundlich parameters 1/n and K.......................53   4.2.7 Determination of the depolymerization rate constant.........................53 4.3  Results........................................................................................................54   4.3.1 Determination of experimental conditions and non‐biological              components in silicate‐cell interaction................................................54   4.3.2 Determination of silicate adsorption on the cell wall...........................56   4.3.3 Interaction of metal ions with adsorbed silicate...................................58 4.4 Discussion...................................................................................................60 4.5 References..................................................................................................62 

5. Systematic compartmental analysis for describing observed 31Si‐labeled silicic      acid uptake during diatom valve formation – A mathematical approach.............65 

5.1  Introduction................................................................................................66 5.2 Materials and Methods................................................................................68   5.2.1 Chemicals for radioactivity studies......................................................68   5.2.2 Chemical analyses of medium and cells..............................................68   5.2.3 Organisms and culture conditions.......................................................69   5.2.4 Experimental procedures....................................................................69   5.2.5 Mathematical approaches...................................................................70 5.3 Results.........................................................................................................72   5.3.1 Silicic acid uptake................................................................................72   5.3.2 Mathematically defined number of observable compartments in                     P. laevis...............................................................................................73   5.3.3 Comparative mathematical assessment of model B and the SIT‐              mediated silicic acid uptake model in P. laevis.....................................74   5.3.4 Mathematical assessment of alternative silicic acid uptake models in               P.  laevis...............................................................................................76    5.3.5 Kinetic parameters of (macro)pinocytosis‐mediated silicic acid uptake              in P. laevis............................................................................................77   5.3.6 Compartmental analyses for other diatom species..............................80 5.4  Discussion...................................................................................................81 5.5  References..................................................................................................83 5.6 Supplement 1: mass transfer over the Nernst layer......................................85   5.6.1  Reference...........................................................................................85 5.7 Supplement 2: mathematical formulation of the models.............................86 

Page 6: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

vi

  5.7.1 Determination of the number of compartments (Model A‐E)..............86     5.7.1.1 Model A: the cell as black box (no separate compartments in                   the  cell).................................................................................87     5.7.1.2 Model B: two cellular compartments and an unidirectional flux        to the final  compartment.....................................................87     5.7.1.3 Model C: three cellular compartments and an unidirectional        flux to the final compartment...............................................88     5.7.1.4 Model D: two cellular compartments and a bidirectional        flux between all cellular compartments (i.e. model B with        efflux from the final compartment included)........................89     5.7.1.5 Model E: three cellular compartments and a bidirectional flux         between all cell compartments (i.e. model C with efflux         from the final compartment included).......................89   5.7.2 Description of silicic acid transport by means of SITs (model F),              transport vesicles (model G) and macropinocytosis mediated               transport  (model H)............................................................................90     5.7.2.1 Model F: Silicon transporters (SITs) mediated uptake and                   transport...............................................................................90     5.7.2.2 Model G: transport vesicles mediated uptake and transport..91     5.7.2.3 Model H: uptake and transport by means of       macropinocytosis.................................................................93   5.7.3 References..........................................................................................94 5.8 Supplement 3: mathematical comparison of the transport vesicle mechanism   (model G) with model B...............................................................................95   5.8.1 References..........................................................................................97 

 6. A new method to study heterogeneous binding and precipitation of silicate and      phosphate in heterotrophic biofilms...................................................................99 

6.1 Introduction...............................................................................................100 6.2 Material and Methods................................................................................101   6.2.1 Biofilm growth conditions.................................................................101   6.2.2 Metal analysis...................................................................................102   6.2.3 31Si and 32P tracers.............................................................................102   6.2.4 Radioactive 31Si and 32P treatment of the biofilms.............................103   6.2.5 Scanning and autoradiography procedures.......................................103   6.2.6 Image treatment...............................................................................104 

Page 7: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

 

vii

6.3 Results.......................................................................................................106   6.3.1 Effect of growth conditions on metal binding in biofilms...................106   6.3.2 Optimization of the autoradiographic method..................................108   6.3.3 Time dependant uptake behaviour....................................................109   6.3.4 Silicate and phosphate spatial distribution........................................110 6.4 Discussion..................................................................................................113 6.5 References.................................................................................................115  

7. Evaluation and outlook......................................................................................117 7.1 The 31Si‐silicate tracer.................................................................................117 7.2 Evaluation of the studies on yeast, diatoms and biofilms............................118   7.2.1 Subjected to silicon chemistry: yeast cells and biofilms......................118   7.2.2 Diatoms: active “practitioners” of silicon chemistry...........................119 7.3 Outlook......................................................................................................119   7.3.1 Further  research................................................................................119   7.3.2 Towards a new definintion of silicon essentiality...............................120 7.4 References.................................................................................................121 

 Summary..............................................................................................................123 

 Samenvatting.......................................................................................................127 

 Dankwoord...........................................................................................................131 

 Curriculum vitae....................................................................................................133 

 List of publications................................................................................................135 

Page 8: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

 

1

Chapter 1  

Introduction  1.1 General properties of silicon Silicon  (Si)  is  the  second most abundant element  (27.7 %)  in  the earth crust after oxygen (46.6 %).1 It is present as a major compound of many rocks and soil minerals, and in natural waters it exists in dissolved form in concentrations ranging from 0.07 to 0.2 mmol/L.1-5  In a natural environment  silicon  is present as  silica  (SiO2∙xH2O), metal silicate (MxSiO3 or MxSiO4 where M=metal) or dissolved in water as silicic acid (Si(OH)4).1,6-10 Dissolution  and  precipitation  of  siliceous  compounds  is  an  ongoing process in nature. On the one hand, silicic acid is dissolved into water as a result of the  weathering  of  silicate  containing  rocks,  a  process  that  is  enhanced  by microorganisms  and  lichens.11-16  On  the  other  hand,  silicic  acid  in  water  can precipitate  with  metal  ions  to  solid  compounds.1  Also  in  this  process microorganisms play  a  role, because  the  cell wall of  certain bacteria  can  act  as  a starting point for metal silicate precipitation.17-19   Silicon is a group 14 element, together with carbon, germanium, tin and lead.6,20 Its three stable isotopes, 28Si, 29Si and 30Si, have abundances of 92.23, 4.67 and 3.10 %, respectively.20  Silicon  in  a  natural  environment  is  always  present  in  the  oxidized form, and redox reactions involving silicon do not occur in nature,6 which can explain why the role as a cofactor in enzymes has not been identified so far. Biological processes often take place  in an aqueous environment, so the behaviour of silicic acid in water is of high importance. At neutral pH (at which most biological processes take place) 97% of the silicic acid molecules are in the undissociated form. An  increase  in  pH will  cause  the  compound  to  dissociate  under  the  formation  of silicate ions (eq.1‐4). The pK values of the consecutive dissociation reactions are 9.9, 11.8, 12 and 12 respectively.6,20   

4 3 1: ( ) ( )step Si OH Si OH O H− ++            1  

23 2 2 2: ( ) ( )step Si OH O Si OH O H− − ++            2 

 2 3

2 2 3 3: ( ) ( )step Si OH O Si OH O H− − ++            3  

3 43 4: ( )step Si OH O SiO H− − ++              4 

 In the scientific  literature regarding silicon biology the words “silicon”, “silicic acid” and  “silicate”  are  often  used  amongst  each  other  and  refer  to  silicic  acid  in  the undissociated as well as the dissociated form. A well known  feature of silicic acid  is  its capability to polymerize to oligomers and higher polymers, and its polymerization behaviour depends on the concentration in water.  In  low  concentrations  it  exists  in  the  monomeric  state,  but  when  its concentration exceeds 2 mmol/L oligomerization is initiated (eq. 5):  

Page 9: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:
Page 10: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

2

     5  Depending on its concentration also trimers and higher linear, circular and branched oligomers can be formed  (“polysilicate”). Eventually, at very high concentrations a network of polymeric silicate is formed (silicagel and silica, SiO2.xH2O). Polymerized silicic acid will depolymerize to silicic acid monomers when the concentration drops below  2  mmol/L.6,7  Both  the  polymerization  and  depolymerization  processes depend on concentration, temperature, salt strength and pH.21-24 Monomeric and polymeric silicic acid can adsorb to several surfaces,25 which can be described by a Freundlich isotherm.26 Furthermore monomeric and polymeric silicic acid  can  interact  with  metal  ions  under  the  formation  of  silicates  like  MxSiO4 (orthosilicate)  and  MxSiO3  (metasilicate).  Metal  silicates,  except  for  sodium metasilicate  (Na2SiO3) and potassium metasilicate  (K2SiO3), are  insoluble  in water and will precipitate when  formed.20,27,28 Polysilicate can also  form complexes with metals,6  and  is  also  able  to  interact  with  several  organic  compounds  that  are important in biology, like proteins and sugars which are present almost everywhere in all biological systems (fig. 1).29-32  

  

Figure 1: Examples of polysilicate complexes. Left: polysilicate‐metal complex,6 and right: silicate‐sugar complex.30 

 The  ability  to  interact  with metals  and  other  compounds  that  are  important  in biology offers many opportunities for influences on biological processes. Metal ions are present  in all organisms, as are organic compounds  like sugars and proteins.33 Silicon‐metal interactions are found in plants and animals, as are silicon interactions  with  proteins  in  sponges  and  diatoms.  It  is  likely  that  silicon  chemistry  itself  has enough  potentials  to  influence  biological  processes,  without  the  involvement  of enzymes or binding sites, because  it offers many opportunities for  interaction with several  biological  compounds.  Possibly  physicochemical  events  like  adsorption could also play a role.    1.2 Silicon in living systems Silicon may have played a significant  role  in  the origin of  life.  It was hypothesized that certain silicate minerals have provided the right circumstances for the genesis of  the  first  cells.34-36  For  example,  certain  weathered  feldspars  have  a  cell‐like honeycomb  structure  on  a micrometer  scale,  and  the  surface  of  these minerals contain  organophilic  and  catalytic  properties which  enable  the  accumulation  and 

Page 11: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

3

conversion of complex organic compounds. These accumulated organic compounds could  have  been  converted  to  compounds  that  are  important  for  life  such  as oligopeptides and nucleic acids.35  In this way the formation of primitive cells  inside the feldspar honeycomb structure might have been realized.34-36  Nowadays,  silicon  is  important  for  many  organisms,  and  its  role  has  been investigated  for  several decades.37-40  It  is  an  essential  element  for diatoms,  some protozoa, sponges and several higher plants. These organisms often contain silicon in  high  amounts  and  frequently  possess metabolic  pathways  to  handle  silicon.  In many other organisms, such as higher animals and most higher plants, silicon also plays a beneficial or essential role, but underlying biochemical mechanisms have not been  discovered  so  far.  This means  that  the  evidence  for  Si  requirement  is  only circumstantial for these organisms.1,41-47 The role of silicon in sponges and protozoa, diatoms, higher plants, and higher animals is discussed below in more detail.   1.2.1 Sponges and protozoa Many  protozoa  and  sponges  use  silicon  for  the  formation  of  the  cytoskeleton, spicules  and  tests.48  These  silicate  structures  support  the  cell  and  function  as protective means  for  the  organism. Some  protozoa  and  sponges  build  structures from silica particles collected from the environment such as sand grains and diatom shells. These particles are cemented together to the desired structure. It is clear that these organisms must possess biochemical means necessary for the recognition and handling of silicon compounds.48,49 Other protozoa and sponges take up silicic acid from the water and deposit it as amorphous hydrated silica in the cell or at the cell surface  as  spicules,  plates,  needles  and  other  structures.50,51  The  silicic  acid  is deposited on a central protein filament called silicatein produced by specialized cells close  to  the  growing  spicule,  test  or  other  structure.50,52  Silicatein  has  a  highly regular  structure  and  directs  the  polymerization  of  silicic  acid  to  silica  in  both  a chemical  and  spatial  way.52,53  Silicic  acid  uptake  is  very  efficient,34,35  and  the expression of genes encoding for silicatein are strongly enhanced by the presence of silicic acid in the water.50,51,54 The discovery of silicatein has given a stong impulse to the  research on  silicon  in biological  systems  and  the production of  artificial  silica structures.55  1.2.2 Diatoms Diatoms are eukaryotic photosynthetic algeae (order Bacillariophyceae) and a major component of the phytoplankton community.56 An important feature of a diatom is its silicified cell wall called frustule; a beautiful structure divided in two overlapping halves  that  surrounds  the  cell  as  a  “glass box”  (Fig. 2). The diatoms  capability  to master silicon chemistry  is  interesting  for  technology  to gain more knowledge  for the  industrial  production  of  complex  silica  structures.57,58  The  frustule  consists  of amorphous  hydrated  silica  and  protects  the  cell  against  predators  and  other dangers.56   

Page 12: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

4

  

Figure 2: The centric diatom Coscinodiscus wailesii (left)  and the pennate diatom Pleurosira laevis (right).  

 Apart from the frustule production, the diatom cell requires silicon for the synthesis of DNA  and  chlorophyll.59-63 Most  diatoms  take  up  silicon  as  undissociated  silicic acid  from  the  surrounding water, but  some  exceptions  exist.61,64 The  uptake  rate and  quantities  vary  during  the  cell  cycle,  especially  depending  on  the  amount  of silicon that is needed for the production of new frustules for daughter cells.65 In case of  silicon  deficiency  the  entire  cell  cycle  stops.66,67  Like  in  sponges  and  protozoa silicon uptake  is very efficient and, depending on the species, the affinity constant for silicic acid ranges from 0.2 to 100 μmol/L, which indicates active uptake.61,68-70  During  the  production  of  a  daughter  frustule  silicic  acid  is  transported  to  a specialized membrane  vesticle,  better  known  as  the  silica  deposition  vesticle  or SDV.71 The new frustule  is produced within the SDV by deposition of   polymerized silicic acid particles.  In vitro  this process  is promoted by certain peptides  (silaffins) on which  silica  particles  are deposited.72,73 The  interaction  of  silicic  acid with  this protein directs  the polymerization process   and  results  in  the  formation of a new frustule.  Diatoms  control  the  silicic  acid  polymerization  process  to  enable  the production of very complex structures. This control over silicon chemistry within the cells  is also necessary  for  the  transport of high amounts of silicic acid  through  the cell  without  the  occurence  of  unwanted  chemical  side  reactions,  such  as polymerization in other parts of the cell.  It is obvious that silicon chemistry, especially the polymerization of silicic acid, plays a key role in frustule growth. Silicon chemistry is also of importance in the transport process of  silicic acid  through  the  cell  to  the SDV. To build  the daughter  frustule high amounts of silicic acid are needed, being transported in bulk quantities through the cell. Because silicic acid has the tendency to polymerize when its concentration exceeds a certain  level, the presence of high amounts of this compound  in the cell offers a  risk  to  the cell.74,75 Several proteins  that  transport  silicic acid  through  the cytoplasm  have  been  identified,76  but  it  is  not  clear  how  the  cell  prevents spontaneous polymerization of these high amounts of silicic acid needed for frustule formation.59   

Page 13: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

5

1.2.3 Higher plants  Silicon  is  essential  or  at  least  beneficial  for most  higher  plants.77,78  They  contain silicon amounts ranging from 0.1% to 15%  (w/w) of their dry matter depending on plant species and tissue,79,80 Silicic acid is taken up from the soil by the roots and is transported  to  several  tissues  where  it  is  deposited  as  amorphous  silica.81  The uptake  is  probably  regulated by  a  control mechanism.82-84 Silica  precipitates  give structural mechanical strength to plants, for example horsetails (Equisitacea).85 The use  of  silicon  for  this  purpose  is  an  easy way  to  reduce  the  energy  and  carbon consuming  lignin production.44,45,86,87 Moreover silicon  improves water economy of the plant, enhances wear tolerance, provides resistance against heat and freezing,78 and protects against predators and pathogens like insects, herbivores and fungi.44,88-

90 In some plant species silicon enhances the activities of enzymes that are involved in  fungal  cell  breakdown.  Other  plants  encounter  fungal  infections  by  silicifying entire infected cells to stop the fungal growth.91-93 Apart from the protection against several stresses as described above, silicon is also involved  in  the  alleviation  of metal  toxicity.45 Many  plants  use  silicic  acid  for  the formation  of  silicate‐metal  complexes  that  are  less  toxic  then  the  uncomplexed metals.  An  excess  of  aluminium  for  example  is  removed  by  the  formation  of aluminium‐silicate  compounds  that  are  deposited  in  root  cell  walls.  These chemically  stable  complexes ensure a permanent  removal of aluminium  from  the plant system.94-97 Toxic levels of zinc are reduced by the formation of a zinc‐silicate complex which is eventually transported to the vacuole. In this location the unstable zinc‐silicate  complex  slowly  degrades,  leaving  silicate  precipitations  behind.  The zinc accumulates in the vacuole of the cell bound to a yet unknown compound.81,98 Some plants  take up more silicon during high manganese stress  to enable a more equal  spreading  of  manganese  over  the  leaves,  thereby  decreasing  the  toxic effects.44,99  Silicon  is  also  involved  in  indirect  mechanisms  that  alleviate  metal stress. In case of sodium stress caused by an excess of salt in the environment silicon enhances the uptake of potassium which  in  its turn counteracts the toxic effects of sodium. 100-102 Because of the beneficial effects described above much research has been carried out on the use of silicon as a fertilizer. Currently, silicate fertilization is common  use  for  the  growth  of  rice,  sugarcane  and  bahiagrass.103-106  Silicon chemistry and especially silicon‐metal interactions seem to be importance, but most studies were performed  in a phenomenological way so many mechanisms are not elucidated yet. 44,45  1.2.4 Higher animals Silicon  is an essential element for higher animals  including man, but until today no silicon  handling  enzymes  or  other  ways  of  biochemical  involvement  have  been discovered. Rich sources of silicon are unrefined grains of high fibre content, cereals, root vegetables, drinking water and beer.41-43 The human daily requirement ranges from 5 ‐ 50 mg/day,107 and an excess is easily excreted by the kidneys.108-114 Silicon is found  in  many  tissues  and  organs  including  liver,  spleen,  kidney,  bone  and connective  tissue,43,115-118  and  its  concentration  in  the human blood  serum  ranges from  140  to  280  μg/L.43,116,119-122  The  essentiality  is  clear  from  observations  that silicon deficiency causes many problems in physiological functions of the body.114,123-

125  Some  studies  suggest  that  the  essentiality  of  silicon  is  based  on  the 

Page 14: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

6

counteraction of aluminium toxicity either by bonding with aluminium compounds or by  facilitating  the excretion of aluminium  from  the body,8,120,123,126-130 although this effect was not always found.131 Deficiency symptoms have not been identified in humans, probably as a result of its omnipresence in the environment.112 Silicon plays a  major  role  in  bone  and  collagen  formation  (involving  connective  tissue,  skin, arterial walls, and cartilage), cell proliferation  (including the  immune system, bone growth  and  wound  healing),  and  several  hormonal  and  enzymatic activities.43,116,117,132-141 Silicon is present in active growth areas in bone and plays an important  role  in  the  formation, calcification, and mineral composition of bone.125 Furthermore  it has a positive  influence on  the arterial wall  lipid metabolism and  it protects against atheromatous  lesions  (lipid precipitates on  the arterial wall).132,142 Some  studies  suggest  that  silicon  can  counteract Alzheimer’s disease  to a  certain extend.143,144  As  stated  above,  an  important  functions  of  silicon  is  its  positive  influence  on collagen  and bone  formation.108,125,145 Collagen  is present  in bone,  cartilage,  skin, tendons, arterial walls and other connective tissue. In case of silicon deficiency many processes involving collagen and collagen formation are impared8,120,146 resulting in a  decline  of  collagen  content  in  several  tissues,  including  skin,  bone  and cartilage,43,135,137-139  and  in  a  depressed  wound  healing.140,141  Silicon  deficiency affects the concentration of several minerals in bone and causes a decreased growth (Fig. 3).  It also  lowers the mineralization rate  leading to abnormalities  like smaller, thinner and less flexible bones.43,115,137-139,147-150  

  

Figure 3: Photograph of 4‐week‐old chicks on silicon supplemented diet (left)  and on low‐silicon diet (right),115* 

 

* Picture from: EM Carlisle, Silicon in Bone Formation in Silicon and Siliceous Structures in Biological Systems,  eds.  TL  Simpson  and  E  Volcani  (1981)  Springer‐Verlag, New  York.  Chapter  4,  page  78, figure 4‐5, with kind permission of Springer Science and Business Media. 

Page 15: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

7

Silicon also affects cell proliferation, which is an important aspect in the function of the  immune  system,  wound  healing  and  bone  growth.43,117,134,140,141,151  DNA synthesis and cell division regulation are probably affected by silicon as well,117 but the mechanisms behind these phenomena are not well understood yet. The effect of silicon on processes involving bone and collagen production and other processes  originates  in  its  ability  to  alter  several  enzymatic  activities.  Enzymes involved  in bone and collagen  formation are enhanced by silicon,140,145,150 whereas the opposite effect  takes place  in  the antioxidant enzymes  superoxide dismutase, catalase and glutathione peroxidase. The latter enzymes are crucial for the removal of  free  oxygen  radicals  from  the  cell,  and  the  depression  of  these  enzymatic activities probably plays a role in the cause of diseases like silicosis.152 The question arises how silicon can affect enzymatic activities and other bioprocesses, since no specific binding sites for silicon have been found  in animals. Silicon compounds do not show any redox reactions in a natural environment,6 which makes it unlikely that they can function as active sites in enzymes. The role of silicon might be explained by  its effect on the concentration of several essential  (trace) elements  like calcium, phosphorus, potassium, copper, zinc,  iron, manganese and magnesium in serum, bone, cartilage and other tissues.108,138-141,149-

151,153-157  Many  of  these  elements  play  a  role  as  a  cofactor  in  several  essential enzymes. Copper is a cofactor in an enzyme involved in cartilage synthesis,158 in an antioxidant  enzyme,159  and  in  enzymes  that  play  a  role  in  cholesterol  and  lipid metabolism.107,160,161 Zinc plays a role  in wound healing and bone mineralization162 and  processes  involving  carbohydrates,  lipids,  proteins  and  nucleic  acids.160,163 Manganese has  a  key  role  in wound healing  and bone  formation,141  and  calcium, phosphorus,  potassium, magnesium  and  zinc  probably  play  a  role  in  lymphocyte proliferation.141 And,  finally, calcium and phosphorus are  the main components of bone.115 An alteration of metal concentrations  in the body  induced by silicon could influence the performance of specific enzymes. Therefore, a better understanding is needed about the interaction between silicon and metal ions in the body.   1.2.5 Overview The  omnipresence  of  silicon  in  the  ecosystem  forces  living  organisms  to  use  this element. Although much  is known about silicon  in biology, many processes remain unclear.  Most  organisms,  like  the  higher  animals,  need  silicon  as  an  essential element, but only a few biochemical means to handle silicon have been discovered so  far  in  the  form of  the enzymes silicatein and silaffin  in sponges and diatoms. A role as enzyme cofactor has not been found (yet). So it seems that the influence of silicon  on  several  processes  in  many  organisms  cannot  be  explained  by  silicon biochemistry alone. This means  that physical‐chemical mechanisms  rather  than a biochemical one could be involved. To get a deeper insight in the influence of silicon in biological processes a good understanding of silicon chemistry is crucial.   

Page 16: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

8

1.3 Thesis outline The aim of the research described in this thesis was to investigate the role of silicon chemistry in biological processes. Emphasis was layed on the role of silicon in metal metabolism,  on  in  vivo  silicon  polymerization  reactions,  and  on  a  possible application in biotechnology.   The studies described in this thesis focused on the behaviour and uptake kinetics of silicic acid  in several biological systems. Radiotracer techniques are highly suitable for these kind of  investigations. A radiotracer that  is chemically  identical to natural silicon compounds is useful and  provides an easy detection of the compound with a detection limit well below those of other techniques. Radiotracers can also be used for  visualization  of  uptake  kinetics  by  autoradiography.  In  chapter  2  the development of a suitable silicon  tracer was discussed. This study was  focused on the production and chemical characterization of a tracer of high specific activity that can be produced in a nuclear reactor. This tracer was used in other studies that are described  in this thesis, for  instance  in uptake kinetics studies  in yeast and diatom cells, and in the development of a novel autoradiography method.  In chapter 3 and 4  it was  investigated  if silicon chemistry can play a role  in biology without the involvement of enzymes, binding sites etc. The accumulation of silicon and  its  interactions  with  metals  was  investigated  in  Saccharomyces  cerevisiae (baker’s yeast), which commonly serves as a model for the eukaryotic cell.164 Yeast does not have  the drawback of higher animals  in which  it  is difficult  to determine whether  the  observed phenomena  reflect  a direct  interaction  or  a more  complex series  of  events  in  the  body.  These  studies  focused  on  possible mechanisms  of silicon  chemistry  in  biological  processes.  Three  tracers  (31Si,  65Zn  and  60Co) were used for the measurement of uptake rates.  In chapter 5 a study on silicon uptake mechanisms  in diatoms was described. As  is stated  above  silicic  acid  polymerization  is  used  by  diatoms  and  sponges  for  the formation  of  several  silica  structures.  For  frustule  formation  in  diatoms  a  large amount of silicic acid has to be transported through the cell, and the polymerization process offers a  risk when  it  takes place  in an unwanted  location of  the  cell. This means  that diatoms must possess a mechanism  to  safely handle  this  transport.  It was hypothesized  that  this bulk uptake and  transport  followed a mechanism  that involved pinocytosis events.165  In  this  thesis  this mechanism was  investigated and compared to earlier proposed mechanisms. Three models were designed to describe different  silicon uptake mechanisms. The experimental  results, obtained by  tracer aided  uptake  determinations,  were  processed  by  compartmental  analysis  to investigate these mechanisms in the view of silicon transport through the cell during frustule  formation. Compartmental analysis  is a mathematical approach  to obtain information  about  the  fate  of  a  compound  in  a  closed  biological  or  chemical system.166 The  studied  system  is divided  into  “compartments”  such  as pools of  a compound in cell organelles or different chemical forms of the compound. The time dependent  behaviour  of  the  compound  in  each  compartment  is mathematically described,  based  on  first  order  transport  kinetics.  Experimental  data  are  used  to calculate  the  transport  rate  constants  in  the model. Compartmental  analysis  has 

Page 17: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

9

been successfully used to describe e.g. the accumulation of technetium in plants,167 the transport of compounds in solid‐liquid systems,168 and the speciation of calcium in milk.169  Silicic  acid  adsorption  on  organic  compounds  could  yield  some  applications  in biotechnology. Systems like biofilms (communities of microorganisms that grow on several  surfaces)  possess  a  structural  matrix  of  proteins  and  other  (polymeric) compounds that is excreted by the microorganisms in the biofilm170,171 and that can interact  with  silicon  compounds.  Biofilms  are  used  in  several  biotechnological processes like vinegar production172 and water purification,173 but can also be used in biogrouting (the stabilisation of ground works  in civil engineering).174 Currently  it  is investigated  if silicon precipitation can play a positive role  in the  latter application. For  this  purpose  the  deposition  of  silicic  acid  on  the  matrix  of  a  biofilm  is investigated  in chapter 6. This process could  influence  the mechanical strength of the biofilm, and in this way could find an application in the biotechnological process of biogrouting. A novel autoradiography technique is developed in this study.  In  chapter  7  the  results  are  evaluated  and  an  outlook  is  given  for  further investigations. 

Page 18: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

10

1.4 References Reference List 

   1.   Ehrlich HL Geomicrobiology, third edition, revised and expanded; 3rd ed.; Marcel Bakker Inc.: 

New York, 1996.   2.   Aston S Natural water and atmospheric chemistry of silicon. In Silicon geochemistry and 

biogeochemistry, Aston S, Ed.; Academis Press Inc.: London, 1983; pp 77‐100.   3.   Tréguer P; Nelson DM; van Bennekom AJ; DeMaster DJ; Leynaert A; Quéguiner B The silica 

balance in the world ocean ‐ a reestimate. Science, 1995, pp 375‐379.   4.   Conley DJ Riverine contribution of biogenic silica to the oceanic budget. Limnology and 

Oceanography, 1997, pp 774‐777.   5.   Willén E Planktonic diatoms ‐ An ecological review. Archiv für Hydrobiologie, 1991, pp 69‐

106.   6.   Iler RK The chemistry of silica; John Wiley & Sons: New York, 1979.   7.   Petzold A; Hinz W Silikatchemie, Einführung in die Grundlagen; VEB Deutsche Verlag für 

Grundstoffindustrie: Leipzig, 1978.   8.   Birchall JD; Bellia JP; Roberts NB On the mechanisms underlying the essentiality of silicon ‐ 

interactions with aluminium and copper. Coordination Chemistry Reviews, 1996, pp 231‐240.   9.   Farmer VC Sources and speciation of aluminium and silicon in natural waters. In Silicon 

Biochemistry, Evered D, O'Connor M, Eds.; John Wiley & Sons Ltd.: Chichester, 1986; pp 4‐23. 

  10.   Bold HC; Wynne MJ Introduction to the algae. Stucture and reproduction; Prentice‐Hall, INC.: Englewood Cliffs, 1978. 

  11.   Bennett PC; Rogers JR; Choi WJ Silicates, silicate weathering, and microbial ecology. Geomicrobiology Journal, 2001, pp 3‐19. 

  12.   Maurice PA; Vierkorn MA; Hersman LE; Fulghum JE; Ferryman A Enhancement of kaolinite dissolution by an anearobic Pseudomonas mendocina bacterium. Geomicrobiology Journal, 2001, pp 21‐35. 

  13.   Ehrlich HL How microbes influence mineral growth and dissolution. Chemical Geology, 1996, pp 5‐9. 

  14.   Crawford RH; Floyd M; Li CY Degradation of serpentine and muscovite rock minerals and immobilization of cations by Penicilllium spp. Phyton‐Annales Rei Botanicae, 2000, pp 312‐315. 

  15.   Barker WW; Welch SA; Banfield JF Biogeochemical weathering of silicate minerals. Reviews in Mineralogy, 1997, pp 391‐428. 

  16.   Chen J; Blume HP; Beyer L Weathering of rocks induced by lichen colonization ‐ a review. Catena, 2000, pp 121‐146. 

  17.   Urrutia MM; Beveridge TJ Formation of fine grained metal and silicate precipitates on a bacterial surface (Bacillus‐subtilis). Chemical Geology, 1994, pp 261‐280. 

  18.   Fortin D; Ferris FG Precipitation of iron, silica and sulfate on bacterial cell surfaces. Geomicrobiology Journal, 1998, pp 309‐324. 

  19.   Mera MU; Beveridge TJ Mechanism of silicate binding to the bacterial‐cell wall in Bacillus subtilis. Journal of Bacteriology, 1993, pp 1936‐1945. 

  20.   Lide DR Handbook of chemistry and physics; 83rd edition ed.; CRC Press: Boca Raton, 2002.   21.   Dietzel M Dissolution of silicates and the stability of polysilicic acid. Geochimica et 

Cosmochimica Acta, 2000, pp 3275‐3281.   22.   Dietzel M; Usdowski E Depolymerization of soluble silicate in dilute aqueous solutions. 

Colloid and Polymer Science, 1995, pp 590‐597.   23.   Dietzel M Polysilicic acid and the dissolution of silicates. Mineralogical Magazine, 1998, pp 

385‐386.   24.   Baumann H Polymerisation und Depolymerisation der Kieselsaüre unter verschiedenen 

Bedingungen. Kolloid Zeitschrift, 1959, pp 28‐35.   25.   Dietzel M; Bohme G Adsorption and stability of polymeric silica. Chemie der Erde ‐ 

Geochemistry, 1997, pp 189‐203.   26.   Adamson AW; Gast AP Physical chemistry of surfaces; 6th edition ed.; New York, 1997. 

Page 19: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

11

  27.   Schwieger W; Heyer W; Wolf F; Bergk KH Zur Synthese von kristallinen Metallsilicathydraten mit Schichtstruktur. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1987, pp 204‐216. 

  28.   Marshall WL; Warakomski JM Amorphous silica solubilities ‐ II. Effects of aqueous salt solutions. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1980, pp 915‐924. 

  29.   Kinrade SD; Hamilton RJ; Schach AS; Knight CTG Aqueous hypervalent silicon complexes with aliphatic sugar acids. Journal of the Chemical Society ‐ Dalton Transactions, 2001, pp 961‐963. 

  30.   Lambert JB; Lu G; Singer SR; Kolb VM Silicate complexes of sugars in aqueous solution. Journal of the American Chemical Society, 2004, pp 9611‐9625. 

  31.   Sahai N Calculation of 29Si NMR shifts of silicate complexes with carbohydrates, amino acids, and MuHicarboxylic acids: Potential role in biological silica utilization. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, pp 227‐237. 

  32.   Kinrade SD; Del Nin JW; Schach AS; Sloan TA; Wilson KL; Knight CTG Stable five‐ and six‐coordinated silicate anions in aqueous solution. Science, 1999, pp 1542‐1545. 

  33.   Stryer L Biochemistry; W.H. Freeman and Company: San Francisco, 1981.   34.   Smith JV; Arnold FP; Parsons I; Lee MR Biochemical evolution III: Polymerization on 

organophilic silica‐rich surfaces, crystal‐chemical modeling, formation of first cells, and geological clues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, pp 3479‐3485. 

  35.   Smith JV Biochemical evolution. I. Polymerization on internal, organophilic silica surfaces of dealuminated zeolites and feldspars. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1998, pp 3370‐3375. 

  36.   Parsons I; Lee MR; Smith JV Biochemical evolution II: Origin of life in tubular microstructures on weathered feldspar surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1998, pp 15173‐15176. 

  37.   Bendz G; Lindqvist I Biochemistry of silicon and related problems; Plenum Press: New York ‐ London, 1978. 

  38.   Evered D; O'Connor M Silicon biochemistry; John Wiley & Sons Ltd.: Chichester, 1986.   39.   Simpson TL; Volcani BE Silicon and siliceous structures in biological systems; Springer Verlag: 

New York, 1981.   40.   Voronkov MG; Zelchan GI; Lukevitz E Silizium und Leben; Akademie‐Verlag: Berlin, 1975.   41.   Nielsen FH Nutritional‐requirements for boron, silicon, vanadium, nickel, and arsenic ‐ 

current knowledge and speculation. FASEB Journal, 1991, pp 2661‐2667.   42.   Nielsen FH Ultratrace elements in nutrition: current knowledge and speculation. Journal of 

Trace Elements in Experimental Medicine, 1998, pp 251‐274.   43.   Carlisle EM Silicon as an essential trace element in animal nutrition. In Silicon biochemistry, 

Evered D, O'Connor M, Eds.; 1986.   44.   Epstein E Silicon. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 1999, pp 

641‐664.   45.   Epstein E The anomaly of silicon in plant biology. Proceedings of the National Academy of 

Sciences of the United States of America, 1994, pp 11‐17.   46.   Nielsen FH Evolutionary events culminating in specific minerals becoming essential for life. 

European Journal of Nutrition, 2000, pp 62‐66.   47.   Exley C Silicon in life: A bioinorganic solution to bioorganic essentiality. Journal of Inorganic 

Biochemistry, 1998, pp 139‐144.   48.   Bovee EC Distribution and forms of siliceous structures among protozoa. In Silicon and 

siliceous structures in biological systems, Simpson TL, Volcani BE, Eds.; Springer Verlag: New York, 1981; pp 233‐279. 

  49.   Reincke T; Barthel D Silica uptake kinetics of Halichondra panicea in Kiel Bight. Marine Biology, 1997, pp 591‐593. 

  50.   Imsiecke G; Steffen RT; Custodio M; Borojevic R; Muller W Formation of spicules by sclerocytes from the fresh‐water sponge Ephydatia‐muelleri in short‐term cultures in‐vitro. In Vitro Cellular & Developmental Biology ‐ Animal, 1995, pp 528‐535. 

  51.   Uriz MJ; Turon X; Becerro MA Silica deposition in Demosponges: spiculogenesis in Crambe crambe. Cell and Tissue Research, 2000, pp 299‐309. 

Page 20: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

12

  52.   Shimizu K; Cha JN; Stucky GD; Morse DE Silicatein alpha: Cathepsine L ‐ like protein in sponge biosilica. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: Genetics, 1998, pp 6234‐6238. 

  53.   Cha JN; Shimizu K; Zhou JZ; Christiansen SC; Chmelka BF; Stucky GD; Morse DE Silicatein filaments and subunits from a marine sponge direct the polymerization of silica and silicones in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Biochemistry, 1999, pp 361‐365. 

  54.   Krasko A; Lorenz B; Batel R; Schröder HC; Müller IM; Müller WEG Expression of silicatein and collagen genes in the marine sponge Suberites domuncula is controled by silicate and myotrophin. European Journal of Biochemistry, 2000, pp 4878‐4887. 

  55.   Morse DE Silicon biotechnology: harnessing biological silica production to construct new materials. Trends in Biotechnology, Jun, 1999, pp 230‐232. 

  56.   Crawford RM The siliceous components of the diatom cell wall and their morphological variation. In Silicon and siliceous structures in biological systems, Simpson TL, Volcani BE, Eds.; Springer Verlag: New York, 1981; pp 129‐156. 

  57.   Morse DE Silicon biotechnology: harnessing biological silica production to construct new materials. Trends in Biotechnology, Jun, 1999, pp 230‐232. 

  58.   Gordon R; Losic D; Tiffany MA; Nagy SS; Sterrenburg FAS The Glass Menagerie: diatoms for novel applications in nanotechnology. Trends in Biotechnology, 2009, pp 116‐127. 

  59.   Scala S; Bowler C Molecular insights into the novel aspects of diatom biolology. Cellular and Molecular Life Sciences, 2001, pp 1666‐1673. 

  60.   Kristiansen S; Hoell EE The importance of silicon for marine production. Hydrobiologia, 2002, pp 21‐31. 

  61.   Martin‐Jezequel V; Hildebrand M; Brzezinski MA Silicon metabolism in diatoms: implications for growth. Journal of Phycology, 2000, pp 821‐840. 

  62.   Wang LJ; Wang YH; Li M; Zhang WX; Zhang FS; Li TJ Biogenic nanostructured silica. Progress in Natural Science, 2002, pp 401‐406. 

  63.   Round FE; Crawford FM; Mann DG The diatoms. Biology & morphology of the genera; Cambridge University Press: Cambridge, 1990. 

  64.   Del Amo Y; Brzezinski M The chemical form of dissolved Si taken up by marine diatoms. Journal of Phycology, 1999, pp 1162‐1170. 

  65.   Brzezinski MA; Conley DJ Silicon deposition during the cell ‐ cycle of Thalassiosira‐Weissflogii (Bacillarioophyceae) determined using dual rhodamine‐123 and propidium iodide staining. Journal of Phycology, 1994, pp 45‐55. 

  66.   Reeves CD; Volcani BE Role of silicon in diatom metabolism. Patterns of protein phosphorylation in Cylindrotheca fusiformis during recovery from silicon starvation. Archives of Microbiology, 1984, pp 291‐294. 

  67.   Sullivan CW; Volcani BE Role of silicon in diatom metabolism III. The effects of silicic acid on DNA polymerase, TMP kinase and DNA synthesis in Cylindrotheca fusiformis. Biochimica et Biophysica Acta, 2003, pp 212‐229. 

  68.   Sarthou G; Timmermans KR; Blain S; Tréguer P Growth physiology and fate of diatoms in the ocean: a review. Journal of Sea Research, 2005, pp 25‐42. 

  69.   Azam F; Hemmingsen BB; Volcani BE Role of silicon in diatom metabolism V. Silicic acid transport and metabolism in the heterotrophic diatom Nitzschia alba. Archives of Microbiology, 1974, pp 103‐114. 

  70.   Bhattacharyya P; Volcani BE Sodium dependant silicate transport in the apochlorotic marine diatom Nitzschia alba. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1980, pp 6386‐6390. 

  71.   Pickett‐Heaps JD; Schmid MM; Edgar LA The cell biology of diatom valve formation. In Progress in Phycological Research, volume 7, Round FE, Chapman DJ, Eds.; Biopress: Bristol, UK, 1990. 

  72.   Kröger N; Deutzmann R; Sumper M Polycationic peptides from diatom biosilica that direct silica nanosphere formation. Science, 1999, pp 1129‐1132. 

  73.   Kröger N; Deutzmann R; Sumper M Silica precipitating peptides from diatoms ‐ The chemical structure of silaffin‐1A from Cylindrotheca fusiformis. Journal of Biological Chemistry, 2001, pp 26066‐26070. 

Page 21: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

13

  74.   Kröger N; Sumper M The biochemistry of silica formation in diatoms. In Biomineralization ‐ From biology to biotechnology and medical application, Baeuerlein E, Ed.; Wiley‐VCH Verlag GmbH: Weinheim, Germany, 2000; pp 151‐170. 

  75.   Hildebrand M Silicic acid transport and its control during cell wall silification in diatoms. In Biomineralization ‐ From biology to biotechnology and medical application, Baeuerlein E, Ed.; Wiley‐VCH Verlag GmbH: Weinheim, Germany, 2000; pp 171‐188. 

  76.   Hildebrand M; Dahlin K; Volcani BE Characterization of a silicon transporter gene family in Cylindrotheca fusiformis: sequences, expression analysis, and identification of homologs in other diatoms. Molecular and General Genetics, 1998, pp 480‐486. 

  77.   Epstein E; Bloom AJ Mineral nutrition of plants: Principles and perspectives; 2nd edition ed.; Sinauer: Sunderland, MA, 2005. 

  78.   Liang YC; Sun WC; Zhu YG; Christie P Mechanisms of silicon‐mediated alleviation of abiotic stresses in higher plants: a review. Environmental Pollution, 2007, pp 422‐428. 

  79.   Sangster AG; Parry DW Ultrastructure of silica deposits in higher plants. In Silicon and siliceous structures in biological sysems, Simpson TL, Volcani BE, Eds.; Springer Verlag: New York, 1981; pp 383‐408. 

  80.   Sangster AG; Hodson MJ Silica in higher plants. In Silicon biochemistry, Evered D, O'Connor M, Eds.; 1986. 

  81.   Neumann D; Figueiredo C De A novel mechanism of silicon uptake. Protoplasma, 2002, pp 59‐67. 

  82.   de Bakker NVJ; Hemminga MA; van Soelen J The relationship between silicon availability, and growth and silicon concentration of the salt marsh halophyte Spartina anglica. Plant and Soil, 1999, pp 19‐27. 

  83.   Rafi MM; Epstein E Silicon absorption by wheat (Triticum aestivum L.). Plant and Soil, 1999, pp 223‐230. 

  84.   Ma JF; Tamai K; Yamaji N; Mitani N; Konishi S; Katsuhara M; Ishiguro M; Murata Y; Yano M A silicon transporter in rice. Nature, 2006, pp 688‐691. 

  85.   Kaufman PD; Dayanandan P; Takeoka Y; Bigelow WC; Jones JD; Iler R Silica in shoots of higher plants. In Silicon and siliceous structures in biological sysems, Simpson TL, Volcani BE, Eds.; Springer Verlag: New York, 1981; pp 409‐449. 

  86.   Wang LJ; Nie Q; Li M; Zhang FS; Zhuang JQ; Yang WS; Li TJ; Wang YH Biosilicified structures for cooling plant leaves: A mechanism of highly efficient midinfrared thermal emission. Applied Physics Letters, 2005, p 194105. 

  87.   Trenholm LE; Duncan RR; Carrow RN; Snyder GH Influence of silica on growth, quality, and wear tolerance of seashore Paspalum. Journal of Plant Nutrition, 2001, pp 245‐259. 

  88.   Cotteril JV; Watkins RW; Brennon CW; Cowan DP Boosting silica levels in wheat leaves reduces grazing by rabbits. Pest Management Science, 2007, pp 247‐253. 

  89.   Guevel MH; Menzies JG; Belanger RR Effect of root and foliar applications of soluble silicon on powdery mildew control and growth of wheat plants. European Journal of Plant Pathology, 2007, pp 429‐436. 

  90.   Heine G; Tikum G; Horst WJ The effect of silicon on the infection by and spread of Pythium aphanidermatum in single roots of tomato and bitter gourd. Journal of Experimental Botany, 2007, pp 569‐577. 

  91.   Green S; Bailey KL; Tewari JP The infection process of Alternaria cirsinoxia on Canada thistle (Cirsium arvense) and host structural defence responses. Mycological Research, 2001, pp 344‐351. 

  92.   Dann EK; Muir S Peas grown in media with elevated plant‐available silicon levels have higher activities of chitinase and beta‐1,3‐glucanase, are less susceptible to a fungal leaf spot pathogen and accumulate more foliate silicon. Australasian Plant Pathology, 2002, pp 9‐13. 

  93.   Rodrigues FA; Vale FXR; Datnoff LE; Prabhu AS; Korndorfer GH Effect of rice growth stages and silicon on sheath blight development. Phytopathology, 2003, pp 256‐261. 

  94.   Liang YC; Yang CG; Shi HH Effects of silicon on growth and mineral composition of barley grown under toxic levels of aluminium. Journal of Plant Nutrition, 2001, pp 229‐243. 

  95.   Hara T; Gu MH; Koyama H Ameliorative effect of silicon on aluminium injury in the rice plant. Soil Science and Plant Nutrition, 1999, pp 929‐936. 

  96.   Rahman MT; Koyama H; Hara T Effect of aluminium and silicon in solution on the growth of rice (Oryza sativa L.) suspension cells. Soil Science and Plant Nutrition, 1999, pp 693‐700. 

Page 22: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

14

  97.   Cocker KM; Evans DE; Hodson MJ The amelioration of aluminium toxicity by silicon in higher plants: Solution chemistry or an in plants mechanism. Physiologia Plantarum, 1998, pp 608‐614. 

  98.   Neumann D; zur Nieden U Silicon and heavy metal tolerance of higher plants. Phytochemistry, 2001, pp 685‐692. 

  99.   Nogueira MA; Cardoso EJBN; Hampp R Manganese toxicity and callose deposition in leaves are attenuated in mycorrhyzal soybean. Plant and Soil, 2002, pp 1‐10. 

  100.   Liang YC Effects of silicon on enzyme activity and sodium, potassium and calcium concentration in barley under salt stress. Plant and Soil, 1999, pp 217‐224. 

  101.   Gunes A; Inal A; Bagci EG; Pilbeam DJ Silicon‐mediated changes of some physiological and enzymatic parameters symptomatic for oxidative stress in spinach and tomato in sodic‐B toxic soil. Plant and Soil, 2007, pp 103‐114. 

  102.   Gunes A; Inal A; Bagci EG; Coban S; Sahin O Silicon increases boron tolerance and reduces oxidative damage of wheat grown in soil with excess boron. Biologia Plantarum, 2007, pp 571‐574. 

  103.   Savant NK; Korndorfer GH; Datnoff LE; Snyder GH Silicon nutrition and sugarcane production: a review. Journal of Plant Nutrition, 1999, pp 1853‐1903. 

  104.   Ando H; Kakuda K; Fujii H; Suzuki K; Ajiki T Growth and canopy structure of rice plants grown under field conditions as effected by Si application. Soil Science and Plant Nutrition, 2002, pp 429‐432. 

  105.   Esser KB Can the application of fused calcium silicate to rice contribute to sustained yields and higher pest resistance? Outlook on Agriculture, 2002, pp 199‐201. 

  106.   Matichenkov VV; Calvert DV; Bocharnikova EA Effect of Si fertilization on growth and P nutrition of bahiagrass. Soil and Crop Science Society of Florida Proceedings, 2001, pp 30‐36. 

  107.   Klevay LM Cholesterotropic and cuprotropic chemicals. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 180‐183. 

  108.   Calomme MR; VandenBerghe DA Supplementation of calves with stabilized orthosilicic acid ‐ Effect on the Si, Ca, Mg, and P concentrations in serum and the collagen concentration in skin and cartilage. Biological Trace Element Research, 1997, pp 153‐165. 

  109.   Reffitt DM; Jugdaohsingh R; Thompson RPH; Powell JJ Silicic acid: its gastrointestinal uptake and urinary excretion in man and effects on aluminium excretion. Journal of Inorganic Biochemistry, 1999, pp 141‐147. 

  110.   van Dyck K; van Cauwenbergh R; Robberecht H; Deelstra H Bioavailability of silicon from food and food supplements. Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 1999, pp 541‐544. 

  111.   Dobbie JW; Smith MJB Urinary and serum silicon in normal and uraemic individuals. In Silicon biochemistry, Evered D, O'Connor M, Eds.; 1986. 

  112.   Jugdaohsingh R; Anderson SHC; Tucker KL; Elliott H; Kiel DP; Thompson RPH Dietary silicon intake and absorption. American Journal of Clinical Nutrition, 2002, pp 887‐893. 

  113.   Popplewell JF; King SJ; Day JP; Ackrill P; Fifield LK; Cresswell RG; Di Tada ML; Liu K Kinetics of uptake and elimination of silicic acid by a human subject: A novel application of Si‐32 and accelerator mass spectrometry. Journal of Inorganic Biochemistry, 1998, pp 177‐180. 

  114.   Martin KR The chemistry of silica and its potential health benefits. Journal of Nutrition Health & Aging, 2007, pp 94‐98. 

  115.   Carlisle EM Silicon in bone formation. In Silicon and siliceous structures in biological systems, Simpson TL, Volcani BE, Eds.; Springer‐Verlag: New York, 1981; pp 69‐94. 

  116.   Voronkov MG Silicon in living systems. In Silicon Chemistry, Corey ER, Corey JY, Gaspar PP, Eds.; 1988. 

  117.   Henrotte JG; Viza D; Vich JM; Gueyne J Le rôle régulateur du silicium dans la division cellulaire. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences. Série III, 1988, pp 525‐528. 

  118.   Charnot Y; Peres G Silicon, endocrine balance and mineral metabolism. In Biochemistry of silicon and related problems, Bendz G, Lindqvist I, Eds.; 1978; pp 269‐280. 

  119.   Lugowski SJ; Smith DC; Lugowski JZ; Peters W; Semple J A review of silicon and silicone determination in tissue and body fluids ‐ a need for standard reference materials. Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 1998, pp 486‐488. 

  120.   Birchall JD Silicon ‐ aluminum interactions and biology. Colloid Chemistry of Silica ‐ Advances in Chemistry Series, 1994, pp 601‐615. 

Page 23: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

15

  121.   Dhaese PC; Shaheen FA; Huraib SO; Djukanovic L; Polenakovic MH; Spasovski G; Shikole A; Schurgers ML; Daneels RF; Lamberts LV; van Landeghem GF; Debroe ME Increased silicon levels in dialysis patients due to high‐silicon content in the drinking‐water, inadequate water‐treatment procedures, and concentrate contamination ‐ a multicenter study. Nephrology Dialysis Transplantation, 1995, pp 1838‐1844. 

  122.   Bisse E; Epting T; Beil A; Lindinger G; Lang H; Wieland H Reference values for serum silicon in adults. Analytical Biochemistry, 2005, pp 130‐135. 

  123.   Birchall JD The role of silicon in biology. Chemistry in Brittain, 1990, pp 141‐144.   124.   Tacke R Milestones in the biochemistry of silicon: From basic research to biotechnological 

applications. Angewandte Chemie ‐ International Edition, 1999, pp 3015‐3018.   125.   Jugdaohsingh R Silicon and bone health. Journal of Nutrition Health & Aging, 2007, pp 99‐

110.   126.   Birchall JD; Exley C; Chappell JS; Phillips MJ Acute toxicity of aluminium to fish eliminated in 

silicon‐rich acid waters. Nature, 1989, pp 146‐148.   127.   Edwardson JA; Moore PB; Ferrier IN; Lilliy JS; Newton GWA; Barker J; Templar J; Day JP 

Effect of silicon on gastrointestinal absorption of aluminum. Lancet, 1993, pp 211‐212.   128.   Belles M; Sanchez DJ; Gomez M; Corbiella J; Domingo JL Silicon reduces aluminum 

accumulation in rats: Relevance to the aluminum hypothesis of Alzheimer disease. Alzheimer Disease & Associated Disorders, 1998, pp 83‐87. 

  129.   Perry CC; Keeling‐Tucker T Model studies of the precipitation of silica in the presence of aluminium; implications for biology and industry. Journal of Inorganic Biochemistry, 2000, pp 331‐339. 

  130.   Kerr DNS; Ward MK Aluminium and its role in biology. In Metal ions in biological systems, Sigel H, Sigel A, Eds.; Dekker: New York, Basel, 1988; pp 217‐258. 

  131.   Elliot MA; Edwards HM Some effects of dietary aluminium and silicon on broiler‐chickens. Poultry Science, 1991, pp 1390‐1402. 

  132.   Najda J; Gminski J; Drozdz M; Flak A The effect of silicon (Si) on lipid parameters in blood‐serum and arterial‐wall. Biological Trace Element Research, 1991, pp 235‐247. 

  133.   Najda J; Gminski J; Drozdz M; Zych F The influence of inorganic silicon (Si) on pitutary‐thyroid axis. Biological Trace Element Research, 1993, pp 101‐106. 

  134.   Bedu O; Goy J; Roufy J; Loeper J Action of silicon on cultured lymphocytes. Medical Science Research, 1991, pp 317‐318. 

  135.   Carlisle EM A metabolic role for silicon in cartilage growth. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 128‐133. 

  136.   Seaborn CD; Nielsen FH Further studies of the effect of silicon on collagen‐metabolism. FASEB Journal, 1995, p A448. 

  137.   Seaborn CD; Nielsen FH Germanium, silicon and their interaction affect bone composition. FASEB Journal, 1994, p A430. 

  138.   Seaborn CD; Nielsen FH Silicon deprivation and arginine and cysteine supplementation affect bone collagen and bone and plasma trace mineral concentrations in rats. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 2002, pp 113‐122. 

  139.   Seaborn CD; Nielsen FH Cysteine, silicon and their interaction affect bone composition in the rat. FASEB Journal, 2001, p A972. 

  140.   Seaborn CD; Nielsen FH Silicon deprivation decreases collagen formation in wounds and bone, and ornithine transaminase enzyme activity in liver. Biological Trace Element Research, 2002, pp 251‐261. 

  141.   Seaborn CD; Briske‐Anderson M; Nielsen FH An interaction between dietary silicon and arginine affects imune function indicated by Con‐A‐induced DNA sythesis of rat splenic T‐lymphocytes. Biological Trace Element Research, 2002, pp 133‐142. 

  142.   Loeper J; Goy J; Fragny M; Troniou R; Bedu O Study of fatty acids in atheroma induced in rabbits by an atherogenic diet with or without silicon i.v. treatment. Life Sciences, 1988, pp 2105‐2112. 

  143.   Fasman GD; Moore CD The solubilization of model Alzheimer tangles ‐ reversing the beta‐sheet conformation induced by aluminum with silicates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1994, pp 11232‐11235. 

Page 24: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

16

  144.   Fasman GD; Perczel A; Moore CD Solubilization of beta‐amyloid‐(1‐42)‐peptide ‐ reversing the beta‐sheet conformation induced by aluminum with silicates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1995, pp 369‐371. 

  145.   Arumugam MQ; Ireland DC; Brooks RA; Rushton N; Bonfield W Orthosilicic acid increases collagen type 1 mRNA expression in human bone‐derived osteoblasts in vitro. Bioceramics, Vol 16,Key Engineering Materials, 2004, pp 869‐872. 

  146.   Schwarz K Significance and function of silicon in warm blooded animals. Review and outlook. In Biochemistry of silicon and related problems, Bendz G, Lindqvist I, Eds.; Plenum Press: New York, 1978; pp 207‐230. 

  147.   Carlisle EM Essentiality and function of silicon. In Biochemistry of silicon and related problems, Bendz G, Lindqvist I, Eds.; 1977; pp 231‐253. 

  148.   Izu A; Kumai T; Tohno Y; Tohno S; Minami T; Yamada G; Yamada MO Silicon intake to vertebral columns of mice after dietary supply. Biological Trace Element Research, 2006, pp 297‐316. 

  149.   Seaborn CD; Nielsen FH Dietary silicon affects acid and alkaline‐phosphatase and calcium‐45 uptake in bone of rats. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine, 1994, pp 11‐18. 

  150.   Seaborn CD; Nielsen FH Dietary silicon and arginine affect mineral element composition of rat femur and vertebra. Biological Trace Element Research, 2002, pp 239‐250. 

  151.   Keeting PE; Oursler MJ; Wiegand KE; Bonde SK; Spelsberg TC; Riggs BL Zeolite‐A increases proliferation, differentiation, and transforming growth‐factor‐beta production in normal adult human osteoblast‐like cells in vitro. Journal of Bone and Mineral Research, 1992, pp 1281‐1289. 

  152.   Najda J; Goss M; Gminski J; Weglarz L; Siemianowicz K; Olszowy Z The antioxidant enzymes activity in the conditions of systemic hypersilicemia. Biological Trace Element Research, 1994, pp 63‐70. 

  153.   Ott EA; Asquith RL Trace mineral supplementation of yearling horses. Journal of Animal Science, 1995, pp 466‐471. 

  154.   Najda J; Gminski J; Drozdz M; Danch A The action of excessive, inorganic silicon (Si) on the mineral metabolism of  calcium (Ca) and magnesium (Mg). Biological Trace Element Research, 1993, pp 107‐114. 

  155.   Perry CC; Keeling‐Tucker T Aspects of the bioinorganic chemistry of silicon in conjunction with the biometals calcium, iron and aluminium. Journal of Inorganic Biochemistry, 1998, pp 181‐191. 

  156.   Najda J; Gminski J; Drozdz M; Danch A Silicon metabolism ‐ The interrelations of inorganic silicon (Si) with systemic iron (Fe), zinc (Zn) and copper (Cu) pools in the rat. Biological Trace Element Research, 1992, pp 185‐195. 

  157.   Lyu K; Nathanson D; Chou L Effects of silicon, calcium and phosphorus on human osteoblast culture. Journal of Dental Research, 2000, p 220. 

  158.   Robins SP; Milne G; Stewart P The effects of copper deficiency on the lysine‐derived, pyridinium crosslinks of rat bone collagen. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 42‐45. 

  159.   Saito K; Saito T; Ito K; Fujimoto S; Sasaki T Interaction of copper, zinc, manganese, and selenium to superoxide dismutase, catalase, and glutathione peroxidase in stomach cancer. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 805‐807. 

  160.   Cunnane SC Contrasting effects of zinc and copper on the composition of long chain fatty acids in tissue lipids of the rat. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 70‐75. 

  161.   Davies NT; Sarkozy P The effects of copper deficiency on lipid peroxidation in rat liver microsomes. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 39‐42. 

  162.   Tenegrup I; Ågren MS; Bonderson L; Forsgren A; Hallmans G; Söderberg T The effect of zinc and occlusion on the healing of open wounds. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 87‐89. 

Page 25: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

17

  163.   Falchuk KH; Vallee BL Zinc and chromatin structure, composition and function. In Trace Elements in Man and Animals, Mills CF, Bremner I, Chesters JK, Eds.; Commonwealth Agricultural Bureaux: Slough, Farnham Royal, UK, 1985; pp 48‐55. 

  164.   Walker GM Yeast physiology and biotechnology; John Wiley & Sons: Chichester, 1998.   165.   Vrieling EG; Sun QY; Tian M; Kooyman PJ; Gieskes WWC; van Santen RA; Sommerdijk 

NAJM Salinity‐dependant diatom biosilicification implies an important role of external ionic strength. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, pp 10441‐10446. 

  166.   Shipley RA; Clark RE Tracer methods for in vivo kinetics; Academic Press: New York, London, 1972. 

  167.   Krijger GC; Harms AV; Leen R; Verburg TG; Wolterbeek B Chemical forms of technetium in tomato plants; TcO4

‐, Tc‐cysteine, Tc‐glutathione and Tc‐proteins. Environmental and Experimental Botany, 1999, pp 69‐81. 

  168.   Kolar ZI Tracing of interfacial transport of matter in solid‐liquid systems in dynamic equilibrium. Journal of Trace and Microprobe Techniques, 1990, pp 103‐120. 

  169.   Kolar ZI; Verburg TG; van Dijk HJM Three kinetically different inorganic phosphate entities in bovine casein micelles revealed by isotopic exchange method and compartmental analysis. Inorganic Biochemistry, 2002, pp 61‐66. 

  170.   Marshall KC Interfaces in microbial ecology; Harvard University Press: Cambridge, 1976.   171.   Gjaltema A Biofilm development: growth versus detachment. Technische Universiteit Delft, 

1996.   172.   Boletti FT Manufacture of vinegar. In Microbiology; a textbook on microorganisms general and 

applied., third revised edition ed.; Marshall CE, Ed.; Churchill: London, 1921; pp 636‐648.   173.   Bryers JD; Characklis WG Biofilms in wastewater treatment. In Biofilms, Characklis WG, 

Marshall KC, Eds.; John Wiley & Sons: New York, 1990; pp 671‐696.   174.   Stocks‐Fischer S; Galinat JK; Bang SS Microbiological precipitation of CaCO3. Soil Biology & 

Biochemistry, 1999, pp 1563‐1571.    

Page 26: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 1: Introduction 

18

 

Page 27: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

 Chapter 2 

 Preparation of 31Si labelled silicate:  

a radiotracer for silicon studies in biosystems  

Abstract 

No‐carrier added  31Si was produced by  31P(n,p)31Si  in  the nuclear  reactor of  the Delft University  of  Technology.  Several  methods  were  investigated  to  remove  the  side product  32P, and  the chemical  form of  31Si was  investigated. All methods except one gave good  results. Anion exchange with Dowex  resin gave the best  results  in activity concentration (3.8 ∙ 106 Bq/ml, with only 3.2 ∙ 103 Bq/ml 32P as by product) and specific activity (As > 17 TBq/g). The product is suitable for biological systems.* 

 

* This chapter  is  reprinted with kind permission of Wiley‐Blackwell, Oxford, United Kingdom: “H.J. Brasser,  G.  Gürboğa,  J.J.  Kroon,  Z.I.  Kolar,  H.T.  Wolterbeek,  K.J.  Volkers,  G.C.  Krijger  (2006) Preparation of  31Si lebelled silicate: a radiotracer for silicon studies in biosystems. Journal of Labelled Compounds and  Radiopharmaceuticals 47: 867‐882”.

Page 28: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

20

2.1 Introduction 

Silicon (Si)  is the second most abundant element (25.7 % w/w)  in the earth’s crust, being exceeded only by oxygen (49.2 %).1 Its three stable isotopes, 28Si, 29Si and 30Si, have  natural  abundances  of  92.23,  4.67  and  3.10  %,  respectively.  Silicon  is undoubtedly  important  for  many  living  organisms  and  it  may  have  played  a significant role  in the origin of  life.2  It  is considered to be beneficial or essential to some plants, higher animals and humans, although only a  few  functions of silicon have been unravelled so far.3,4  In biosystems and natural waters silicon  is always  in the  chemical  form  of  silicate  (ortho,  meta  or  higher  polymerized).  At  low concentrations  (<  5 mmol/l)  it  exists  in  the  form  of  orthosilicate  (Si(OH)4), while above  this  concentration  polymerization  will  take  place  to  “metasilicate” (orthosilicate oligomers). At very high concentrations formation of silica gel ((SiO3

2‐

)n)  will  occur.  Metasilicate  can  depolymerize  to  orthosilicate  when  diluted  to concentrations below 5 mmol/l.5,6 

A convenient way for measuring transport rates in biosystems, including man, is by means  of  radioactive  tracers  that  are  chemically  and  physically  identical  to  the compound/substance  of  interest.  For  silicon  two  radionuclides  are  suitable  to  be used as  labels  in such  tracers, namely  31Si  (t1/2 = 2.62 h, decays to  31P  (stable)) and 32Si  (t1/2 = 160 y, decays to  32P  (radioactive)).7 Both radionuclides emit β‐ radiation, with maximum energies of 0.225 MeV (0.07%) and 1.49 MeV (99.9%)  for 31Si and of 0.213 MeV (100%) for 32Si. In addition, 31Si emits 1.27 MeV γ‐rays (0.07%).8‐10 Instead of  Si  radionuclides,  radioactive  Ge  (68Ge  or  71Ge)  has  been  used  to  study  the behaviour of Si,11,12 but this is probably not representative under all circumstances.  32Si can be produced by either the 37Cl(p,2pα)32Si reaction or the reaction sequence 31P(n,γ)32P(n,p)32Si  using  an  accelerator  or  a  high  neutron  flux  nuclear  reactor respectively.13  32Si  labelled  compounds  have  been  used  for  example  in  studies  of silicon in marine food webs and for human and animal uptake kinetics.14‐17 However, the use of 31Si is advantageous in short‐term experiments, because (a) it is relatively easy to produce in high yields using a relatively low neutron flux reactor, (b) it does not  decay  to  32P which  can  interfere with  radioactivity measurements  and  (c)  it results  in  far  less  radioactive waste.  In  addition,  double  tracer  experiments  using both 31Si and 32Si would become feasible.  31Si  can  be  produced  by  reactor  thermal  neutron  irradiation  of  silicon  or  its compounds  by  the  30Si(n,γ)31Si  nuclear  reaction with  a  cross  section  (σ)  of  0.108 barn.  It  can  also  be  produced  by  fast  neutron  irradiation  of  phosphorus  or  its compounds by the 31P(n,p)31Si nuclear reaction having a threshold energy of 0.7328 MeV and a σ for fast neutrons of 0.034 barn.7,8,17,18 Preparation of 31Si from 31P using the (n,p) route is accompanied by the simultaneous production of 32P (t1/2 = 14.26 d) due  to  the presence of  thermal neutrons. The  involved nuclear  reaction  31P(n,γ)32P has a σ of 0.16 barn.  32P emits β‐  radiation with maximum energy of 1.710 MeV.7,8 For doping experiments 31Si  is often produced by the 30Si(d,p)31Si reaction using an accelerator,19,20  but  no  information  is  given  on  a  purity  check  of  the  produced nuclide. We will  focus on  the production of  31Si  in a nuclear  reactor. The physical data of the mentioned radionuclides are summarized in Table 1.  

 

Page 29: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

21

 Table 1: Preparation of the radionuclides 31Si, 32Si and 32P and their physical data,8‐10   *recalculated value.10 

Nuclide  31Si  32Si  32P Half‐live time  2.62 h  160 y  14.62 d Radiation type, energies 

β‐ 0.225 MeV (0.07%) β‐ 1.49 MeV (99.9%) γ  1.27 MeV (0.07%). 

β‐ 0.213 MeV (100%)  β‐ 1.710 MeV (100 %) 

Reaction, cross section 

30Si(n,γ)31Si (0.108 barn) 31P(n,p)31Si (0.0312 barn) 

37Cl(p,2pα)32Si (0.42 barn) 31P(n,γ)32P(n,p)32Si (0.16 resp. 0.12* barn) 

31P(n,γ)32P (0.16 barn) 

  Our present  study  aims  at producing  31Si  via  the  31P(n,p)31Si  reaction  followed by radiochemical processing and chemical characterization of the final product for use as a label for biological studies with high specific activity. Note that silicon is present as  a  contaminant  in water  and  in many  chemicals, which  influences  the  specific activity of the final product. In several studies 31Si was produced by the 31P(n,p)31Si 21‐23  reaction.  However  the  specific  activity  was  not  given,21  or  the  silicon concentration  was  not  determined  21,22  which makes  the  found  specific  activity questionable.  Also  the  chemical  form  of  the  tracer  was  not  investigated.21‐23  As target material  31P  free of silicon  impurities  is preferred  instead of  30Si because of the possibility to produce no carrier added 31Si, and because the natural abundance of the target material is 100%, so no enrichment is needed, in contrast to 30Si which has a low abundance in natural Si, or is very expensive in enriched form. The use in biosystems implies the final radiotracer solution should have a pH that matches the system  to  study.  It  should  have  a  chemical  form  identical  to  the  natural  non‐radioactive form, and it should not contain toxic or harmful substances.   

2.2 Experimental 2.2.1 Chemicals 

The  following  chemicals were  used:  phosphoric  acid  (H3PO4,  Fluka  76922),  silver acetate  (CH3COOAg,  Fluka  85140),    barium  carbonate  (BaCO3,  Fluka  11729), lanthanum  nitrate  (La(NO3)3,  Merck  5326),  and  sodium  metasilicate  (Na2SiO3, Aldrich 30,781‐5). All chemicals were at least of analytical grade, and silicon was not on the list of impurities  2.2.2 Preparation of the radionuclide 

The  target  material,  100  mg  (1  mmol)  orthophosphoric  acid  (H3PO4)  was  solid packed  in  small polyethylene  tubes which were  sealed at both ends. These  tubes were placed  in polyethylene “rabbits” and pneumatically  transported  to a position close  to  the  core  of  the  2 MW  swimming  pool  research  reactor  of  the  Reactor Institute Delft, Delft University of Technology, The Netherlands. The  targets were neutron irradiated for 5.0 h. The neutron fluxes at the target position were about 5.1 × 1012 cm‐2s‐1 for thermal and 3.7 × 1011 cm‐2s‐1 for fast neutrons.  

Page 30: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

22

31Si  and  32P  activities were measured  in  5 ml  (diluted)  sample  using  a  LKB  liquid scintillation counter  (β‐  radiation, 98% detection efficiency or Čerenkov  light, 39% detection  efficiency).  For  determination  of  β‐  radiation  15  ml  Ultima  Gold  LSC cocktail was added to the sample. Čerenkov light detection was used in cases when chemical conditions  (like  low pH) gave problems with  the LSC cocktail. Moreover, 31Si was also determined in a well‐type Ge‐Li‐detector (γ radiation). The radioactive decay of the samples was followed over time in order to calculate the initial 31Si and 32P  activities  at  the  end  of  the  target  bombardment. Moreover,  half‐lives  were checked to ascertain for the absence of contaminations by mathematical fitting the half‐live times to the decay of the radionuclides over time using MicroMath Scientist software.  2.2.3 Removal of phosphate, including 32P from the radionuclide solution 

Phosphate  (including  32P)  was  removed  from  the  target  material  solution  by precipitation  with  barium  carbonate  (Method  1),  silver  acetate  (Method  2)  or lanthanum nitrate  (Method 3), or by anion exchange  separation with Dowex  resin (Method 4) or prefabricated columns (Method 5).   Method  1.  The  irradiated  H3PO4  was  dissolved  in  2.0  ml  deionized  water  and transferred  to  a  plastic  centrifuge  tube. To  the  solution  100  μl  1.0 mol/l HCl was added, followed by 0.35 g (1.7 mmol, 10% excess) solid BaCO3 causing CO2 release and  a white  precipitate,  probably  barium  hydrogen  phosphate  (BaHPO4, Ks  =  10‐6.74).24 After 5 min. CO2 escape had stopped and the solution was filtered (membrane filter, pore  size 0.45  μm). The pH was  increased by  the addition of  150  μl  1 mol/l NaOH  to  lower  the Ks of barium phosphate  in order  to precipitate  the  remaining barium  and  phosphate  ions,  followed  by  filtration  to  remove  the  precipitate particles.   Method  2.  The  irradiated  H3PO4  was  dissolved  in  2.0  ml  deionized  water  and transferred  to a plastic centrifuge  tube. 0.60 g  (3.3 mmol)  solid  silver acetate was added  to  the  radioactive  solution  causing  a  yellow  precipitate,  probably  silver orthophosphate  (Ag3PO4,  Ks  =  10‐16.1).1  After  5 min.  the  suspension  was  filtered (membrane  filter,  pore  size  0.45  μm),  and  0.03  g  (0.5  mmol)  NaCl  (solid)  was admixed to the filtrate in order to react with the remaining silver ions and form AgCl (Ks = 10‐9.75).1 A final filtration removed the precipitated particles.  Method  3.  The  irradiated  H3PO4  was  dissolved  in  3.0  ml  deionized  water  and transferred  to a plastic  centrifuge  tube. To  the  solution 200  μl  1 mol/l NaOH was added,  followed by 0.40 g  (1.2 mmol)  solid  lanthanum nitrate La(NO3)3 yielding a white precipitate (lanthanum orthophosphate LaPO4, Ks = 10‐25.75).25 The suspension was filtered (membrane filter, 0.45 μm) and 100 μl 1 mol/l NaOH was added to the filtrate  to  react with  the  remaining  La  ions  and  form  La(OH)3  (Ks  =  10‐20.06).26  A second filtration yielded a filtrate free of precipitate particles.  Method 4. The  irradiated  target material  (100 mg) was dissolved  in 2.0 ml water. Dowex 8x2 anion exchange  resin was  soaked  in ultrapure water, washed with 8.0 mol/l HNO3 and rinsed with water until neutral pH. A plastic column (Bio‐Rad Econo‐

Page 31: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

23

pac) was filled with 10 ml resin slurry. The resin was loaded with 10 ml 5.0 mol/l NaCl solution  and  rinsed with  10 ml  100 mmol/l  TRIS  in  ultrapure water  (pH  5.0).  The solution of the irradiated target material was adjusted to pH 5.0, added to the top of the resin and eluted with 10 ml 100 mmol/l TRIS in ultrapure water of the same pH. The first 4 ml eluent was discarded, the following 6 ml yielded the purified product.   Method 5. The  irradiated  target material  (100 mg) was dissolved  in 2.0 ml water. Prefabricated anion resin columns (Accell™ Plus QMA) were purchased from Waters (Etten Leur, The Netherlands). Before use the columns were rinsed with 5 mol/l NaCl (4 ml/ml  bed  volume)  and  water  of  the  desired  pH  (8 ml/ml  bed  volume).  The solution of the irradiated target material was adjusted to the desired pH with 1 mol/l NaOH and added to a column (max. 1 ml solution/g resin). The eluent was kept for activity determination.   2.2.4 Analyses 

Silicate  concentrations were  determined with  inductively  coupled  plasma  optical emission  spectrometry  (ICP‐OES,  Perkin  Elmer  OES  Optima  4300DV).  The spectrometer was calibrated with Merck CertiPUR silicon standard solution (1703).  X‐ray  diffraction  measurements  were  performed  on  a  Bruker‐AXS  type  D5005 diffractometer, equipped with a Huber CuKa1  incident‐beam monochromator and Braun Position Sensitive Detector. The measurement  range was  15‐70 degrees 2‐theta with  a  stepsize  of  0.039  degrees  and  a  counting  time  per  step  of  1  s.  The specimen  consisted  of  a  thin  layer  of  powder  on  a  Si  single  crystal  wafer  with orientation <510> (a 'zero‐background’ substrate).  2.2.5 Gel formation 

A 5.0 ml 1.5 mol/l Na2SiO3 solution was added to a tube together with 100 µl 31Si/32P solution  (refined by Method 1). Gel  formation was started by adding 10 ml 0  ‐ 3.0 mol/l HCl solution to the tube. The final concentrations in the tube were 500 mmol/l Na2SiO3 and 0 – 2.0 mol/l HCl.  It  is crucial the HCl solution  is slowly added against the  wall  of  the  tube  without  producing  any  turbulence  or mixing  in  the  liquid. Disturbing  the  liquid,  e.g.  by  shaking,  retards  the  start  of  the  polymerization reaction for several hours. After HCl addition the tubes were left undisturbed for 15 minutes to allow the gel formation reaction to start. Then the tubes were shaken to yield a homogeneous mixture of gel and  liquid and allowed to stand for another 15 minutes to complete the polymerization reaction. After centrifugation at 1500 g the supernatant was added to a counting vial for activity determination. The gel pellet was  dispersed  in  10 ml water  and  the mixture was  added  to  a  counting  vial  for radioactivity determination. The volume and density of gel and  supernatant were determined by weighing.   2.2.6 Paper chromatography 

Paper chromatography was carried out on  tracer solution at pH 7‐12.  31Si solution (refined by Method 1) was added to chromatography paper (Whatman, Maidstone, England),  allowed  to  dry,  and  eluted  in   2‐propanol  (70%),  water  (10%),  20% trichloroacetic acid (20%) and 25% ammonia (0.3%) mobile phase as   described by 

Page 32: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

24

Hettler27 until the front had reached about 75 % of the paper. After drying the paper was put on a  linear  transport system and  the elution profile of  the  tracer  (31Si and 32P) was determined using a GM detector. After complete decay of 31Si (after at least two days) 32P activity was determined in the elution profile to calculate the original 31Si activity in the separate spots.   2.2.7 Interaction of 32P with non‐radioactive Si  32P solution was prepared by irradiating 100 mg H3PO4 as described above followed by dissolving the target material in 2.0 ml deionized water. The solution was kept for at  least  2  days  allowing  31Si  to  decay  completely.  Subsequently  2.9 ml  solution containing 50 mg/ml H3PO4 and 0, 1.0 or 10 mmol/l Na2SiO3 was added to a counting vial together with 100 μl 32P solution. Plastic counting vials were used because of the good heat and pressure resistance. The vials were closed and incubated at 20 or 115 oC for 5 hours. After incubation the liquid was added to plastic centrifuge tubes and possible loss of water by evaporation was compensated for. 1.0 ml sample was used for radioactivity determination, and precipitation with barium carbonate was carried out  on  the  remaining  2.0  ml  liquid.  Separation  of  precipitate  and  solution  was performed by centrifugation at 1500 g. The supernatant and pellet were added  to counting vials  for  radioactivity determination. The volume of  the supernatant was determined by weighing.   

2.3 Results and discussion 2.3.1 Production of the radionuclide 

Phosphoric acid was irradiated as described in the experimental section. The 31P(n,p) 31Si and 31P(n,γ) 32P reactions resulted in the production of 31Si and 32P as determined using both a liquid scintillation counter (31Si and 32P) and a well‐type Ge‐Li‐detector (31Si). An amount of 4.3 ± 0.8 MBq 31Si per mmol P was formed, accompanied by 5.7 ±  1.1 MBq  32P under  the  conditions  in  the  reactor. To determine  the  presence of radionuclide contaminations  (apart  from  31Si and  32P) half‐live times were checked by mathematical fitting of the decay data (Figure 1). The found half‐live values, 2.67 ± 0.05 hours and 13.98 ± 0.16 days,  respectively, agreed well with  the  literature.7,8 This indicates the absence of major radionuclide contaminations.  

 

 

 

Page 33: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

25

 Figure 1: The 31Si and 32P activity in irradiated target material over time (■ not purified, ▼ purified by Method 1, lines: half life time fit of data) 

 

The 31Si/32P ratio’s can be modified by the use of neutrons with different energies. In addition, shielding material with a high thermal neutron capture cross‐section (e.g. cadmium or boron) during the  irradiation can be used to reduce the occurrence of the  31P(n,γ)32P  reaction  and  to  increase  the  31Si/32P  ratio.  However,  this  would slightly  reduce  the  31Si  yield  and  is  only  required  when  32P  interferes  with  the experiments.  

2.3.2 Removal of 32P from the irradiated target material 

Five methods to remove 32P from the  irradiated target material solution have been investigated: three using chemical precipitation (Method 1 – 3) and two using anion exchange  (Method  4  and  5).  Purification  of  the  irradiated material  by  chemical precipitation  of  phosphate  (including  32P)  was  carried  out  as  described  in  the experimental  section. Precipitation  of  32P with  barium  carbonate  (Method  1)  and silver acetate (Method 2) gave good results (Table 2).  

 

Table 2: Properties of 31Si tracer obtained by different purification methods. The remaining activity after purification is given as fraction of the original produced nuclide. 

Method  Nuclide  Activity concentration 

Remaining activity at t = 0 

[Si]  Specific activity 

      Bq/ml  %  mg/l  TBq/g 1. precipitation  Si‐31  3.2 ± 0.8 ∙ 106  74 ± 13  0.67 ± 0.10  4.8 ± 1.4 (BaCO3)  P‐32  2.8 ± 1.4 ∙ 104  1.1 ± 0.2     2. precipitation  Si‐31  1.8 ± 0.05 ∙ 106  66 ± 22  0.59 ± 0.06  3.0 ± 0.08 (Ag‐acetate)  P‐32  7.1 ± 0.8 ∙ 103  0.25 ± 0.09     3. precipitation  Si‐31  5.4 ± 2.9 ∙ 103  0.5 ± 0.3  < 10‐3  > 5 (La(NO3)3)  P‐32  6.7 ± 2.5 ∙ 102  0.04 ± 0.01     4. anion exchange  Si‐31  3.8 ± 0.1 ∙ 106  43.9 ± 1.1  0.21 ± 0.01  17.8 ± 0.4 (Dowex resin)  P‐32  3.2 ± 0.3 ∙ 103  0.03 ± 0.003     5. anion exchange  Si‐31  1.1 ± 0.1 ∙106  91.0 ± 1.1  5.14 ± 0.09  0.21 ± 0.02 (Accell™ Plus Q)  P‐32  6.1 ± 1.9 ∙ 103  0.4 ± 0.1     

Page 34: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

26

Table 3: Precipitating salts in refining methods 1 ‐ 3 as determined by X‐ray diffraction Method  After addition of  Formed precipitates Method 1  BaCO3 + HCl  BaHPO4 and BaCO3   NaOH  BaCO3 Method 2  Ag‐acetate  Ag3PO4 and Ag‐acetate   NaCl  AgCl Method 3  La(NO3)3 + NaOH  LaPO4   NaOH  no precipitate 

  Removal  of  32P  as  barium  hydrogen  phosphate  (Method  1)  or  silver  phosphate (Method 2) was  successful  although  1.1 %  (Method  1) or 0.36 %  (Method 2) of  it remained  in  solution,  calculated  as  percentage  of  32P  at  the  end  of  neutron bombardment.  73 %  (Method  1)  or  70 %  (Method  2)  of  the  initially  present  31Si remained  in  the  purified  solution, which make  these  procedures  suitable  for  the production of 31Si labelled silicate. The specific activity of 31Si amounted to 4.8 ± 1.4 TBq/g (Method 1) or 3.0 ± 0.08 TBq/g  (Method 2). Probably non‐radioactive silicon was present as a contaminant in the chemicals used. Whether the removal of 32P by Method 1 could be improved was investigated by means of centrifugation instead of filtration  to  remove  small  precipitate  particles  that  can  pass  the  filter,  but  no difference was found. Sequential precipitation with fresh barium carbonate or silver acetate did not lead to higher recoveries of 32P. Precipitation with lanthanum nitrate (Method 3) removed more than 99.95% of the original 32P as lanthanum phosphate. However, 99.5% of  the  31Si was co‐precipitated, which clearly makes  this method unsuitable  for  the  preparation  of  the  tracer  (Table  2).  X‐ray  diffraction  analysis revealed  the presence of phosphate  in  all precipitates  from  the  first precipitation step of Method 1, 2 and 3. In case of Method 1 and 2 the original salt (BaCO3 or Ag acetate) is also precipitated, probably as a result of pH change (Table 3). In Figure 2 a typical X‐ray diffraction spectrum is shown. 

Anion  exchange was  investigated  as  a method  for  phosphate  removal  from  the irradiated target material. Silicic acid has its first pK value at 9.66 and phosphate at 2.12.1 As  long as the pH  is kept between 3 and 9 silicic acid will not be dissociated and will pass through the resin whereas dissociated phosphate will interact with the anion exchange  resin. Above pH 9 silicate will also start  to dissociate and  interact with  the  anion  exchange  resin.  This  principle  has  been  investigated with Dowex anion  exchange  resin  in  laboratory  made  columns  (Method  4)  and  with  a commercially available prefab column (Method 5) as described  in the experimental section.  

 

 

 

 

 

 

 

Page 35: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

27

 

 Figure 2: Typical X‐ray diffraction spectrum of LaPO4.  

Anion exchange purification at pH 5 resulted  in 43.9 % recovery of 31Si   and 99.7 % removal of 32P (Method 4), and in 91.0 % recovery of 31Si and 99.6% removal of 32P (Method 5). The obtained specific activity was 17.8 ± 0.4 TBq/g (Method 4) and 0.21 ±  0.02  TBq/g  (Method  5).  Solution  refined  by Method  5  contained  a  rather  high amount of Si  (5.14 ± 0.09 mg/l). The not purified solution contained 0.010 ± 0.001 mg/l  Si, which  indicates  the  column  itself  contains  Si  as  a  contaminant which  is released during elution. Method 4 yielded a solution containing 0.21 ± 0.01 mg/l Si. Probably Si  is  removed during pretreatment with 8 M HNO3.  It  is not possible  to treat Method 5 columns with 8 M HNO3, but probably the Si contamination can be reduced by increasing the volumes of NaCl solution and water during pretreatment. The  31Si yield  (Method 5) could be  improved  to 96.7% by  rinsing  the  column with water  pH  5  (volume  equal  to  bed  volume)  after  elution.  It  was  not  possible  to remove  the  remaining  32P  by  a  second  elution  (Method  5).  The  results  are summarized  in Table 2. The  influence of  the pH has been  investigated  for pH 2‐8 (Method 5). At pH 2 20% of 32P remains in solution, above pH 4 99.7‐99.9 % of 32P is removed. Above pH 6  the  recovery of  31Si  shows a declining  tendency  (Figure  3). This is an indication 31Si has the silicate chemical form. In the next two experiments the chemical form of the tracer was further investigated. 

 

 

Page 36: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

28

 Figure 3: Recovery of 31Si (�) and 32P (∆) from the target solution as a function of pH after treatment with anion exchange (Method 5) (n=3, ± sd). 

  It was not possible to completely remove 32P by any method. The results of Method 3  indicate  32P  exists  for  at  least  99.95%  as  orthophosphate.  The  precipitation product, lanthanum orthophosphate, has a very low solubility (Ks = 10‐25.75),25 so only minute amounts of orthophosphate can remain  in solution. Possibly the remaining 32P does not exist in phosphate form, but is chemically altered during irradiation. 

The 31P(n,p)31Si reaction suggests the possibility of carrier free 31Si preparation. But the results show all purified tracer solutions contain non‐radioactive silicon, which is probably  introduced  as  contaminants  of  the  used  chemicals.  When  the  silicon content is kept low by the use of ultrapure chemicals high specific 31Si activities can be obtained. 

2.3.3 Investigation of the chemical form of 31Si 

When  a  radiotracer  is  used  to  investigate  the  role  of  silicon  in  biosystems  it  is important  that  the  chemical  form  is  identical  to  that of natural  silicon.  In natural waters  and  biosystems  silicon  is  usually  present  in  the  form  of  silicate.5  In  dilute aqueous  solutions  (<  5 mmol/l)  silicate molecules  exist  in  the  form  of  silicic  acid, Si(OH)4 or orthosilicate  (SiO(OH)3‐), and  in higher concentrations as  "metasilicate" (oligomers  of  orthosilicate).  In  highly  concentrated  solutions  polymerization  (gel formation) occurs. The gel formation process is started when a concentrated silicate solution (> 0.1 mol/l) is brought into contact with a strong acid.5,6 This results in a gel phase with a silicate concentration higher than in the starting solution, and a water phase (supernatant) with lower silicate concentration than in the starting solution. In this experiment the ability of silicate molecules to form a gel is used to investigate the  chemical  form  of  31Si.  If  31Si  is  in  the  silicate  form  it  will  participate  in  the chemical reaction of the polymerization process and will be  incorporated  in the gel matrix. As a result the 31Si activity per ml gel (Agel) will be higher than the activity per ml starting solution (A0), and the activity per ml supernatant (Asup) will be lower than A0.  In other words: Agel/A0 > 1 and Asup/A0 < 1.  If  31Si  is not  in  the silicate  form  the activity  will  be  equally  distributed  over  gel  and  supernatant.  The  results  can  be compared with 32P present in the tracer solution, which can not participate in the gel 

Page 37: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

29

forming process. The activity of  32P will be equally distributed over gel  (trapped  in the gel matrix) and supernatant (Agel/A0 = Asup/A0 = 1).  The  experiment  was  conducted  as  described  in  the  experimental  section.  The amount of gel that  is formed depends on the final concentration of HCl (Figure 4). Activities of  31Si and  32P were determined before addition of HCl  (to calculate A0), and after gel formation (to calculate Agel and Asup), and the ratios Agel/A0 and Asup/A0 were calculated for both nuclides (Figure 5).  

  

 Figure 4: Gel volume obtained in 0.5 mol/l Na2SiO3 as a function of HCl concentration (n=4, ± sd). 

  The  results  show Agel/A0  >1  and Asup/A0  <  1  for  31Si,  especially when more  acid  is added. This  indicates the participation of 31Si  in the gel forming process,  indicating 31Si is in the silicate form. For 32P both Agel/A0 and Asup/A0 are about 1, resulting from an equal distribution of the nuclide over gel phase and supernatant. 

 

 Figure 5: Activity (A) per ml gel or per ml supernatant after gel formation as compared to the activity (A0) per ml at the start (■ 31Si gel, ● 31Si supernatant,  ∆ 32P gel, � 32P supernatant, n=4, ± sd). 

 To  confirm  the  silicate  form  of  31Si  as  suggested  by  the  above  experiment  its behaviour is further investigated using paper chromatography. Silicic acid (Si(OH)4) has a pK value of 9.66,1 which means the molecules are non‐dissociated at low and 

Page 38: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

30

neutral  pH.  At  pH  8‐12  silicate  will  be  partly  dissociated,  and  above  pH  12 dissociation  will  be  complete.  The  dissociated  and  non‐dissociated  form  can  be separated by paper chromatography as described in the experimental section. Non‐dissociated  silicate  will  move  faster  during  elution  than  the  dissociated  form, resulting  in  a  spot  for  the  non‐dissociated  form  with  high  RF  and  one  for  the dissociated form with  low RF. The pH determines the degree of dissociation of the silicate molecules, and hence the size of the two spots.  31Si  solution  (pH  7‐12) was  added  to  chromatography  paper,  as  described  in  the experimental section. After development two radioactive spots were found (spot 1, RF 0.1 and spot 2, RF 0.9) containing an amount of 31Si dependent on the pH of the solution. An increase in pH results in a higher activity of 31Si in spot 1 and a decrease of  activity  in  spot  2.  The  fraction  of  dissociated  and  non‐dissociated  silicate  is calculated  and  the  results  are  summarized  (Figure  6).  These  results  are  in accordance  with  the  results  of  the  gel  formation  experiment,  and  confirm  the silicate chemical form of the 31Si tracer.   

 Figure 6: Activity of 31Si  in elution profile as fraction of the total activity of 31Si as a function of pH, determined using paper chromatography (�RF 0.1 dissociated form, ∆RF 0.9 non‐dissociated form, n=3, ± sd).  It  is possible  that during neutron  irradiation of  the  target material  the  formed  31Si reacts  with  the  phosphoric  acid  as  a  result  of  the  heating  up,28  influencing  the chemical properties of the 31Si nuclide. To  investigate whether this  is feasible 32P  is brought  into contact with 0, 1 or 10 mM silicate and  incubated for 5 hours at room temperature (20 oC) or at 115 oC as described in the experimental section. The high temperature  is  chosen  to  cover  for  a  possible  rise  of  temperature  in  the  reactor during  irradiation, the  incubation time  is equal to the  irradiation time  in the tracer production.  After  incubation  the  solutions were  treated with Method  1,  and  the fraction  of  32P  that  remained  in  solution was determined. The  results  showed  no influence of silicate concentration or temperature on the fraction 32P that remained in  solution  (Table  4).  In  all  cases  1.4  to  1.5 %  of  32P was  not  precipitated, which equals  the  amount  found  in  Method  1  as  described  above.  So  it  is  unlikely  a phosphorus‐silicon complex is formed during irradiation.   

Page 39: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

31

 Table 4:  influence of temperature and silicate concentration on the fraction of not precipitated 32P. ns: not significant (P>0.5)  

[H3PO4]  [Na2SiO3] Fraction  32P  in supernatant  T‐test  

g/ml  mmol/l  115 oC (%)  20 oC (%)   0.05  0  1.50 ± 0.08  1.44 ± 0.05  ns 0.05  1  1.45 ± 0.10  1.41 ± 0.07  ns 0.05  10  1.48 ± 0.13  1.38 ± 0.01  ns 

 

2.4 Conclusions All refining methods are suitable for tracer production, except Method 3 (lanthanum nitrate  precipitation),  which  resulted  in  99.5  %  loss  of  31Si,  probably  by  co‐precipitation. The results show the specific activity is determined by the presence of silicon  as  a  contaminant  in  chemicals  and  materials.  Methods  4  and  5  (anion exchange) have the advantage of the highest removal of 32P, but Method 4 is more time  consuming  than  the  precipitation methods.  Probably  this  drawback  can  be overcome by applying a vacuum  to  increase  the elution speed. Method 5  is a  fast method with  the highest  recovery of  31Si and  removal of  32P. However  its  specific activity  is  lowest of all methods, and the costs are relatively high compared to the other  methods.  If  chemical  precipitation  is  used  Method  1  (barium  carbonate precipitation)  is  preferred  over  Method  2  (silver  acetate  precipitation)  because barium  is  less toxic than silver. Moreover acetate, the counter  ion of silver stays  in solution and can be consumed by many organisms as a substrate and interfere with the  experiments, whereas  carbonate,  the  counter  ion  of  barium  escapes  as  CO2 during precipitation. The presence of a minor amount of 32P in the tracer should not be a problem as long as it does not interfere with the experiments (especially when phosphate concentrations in the media are relatively high). However it is mandatory to do more activity determinations on one sample to correct for the contribution of 32P to the signal. The experiments show 31Si has the silicate chemical form, which means the tracer is chemically  identical  to  natural  silicon  and  can  be  used  for  studies  of  biological systems.  In conclusion, the purification Methods 1, 4 and 5 yield 31Si tracer of high activity and high  specific activity  that are usable  in biosystem  studies. The choice depends on the needs of the experiment. When a high activity per volume is needed Method 1  is preferred, whereas Method 4 yields the highest specific activity, but  is more time consuming.   

Page 40: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

32

2.5 References 1. Lide LR (chief ed) (2002) CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83rd ed. CRC Press LLC: Boca 

Raton Florida. 2. Smith  JV, Arnold  FP,  Parsons  I,  Lee MR  (1999) Biochemical  evolution  III:  Polymerization  on 

organophilic  silica‐rich  surfaces,  crystal‐chemical  modeling,  formation  of  first  cells,  and geological clues, P Nati Ac Sci Unit 96: 3479 ‐ 3485. 

3. Roperto F, Borzacchiello G, Ungaro R, Galati P  (2000). Silicate pneumoconiosis  in hens,  J Co Path 122: 249 ‐ 254. DOI: 10.1053/jcpa.1999.0367 

4. Miura Y, Nakai K, Sera K, Sato M (1999) Trace elements in sera from patients with renal disease, Nucl Inst Meth Phy B 150: 218 ‐ 221. DOI: 10.1016/S0168‐583X(98)01028‐3 

5. Iler RK  (1979) The  chemistry of  silica, Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. John Wiley & Sons Ltd: New York. 

6. Petzold A, Hinz W (1978) Silikatchemie, Einführung  in die Grundlagen. VEB Deutsche Verlag für Grundstoffindustrie: Leipzig. (in german) 

7. Moller P, Nix JR, Myers WD, Swiatecki WJ (1995) Atomic Data and Nuclear Data Tables 59: 185 ‐ 381. DOI: 10.1006/adnd.1995.1002 

8. Firestone RB, Shirley VS (eds) (1996) Table of isotopes, 8th ed. John Wiley & Sons Ltd: New York. 9. Pfennig G, Klewe‐Nebenius H, Seelman‐Eggebert W (1998) Karlsruher Nuklidkarte, 6th ed 1995, 

rev 1998. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH: Karlsruhe. 10. Forberg S (1972) Nuclear‐reactor production of carrier‐free Si‐32, Radiochim Acta 18: 194 ‐197. 11. Matics S, Frank WFJ (2000) Diffusion of Ge‐71 in the amorphous ceramic Si28C36N36, J Non Crys 

Soli; 266: 830 ‐ 834 Part B. DOI: 10.1016/S0022‐3093(99)00850‐9 12. Tallberg P, Koski‐Vahala J, Hartikainen H (2002) Germanium‐68 as a tracer for silicon fluxes  in 

freshwater sediment, Water Res 36: 956 ‐ 962. DOI: 10.1016/S0043‐1354(01)00312‐8 13. Hofmann HJ,  Bonani G,  Suter M, Wölfli W,  Zimmermann D,  Von Gunten HR  (1990)  A  new 

determination of the half‐life of Si‐32, Nucl  Inst Meth Phy B   52: 544  ‐ 551. DOI: 10.1016/0168‐583X(90)90474‐9 

14. Brzezinski MA, Phillips DR  (1997) Evaluation of  32Si as a tracer  for measuring silica production rates in marine waters, Limn Ocea 42: 856 ‐ 865.  

15. Popplewell  JF, King SJ, Day  JP, Ackrill P, Fifield LK, Cresswell RG, Di Tada ML, Liu K  (1998) Kinetics of uptake and elimination of silicic acid by a human subject: A novel application of Si‐32 and  accelerator  mass  spectrometry,  J  Inorg  Biochem  69:  177‐  180.  DOI:  10.1016/S0162‐0134(97)10016‐2 

16. Taylor GA, Pullen GRL, Keith AB, Edwardson JA  (1992) Ge‐68 as a possible marker  for silicon transport in rat‐brain, Neurochem Res 17: 1181 ‐ 1185. DOI: 10.1007/BF00968396 

17. Mehard CW, Volcani BE (1975) Similarity in uptake and retention of trace amounts of 31‐silicon and  68‐germanium  in  rat  tissues  and  cell  organelles,  Bioinorg  Chem  5:  107  ‐  124.  DOI: 10.1016/S0006‐3061(00)80055‐1 

18. Geraldo LP, Dias MS, Koskinas MF  (1992) Average neutron cross section measurements  in U‐235 fission spectrum for some threshold reactions, Radiochim Act 57: 63 ‐ 67. 

19. Laitinen P, Strohm A, Huikari J, Nieminen A, Voss T, Grodon C, Riihimaki I, Kummer M, Aysto J, Dendooven  P,  Raisanen  J,  Frank  W  (2002)  Self‐diffusion  of  Si‐31  and  Ge‐71  in  relaxed Si0.20Ge0.80 layers, Phys Rev Letters 89: art. no. 085902. DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.085902 

20. Salamon M, Strohm A, Voss T, Laitinen P, Riihimaki I, Divinski S, Frank W, Raisanen J, Mehrer H (2004)  Self‐diffusion  of  silicon  in molybdenum  disilicide,  Philosoph Mag  84:  737  ‐  756.  DOI: 10.1080/14786430310001641966 

21. Ichikawa F, Sato T (1970) Studies of behaviour of carrier‐free radioisotopes. 4. Some behaviours of carrier‐free silicon‐31 from view point of radiocolloid formation, Radiochim Acta 13: 69 ‐ 70. 

22. Koskinas MF, Dias MS  (1993) Measurement of  the gamma‐ray probability per decay of Si‐31, Appl Rad Isotopes 44: 1209 ‐ 1211. DOI: 10.1016/0969‐8042(93)90066‐J 

23. Berlyne GM, Shainkinkestenbaum R, Yagil R, Alfassi Z, Kushelevsky A  (1986) Distribution of silicon‐31‐labeled silicic‐acid in the rat, Bio Trac Elem Res 10: 159 ‐ 162. 

24. Olmsted  J,  Williams  G  (1998)  Chemistry,  the  Molecular  Science,  2nd  ed.  California  State University: Fullerton. 

Page 41: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

33

25. Liu  XW,  Byrne  RH  (1998)  Comprehensive  investigation  of  yttrium  and  rare  earth  element complexation by carbonate ions using ICP‐Mass spectrometry, J Solut Chem 27: 803 ‐ 815. DOI: 10.1023/A:1022677119835 

26. Diakonov II, Ragnasrdottir KV, Tagirov BR (1998) Standard thermodynamic properties and heat capacity equations of rare earth hydroxides: II. Ce(III)‐, Pr‐, Sm‐, Eu(III)‐, Gd‐, Tb‐, Dy‐, Ho‐, Er‐, Tm‐, Yb‐, and Y‐hydroxides. Comparison of  thermodynamical and  solubility data, Chem Geol 151: 327 ‐ 347. DOI: 10.1016/S0009‐2541(98)00088‐6 

27. Hettler H  (1959) Paper chromatography of  inorganic phosphorus compounds, Chromatogr Rev  1: 225 ‐ 245. 

28. Makart H (1967) Untersuchungen an Siliciumphosphaten, Helv Chim Acta 50: 339 ‐ 405.  

Page 42: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 2: Tracer preparation and characterization 

34

Page 43: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3  

The Influence of Silicon on Cobalt, Zinc and Magnesium in Baker’s Yeast Saccharomyces cerevisiae 

 Abstract Silicon (Si, as silicate) is involved in numerous important structure and function roles in a  wide  range  of  organisms,  including  man.  Silicate  availability  influences  metal concentrations within various cell‐ and tissue‐types but, as yet, clear mechanisms for such influence have been discovered only within the diatoms and sponges.  In this study, the  influence of silicate on the  intracellular accumulation of metals was investigated  in  baker's  yeast  Saccharomyces  cerevisiae.    It  was  found  that  at concentrations up to 10 mM silicate did not  influence the growth rate of S. cerevisiae within a standard complete medium. However, an 11 % growth inhibition was observed when  silicate  was  present  at  100  mM.  Intracellular  metal  concentrations  were investigated in yeast cultures grown without added silicate (‐Si)  or with the addition of 10 mM  silicate  (+Si). Decreased amounts of Co  (52%), Mn  (35%) and Fe  (20%) were found within +Si grown yeast cultures as compared to ‐Si grown ones, while increased amounts  of  Mo  (56%)  and  Mg  (38%)  were  found.  Amounts  of  Zn  and  K  were apparently unaffected by the presence of silicon. +Si enhanced yeast growth rate  in a low Zn2+, but decreased growth rate under conditions of low Mg2+, and did not alter the growth rates in high Zn2+ and Co2+ media. +Si doubled the uptake rate of Co2+, but did not  influence that of Zn2+. We propose that a possible explanation for these results  is that polysilicate  formation at the cell wall   changes the cell wall binding capacity  for metal ions.  The  toxicity of silicate was compared  to germanium  (Ge, as GeO2), a member of  the same group of elements as Si (group 14). Hence, Si and Ge are chemically similar, but silicate  starts  to  polymerize  to  oligomers  above  5  mM  while  Ge  salts  remain  as monomers at such concentrations. Ge proved to be far more toxic to yeast than Si and no  influence was  found of Si on Ge  toxicity. We propose  that  these  results  relate  to differences in cellular uptake.* 

  

*  This  chapter  is  reprinted  with  kind  permission  from  Springer  Science+Business  Media:  “The Influence of Silicon on Cobalt, Zinc and Magnesium in Baker's Yeast Saccharomyces cerevisiae. H.J. Brasser, G.C. Krijger, T.G. van Meerten, H.T. Wolterbeek, Biol. Trace Elem. Res. 2006, 112: 175‐190, 4 figures.”  

Page 44: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

36

3.1 Introduction Silicon  is  the  second most  abundant  element within  the  earth’s  crust.  In  natural waters  it  is present  in the form of orthosilicate (Si(OH)4) at  low concentrations (< 5 mM).  Above  this  concentration,  polymerization  is  initiated,  forming metasilicate (orthosilicate  oligomers)  and,  at  very  high  concentrations,  silica  ((SiO3

2‐)n). Metasilicate, when  diluted  to  concentrations  below  5 mM, may  depolymerize  to produce orthosilicate.1,2  In both plants and animals, silicon participates in essential structural and functional roles.  For  example,  in  plants  silicon‐based  compounds  are  involved  in  providing mechanical  strength and protection against drought,  fungi and metal  toxicity.3  In higher animals, silicon compounds  influence the production of bone and cartilage, lipid  metabolism  and  DNA  synthesis,  and  may  affect  enzymatic  activities. Furthermore,  both  in  plants  and  higher  animals,  silicon  can  influence  the concentration of essential metals within tissues. However, despite these  important roles for silicon, only in the diatoms and sponges is there any substantial degree of understanding  of  the  mechanisms  underlying  such  functions  and  very  little  is currently known in relation to the higher animals.4‐9 Silicon, as silicate, may directly influence  cellular metal  concentrations by a  chemical mechanism, either  inside or outside  the  cell. The  latter  situation  is  found  in  some plants  that  cope with  toxic levels of zinc by formation of a zinc‐silicate precipitate, which can be removed from the  tissue.10,11  Silicon may  also  act  indirectly  by  influencing  bioprocesses  in  cells which in turn influence metal levels. In  higher  animals  it  is  difficult  to  investigate whether  the  influence  of  silicon  on metal  levels  in  the body  reflects  a direct  interaction or  a more  complex  series of events in the body. A single cell simplifies this situation somewhat in that it is more likely  to  react  directly  to  changes  in  its  external  environment.  Yeasts  are  good candidate single‐cell organisms for such studies as they are  important  in their own right in the biotechnology industry and, in research, commonly serve as models for eucaryotic  cells.12 Therefore, we  chose  to  study  the  influence of  silicon on metal‐uptake and homoeostasis in Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast), and to assess the chemical or biological role of silicon in metal metabolism.   

3.2 Materials and Methods 3.2.1 Chemicals and labware 

All  chemicals were  of  analytical  grade  and  obtained  from BDH  (Amsterdam, The Netherlands) or Aldrich (Zwijndrecht, The Netherlands). All solutions were prepared in ultrapure water  (18.2 MΩ/cm, Millipore Milli‐Q, Billerica, MA, USA). Potassium silicate  (K2SiO3)  stocks,  0.1  M,  were  freshly  prepared.  The  maximum  silicate concentration supplied  in the growth medium was 100 mM. Higher concentrations were not used because of problems  in adjusting the pH, and the  likelihood of SiOx gel  formation.  GeO2  stock  solutions  were  prepared  as  40  mM  (saturation concentration).  Precautions were  taken  to  avoid  silicate  contamination  from dust,  chemicals  and water: 1) all used labware was made of polycarbonate or polypropylene, 2) labware was rinsed with 1 M HCl, then rinsed with demineralized water and  finally washed 

Page 45: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

37

with  ultrapure  water,  and  3)  a  laminar  flow  cabinet  was  used  to  prevent  dust contamination and to ensure sterile conditions during sampling and inoculation.   3.2.2 Organism and culture procedures 

The  yeast  strain  used  was  Saccharomyces  cerevisiae  CEN.PK  113‐7D,  wild  type (provided  by  Kluyverlab  for  Biotechnology,  University  of  Technology  Delft,  The Netherlands),  and  it was  cultured  in  standard  inorganic mineral medium  (pH 6.5) according  to  Verduyn  et  al.,13  containing  the  following  compounds  per  liter: (NH4)2SO4, 5g; KH2PO4, 3g MgSO4.7H2O, 0.5g; EDTA, 15 mg; ZnSO4.7H2O, 4.5 mg; CoCl2.6H2O, 0.3 mg; MnCl2.4H2O, 1 mg; CuSO4.5H2O, 0.3 mg; CaCl2.2H2O, 4.5 mg; FeSO4.7H2O,  3 mg; NaMoO4.2H2O,  0.4 mg; H3BO4,  1 mg;  and  KI,  0.1 mg;.  Final vitamin concentrations per liter were: biotin, 0.05 mg; calcium pantothenate, 1 mg; nicotinic acid, 1 mg; inositol, 25 mg; thiamine HCl, 1 mg; pyridoxine HCl, 1 mg; and para‐aminobenzoic  acid,  0.2 mg.  The  carbon  source  consisted  of  10  gl‐1  glucose. Culture  procedures  and  sampling  were  carried  out  under  sterile  conditions  in  a laminar  flow cabinet. The organism was grown aerobically,  in batch culture within 500 ml Erlenmeyer flasks containing 100 ml standard medium, in an incubator (New Brunswick Scientific, Edison, NJ, USA), maintained at 180  ‐ 200 rpm and 30 oC. To obtain  exponentially  growing  cells,  experimental  cultures were  inoculated  from  a stationary‐phase  preculture. All  experiments were  carried  out  on  cells within  the exponential growth phase. The growth rate of the culture was determined from the time‐dependent increase of the optical density (OD660).  To  obtain  dose‐response  curves  for  silicate  or  GeO2,  potassium  silicate  or  GeO2 stocks,  respectively,  were  added  to  the  standard  growth  medium  (0‐100  mM silicate; 1 µM‐35 mM GeO2) and the growth rate was determined, as above.  To obtain high Zn2+ or Co2+ concentrations ZnCl2 or CoCl2 stocks (0.1 M)  were added to  the  standard  growth medium. Cultures  low  in Zn2+  or Mg2+ were  obtained  by inoculation  of  a  flask  containing Zn2+  or Mg2+  deficient medium  from  a  standard medium preculture. The desired amount of metal in the culture liquid was obtained by adjusting the  inoculation volume  (1 – 5 ml),  in some cases accompanied by the addition of extra salts  from a stock solution  to prevent  large  inoculation volumes. When  very  low  concentrations  were  desired  (nM  range),  a  “two‐preculture” procedure was used. A flask containing Zn2+ deficient medium was inoculated with 1 ml culture liquid from a standard medium preculture. After 6 to 12 hours of growth the experimental flasks (also containing Zn2+ deficient medium) were inoculated (1 – 5 ml) from this culture.   To  obtain  biomass  for  elemental  analysis  by  INAA,  cells were  harvested  after  6 hours of growth, when the culture was still in the exponential growth phase. The 100 mL batch culture was centrifuged,  the cells were washed  twice  in 10 ml TRIS‐HCl buffer  (0.1 M,  pH  6.5)  and  resuspended  in  5 ml TRIS‐HCl buffer  at  4  oC. The  cell suspension was frozen at –50 oC and freeze‐dried. The biomass of 45 cultures (100 ml) was harvested and homogenized after freeze‐drying to obtain a representative sample. To obtain biomass for Si analysis, cells were harvested after 6 hours of growth, when the  culture  was  still  in  the  exponential  growth  phase.  The  culture  liquid  was centrifuged,  the  cells  were  washed  in  ultrapure  water  and  the  cell  pellet  was digested with 2 ml concentrated HNO3 at 60  oC  for 1‐2 hours.14 After cooling,  the 

Page 46: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

38

samples  were  made  up  to  10  ml  with  ultrapure  water.  Si  concentrations  were determined  by  ICP‐OES  (see  below).  An  internal  standard  was  added  to  the samples.  3.2.3 Analyses The metal  content  of  freeze‐dried  yeast  cells was  determined with  instrumental neutron  activation  analysis  (INAA)  in  the  nuclear  reactor  of  the Reactor  Institute Delft of the University of Technology in Delft, The Netherlands, following methods as  described  by  Blaauw.15  All  elements  present  in  the  standard  medium  were analyzed  (i.e. K, Mn, Co, Mg, Fe, Zn, Mo). Standard  reference material NBS1577b (bovine liver) was used as reference material for INAA. Inductively coupled plasma optical emission  spectrometry  (ICP‐OES, Perkin Elmer OES  Optima  4300DV,  Boston,  USA)  was  used  to  determine  Si,  Co,  Zn  and  Ge concentrations in the culture liquid and Si concentration in digested yeast cells. For calibration, Merck CertiPUR standard solutions 1703 (Amsterdam, The Netherlands) were used. Culture  liquid  samples were  taken directly  after  inoculation  and  yeast cells were removed, by centrifugation, prior to analysis.   3.2.4 65Zn and 60Co  uptake in yeast cells 60Co  tracer  (37 MBq,  t1/2 = 5.27 years,  γ = 1173 and 1333 keV) was purchased  from NEN Life Science Products  Inc.  (Boston, USA). The  specific activity was  7.44 GBq 60Co per mg Co. 65Zn tracer (218 MBq, t1/2 = 244 days, βmax 330 keV, γ = 511 and 1115 keV) was bought from PerkinElmer Life and Analytical Sciences (Boston, USA). The specific activity was 0.11 GBq 65Zn per mg Zn. 100 μl Zn or Co tracer solution was added to 100 ml of the standard growth medium. The  solution  was mixed  well  and  allowed  to  equilibrate  for  15 minutes  prior  to inoculation from a standard yeast preculture. To determine the tracer uptake, 10 ml samples were taken from the culture at regular time intervals during growth and the cells  pelleted  by  centrifugation.  The  cells  were  washed  once  in  5  ml  standard medium (4 oC), centrifuged, resuspended  in 5 ml standard medium within a vial for radioactivity determination. Content of 65Zn and 60Co in the samples was measured on a Wallac 1480 WizardTM 3" Gamma Counter (Turku, Finland) and related to OD660 to calculate mol Zn or mol Co per gram dry wheight (DW).  

3.3 Results 3.3.1 Influence of silicate on the growth rate of Baker’s yeast in standard medium 

To determine the general affect of silicate levels on growth of S. cerevisiae, a dose‐response curve was obtained by supplementing a standard complete growth medium with potassium silicate (K2SiO3). The results show that the growth rate is unaffected by Si concentrations up to 10 mM (Fig. 1).  

 

Page 47: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

39

 Figure 1: Influence of Si on growth rate (mu) of Baker’s yeast. Values are means of 3 to 6 cultures.  A slight inhibition of growth was found above 10 mM range with a maximum of 11% growth inhibition at 100 mM silicate as compared to cultures grown with no additional Si (P = 0.003).  The lowest achievable silicate concentration under normal lab conditions was 5.3 μM ± 1.5 μM as measured in the standard complete medium. At this concentration, no indications for deficiency symptoms of silicate (i.e. a decline of the growth rate) were found as compared to standard medium. Based on these results, further experiments were carried out using "no silicate added" (i.e. 5.3 μM, the measured silicate content) and 10 mM‐supplemented silicate. These conditions will be referred to as ‐Si and +Si.   3.3.2 Influence of silicate on metal levels in Baker’s yeast  

To  investigate  the  influence  of  silicate  on  metal  concentrations  in  yeast,  an elemental analysis was carried out on yeast cells cultured in a standard medium (i.e. ‐Si)  and  compared with  +Si  cultures. The  results  are  summarized  in Table  1. The corresponding elemental analysis in the standard reference material was consistent with the certified values (<5%). Cells grown in +Si‐standard medium contained over 9‐fold higher  levels of Si  than  those grown –Si. Higher  silicate corresponded with significant decreases  in the cellular  levels of Co (52 % decrease), Mn (35 %), Fe (20 %)  and K  (5%)  and  increases Mo  (56 %)  and Mg  (38 %). Zn was  not  affected  by silicate  addition.  To  check  for  the  possibility  of  depletion  of  the  medium  with respect  to one or more of  the metals,  the  fraction of metals  consumed  from  the medium was calculated (Table 1).           

Page 48: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

40

Table 1: Metal content of yeast cells in ‐Si and + Si cultures. Si is determined by ICP‐OES, the other elements by INAA, as described in Materials and Methods. * significant (P < 0.05), ** significant (P < 0.01), ns not significant. Average of 3 samples measured by INAA  

element  metal concentration  Increase    consumed   (µg/g DW)  (%)    (%)   ‐ Si  + Si  +Si/‐Si    ‐Si  +Si Si  389 ± 141    3692 ± 321  949  **  3.95  0.20 Co  0.87 ± 0.01  0.42 ± 0.034  ‐52  **  1.42  0.48 Mn  14.97 ± 0.25  9.67 ± 0.46  ‐35  **  16.99  11.04 Fe  98.00 ± 2.00  78.0 ± 2.65  ‐20  *  19.66  15.69 Zn  122.7 ± 2.31  115.3 ± 4.0  ‐6  ns  14.50  13.63 K  15433 ± 231  14600 ± 100  ‐5  *  0.22  0.21 Mg  1237 ± 50  1710 ± 50  38  *  3.42  4.76 Mo  1.14 ± 0.09  1.77 ± 0.05  56  **  8.56  13.56 

 The fraction of silicate consumed by the organism was calculated using the silicate medium  concentrations  as  measured  by  ICP‐OES.  All  metals  in  the  standard medium,  including silicate were  found to be present  in surplus at the moment the cells were harvested.    3.3.3 Influence of silicon on growth rate at toxic or deficient levels of metals 

From the data shown  in Table 1,  it  is apparent that silicate addition  influenced the intracellular  levels of several metals. However, this was not reflected  in the growth rate of the yeast culture when silicate was supplemented to the standard complete medium  (Fig. 1). Therefore  it was  investigated whether the  influence of silicate on intracellular metal levels had an affect on growth rate when the yeast was cultured under conditions of metal deficiency or toxicity. Cobalt, zinc and magnesium were chosen for this further study. The results are summarized in Table 2.   Table  2:  Influence of  silicon on growth  rate of Baker's  yeast under different  conditions. Standard medium contains 16 µM Zn2+, 1.2 µM Co2+ and 4.2 mM Mg 2+. * significant (P< 0.005), ** significant (P<0.0005), ns not significant. Average of 5 (standard medium, Co2+ tox, Mg2+ low), 4 (Zn2+ def), or 3 determinations (Zn2+ tox). # It was not possible to get a deficient culture  

Conditions  growth rate (h‐1)     ‐ Si  + Si   standard medium  0.356 ± 0.011  0.354 ± 0.006  ns Co2+ tox (0.3 mM)  0.213 ± 0.012  0.204 ± 0.010  ns Co2+ def #  n.m.  n.m.   Zn2+ tox (5 mM)  0.199 ± 0.019  0.198 ± 0.011  ns Zn2+ def (10 nM)  0.083 ± 0.025  0.121 ± 0.024  * Mg2+ low (0.05 mM)  0.355 ± 0.025  0.315 ± 0.005  ** 

  Yeast cultured in standard medium (no silicate) supplemented with 0.3 mM Co2+ or 5 mM Zn2+  showed  50% growth  inhibition. Despite  the  finding  that  intracellular Co levels were reduced (approximately 2‐fold) in the presence of supplementary silicate (Table 1), +Si medium did not alleviate the toxic effects of high Co2+.  In the case of yeast  growth‐rate  in  a    Mg2+‐deficient  medium,  the  addition  of  supplementary 

Page 49: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

41

silicate was associated with a decrease  in growth rate; this seems counter‐intuitive in the light of the enhanced intracellular Mg levels (Table 1). +Si appeared to have no influence  on  Zn  levels within  the  cell  (Table  1).  Si‐supplementation  of  high  Zn2+ cultures produced no change in growth rate compared those in high Zn but without additional silicate. Silicate addition of Zn2+ low cultures accelerated growth rate.   3.3.4 Influence of silicon on zinc and cobalt uptake in the cell 

From  the  data  described  above,  it  was  apparent  that  metal  concentrations accumulated within yeast cells are influenced by silicate addition to the medium. To follow  the  change  in  intracellular  accumulation  of  Co,  as  influenced  by  +Si,  the radiotracer 60Co was used. The uptake of 65Zn was also followed +/‐Si  ,  in this case no affect of  silicate had been  found on  the  cells ability  to accumulate  this metal.  Figures 2 and 3 show the yeast uptake of Co2+ or Zn2+ per g DW during exponential growth and the calculated rates are shown in Table 3.   

 

 Figure 2: Zn2+ uptake per gram dry weight as determined with 65Zn uptake per gram DW  in –Si and +Si standard media.    Table 3: Co and Zn uptake per g dry weight as determined with 60Co and 65Zn uptake per OD in –Si and +Si standard medium   

metal  

uptake rate 10‐9 mol/gDW/h 

ratio +Si/‐Si 

  ‐Si  +Si   Co2+  2.87 ± 0.15  5.46 ± 0.44  1.9 Zn2+  304 ± 21.3  293 ± 15.6  1.0 

  

Page 50: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

42

 Figure 3: Co2+ uptake per gram dry weight as determined with 60Co uptake per gram dry weight in –Si and +Si standard media.  Potassium (counter ion of silicate in the stock solution) did not influence Zn2+ or Co2+ uptake under these conditions (data not shown).  In addition, blank determinations (no yeast) were performed to rule out precipitation of silicate with Co2+ or Zn2+ in the medium. No precipitates were detected (data not shown). This means the 60Co and 65Zn  uptake  as  determined  in  this  experiment  can  be  ascribed  to  uptake  by  the biomass  itself  and  not  to  possible  precipitates  that  would  end  up  in  the  same fraction as the yeast cells.   3.3.5 Comparison of the effect of silicate and germanium on baker’s yeast 

Silicon and germanium  (Ge) belong to the same group of elements  in the periodic table  (group  14)  and,  hence,  are  chemically  similar.  However,  the  biological importance  of  Si  has  not  similarly  been  found  for  Ge  (as  germanate,  dissolved GeO2).  It  is established  in the  literature16 that several yeast species can take‐up Ge into  the  cell,  and  this  uptake  is  associated with  toxic  effects  such  as  a decline  in growth rate. This  is marked contrast, therefore, to our findings of a  lack of silicate toxicity (Fig. 1). We therefore confirmed the toxicity of Ge under the conditions and yeast  strain  used  in  this  paper  and,  furthermore,  investigated  the  interaction  of silicate and Ge with respect to the toxic response. The  effect  of  Ge  was  determined  by  a  dose‐response  curve  (see Materials  and Methods). Toxic effects of Ge are clearly visible as a decline  in growth rate (Fig. 4) with 35 mM resulting in 70 ‐ 90% inhibition of growth rate.   

 

Page 51: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

43

 Figure 4:  Influence of Ge on yeast growth  rate  (mu) and  influence of Si on Ge  toxicity. Values are means of three cultures.  The  interaction  of  silicate  with  Ge  toxicity  was  studied  using  growth  rate experiments in +Si and ‐Si cultures at three different Ge concentrations (3.0, 7.7 and 35 mM Ge). Figure 4 shows that the addition of silicate had no significant influence on the growth rate (P>0.4) for any of the Ge concentrations tested.  

3.4 Discussion and conclusions We were unable to detect an affect of depleted silicate levels on yeast growth, thus, no  deficiency  effects were  apparent  at  levels  as  low  as  5.3  μM  ±  1.5  μM  silicate. However,  the  limitation  of  the  system meant  that  we  were  unable  to  decrease measurable  silicate  levels below  this  value  and  therefore we  cannot discount  the possibility of deficiency  symptoms  in a  further depleted medium. With  respect  to improving  the  system  to  allow  this  further  depletion,  our  analyses  showed  that silicate was below the limits of detection (ca. 0.03 µM) in the ultrapure water and the vitamin/glucose  solution.  Thus,  it  appears  most  likely  that  the  contaminant  is present  within  one  or  more  chemicals  of  the  culture  medium.  Extra  purified analytical  grade  chemicals  will  be  required,  in  combination  with  clean‐room conditions,  to  achieve,  effectively,  null  silicate  levels  (Si  contamination  of  the chemicals  is hard to determine due to signal‐noise ratio caused by the chemicals). However, we can conclude that no symptoms of silicate deficiency will occur under normal lab conditions and this was not, therefore, a factor in any of the experiments reported here.  Ge and Si share many chemical similarities, and Ge radiotracers are used in biology as a probe for Si.17 Based on the chemical similarities  it might be predicted that Si toxicity to yeast would be similar to that of Ge, whereas, our results show that yeast growth is far more sensitive to the toxic effects of Ge (ca. 90% growth‐inhibition at 35 mM Ge compared to 11% at 0.1 M Si) (Figs. 1 and 4). No  influence was found of supplementary silicate on Ge  toxicity  (Fig. 4). This  is consistent with  the  results  in Table 2  (high Zn2+ and Co2+), where no  influence was  found of silicate addition on metal toxicity.  In Table 1  it was shown cells grown  in +Si contain over 8  times more Si  than cells grown in –Si, and, therefore, it is apparent that silicate, like Ge16 is readily taken up 

Page 52: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

44

by  yeast  cells.  However,  the  biochemical  behaviour  of  silicate  and  Ge  differs substantially,  especially  in  the  higher  concentration  range  (>  5  mM).  One  key difference  is  the ability of  silicate  to  form polymers above  ca. 5 mM, whereas Ge remains  as monomers.2  It  is  likely  that  silicate  oligomers  are  physically  inhibited from passing through the cell membrane. It is possible, therefore, that the higher Si content measured  in the yeast grown  in +Si medium  in  fact reflects the polymeric form  adhereing  to  the  external  cell  surface,  rather  than  internal  levels.  In  this scenario,  the  difference  in  biochemical  behaviour  between Ge  and  silicate  in  the higher concentration range may in fact simply reflect a difference in uptake into the cell interior.  Silicate affects metal concentrations  in yeast cells (Table 1) and the manner of this influence  varies  for  each metal which  can  be  subdivided  in  three  categories:  1.  a decrease  in cellular content by +Si (Co, Mn, Fe); 2. no  influence on cellular content by +Si (Zn, K). 3. an increase in cellular content by +Si (Mg, Mo). In the first category (1),  it was expected  that silicate addition would alleviate  the  toxic effects of  these particular  metals  because  the  metal  concentrations  in  the  cell  were  decreased, relative to those found in the absence of supplementary Si. However, this prediction was not verified by the results (Table 2, Table 3, Fig. 3). In category 2, no influence of +Si,  either  on  growth  rates  or  Zn  uptake  rate was  found,  as  expected, with  the exception  of    low  Zn2+  growth  rates  (Table  2,  Table  3,  Fig  2).  In  the  case  of Mg (category 3), supplementary silicate meant that the apparent Mg content of the cell was  increased. At  apparent odds with  this,  silicate  addition negatively  influenced the growth rate at low Mg2+ (Table 2). As already mentioned,  it cannot be  ruled out  that,  rather  than  the supplementary silicate being taken up intracellulary, it in fact becomes complexed with the cell wall. Different  studies  showed  that  complex  formation between  silicate  oligomers  and several saccharides can occur.18‐20 The concentration in the +Si cultures was 10 mM, well  above  the  starting  concentration  of  oligomerization  of  orthosilicate  ions (around 5 mM) (2), so silicate oligomers were present  in +Si cultures.  It  is plausible that  silicate oligomers within  the medium  complex with  cell wall polysaccharides resulting in a relatively stable layer of polysilicates associated with the cell wall. If so, it  is  likely  that  this Si‐complex would  interfere with  the processes of  the cell wall. The  cell wall  consists  of  polysaccharides  (a  glucan‐chitin  layer  bound  to  the  cell membrane  and  an  outer  layer  of mannoproteins)  and  plays  an  important  role  in uptake of metals.12 High quantities of metal ions are adsorbed to the mannoprotein layer  and,  in  lesser  amounts,  to  the glucan‐chitin  layer. The metal  ion  adsorptive capacity of  the cell wall  is merely determined by  the degree of dissociation of  the negatively  charged  functional  groups.  The  affinity  of  the  cell  wall  to  metals  is element specific: Zn2+ > Co2+ ≈ Mn2+ > Mg2+.21‐25   Polysilicates can bind with metal  ions  in a chelate‐like way (Fig. 5). The stability of the  complex  is  element  specific: Mo2+  and Mg2+  form  a  stable,  Zn2+  and  K+  an unstable complex.2,26‐28  

 

Page 53: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

45

 Figure 5: Polysilicate metal chelate‐like complex2 

 It  is possible  that  a  layer of polysilicates on  the  cell wall  could  interfere with  the normal metal adsorption process by  shielding negatively charged groups,  thereby altering the normal metal binding capacity of the cell wall. The formation of a layer of polysilicates could cause diffusion  limitation for metal  ions through the cell wall by interference with the cell wall's ability to bind metals, and could alter the capacity of the cell wall for metal ions, and directly influence the metal concentration in the cell wall  and  the  biomass.  This mechanism  could  provide  an  explanation  for  the results found in this study.  Category  1. The  rate of Co2+‐uptake  in +Si  cultures was approximately  twice  that found  in –Si cultures but, paradoxically, elemental analysis showed a decline of Co levels within  the  cell. An  explanation  for  this observation  can be proposed  if  it  is assumed  that  a  polysilicate  layer  over  the  cell  wall  shields  the  charged  groups, thereby  lowering  the  affinity  for  Co2+.  Thus,  availability  of  silicon  for  polysilicate formation would result in reduced cell‐wall levels of Co2+ which, in turn, would cause the yeast cell to experience a lower Co2+ concentration in the periplasmic space. Our data  indicated that any such decrease  in Co2+ was not profound enough to trigger deficiency  symptoms  such  as  a  decrease  in  growth  rate,  but  may  have  been responsible  for  the  enhanced  cellular  uptake  rate  of Co2+,  presumably  induced  in response to the cell’s unfulfilled biochemical demands for Co2+. A precedent for such an effect is found in a report of metal uptake in erythrocytes. Here, when the metal concentration  in  the  cell  was  lowered,  the  uptake  rate  was  enhanced  and  no symptoms  of metal  deficiency  in  the  cell  were  observed.29  Hence,  this  scenario appears compatible with the decline of Co  in the biomass  in combination with the enhanced Co2+ uptake rate, as observed in the +Si yeast cultures (Tables 1 and 3, Fig. 3).  Category 2. The  formation of polysilicate‐metal complexes may have an effect on metal  levels  in  the  cell  that  depends  on  the  dissociation  rate  of  the  metal‐polysilicate  complexes.  In  this  scenario  we  propose  that  a  layer  of metasilicate oligomers  is  associated with  the  cell wall  and  that  further  complexes  are  created through  the  scavenging  of metal  ions  from  the medium. With  regard  to metal availability to the cell, this can be advantageous or disadvantageous, depending on the stability of the complex. Thus,  if the complex dissociates easily, the free metal ions are released to create a concentrated micro‐environment very close to the cell wall,  thereby  facilitating  uptake.  This  scenario  appears  compatible  with  our observation  of  a  positive  influence  of  silicate  on  the  growth  rate  of  yeast  cells growing in a Zn2+ deficient medium.  Category 3. The formation of a relatively stable polysilicate complex with Mg2+ may offer an explanation for the apparently contradictory observations of enhanced Mg content of the cell in +Si medium (Table 1) and yet reduced growth rate of cultures grown  under  conditions  of  low Mg2+  (Table  2)  in  the  presence  of  +Si.  Thus,  the 

Page 54: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

46

normal affinity of the cell wall for Mg2+  is assumed to be  low but,  if stabilized as a Mg‐polysilicate complex, this cell‐wall component could explain the enhanced levels detected by elemental analysis. In this scenario where the Mg‐polysilicate complex is relatively stable, the silicate layer around the cell acts as a trap for Mg2+ ions. In +Si standard medium,  i.e.  conditions  of  excess Mg2+,  there would most  likely  remain sufficient  free Mg2+  to sustain normal growth.  In  low Mg2+ medium, however,  this complex‐formation  could  restrict  the  levels of  free Mg2+ available  for  intracellular uptake, so eliciting the deficiency symptom of reduced growth rate. This hypothesis implies that the Mg‐polysilicate  layer was sufficiently   stable to be retained by the cell‐wall throughout the washing procedures used during cell harvest.  The growth rate of the yeast culture in media supplying toxic levels of Co2+, Zn2+ and germanate was found not to be influenced by the addition of silicate. In line with the above  proposals,  we  suggest  that,  for  these  particular  metals,  the  layer  of polysilicate  is  readily  saturated,  even  at  the  higher  silicate  concentrations. Therefore, levels of Co2+, Zn2+ and germanate remain above the toxic threshold both in our ‐Si and + Si media. There exist several reports of interactions between organisms and silicate oligomers or polysilicates. These  include  the precipitation of polysilicates on  the  cell wall of certain bacteria and these precipitations were found not to comprise the viability of the  organism.30  There  is  growing  evidence  that  silicon  does  not work  directly  on cellular  bioprocesses  but,  rather,  interferes with  the metal  concentrations  of  the intimate  external  environment  experienced  by  the  cell  or  organism.  The  data reported  in  this paper adds  further weight  to  the argument  for  the  importance of these mechanisms. If, indeed, silicon is involved in such a straight‐forward chemical reactions, then the influence of silicon as a regulator of metal concentrations in the cell or tissue could be extremely wide‐spread. Clearly, it is important to pursue this proposal  further  by  studying,  in more  detail,  cell  biochemistry  in  relation  to  the formation and stability of silicate layers.  

3.5 References 1. A. Petzold and W Hinz (1978) Silikatchemie, Einführung in die Grundlagen, VEB Deutsche Verlag 

für Grundstoffindustrie, Leipzig (in german) 2. R.K. Iler (1979) The chemistry of silica, John Wiley & Sons, New York  3. E. Epstein (1999) Silicon, Annu. Rev. Plant Physl. 50, 641‐664  4. D. Evered and M. O'Connor (1986) Silicon biochemistry, Wiley, Chechester  5. T.L.  Simpson  and  B.E.  Volcani  (1981)  Silicon  and  siliceous  structures  in  biological  systems, 

Springer Verlag, New York  6. J.D. Birchall (1990) The role of silicon in biology, Chem. Brit. 26, 141‐144  7. C.D.  Seaborn  and  F.H.  Nielsen  (2002)  Silicon  deprivation  and  arginine  and  cysteine 

supplementation affect bone collagen and bone plasma trace mineral concentrations in rats, J. Trac. Elem. Exp. Med. 15, 113‐122  

8. V. Martin‐Jezequel, M. Hildebrand and M.A. Brzezinski  (2000) Silicon metabolism  in diatoms: implications for growth, J. Phyc. 36, 821‐840  

9. W.E.G. Muller, A. Krasko, G. Le Pennec and H.C. Schröder (2003) Biochemistry and cell biology of silica formation in sponges, Microscop. Res. Tech. 62, 368‐377  

10. D. Neumann  and  U.  zur Nieden  (2001)  Silicon  and  heavy metal  tolerance  of  higher  plants, Phytochemistry 56, 685‐692  

11. D. Neumann  and C. de Figueiredo  (2002) A novel mechanism of  silicon uptake, Protoplasma 220, 59‐67  

Page 55: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

47

12. G.M. Walker (1998) Yeast physiology and biotechnology, Wiley, Chichester  13. C. Verduyn, E. Postma, A. Scheffers and J.P. van Dijken  (1992)   Effect of benzoic acid on  the 

metabolic  fluxes  in  yeast:  a  continuous‐culture  study  on  the  regulation  of  respiration  and alcoholic fermentation, Yeast 8, 501‐517  

14. L. Bisconti, M. Pepi, S. Mangani and F. Baldi (1997) Reduction of vanadate to vanadyl by a strain of Saccharomyces cerevisiae, Biometals 10, 239‐246  

15. M. Blaauw  (1993) The holistic analysis of gamma‐ray spectra  in  instrumental neutron activation analysis, PhD Thesis, University of Technology, Delft, The Netherlands  

16. M.I. van Dyke, H. Lee and J.T. Trevors (1989) Germanium toxicity in selected bacterial and yeast strains, J. Indus. Microbiol. 4, 299‐306  

17. G.A. Taylor, G.R.L. Pullen, A.B. Keith and J.A. Edwardson (1992) Ge‐68 as a possible marker for silicon transport in rat‐brain, Neurochem. Res. 17, 1181‐1185  

18. S.D. Kinrade, R.J. Hamilton, A.S. Schach and C.T.G. Knight (2001) Aqueous hypervalent silicon complexes with aliphatic sugar acids, J. Chem. Soc. Dalt. T. 7, 961‐963  

19. S.D. Kinrade, J.W. Del Nin, A.S. Schach, T.A. Sloan, K.L. Wilson and C.T.G.Knight (1999) Stable five‐ and six‐coordinated silicate anions in aqueous solution, Science 285, 1542‐1545  

20. J.B. Lambert, G. Lu, S.R. Singer and V.M. Kolb (2004) Silicate complexes of sugars  in aqueous solution, J. Am. Chem. Soc. 126, 9611‐9625  

21. D. Brady, A.D. Stoll, L. Starke and  J.R. Duncan  (1994) Chemical and enzymatic extraction of heavy‐metal binding polymers  from  isolated  cell‐walls of Saccharomyces  cerevisiae, Biotech. Bioeng. 44, 297‐302  

22. E.G. Davidova and S.G. Kasparova (1992) Adsorption of metals by yeast cell walls, Microbiology 61, 716‐719  

23. H. Sentenac and C. Grignon  (1981) A model  for predicting  ionic equilibrium concentrations  in cell‐walls, Plant Physiol. 68, 415‐419  

24. P.R. Norris  and  D.P.  Kelly  (1979)  Accumulation  of metals  by  bacteria  and  yeasts,  Dev.  Ind. Microbiol. 20, 299‐308  

25. C. White and G.M. Gadd  (1987) The uptake and cellular distribution of zinc  in Saccharomyces cerevisiae, J. Gen. Microbiol. 133, 727‐737,  

26. G.B. Alexander (1954) The polymerization of monosilicic acid, J. Am. Chem. Soc. 76, 2095‐2096  27. W.  Schwieger,  W.  Heyer,  F.  Wolf  and  K.‐H.  Berg  (1987)  Zur  Synthese  von  kristallinen 

Metallsilikathydraten mit Schichtstruktur, Z. Anorg. Chem. 548, 204‐216  (in german) 28. W.L. Marshall and J.M. Warakomski (1980) Amorphous silica solubilities –  II. Effect of aqueous 

salt solutions at 25 oC, Geochim. Cosmochim. Acta 44, 915‐924  29. J. de Kok, C. van der Schoot, M. Veldhuizen and H.T. Wolterbeek (1993) The uptake of zinc by 

erythrocytes under near‐physiological conditions, Biol. Trac. Elem. Res. 38, 13‐26  30. J.B. Fein, S. Scott and N. Rivera (2002) The effect of Fe on Si adsorption by Bacillus subtilis cell 

walls:  insights  into non‐metabolic bacterial precipitation of silicate minerals, Chem. Geol. 182, 265‐273  

   

Page 56: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 3: Silicon influence on metals in yeast 

48

Page 57: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4  

On the beneficial role of silicon to organisms: a case study on the importance of silicon chemistry 

to metal accumulation in yeast  

Abstract Silicon  is  involved  in  numerous  important  structural  and  functional  roles  in  a wide range of organisms, including diatoms, plants and humans, but clear mechanisms have been  discovered  only  in  diatoms  and  sponges.  Silicate  availability  influences metal concentrations within  various  cell‐ and  tissue‐types,  but  a mechanism has not  been discovered so far. In an earlier study on Baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae it was proposed that a chemical mechanism, rather than a biological one, is important. In the present  study  the  interaction  of  silicon with Baker’s  yeast  is  further  investigated  by studying the influence of zinc and magnesium on Si‐accumulation both at a low and a high silicate concentration  in the medium. Si‐accumulation fitted well with Freundlich adsorption and Si‐release  followed depolymerization  kinetics,  indicating  that  silicate adsorbs  to  the  surface  of  the  cell  rather  than  being  transported  over  the  cell membrane. Subsequently, adsorbed  silicate  interacts with metal  ions and,  therefore, alters  the  cell’s  affinity  for  these  ions. Since  several metals  are nutritional,  these Si interactions  can  significantly  change  the  growth  and  viability  of  organisms.  In conclusion, the results show that chemistry is important in Si and metal accumulation in Baker’s yeast, and  suggest  that  similar mechanisms  should be  studied  in detail  in other organisms to unravel essential roles of Si.∗     

∗ This chapter is reprinted with kind permission from Springer Science+Business Media: “On the beneficial role of silicon to organisms: a case study on the importance of silicon chemistry to metal accumulation in yeast. H.J. Brasser, G.C. Krijger and H.T. Wolterbeek, Biol. Trace Elem. Res. 2008, 125: 81‐95, 7 figures.” 

Page 58: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

50

4.1 Introduction Silicon (Si)  is the second most abundant element (25.7 % w/w)  in the earth’s crust, being  exceeded  only  by  oxygen  (49.2 %).1  In  natural waters  silicon  is  present  as silicic  acid,  in  concentration  ranging  from  0.07  to  0.2  mmol/L.2‐5  Silicic  acid  is undissociated at neutral pH. At  low concentrations (< 2 mmol/L)  it has the form of orthosilicic acid  (Si(OH)4), but above this concentration polymerization  is  initiated, forming orthosilicate oligomers. Polymeric silicate depolymerizes to orthosilicic acid when diluted to concentrations below 2 mmol/L.6,7  Silicon  is omnipresent  in  the ecosystem, and during  the evolution  life had  to cope with  its presence. It may have played a significant role  in the origin of  life8 and  it  is considered  to  be  essential  or  beneficial  to  various  organisms,  including  humans, although only a few functions of silicon have been unraveled so far.  In both plants and  animals,  silicon  participates  in  essential  structural  and  functional  roles.  For example,  in plants  silicon‐based  compounds are  involved  in providing mechanical strength and protection against drought, pathogens and metal toxicity.9‐11 In higher animals,  silicon  compounds  influence  the  production  of  bone  and  cartilage,  lipid metabolism  and  DNA  synthesis,  and  affect  several  enzymatic  activities. Furthermore,  both  in  plants  and  higher  animals,  silicon  can  influence  the concentration of essential metals within  tissues.12‐16 Despite  these  important  roles for  silicon  only  in  the  diatoms  and  sponges  the  underlying mechanisms  are well understood.17,18 

Very  little  is known of biological silicate  interactions  in higher animals, and despite many efforts a biological process or silicate binding site has not been found so far.12‐16 This could be due to the focus on biological processes (e.g. in enzymes or binding sites) so far, while the indirect role of silicon via (physical‐) chemical processes could be  far  more  important.19  Namely,  silicate  molecules  in  solution  show  a  rich chemistry,  including  adsorption,  (de)polymerization  reactions  and  complex formation with metal  ions.7,20‐24 Probably silicate could play a role  in organisms by its chemical  interactions with metal  ions. Silicate‐metal complexes could  influence the availability of metals that are important for the organism (e.g. as an enzymatic cofactor). The effects on several biological processes could then be ascribed to the availability of important metal ions.  To investigate this hypothesis the single cell organism Baker’s yeast was used. Yeast is the most common model for eukaryotic cells, it is easy to handle and culture, and it  lacks  the  many  additional  complicating  experimental  parameters  of  a  higher organism.25  The  study  on  Baker’s  yeast  revealed  that  silicate  affects  metal concentrations and metal uptake rates in the cell, and that under certain conditions the growth rate was affected. It was proposed that silicate adsorbed on the cell wall and  influenced the metal availability  for the cell by the  formation of silicate‐metal complexes.26  In  the  present  paper  this  hypothesis  is  further  investigated.  We  focus  on  this possibly crucial indirect (physical‐) chemical role of silicon in living organisms rather than a biological one. The accumulation of silicate in yeast cells is investigated, and it is determined whether this process can be described by a biological or a (physical‐) chemical  process.  Finally  the  interaction  of  silicate  with  metal  ions  is  studied. Radiotracer techniques are used to study the accumulation of silicate in yeast cells. 

Page 59: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

51

4.2 Materials and Methods 4.2.1 Chemicals and labware 

All chemicals were at least of analytical grade and obtained from BDH (Amsterdam, The  Netherlands)  or  Aldrich  (Zwijndrecht,  The  Netherlands).  All  solutions  were prepared in ultrapure water (18.2 MΩ/cm, Millipore Milli‐Q, Billerica, MA, USA).  Precautions were  taken  to  avoid  silicate  contamination  from dust,  chemicals  and water: 1) all used labware was made of polycarbonate or polypropylene, 2) labware was  rinsed  with  1  mol/L  HCl,  then  rinsed  with  demineralized  water  and  finally washed with ultrapure water, and 3) a laminar flow cabinet was used to prevent dust contamination  and  to  ensure  sterile  conditions  during  sampling  and  inoculation. Despite all precautions it was not possible to obtain a silicate free cell culture. No‐Si‐added media contain 1 μmol/L silicate. 31Si‐silicate  (t1/2  2.62  h,  β‐  1.49 MeV) was  produced  in  the  nuclear  reactor  of  the Reactor Institute Delft, University of Technology Delft, The Netherlands. No‐carrier‐added 31Si‐silicate solution (specific activity 4.8 TBq/g) was prepared by purification using a chemical precipitation reaction with barium carbonate as described earlier.27 

 4.2.2 Organism and culture procedures 

The yeast strain Saccharomyces cerevisiae CEN.PK 113‐7D, wild type (kindly provided by  the Kluyver  laboratory  for Biotechnology, University of Technology Delft, The Netherlands), was cultured  in standard mineral medium  (pH 6.5),28 containing  the following  compounds  per  liter:  (NH4)2SO4,  5g;  KH2PO4,  3g;  MgSO4.7H2O,  0.5g; EDTA,  15  mg;  ZnSO4.7H2O,  4.5  mg;  CoCl2.6H2O,  0.3  mg;  MnCl2.4H2O,  1  mg; CuSO4.5H2O, 0.3 mg; CaCl2.2H2O, 4.5 mg; FeSO4.7H2O, 3 mg; NaMoO4.2H2O, 0.4 mg; H3BO4, 1 mg; and KI, 0.1 mg;. Final vitamin concentrations per liter were: biotin, 0.05 mg; calcium pantothenate, 1 mg; nicotinic acid, 1 mg; inositol, 25 mg; thiamine HCl, 1 mg; pyridoxine HCl, 1 mg; and para‐aminobenzoic acid, 0.2 mg. The carbon source consisted of 10 g/L glucose. Culture procedures and  sampling were carried out  under  sterile  conditions  in  a  laminar  flow  cabinet.  The  organism was  grown aerobically,  in  batch  culture within  500 mL  Erlenmeyer  flasks  containing  100 mL standard medium,  in  an  incubator  (New  Brunswick  Scientific,  Edison,  NJ,  USA), maintained at 180 ‐ 200 rpm and 30 oC. The biomass of the culture was determined from the optical density at 660 nm (OD660) of the culture (1 OD660 unit corresponded with 0.39 g/L dry weight).  Silicate was added  from a potassium  silicate  (K2SiO3)  stock, 0.1 mol/L, which was freshly prepared. High Zn2+ concentrations in the growth medium were obtained by addition  of   Zn2+  from  a  10 mmol/L ZnCl  stock  solution.  Low Mg2+  cultures were obtained by inoculation of the experimental flasks (containing 80 mL Mg2+‐deficient medium) with 20 mL from a normal preculture. Cultures  low  in Zn2+ were obtained in  two  steps by  inoculation of  a  flask  (containing  100 mL Zn2+‐deficient medium) with  1 mL  culture  liquid  from  a  normal  preculture. After  24  hours  of  growth  the experimental  flasks  (containing 80 mL Zn‐deficient medium) were  inoculated with 20 mL from this culture.  Some  experiments  were  carried  out  on  dead  cells,  which  were  obtained  by  γ‐irradiation of a culture with a 10 kGy dose (60Co source, Gammacell® 220 Excel, MDS 

Page 60: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

52

Nordion). Viability of  the cells was examined by determination of  the growth  rate and by methylene blue staining.  4.2.3 Analyses 

Inductively coupled plasma optical emission  spectrometry  (ICP‐OES, Perkin Elmer OES  Optima  4300DV,  Boston,  USA)  was  used  to  determine  Si,  Co  and  Zn concentrations  in  the  culture  liquid.  For  calibration,  Merck  CertiPUR  standard solutions  1703  (Amsterdam,  The Netherlands) were  used.  Culture  liquid  samples were  taken  directly  after  inoculation  and  yeast  cells  were  removed,  by centrifugation (600 g, 10 min), prior to analysis.  The activity of 31Si was measured on a LKB  liquid scintillation counter (β‐ radiation) using  Ultima  Gold  XR  liquid  scintillation  counting  cocktail.  Filters  containing radioactive  samples  were  dissolved  in  10  mL  liquid  scintillation  counting  (LSC) cocktail within a counting vial prior  to analysis. The volume of  liquid samples was adjusted  to  5 mL with  demineralized water  and mixed with  15 mL  LSC  counting cocktail prior to analysis.  4.2.4 31Si accumulation in yeast cells 

No carrier‐added 31Si tracer solution (0.1‐0.5 mL, 50‐250 kBq, 4.8 TBq/g) was added to 80 mL standard medium. The solution was mixed well and allowed to equilibrate for at  least 15 minutes prior to  inoculation. The flasks were  inoculated with 20 mL from  a  standard  no‐Si  added  yeast  preculture  (OD660  2‐3).  To  determine  the  31Si tracer  accumulation,  10 mL  samples were  taken  from  the  culture.  Samples were taken after 120 minutes of  incubation, unless stated otherwise. The samples were filtered over a 0.45 µm membrane filter and washed with 2.5 mL standard medium containing 5 mmol/L Si. The filters and a 1 mL sample of the culture suspension were kept for determination of amounts of radioactivity. These amounts of radioactivity were  related  to OD660  and  silicate  concentration  in  the  samples  to  calculate  the silicate accumulation  in mol/g DW. A correction was applied  for  31Si adsorption on the filter.  4.2.5 Determination of  31Si release  

Yeast cells were cultured  in medium containing 10 mmol/L silicate and 31Si (1 MBq) as  described  above.  After  4  hours  the  biomass  of  the  culture was  harvested  by centrifugation  (20  min,  600  g),  washed  once  in  medium  containing  10  mmol/L silicate. At t=0 the cells were resuspended  in 50 mL standard no‐Si added medium (not containing 31Si). At regular intervals a 1.5 mL sample of the culture was put in an eppendorf vial and centrifuged (1 min, 1800 g). The supernatant (1 mL) and a sample of  the  suspension  (1 mL) were  kept  for  activity  determination.  The  activity was related to the silicate concentration in the in the original culture and to OD660 of the suspension to calculate the silicate concentration in the biomass (Ccell in mol/L) and in the release medium (Cmed in mol/L). The decrease of the silicate concentration in the biomass Ccell  in  time was  fitted  to pseudo 2nd order depolymerization kinetics (see below).   

Page 61: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

53

4.2.6 Determination of the Freundlich parameters 1/n and K 

The  adsorption  of  a  compound  on  a  surface  can  be  described  by  a  Freundlich isotherm.29  The  process  is  defined  by  two  parameters:  1/n  as  the  order  of  the adsorption  process,  and  Kads  as  the  affinity  of  the  adsorbed  compound  for  that specific surface (defined as the adsorption in 1 mol/L solute).  

 1n

ads medx K Cm= ⋅   (1) 

 with  x  as  the  amount  of  solute  adsorbed  by mass m  of  a  solid  (in  this  case  the amount  of  silicate  per  mass  of  dry  weight  of  yeast  cells),  Cmed  as  the  solute concentration  (in  this  case  the  silicate  concentration  in  the medium),  1/n  as  the order  of  the  adsorption  reaction,  and  Kads  as  the  affinity  (adsorption  at  1 mol/L solute). The equation can be rewritten as: 

 1log log logads med

x K Cm n= + ⋅  

 Plotting  log adsorption against  log concentration yields a straight  line with a slope 1/n and an abscissa log Kads.  4.2.7 Determination of the depolymerization rate constant 

The depolymerization of polysilicate is described as earlier22,24 and is determined by the depolymerization  rate constant Kd,0  (in L/(mol∙s)). Kd,0  is dependent of  the pH and the temperature: 

  10 11.61,0

115265.614 10 exp( 39.32)dK pHT

−= ⋅ ⋅ ⋅ − +  

with  temperature T  in K. Kd,0  is  influenced by the presence of  ions  in  the solution. The rate constant corrected for ions in the solution Kd is calculated following:    ,0 (exp( (exp( ) exp( ))))d d i iK K A a B a C= ⋅Π ⋅ ⋅ − ⋅  

 with ai as the activity of ion i. The constants A, B and C are summarized in Dietzel22 for different ions. At pH 6.5, 30 oC and standard medium composition the Kd value is 25.2  L/(mol∙min)  (0.421  L/(mol∙s)).  The  initial  monosilicate  and  polysilicate concentration  (Cmed,i and Ccell,i)  in  the solution also  influence  the depolymerization rate constant. Two correction factors αM and αP have to be introduced to obtain the rate constant K that is actually measured in the solution:    d M PK K= ⋅α ⋅α  with αM and αP: 

  ,

,

0.8053 1med iM

cell i

CC

α = ⋅ +  

  ,exp(2.708 0.894 ln( ))P cell iCα = − ⋅  

 with Ccell,i  in mg SiO2/L. The polysilicate depolymerization  reaction  follows pseudo 2nd order kinetics and is expressed as: 

Page 62: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

54

 

 ,

tot tottot

cell cell i

C CK t CC C

= ⋅ ⋅ +   (2) 

 with t as time  (min), Ctot as the total silicate  (mol/L)  (= total silicate present  in cell suspension), Ccell as the polysilicate concentration (mol/L) (as polysilicate on the cell wall),  and  K  as  the  above  described  rate  constant  (L/(mol∙min)).  Rearranging formula (2) (division by Ctot) yields:  

 ,

1 1

cell cell i

K tC C

= ⋅ +   (3) 

 The decrease of Ccell in time is fitted in formula (3) using linear regression resulting in a K value  (slope) and 1/Ccell,i value  (abscissa). The obtained K value  is valid  for  the initial mono‐  and  polysilicate  concentrations  for  that  particulate  experiment.  To compare the obtained K value with the Kd value for the given pH, temperature and medium composition  (25.2 L/(mol∙min)) the obtained K value has to be divided by αM and αP to yield the experimental value for Kd.  

4.3 Results 4.3.1 Determination of experimental conditions and non‐biological components in silicate‐cell interaction 

To determine whether silicate accumulation  in yeast cells  (i.e.  in the cell or on the cell  wall)  takes  place,  and  to  choose  the  experimental  conditions  for  the  other experiments  the  silicate  accumulation  is  followed  in  time  at  two  silicate concentrations:  1 μmol/L (i.e. no‐Si added, no silicate polymerization) and 5 mmol/L (high concentration, silicate polymerization) (Fig. 1).  Silicate accumulation by yeast cells  is observed  in 1 μmol/L as well as  in 5 mmol/L silicate.  In 1 μmol/L the silicate accumulation  is  linear  in time over the time course studied,  whereas  in  5  mmol/L  Si  the  silicate  accumulation  has  the  form  of  a saturation curve. Possibly the accumulation in 1 μmol/L silicate also has the form of a  saturation  curve  at  longer  time  intervals,  but  due  to  the  decay  rate  of  the  31Si tracer it was not possible to investigate this any further. At short incubation times (< 30 minutes) the errors in the measurements are large, so longer incubation times are preferred. On the other hand it is not possible to take the incubation time too long, because  of  the  decay  rate  of  the  31Si  tracer. Based  on  these  results  120 minutes incubation  is  chosen  for  all  further  experiments.  At  this  time  the  accumulation reaches its saturation point in 5 mmol/L. 

Page 63: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

55

 Figure 1: Silicate accumulation  (in mol per g dry weight)  in  time by Baker’s yeast  (Saccharomyces cerevisiae). The cells were cultured in A) 1 μmol/L silicate, and in B) 5 mmol/L silicate, and the silicate accumulation  in the cells was followed  in time using a  31Si‐silicate tracer. Note that the y‐axis  in A) runs from ‐5∙10‐11 to 3∙10‐10. All datapoints are averages (n ≥ 3, ± sd).  To  investigate whether biology plays a  role,  the Si‐accumulation  is determined  in dead cells and at 0 oC  (living cells). Under these conditions all biological processes come to a complete standstill, so any observed accumulation can be ascribed to a non‐biological process. Dead cells were obtained by γ‐irradiation of a culture with a 10  kGy  dose  followed  by  microscopic  examination  (see  Materials  and  Methods section). The sufficient dose was determined by irradiation of a culture followed by the  determination  of  the  growth  rate  (Fig.  2)  and  by  microscopic  examination (methylene blue staining).   

 Figure 2: Influence of the γ‐dose on the growth rate of Baker’s yeast. A yeast culture was irradiated with different  γ‐radiation doses  from a  60Co source. Samples were  taken  to determine  the growth rate  and  the  viability of  the  irradiated  cells. A  10  kGy dose  completely  stopped  the growth while microscopic examination revealed that the dead cells were still intact. The size of the irradiated cells (10 kGy) was increased about 1.5 times in diameter.  The accumulation  in dead cells  (30  oC) and  in  living cells  (0  oC)  is  investigated  in 1 μmol/L  silicate  and  compared  to  accumulation  in  living  cells  at  30  oC  (standard medium  and  conditions),  120 minutes  incubation. Because  dead  cells  showed  an increase  in diameter  the silicate accumulation  in dead cells can also provide some information  on  the  influence  of  the  cell  size  on  the  process.  The  silicate 

Page 64: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

56

concentration of 1 μmol/L ensures that no silicate polymerization takes place. The experiment  is  repeated  in  5 mmol/L  silicate  to  investigate  for  possible  additional effects  of  silicate  polymerization  in  the medium  (Fig.  3).  Silicate  accumulation  is observed  in  dead  cells  and  at  0  oC.  Lowering  the  temperature  to  0  oC  does  not influence silicate accumulation  in 1  μmol/L silicate, which  is an  indication  that  the silicate interaction with the cell is likely of non‐biological origin. In 5 mmol/L silicate the  silicate accumulation  is  reduced with 73 %. This  result may  indicate  that both biological accumulation and silicate chemistry should also be taken  into account at this silicate concentration.  

 

  

Figure 3: Silicate accumulation  in Baker’s yeast cultured  in A) 1 μmol/L silicate, and  in B) 5 mmol/L silicate. Yeast is cultured for 2 hours at 30 oC and at 0 oC (living cells), and at 30 oC (dead cells). The silicate accumulation in the cells is determined with the use of a 31Si‐silicate tracer. All datapoints are averages (n ≥ 3, ± sd).  The accumulation in dead cells is increased compared to normal living cells (147% in 1 μmol/L Si, and 48%  in 5 mmol/L Si).  It can be calculated that the  increase of the silicate accumulation in dead cells corresponds reasonably well with the increase of the cell surface area (increase of cell diameter by a factor 1.2‐1.7). Although based on  these  results  the  existence  of  a  biological  process  can  not  be  ruled  out  the existence of a chemical interaction of silicate with the cell becomes more likely. This is further investigated in the next experiment.  4.3.2 Determination of silicate adsorption on the cell wall 

The  above  described  results  indicate  that  the  interaction  of  silicate with  the  cell could  take place by a chemical mechanism. Moreover  the silicate accumulation  in dead  cells  indicates  that  the  surface  area  of  the  cell  possibly  plays  a  role  in  the interaction  of  silicate with  the  cell.  In  this  experiment  it  is  investigated whether silicate  accumulation  in  the  cell  can  be  described  by  an  adsorption mechanism. Yeast  cells are  incubated  for  120 minutes at different  silicate  concentrations, and the silicate accumulation is determined (Fig. 4). 

Page 65: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

57

 Figure 4: Silicate accumulation in yeast cells at different silicate concentrations. Yeast  is cultured  in normal media for 2 hours and the silicate accumulation  in the cells  is determined with the use of a 31Si‐silicate tracer. All datapoints are averages (n=3‐5 ± sd). Note that the silicate concentration is in mol/L and the adsorption  in mol/gDW. The  lines represent the Freundlich adsorption  isotherms  for the concentration regimes Si < 2 mmol/L and Si > 2 mmol/L  The silicate accumulation falls apart  in two regimes. Under 2 mmol/L silicate (“low Si”) the accumulation increases linear with the concentration, while above 2 mmol/L (“high  Si”)  the  accumulation  increases  dramatically.  It  is  remarkable  that  the transition  between  the  two  regimes  at  2  mmol/L  silicate  coincides  with  the concentration  orthosilicate  starts  to  polymerize.7  This makes  it  plausible  that  a chemical mechanism plays a role in silicate accumulation. The linear response in low Si  media  supports  the  assumption  of  an  adsorption  mechanism,  and  makes  a biological  uptake  mechanism  unlikely.  Subsequently  it  is  investigated  if  the accumulation  behaviour  can  be  described  by  an  adsorption mechanism.  A  linear adsorption  isotherm  can  be well  described  by  a  Freundlich  isotherm  (formula  1, Materials  and Methods  section).  The  adsorption  characteristics  of  the  Freundlich adsorption are determined by the slope of the line (1/n) and the abscissa at 1 mol/L (Kads). Both accumulation regimes  in Fig. 4 are shown as Freundlich  isotherms, and the parameters 1/n and Kads are calculated and summarized in Table 1.  Table  1:  Values  of  Freundlich  adsorption  parameters,  as  calculated  from  silicate  accumulation  in yeast cells at different silicate concentrations  

Regime  1/n  Kads   ‐  mol/gDW 

Si < 2 mmol/L  1.01 ± 0.03  1.92 ± 0.06 ∙ 10‐4 Si > 2 mmol/L  4.04 ± 0.46  2.70 ± 0.63∙ 104 

 The two regimes have different adsorption characteristics as can be seen in Table 1. The value of 1/n  (order of the adsorption reaction) equals 1  in  low Si media, which means the adsorption is proportional to the silicate concentration. In high Si media the value of 1/n increases to 4. A remarkable increase of several orders of magnitude is observed for the affinity Kads in high Si media. It is obvious the mechanisms differ in Si < 2 mmol/L and Si > 2 mmol/L. The possibility of an adsorption mechanism  is  further  investigated. Cells grown  in high  Si media  should  contain  a  layer  of  silicate  oligomers  adsorbed  to  the  cell’s 

Page 66: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

58

surface if adsorption takes place. When these cells are brought in no‐Si added media the silicate  layer on  the cell wall should start  to depolymerize. When  the cells are grown  in  31Si  containing media  this  depolymerization  process will  be  visible  as  a release of  31Si  from  the cell biomass. Chemical depolymerization  follows chemical pseudo 2nd order kinetics,22,24 so the release rate of 31Si from the cell was calculated using chemical depolymerization kinetics.  

 Figure 5: Typical diagram of silicate release from a yeast cell suspension, 1/Ccell is shown against time. The cells were cultured for 4 hours in 10 mmol/L Si in the presence of a 31Si‐silicate tracer, harvested, and  put  in  no  Si‐added medium. At  different  time  intervals  samples were  taken  and  the  silicate concentration  in  the  supernatant of  the medium Cmed was determined  to calculate Ccell. The  slope yields the depolymerization rate constant of polysilicate adsorbed on the cell wall (see Materials and Methods).  Cells grown  in 10 mmol/L silicate and  31Si were put  in no‐Si added media and  the silicate  release was determined. The data were  fitted  to pseudo 2nd order kinetics (formula 3, Materials and Methods section), and the depolymerization rate constant Kd was calculated and compared to the theoretical depolymerization rate constant under the given culture conditions. Fig. 5 shows a typical example of silicate release from yeast cells.  The silicate release results fitted well in pseudo 2nd order kinetics, and yielded a rate constant of 22.0 ± 9.3 L/(mol∙min) (weighted means, n=3). This value is in agreement (P = 0.48) with  the  theoretical Kd value of 25.2 L/(mol∙min) belonging  to standard medium.  From  the  results  it  can  be  concluded  that  pseudo  2nd  order depolymerization kinetics can be applied for silicate release from yeast cells. These findings confirm silicate adsorption on the cell surface.  4.3.3. Interaction of metal ions with adsorbed silicate 

Earlier  it was  found silicate  interacts with several metals  in  the yeast cell.26  In  this experiment it is investigated whether interaction of metals can be observed with the adsorbed silicate op the cell wall. The influence of the medium components zinc and magnesium  on  the  Freundlich  parameters  1/n  and Kads  of  silicate  adsorption was determined. Both zinc and magnesium are able to form a complex with silicate, and zinc has a profound influence on silicate polymerization.7,20‐24 So it can be expected that  both  zinc  and magnesium will  influence  the  affinity  Kads,  and  that  zinc will influence  the order of  the adsorption  reaction 1/n  in high Si media. The  following 

Page 67: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

59

media are investigated: 0.03 μmol/L, or 0.1 mmol/L Zn2+ (Mg2+ as in standard media) and 0.54 mmol/L Mg2+ (Zn2+ as in standard media), and the results are added to the above described experiment  in standard media (16 μmol/L Zn2+, 4.2 mmol/L Mg2+). The cultures were inoculated from a 1 μmol/L silicate (= no‐Si added) preculture, the silicate accumulation was determined at different  silicate  concentrations, and  the Freundlich parameters 1/n  (slope) and Kads  (abscissa at 1 mol/L Si) were calculated from the results and summarized in Figures. 6 and 7. 

 

 Figure  6:  Freundlich  adsorption  parameter  1/n  for  silicate  adsorption  on  Baker’s  yeast.  A) dependency of Zn2+ concentration, and B) dependency of the Mg2+ concentration. Yeast was cultured for  2  hours  at  different  silicate  concentrations  and  the  silicate  accumulation  in  the  cells  was determined  with  use  of  a  31Si‐silicate  tracer.  From  the  results  the  freundlich  parameter  1/n  is determined. 

 In  0.03  μmol/L Zn2+  (high  Si media)  the  amount  or  size  of  oligomers was  clearly increased and caused clogging of the filter. For this reason the sample volume was lowered from 10 to 1 mL. Fig. 5 shows that 1/n  is not affected by the Zn2+ or Mg2+ concentration in low Si medium, and has the value 1. This means that the adsorption of silicate is a first order process which is not influenced by Zn2+ or Mg2+ ions. In high Si  media  the  value  of  1/n  increases  to  3.5‐5.2,  and  is  affected  by  the  Zn2+ concentration but not by the Mg2+ concentration.  The affinity Kads (Fig. 6)  is  influenced by the Zn2+ and Mg2+ concentration.  In  low Si media Kads  increases with  increasing Zn2+ or Mg2+ concentration.  In high Si media Kads decreases dramatically with  increasing Zn2+ concentration, but  increases with increasing Mg2+ concentration.   

Page 68: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

60

 Figure 7: Freundlich adsorption parameter Kads for silicate adsorption on Baker’s yeast (in mol/g dry weight).  Left:  dependency  of  Zn2+  concentration,  and  Right:  dependency  of Mg2+  concentration. Note that  in Left Kads for [Si] > 2 mmol/L  is displayed on a  logarithmic scale. Yeast  is cultured for 2 hours at different silicate concentrations and the silicate accumulation in the cells is determined with use of a 31Si‐silicate tracer. From the results the freundlich parameter Kads is determined.  

4.4 Discussion Silicate is accumulated by living cells at 30 oC as well as at 0 oC and by dead cells (30 oC)  (Figs.  1  and  3).  At  0  oC  the  accumulation  is  reduced  in  high  Si media.  The temperature  affects  the  polymerization  rate  and  the  size  of  silicate  oligomers.7,30 The decreased polymerization rate results in smaller oligomers, so accumulation of the same amount of molecules will result in a lower observed 31Si accumulation. The activation energy of silicate polymerization  is 60 kJ/mol.30  It can be calculated that the  polymerization  rate  of  silicate  decreases with  90 % when  the  temperature  is lowered from 30 to 0 oC, which is in good agreement with the observed decrease in accumulation.  The  increased  accumulation  in  dead  cells  can  be  explained  by  the increased  surface  area  of  the  cells.  Probably  the  swelling  of  the  cells makes  it possible more  adsorption  sites  can  be  reached  by  the  silicate molecules  in  the solution.  Furthermore,  it  is  feasible  that  the  dead  cell’s  membrane  becomes permeable allowing orthosilicate and (to a lesser extend) silicate oligmers to diffuse into the cell. The  silicate  accumulation  in  yeast  shows  a  linear  dependency  of  the  silicate concentration up to 2 mmol/L. Above this concentration the accumulation shows a dramatic  increase  (Fig. 4). These  two  regimes correspond with  the  two  regimes  in silicate  chemistry:  <  2  mmol/L  (low  Si,  silicate  exists  as  orthosilicate),  and  >  2 mmol/L  (high Si,  silicate  starts  to  polymerize).7 The  silicate  accumulation  in both regimes can be described by an adsorption mechanism, and the Freundlich isotherm fits well for this purpose. The linear response makes a biological uptake mechanism unlikely. The  release of silicate  from  the cell wall  follows silicate depolymerization kinetics and supports the assumption of silicate adsorption on the cell wall.  

Page 69: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

61

The two concentration regimes have different adsorption characteristics as can be seen in Table 1 and Figures 6 and 7. In low Si the value of 1/n equals 1, regardless of Zn2+ and Mg2+  in the medium, but  it  increases to 3.5‐5.2  in high Si. It  is striking the value of 1/n (order of the adsorption reaction) equals 1 in low Si. This means that the adsorption  is proportional to the silicate concentration as a first order process (one silicate molecule per adsorption site).  In high Si media the order of the adsorption reaction  1/n  increases  to  3.5‐5.2,  which  means  3  to  5  silicate  molecules  per adsorption site. Since 1/n reflects the order of the adsorption process29 it  is likely 1/n shows  the  degree  of  polymerization. Note  that  the  silicate  concentration  in  the experiments  is expressed  in mmoles monosilicate,  the degree of polymerization  is not taken into account.  Zn2+ and Mg2+  influence the adsorption process (Figs. 6 and 7).  In 0.03 μmol/L Zn2+ (high Si) media  the degree of polymerization of  silicate was higher  than  in other media, which was  clearly  visible  during  the  experiment  (clogging  of  the  filter). A high value of 1/n (5.2) was obtained under these circumstances. Zn2+ ions are known to  influence  the  (de)polymerization  of  silicate.22,24  Mg2+  does  not  affect  the polymerization of  silicate, and  this explains why 1/n  remains constant at different Mg2+ concentrations.  The adsorption affinity Kads differ orders of magnitude  in  low Si and high Si media, which  is  a  clear  indication  two  chemically  entirely different processes  take place. Obviously  the  existence  of  silicate  oligomers  in  high  Si  results  in  a much  higher silicate  adsorption  on  the  cell  wall.  Kads  increases  with  the  Zn2+  and  Mg2+ concentration, except for Zn2+  in high Si media. Low Zn2+ strongly enhances Kads in high Si media, which can be explained by  the  increased polymerization of  silicate under these conditions (Fig. 6). The increase of Kads by Mg2+ (low and high Si) and by Zn2+ (low Si) could be explained by the formation of stable metal‐monosilicates (low Si) or Mg‐silicate complexes (high Si). The Zn‐silicate complex in high Si is unstable, and this could also explain the decrease in Kads with increasing Zn. More research is needed on this. It can be concluded that the adsorbed  layer of silicate on the cell wall can  interact with metal ions, and in doing so can play a role in the interaction of metal ions with the cell itself. Probably the adsorbed silicate has an influence on the cell’s affinity for metal ions which is entirely dependent of chemistry. The results of earlier work26 can be explained by this. The formation of a stable Mg‐silicate complex on the cell wall could cause Mg2+  ions  to be “trapped” on  the cell wall,  reducing  the availability of Mg2+ ions for the cell. The increased adsorption of silicate oligomers (in low Zn) and the  instability  of  the  Zn‐silicate  complex  on  the  other  hand  could  help  the  cell “harvesting” Zn2+ ions that are easily released again near to the cell membrane. This could cause an increased availability of Zn2+. The observed effects in this study could be explained by this. The adsorbed silicate can also shield several compounds in the cell wall itself. From the above it is expected that silicate can interfere with biological processes by adsorption to yeast cells and subsequent chemical interaction with metal ions. Most likely, similar consequences of Si‐chemistry can also occur  in other organisms than yeast.  In  Bacillus  subtilis  for  example,  silicate  precipitation  on  the  cell  wall  was observed  previously.31  And  although  animal  cells  do  not  possess  a  cell  wall  in general,  the  animal  cell membrane  contains many glycolipids  and glycoproteins32 

Page 70: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

62

that  could  serve  as  an  adsorption  site  for  silicate  molecules.  Since  complex formation  between  silicate  oligomers  and  several  saccharides  can  occur33‐35  it  is likely that silicate can adsorb on the animal cell membrane as well. In higher animals and  humans  silicate  affects  metal  concentrations  in  many  tissues  and  several enzymatic activities. Presumably silicate interacts with metal ions in the tissues in a chemical  way  and  hence  affects  the  availability  of  the metals.  Therefore  silicon chemistry should be  incorporated carefully  in future hypotheses and  investigations on the roles of silicon in living organisms including humans.  

4.5 References 1. Lide  LR  (ed)  (2002) CRC Handbook  of Chemistry  and Physics,  83rd  ed. CRC Press  LLC, Boca 

Raton Florida. 2. Aston S  (ed)  (1983) Silicon  geochemistry and  biogeochemistry. Academic Press  Inc., London, 

1983. 3. Tréguer P, Nelson DM, van Bennekom AJ, DeMaster DJ, Leynaert A, Quéguiner B (1995) The 

silica  balance  in  the  world  ocean  –  a  reestimate.  Science  268:375‐379  DOI 10.1126/science.268.5209.375 

4. Conley DJ (1997) Riverine contribution of biogenic silica to the ocean budget. Limnol Oceanogr 42:774‐777 

5. Willén E (1991) Planctonic diatoms – An ecological review. Arch Hydrobiol 69(suppl. 89):69‐106 6. Petzold A, Hinz W (1978) Silikatchemie, Einführung in die Grundlagen. VEB Deutsche Verlag für 

Grundstoffindustrie, Leipzig (in German) 7. Iler RK (1979) The chemistry of silica. John Wiley & Sons, New York 8. Smith  JV, Arnold FP, Parsons  I, Lee MR  (1999) Biochemical evolution  III: Polymerization on 

organophilic  silica‐rich  surfaces,  crystal‐chemical  modeling,  formation  of  first  cells,  and geological clues. Proc Natl Acad Sci USA 96:3479 – 3485 

9. Epstein  E  (1999)  Silicon.  Annu  Rev  Plant  Physiol  50:641‐664  DOI 10.1146/annurev.arplant.50.1.641 

10. Neumann  D,  zur  Nieden  U  (2001)  Silicon  and  heavy  metal  tolerance  in  higher  plants. Phytochemistry 56:685‐692 DOI 10.1016/S0031‐9422(00)00472‐6 

11. Neumann D, de Figueiredo C (2002) A novel mechanism of silicon uptake. Protoplasma 220:59‐67 DOI 10.1007/s00709‐002‐0034‐7 

12. Evered D, O'Connor M (eds) (1986) Silicon biochemistry. Wiley, Chechester 13. Simpson TL, Volcani BE  (1981) Silicon and  siliceous  structures  in biological  systems. Springer 

Verlag, New York 14. Birchall JD (1990) The role of silicon in biology. Chem Brit 26:141‐144 15. Seaborn CD, Nielsen FH (2002) Silicon deprivation and arginine and cysteine supplementation 

affect bone collagen and bone and plasma trace mineral concentrations in rats. J Trac Elem Exp Med 15:113‐122. DOI 10.1002/jtra.10011 

16. Valerio P, Pereira MM, Goes AM, Leite MF (2004) The effect of  ionic products from bioactive glass dissolution on osteoblasts proliferation and collagen production. Biomaterials 25:2941‐2948. DOI 10.1016/j.biomaterials.2003.09.086 

17. Martin‐Jezequel  V,  Hildebrand  M,  Brzezinski  MA  (2000)  Silicon  metabolism  in  diatoms: implications for growth. J Phycol 36:821‐840. DOI 10.1046/j.1529‐8817.2000.00019.x 

18. Müller WEG, Krasko A, Le Pennec G, Schröder HC (2003) Biochemistry and cell biology of silica formation in sponges. Microscop Res Tech 62:368‐377 DOI 10.1002/jemt.10402 

19. Exley C (1998) Silicon in life: A bioinorganic solution to bioorganic essentiality. J Inorg Biochem 69:139‐144 

20. Schwieger  W,  Heyer  W,  Wolf  F,  Berg  KH  (1987)  Zur  Synthese  von  kristallinen Metallsilicathydraten mit Schichtstruktur. Z Anorg Chem 548:204‐216 (in German) 

21. Marshall WL, Warakomski JM  (1980) Amorphous silica solubilities –  II. Effect of aqueous salt solutions. Geochim Cosmochim Acta 44:915‐924 

Page 71: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

63

22. Dietzel M, Usdowski E (1995) Depolymerization of soluble silicate in dilute aqueous solutions. Colloid Polym Sci 273:590‐597 DOI 10.1007/BF00658690 

23. Dietzel M, Böhme G (1997) Adsorption und Stabilität von polymerer Kieselsäure. Chem Erde – Geochem 57:189‐203 (in German) 

24. Dietzel  M  (2000)  Dissolution  of  silicates  and  the  stability  of  polysilicic  acid.  Geochim Cosmochim Acta 64:3275‐3281 DOI 10.1016/S0016‐7037(00)00426‐9 

25. Walker GM (1998) Yeast physiology and biotechnology. Wiley, Chichester  26. Brasser HJ, Krijger GC, van Meerten TG, Wolterbeek HT (2006)  Influence of silicon on cobalt, 

zinc, and magnesium  in Baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae. Biol Trace Elem Res 112:175‐190 

27. Brasser  HJ,  Gürboğa  G,  Kroon  JJ,  Kolar  ZI, Wolterbeek  HT,  Volkers  KJ,  Krijger  GC  (2006) Preparation of  31Si‐labeled silicate: a  radiotracer  for silicon studies  in biosystems.   J Labelled Compd Radiopharm 47:867‐882 DOI 10.1002/jlcr.1096 

28. Verduyn C, Postma E, Scheffers A, van Dijken JP (1992) Effect of benzoic acid on the metabolic fluxes  in  yeast:  a  continuous‐culture  study  on  the  regulation  of  respiration  and  alcoholic fermentation. Yeast 8:501‐517 

29. Adamson AW, Gast AP  (1997) Physical chemistry of surfaces, 6th ed. John Wiley & Sons,  Inc., New York  

30. Coudurier M, Baudru B, Donnet JB (1971) Étude de  la polycondensation de  l’acide disilicique. III. – Influence de la concentration et de la température sur la cinétique et le mécanisme de la polycondensation de  l’acide disilicique. Relation avec  la texture des produits formés. Bull Soc Chim France 9:3161‐3165 (in French) 

31. Fein  JB,  Scott  S,  Rivera N  (2002)  The  effect  of  Fe  on  Si  adsorption  by Bacillus  subtilis  cell walls:insight  into  non‐metabolic  bacterial  precipitation  of  silicate  minerals.  Chem  Geol 182:265‐273 

32. Stryer L (1981) Biochemistry. W.H. Freeman and Company, San Francisco 33. Kinrade  SD,  Hamilton  RJ,  Schach  AS,  Knight  CTG  (2001)  Aqueous  hypervalent  silicon 

complexes with aliphatic sugar acids. J Chem Soc Dalt T 7:961‐963 34. Kinrade SD, Del Nin JW, Schach AS, Sloan TA, Wilson KL, Knight CTG (1999) Stable five‐ and 

six‐coordinated silicate anions in aqueous solution. Science 285:1542‐1545 35. Lambert JB, Lu G, Singer SR, Kolb VM (2004) Silicate complexes of sugars in aqueous solution. 

J Am Chem Soc 126:9611‐9625 

Page 72: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 4: Silicon chemistry in yeast 

64

Page 73: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5  

Systematic compartmental analysis for describing observed 31Si‐labeled silicic acid uptake during diatom valve formation – A mathematical approach 

  

Abstract Valve formation  in diatoms requires bulk uptake and transport of silicic acid  (Si(OH)4) for  silica  deposition  inside  the  silica  deposition  vesicle  (SDV).  Uptake  of  silicon  via silicon transporters (SITs) with subsequent  intracellular transport requires a controlled mechanism  to  stabilize  the  high  amounts  of  reactive  silicon  species  to  prevent autopolymerization and simultaneously direct these species towards the SDV; together this pathway should meet the pace at which valve formation occurs. In this study silicic acid uptake was studied during valve formation in synchroneously dividing cells of the diatoms  Coscinodiscus  wailesii,  Navicula  pelliculosa,  N.  salinarum,  and  Pleurosira laevis using 31Si(OH)4. The experimental data were correlated to systematically derived mathematical models  for a  compartmental analysis of  the possible uptake/transport pathways; including those for both SITs‐ and (macro)pinocytosis‐mediated uptake and transport. Our  study  indicates  that  the  experimental  data  on  silicon  uptake  during  valve formation matched  best with  the model  that  describes  (macro)pinocytosis‐mediated uptake.  This  process  not  only  explains  observed  surge  uptake  at  high  demands  for silicon, but apparently infers that in diatoms a pathway exists in which SITs apparently are not involved.    

Page 74: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

66

5.1 Introduction Diatoms  (Bacillariophycea) are unicellular eukaryotic photosynthesizing algae  that are widely abundant in aquatic habitats on Earth. The most distinctive feature of the diatom  cell  is  its  frustule,  an  exoskeleton  of  amorphous  silica  that  surrounds  the cell.1,2  The  silicon  required  for  the  formation  of  the  solid  silica  of  the  different frustule  parts  (i.e.  valves  and  girdle  bands)  has  to  be  taken  up  by  the  cell  and transported  to  or  translocated  in  the  cellular  compartment  in which  the  siliceous parts  are  formed.  During  diatom  growth  each  daughter  cell  produces  a  new hypovalve  and  one  or more  girdle  bands  before  cell  separation  occurs  and  the division cycle repeats. This new hypovalve forms in a specialized compartment, the silicon  deposition  vesicle  (SDV),  and  expectedly  is  exocytosed  once  it  has  been completed.1   The  molecular  mechanisms  that  drive  frustule  formation  in  diatoms  have  been studied quite extensively over the  last decades from both a biological and physico‐chemical  direction.  So  far,  it  is  also  clear  that  silica  formation  integrates  silica chemistry3‐5  involved  in  the  polymerization  and  condensation  of  silicic  acid  (i.e. concentration  of  the  precursors,  pH  and  ionic  strength) with molecular biological pathways  (e.g.  6,  7) on how structure‐directing and silica precipitating peptides are produced and delivered to the SDV. At present, however, the interplay of biological and chemical aspects in diatom frustule formation is hardly assessed. Special attention has been paid to the uptake and transport mechanisms of silicon (e.g. 8 and references therein) and it is clear that cell physiology determines uptake kinetics, being dependent on cellular and external concentrations of silicic acid and especially  growth  rate.9,10  Beside  the  need  for  silicon  for  frustule  formation  –  an obligatory  process  in  diatom  cell  division1,11  –  this  element  also  acts  as  essential trace  element  in other  cellular  compartments  such  as  chloroplasts, mitochondria, and microsomes.3,12 

 The preferred chemical structure for silicon in uptake is silicic acid (Si(OH)4).13 Based on  various  uptake  studies  it  has  been  determined  that  silicon  uptake  in  general meets  the  criteria  of  Michaelis  Menten  kinetics  with  initially  three  distinctive mechanisms, depending on availability of silicic acid and physiological status of the cell;  these  are:  i)  surge  uptake,  ii)  internally  controlled  uptake,  and  iii)  externally controlled  uptake  (9  and  references  therein). Most  recently  it was  proposed  that silicon uptake  is controlled by two mechanisms, namely: uptake of silicon at  lower silicic  acid  concentrations mediated by  silicon  transporters  (SITs)  and  a diffusion‐mediated route at higher silicon concentrations in the environment.8   An important feature of silicic acid in aqueous solution is its ability to polymerize to condensed silica and in particular when concentrations exceed 2 mmol/L.14 The silica polymerization  reaction  and  physico‐chemical  properties  of  the  solid  silica  is affected by addition of  surfactants  (e.g. organic compounds  such as peptides and proteins), temperature, pH, and ionic strength.14,15 It has been demonstrated that in diatoms several of such abiotic parameters  (pH,  ionic strength) steer  the chemical reaction conditions inside SDV.4,5 It is assumed that on one side a decreasing pH in 

Page 75: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

67

the SDV upon  valve maturation  enhances  finalization of  the  silica polymerization reaction  and  simultaneously  prevents  the  silica  to  dissolve.4  Ionic  strength determines the degree of condensation of the silica and affects the nanostructure of the solid silica formed.5 Both processes occur inside the SDV and possibly contribute to overcome the necessity to utilize cellular transport routes during which unwanted polymerization of silicon pools could occur.3,5 The exact localization of silicic acid or low  molecular  weight  silica  precursors  is  under  debate;  at  present  intracellular silicon  pools  have  not  been  detected  except  for  the  SDV  and  the  random distribution of very low silicon levels inside the cell.3,12 

The  absence  of  distinctive  intracellular  silicon  pools  seems  contradictive  to  the presence  of  SITs,  of  which  several  have  been  identified  and  characterized  for diatoms.16‐19 Despite the need for high silicon concentration  inside the SDV during the  rapid  process  of  valve  formation,20,21  it  is  striking  that  SIT  genes  become specifically expressed  following this major silicification event.22 Therefore,  it  is not easy to ascribe uptake of sufficient amounts of silicon to SITs only.  Recent  29Si‐NMR  investigations  revealed  that  silicon  in  the diatom  cell  (excluding the silica from the frustule) is present in a precondensed silica sol‐like form,23 while during  valve  formation  organo‐silicon  interactions  occur.21  However,  the  spatio‐temporal  localization of  these precondensed organo‐silica  species again  remained elusive. Based on studies of high membrane activity  in dividing diatom cells24 and the  importance  of  ionic  strength  on  the  biosilica  nanostructure,5  an  alternative silicon  uptake  pathway  was  proposed,  namely  (macro)pinocytosis  eventually combined with use of  transport vesicles. Such a  route could account  for  the quick uptake of external fluid to accommodate the need for silicon during valve formation, which may  well  have  been  recognized  as  diffusion mediated  uptake  if  external silicon concentrations are  sufficient.7  It  is clear  that a  threshold concentration  is a prerequisite  to  initiate  valve  formation  to  complete  cytokinesis.25  Noteworthy  is that  in  plants  a  quite  similar  silicon  uptake  process  has  been  ascribed  to pinocytosis.26 Fluorescent probing of diatoms also  indicated  that at  the very early stages  of  valve  formation  (less  than  10  min)  a  quite  large  weakly  fluorescent intracellular  vesicle  is  formed20,27  that  in  the  following  stages  seem  to  be compressed  towards  the  cleavage  furrow  and  simultaneously  fluoresces  brighter due to concentration and condensation of the silica. To facilitate the rapid 2‐D valve completion,20,21 flattening and possibly simultaneous molding of the SDV could well explain the high membrane activity during cell division.24 

 The aim of the present study is to further investigate the kinetic properties of silicic acid  uptake  during  valve  formation  for  the  two  aforementioned  pathways,  i.e.  i) SITs‐mediated  silicon  uptake  and  transport  and  ii)  pinocytosis‐mediated  silicon uptake. To achieve this, silicic acid uptake measurements were combined with a so‐called compartmental analysis. This method  is a mathematical approach to obtain information  about  the  fate  of  a  compound  in  a  closed  biological  or  chemical system.28 Based on physiological knowledge and/or speculation the studied system is divided  into well‐defined  compartments  such  as pools of  a  compound  in  a  cell organelle, a vesicle, or different chemical forms of the compound (e.g. monomer vs. polymer).  The  temporal  behaviour  of  the  compound  in  each  compartment  is 

Page 76: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

68

mathematically described based on first order transport kinetics. Experimental data (e.g. silicon uptake) are used to calculate the transport rate constants in the model. By  formulating  and  testing multiple models  the  best  fitting  one  can  be  assessed statistically  for  its  significance.28 This  compartmental  analysis  approach has been successfully  used  to  describe  the  accumulation  of  technetium  in  plants,29  mass transport in solid‐liquid systems ,30 and the speciation of calcium in milk.31 

 In order to perform a compartmental analysis, using parameters  for silicon uptake during the rapid 2‐D valve formation, a reliable sensitive technique is required. Silicic acid uptake in diatoms has been studied using three types of radiotracers, being 31Si (e.g. 12), 32Si (e.g. 32) and 68Ge (e.g. 33, 8 and references therein). Of these, 68Ge  is a suitable  analog  for  silicon  and  has  been  used  to mimic  silicon  uptake  kinetics  in silicon limited cells; on its own, however, germanium is certainly not preferred13 and even  is  toxic at higher concentrations. Both  31Si and  32Si have  the advantage over 68Ge  that  they  are  chemically  identical  to natural  silicon,  although  these nuclides differ enormously  in  stability  (t½  31Si = 2.62 h vs  t½  32Si = 160 yrs) and  β  radiation energy.  The  short  half  life  time  of  31Si  allows  an  experimental  time  frame  that suffices  in studying diatom valve  formation;  in addition,  it decays within 48 hours without radioactive waste.34 Fresh 31Si can be readily produced without the presence of  natural  (non  radioactive)  silicic  acid35  and  it  decays  to  the  stable  isotope  31P, whereas  32Si  decays  to  the  radioactive  isotope  32P.34  For  relative  short‐term processes such as initial valve formation and 2‐D valve completion – a period of less than 60 min20,21  – and a preferred high specific activity (and thus low detection limit) freshly  prepared  31Si‐silicic  acid  was  used  in  determination  of  silicic  acid  uptake constants for the subsequent compartmental analysis.   

5.2 Materials and Methods 5.2.1 Chemicals for radioactivity studies.  

All  chemicals  for  preparation  and  analysis  of  the  radiotracer  were  at  least  of analytical  grade  and  obtained  from  Aldrich  (Zwijndrecht,  The  Netherlands).  All solutions were  prepared  in  ultrapure Milli‐Q  grade water  (18.2 MΩ/cm; Millipore, Billerica, MA, USA). For a sensitive analysis of silicon uptake, the silicon isotope 31Si as silicic acid  (t1/2 2.62 h,  β‐ 1.49 MeV) was produced  in  the nuclear  reactor of  the Reactor Institute Delft, Delft University of Technology, The Netherlands. No‐carrier‐added  (i.e. without  the  presence  of  natural  Si)  31Si  solution  (specific  activity  4.8 TBq/g)  was  prepared  followed  by  purification  of  31Si‐silicic  acid  with  a  barium carbonate‐induced  chemical  precipitation  reaction.35  This  tracer  was  successfully used earlier in silicic acid uptake studies in Baker’s yeast.36 

 5.2.2 Chemical analyses of medium and cells 

Inductively  coupled plasma optical emission  spectrometry  (ICP‐OES, OES Optima 4300DV, Perkin Elmer, Boston, USA) was used to determine Si concentrations in the culture  medium.  For  calibration,  Merck  CertiPUR  standard  solution  1703 (Amsterdam, The Netherlands) was used. Cells were directly  removed  from every 

Page 77: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

69

sample  by  mild  centrifugation  (100  rpm,  10  min,  Jouan  CR4‐11)  and  ICP‐OES measurements were carried out immediately on the cell free supernatants.  The  activity  of  31Si was measured  on  a  LKB  liquid  scintillation  counter  (Tri‐Carb 2750TR/LL, Packard, Meriden, USA)  for determining  the  β‐  radiation,  using  liquid scintillation counting (LSC) cocktail (Ultima Gold XR™, Perkin Elmer, Boston, USA).   5.2.3 Organisms and culture conditions 

The  experiments were  carried  out  on  the  following  diatom  species:  the  pennate diatoms Pleurosira laevis (FDCC L1451), Navicula salinarum (FDCC L1262), both from the  Fresh  Water  Diatom  Culture  Collection  Loras  College,  Navicula  pelliculosa (CCMP 543), and the centric diatom Coscinodiscus wailesii  (CCMP 2513), both  from the Provasoli‐Guillard National Centre for Culture of Marine Phytoplankton, Bigelow Laboratory for Ocean Sciences.  The cells were exponentially grown in 500 mL batch cultures in 2 L erlenmeyer flasks using artificial seawater.37 Permissive salinities, in practical salinity units (PSU), were applied  and  for  two  species  (P.  laevis  and N.  salinarum) were  lowered  to  induce formation more robust valves of condensed less hydrated silica (5) without affecting growth rates. The following salinities were used: 9 PSU for P.  laevis, 20 PSU for N. salinarum,  and  33.7  PSU  for  both  N.  pelliculosa  and  C.  wailesii.  Silicic  acid concentrations under standard culture conditions were 400 μmol/L for both P. laevis and  C.  wailesii,  200  μmol/L  for  N.  salinarum,  and  100  μmol/L  for  N.  pelliculosa. Temperature (16 ºC) and light conditions (35 +/‐ 5 μmol photons∙m‐2∙s‐1 under a 16: 8 hrs day/night cycle) were constant during growth. In order to determine the uptake of silicic acid during the process of valve formation, the cells were  incubated for at least 48 hrs  in Si‐free medium to  induce  immediate synchroneous valve  formation when silicon is replenished.11,20,21 

 5.2.4 Experimental procedures 

For  analysis  of  31Si  uptake  in  diatom  cells  0.1‐0.5 ml  freshly  produced  31Si  tracer solution  was  divided  over  polypropylene  experimental  tubes  to  sterile  growth medium and  silicic acid  stock  solution  to a  final volume of 0.5‐1 mL. The  solution was well mixed and allowed to equilibrate for at least 15 minutes (at 16 oC) prior to replenishing  Si‐synchronized  cells  with  labeled  silicon.  To  initiate  synchroneous valve  formation  aliquots  of  10‐40 mL  Si‐depleted  culture were  brought  into  the culture  tubes  to  establish  a  range  of  conditions  with  different  silicic  acid concentrations.  The  kinetic  parameters  were  determined  at  standard  culture conditions  for synchroneously dividing cells  to which  the aforementioned species‐specific  silicon  concentrations  were  added.  Additionally,  these  parameters  were determined  for  synchroneously dividing P.  laevis  cells, being  exposed  to medium concentrations of 3, 10, 20, 50, 100 and 200 μmol/L.  During  the  experiments  the  culture  tubes were  regularly mixed  gently  to  ensure homogeneous  culture  conditions.  Just  prior  (t  =  0*)  and  following  repletion  of silicon, 500 μL samples were taken over a period of ~ 5‐6 hrs. (i.e. at t = 0, 2, 5, 10, 30, 60,  150, 240  and  360 min). Three  subsamples  for  cell  counting  (1 mL),  silicon determination  (2‐5  mL),  and  total  31Si  (0.1‐1  μL)  were  taken  and  immediately processed  for  further  analysis;  a  laminar  flow  cabinet  was  used  to  prevent 

Page 78: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

70

contamination  by  dust  and  to  ensure  clean  semi‐sterile  conditions  during  silicon replenishment and sampling. The cell density of N. pelliculosa and N. salinarum was determined by cell counting by use of a Bürker Türk counting chamber. The cells of P.  laevis and C. wailesii were  too  large  for  this  type of counting chamber,  the cell density was determined by pipetting 10 μL culture liquid on a microscope slide and counting all cells which were present. The other samples were  filtered over a 0.45 µm membrane  filter  (ME25, Whatman,  Dessel,  Germany,  25 mm  diameter)  and washed with 2.5 mL sterile medium, containing 5 mmol/L silicic acid. The activity of the 31Si‐tracer of the sample (including the filter) was determined. Prior to analysis, the  sampled  filters  containing  radioactive  samples  (including  the  filters)  were dissolved  in  10.0 ml  LSC  cocktail within  a  LSC  glass  counting  vial  (20 mL).  The volume of liquid samples was adjusted to 5.0 ml with MilliQ grade water and mixed with  15.0  ml  LSC  cocktail  prior  to  analysis.  In  addition,  1.0  ml  of  the  culture suspension was also used for determining the total 31Si‐tracer activity. A correction was  applied  for  silicic  acid  adsorption  on  the  filter.  The  measured  activity  was related  to  the cell density and silicic acid concentration of  the cultures  in order  to calculate  the uptake of silicic acid per cell  in mol cell‐1. These  results were used to calculate the  initial uptake rate  in mol cell‐1 min‐1 by  linear regression on the silicic acid uptake per cell in time over the first 30 minutes.  5.2.5 Mathematical approaches 

Compartmental analysis was performed with MicroMathScientist® software for time resolved uptake of silicic acid in diatom cells. The models that were studied in detail were  based  on mass  transport  between  different  compartments within  a  closed system.  In  line with Shipley28 the transport of a compound from one compartment to another is regarded as a first order kinetics process in two directions (i.e. forwards and backwards). The different transport processes between the compartments are described  by  differential  equations  for  each  compartment.  All  equations  are combined to  form a model  (Table 1) that describes the entire transport process of the compound through the whole system.  A  strict  focus  was  kept  on  the  process  of  valve  formation  in  diatoms  and  the formulation  of  the models was  based  on  the  current  knowledge  of  the  expected compartments involved for either: i) an internal transport route of silicic acid and/or silica  precursors  following  uptake  of  silicic  acid  via  SITs,8  ii)  a macropinocytosis‐mediated  silicon  uptake  eventually  combined  with  transport  vesicle  mediated transport.5 Silicic acid uptake and transport by means of SITs was described as a 4 compartment system with the medium, the cytoplasm, the SDV and finally the solid silica of the valve  itself as the  important compartments for silicic acid transport for valve  formation  (Table  1, Model F).  In addition  two alternative models describing silicic  acid  uptake  and  transport  by  (macro)pinocytosis  and  transport  vesicle mediated transport5 were formulated (Table 1, Models G and H). Model G describes the  uptake  of medium  by  pinocytosis  and  subsequent  transport  to  the  SDV  by transport  vesicles  with  the  following  compartments:  the medium,  the  transport vesicles, the SDV and the silica of the growing valve  (this model  is denoted as the transport  vesicle‐mediated  uptake mechanism).  In model H macropinocytosis  for the  formation of  a  larger  vesicle  is described,  this  vesicle  is  considered  to be  the initial  SDV.  This model  lacks  the  transport  vesicle  compartment  of  the  previous 

Page 79: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

71

model G and consists of the medium, the SDV and the valve silica (denoted as the macropinocytosis‐mediated uptake mechanism).   Table 1: The defined models based on current knowledge the presence of distinctive compartments  model  No. of 

compartments Compartments  Remarks 

  in cell  in total     Models for determination of number of compartments 

A  1  2  Medium and cell   the cell is a black box B  2  3  Medium, 2 cell compartments   unidirectional flux to last compartment  C  2  3  Medium, 3 cell compartments  unidirectional flux to last compartment  D  3  4  Medium, 2 cell compartments   bidirectional flux to last compartment  E  3  4  Medium, 3 cell compartments   bidirectional flux to last compartment  

Models based on physiological knowledge and speculation 

F  3  4 Medium, cytoplasm, SDV, silica  

SIT‐mediated transport 

G  3  4 Medium, transport vesicles, SDV, silica  

transport vesicle‐mediated transport 

H  2  3  Medium, SDV, silica  macropinocytosis mediated transport 

 To  determine  whether  all  compartments  play  a  role  in  silicic  acid  uptake  and transport  five additional models  (A–E) were  formulated with different numbers of cell compartments involved, varying from 2 to 4 compartments (table 1). Due to the rapid  valve  formation20,21  and  because  of  acidification  of  the  SDV  upon  valve maturation4 it is likely that silicon efflux from the valve does not occur and all silicic acid and/or silica precursors will polymerize to solid silica in the final compartment, the siliceous valve; consequently, an unidirectional flux to the last compartment was is  implemented  in models B and C. The detailed mathematical description of each model is provided in the supplements. The outcome of the models was fitted to the experimental data  for  silicon uptake using MicroMath Scientist®  software and  the residual sum of squares was determined. Also simulations were performed with this software. A  statistical F‐test was  carried out on  closely  related models and  the P value  of  this  comparison  was  calculated;  if  this  P  value  was  <  0.05  the  most complicated model  was  applied,  whereas  in  other  cases  the  simpler model  was preferred.  After  fitting  the models  to  experimental  data  followed by  simulation  the models yield  values  for  transport  rate  constants  and  silicon  contents  in  the  separate compartments.  If the volume of a compartment  is known the silicon concentration inside that particular compartment can be calculated ( /i i iC N V= ). It is also possible to  calculate  the  compartment  volume  that  is  required  to  reach  a  certain concentration  in that compartment  ( /i i iV N C= ).  If the volume of the entire cell  is known the percentage of cell volume that  is occupied by the compartment can be calculated.   

Page 80: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

72

 

5.3 Results 5.3.1 Silicic acid uptake   

Silicic uptake (in mol cell‐1) was determined  in the course of valve formation for C. wailesii, N.  pelliculosa, N.  salinarum  and  P.  laevis,  for which  31Si was  provided  to silicon starved cells (Fig 1). The uptake was examined over a fixed time frame (up to 6  hrs)  for  synchroneously  dividing  cells  under  standard  culture  conditions.  For P. laevis  silicic  acid  uptake  was  determined  at  two  different  replenishment concentrations of 31Si‐labelled silicic acid (Fig. 1 A).   

    

  Figure 1: Silicic acid uptake  (in mol cell‐1) under standard culture conditions by synchroneously growing diatoms cells in the first stages of valve formation (4‐6 hrs) following silicic acid addition to Si‐limited cells. A) Silicic acid uptake  regimes  for Pleurosira  laevis cells  for  replenishment with either 456  (■) or 491  (○) μmol/L silicic acid. Two distinct uptake regimes can be recognized by the slopes of the curves (lines) in the first hour  and beyond  2 hrs. B) Silicic  acid  uptake by Coscinodiscus wailesii  (456  μmol/L  silicic  acid), C) Navicula pelliculosa  (140  μmol/L  silicic acid), and D) Navicula  salinarum  (317  μmol/L  silicic acid). Similar datasets were obtained for P. laevis for other silicic acid medium concentrations (not shown).  

Page 81: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

73

Emphasis was on the rapid initial stage of valve formation, because 2‐D completion of  the valve already occurs within 2 hrs.20,21 For every  species  two distinct uptake regimes could be identified in the overall time frame that was analysed. It was clear that rapid uptake of silicon occurred in the first hour of valve formation followed by a steadily decreasing uptake  rate  in  the  following 4 hrs  (Fig. 1). The occurrence of two distinct uptake regimes confirmed that more than one compartment in the cell is  involved  in  the  silicification  process.28  For  every  species  the  collected  datasets were used for further mathematical evaluation of the uptake mechanism in view of the defined models.  For P. laevis several datasets of time‐dependent uptake were collected for different silicic acid  concentrations. The  initial uptake  rates  (in mol  cell‐1 min‐1) which were calculated  from  these datasets,  increased with  the silicic acid concentration  in  the medium,  reaching  a maximal  value of  1.7∙10‐14 mol  cell‐1 min‐1  at  200‐300  μmol/L (Fig. 2).   

 Figure  2:  Initial  silicic  acid  uptake  rate  (in mol  (cell∙min)‐1)  of Pleurosira  laevis    during  the  first  30 minutes of valve  formation  for different silicic acid concentrations  in  the medium, calculated  from the silicic acid uptake in time (in mol cell‐1).   At higher  silicic acid  concentrations  the  initial uptake  rate declined  steeply. From these initial uptake rates it was determined that the diffusion of silicic acid from the bulk  liquid through the water  layer around the cell – the so‐called Nernst  layer38   – into  the  cell  itself  was  not  rate  limiting  (see  S1  for  a  detailed  explanation). Consequently, this diffusion process  formed no barrier and was excluded  from the models.  5.3.2 Mathematically defined number of observable compartments in P. laevis. 

Based on diatom cell physiology and current knowledge of valve morphogenesis  it was concluded  that  involvement of at  least  three cellular compartments would be sufficient to describe silicic acid uptake and transport for valve formation by means of SITs (Table 1, model F), especially in view of the demand for high concentrations of silicic acid for a unidirectional transformation of silicic acid into solid silica. If three cellular  compartments  were  involved  also  three  distinct  uptake  regimes  were expected.28 Three uptake regimes, however, cannot be clearly distinguished  in the determined silicic acid uptake patterns, but could be present. To assess this better, a 

Page 82: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

74

more detailed mathematical analysis of the obtained data was required. In order to determine  how many  cell  compartments  could  be  discerned mathematically,  the results of the uptake experiments  for P.  laevis were subjected to a comprehensive compartmental  analysis.  For  this,  five  different  models  were  formulated  each including  a  different  number  of  cell  compartments  (Table  1, models A‐E).  These models were mathematically  fitted  (see also  supplement S2) against  the acquired experimental  data  for  silicic  acid  uptake  to  assign  the  best  fitting  one.  The magnitude  of  the  transport  rate  constants  of  the  best  fitting  model  then  was determined. Multiple  trials  (n=6)  for  fitting  the models  indicated  that  a model with  just  two cellular  compartments  and  medium  (model  B)  always  resulted  in  the  best  fit (P<0.05). Although it was assumed that efflux from the final compartment (the solid silica) did not occur during  rapid valve  formation20,21 and as a consequence of  the acidification  of  the  SDV,4  the  potential  efflux  from  the  final  compartment  was incorporated  (Table  1,  models  D  and  E).  Fitting  results  clearly  confirmed  our assumption, because the similar models without efflux from the final compartment strongly  outperformed  the  ones  that  included  efflux. Moreover,  it  appeared  that there  was  no  reverse  flux  from  the  final  compartment  in  either model  D  or  E, because  the value of  the corresponding  transport  rate constant was  (nearly) zero. This strongly suggested that all silicic acid and/or silica precursors were used in valve construction  and  remained  present  as  solid  silica.  The  results  assigned model  B performing as the best and consequently three compartments were determined to be  involved  in  the  process  of    silicon  uptake  during  valve  formation.  These expectedly were comprised of the medium and two cellular compartments, which as such well coincided with the observed two uptake regimes (Fig. 1).  The number of observed uptake regimes, however, did not give a conclusive answer about  the  validity  of  the  SITs‐mediated  uptake  mechanism  (with  three  cellular compartments involved), because only two uptake regimes were actually observed. Since biological processes proceed relatively fast it may have been possible that one of  the  compartments was  not  observed  distinctively  in  the  experimental  set  up, being  a  so‐called  “invisible”  compartment.  In  compartmental  analyses  such  a phenomenon is known and explained as following: i) one compartment reaches the state of equilibrium (i.e. becomes saturated) before the first measurement and the concentration of the target component  inside  that specific compartment does not alter  during  the  experiment,  ii)  one  compartment  is  very  small  compared  to  the others  and  for  this  reason  cannot  be  distinguished  from  the  others,  or  iii)  the compartment is not involved in the whole transport process .28 To test the validity of the  SIT‐mechanism  it  was  of  importance  to  determine  whether  invisible compartments could occur in this silicon uptake mechanism.   5.3.3 Comparative mathematical assessment of model B and the SIT‐mediated silicic acid uptake model in P.laevis 

Our compartmental analysis of  silicic acid uptake during valve  formation  revealed that  only  two  cellular  compartments  and  the medium  could  be mathematically assigned (Table 1, model B), whereas three cellular compartments were expected in a  SIT‐mediated  uptake  mechanism.  In  principle  it  would  be  possible  that  one compartment has been  ‘invisible’  in our analysis of  the silicic uptake  regimes, as a 

Page 83: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

75

result of a very fast uptake kinetics in the first 1‐2 min after silicon replenishment, or a  result  of  its  small  size  or  very  low  silicon  content.  In  any  case  an  invisible compartment would also have  to display  fast kinetics, due  to  the high amount of silicon  that has  to be  transported  to  the SDV during  valve  formation. Still,  if  this would  have  occurred,  it was  not  possible  to  directly  correlate model  B  (Table  1) mathematically to the one for SITs‐mediated silicon uptake (Table 1, model F) since more  rate  constants  are  involved  and  because  the  rate  constant  k3  of model  B cannot be directly assigned to one of the constants in the model F. In order to assess whether  a  cellular  compartment  could  not  be  observed  and  to  investigate  how silicon uptake via model B could relate to SITs‐mediated uptake, the algorithms for these mechanisms were subjected to a closer  investigation  (in particular equations 2.12‐2.15 of model F  in supplement S2). Firstly, the magnitudes of the parameters and constants in model B were determined, whereas the silicic acid concentration in the medium (Cm) and the cell density (Cx)  in these equations were chosen equal to those in the experiments. The fitting and simulations of model B provided the order of magnitude  of  the  transport  rate  constants  (kup,  kef  and  k3)  and  of  the  silicon contents (N1 and N2) in all compartments (Table 2).   Table 2: magnitudes of the experimental and kinetic parameters and variables for P. laevis 

Parameter / variable  symbol  min.‐max. value  unity Si conc. medium  Cm  10‐6 ‐ 10‐3  mol/L cell density  Cx  107 ‐ 108  cell/L uptake rate constant  kup  10‐11 ‐ 10‐10  L/cell∙min 

efflux rate constant  kef  0 ‐ 10‐2  min‐1 third model B rate constant  k3  0 ‐ 10‐2  min‐1 

Si contents in all compartments   N1,2  0  ‐ 10‐12  mol/cell  The experiments were carried out on silicon starved cells  for which  the silicic acid concentration was assumed to be zero prior to replenishment of silicic acid. Under this condition it was expected that at the start of the experiment silicic acid was not present in any cellular compartment that is involved in valve morphogenesis. In view of  this  it  is obligatory  that all differential equations display a positive value at  the beginning of the experiment and this  limits the combinations of the transport rate values.  All  determined  parameters  (Table  2)  were  substituted  in  all  applicable equations  (i.e. eq. 2.12‐2.15, supplement S2), with varying values  for either kcs, ksc and  ksv  to  determine  which  rate  constant  values  yielded  positive  values.  This occurred when 0.01 < kcs < 0.1 min‐1, ksc = 0.01 min‐1, and ksv = 0.01 min‐1. All other combinations yielded a negative  value  for one or more differential equations and thus were rejected. Because the saturation time  is characteristic for each compartment,  it can be used to assign any “invisible” compartment. The saturation time was calculated from the values of dNx/dt (see eq. 2.12‐2.15, supplement S2) and the maximal silicon contents of the compartments (Ni, Table 3) via: 

      , max /char satdNt Ndt

=               (1)  

 The characteristic  saturation  time  (tchar,sat) of all compartments  involved displayed an order of magnitude of at least 100 minutes, indicating that the silicic acid content 

Page 84: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

76

in  the  applicable  compartments  was  still  changing  during  valve  formation  and expectedly would be observed. Therewith,  it was unlikely that the model  for SITs‐mediated uptake contained any “invisible” compartment and  that  this mechanism could not accommodate massive silicon transport for silica deposition during valve formation.  In  other words,  the  SITs‐mediated  silicon  uptake mechanism  did  not agree with the observed rapid 2‐D formation of the valve and alternative routes had to be assessed.   Table 3: Calculated magnitudes of minimum and maximum  rates dN/dt  (mol/(cell∙min)) and dVt/dt (L/(cell∙min)) and characteristic saturation times for models F and G for P. laevis.  

compartment  rate, eq. nr.  min.‐max value  char.  saturation time (min) 

Model F: SIT‐mediated transport cytoplasm  dNc/dt, 2.13  0 ‐ 10‐14  > 100 SDV  dNs/dt, 2.14  0 ‐ 10‐14  > 100 valve  dNv/dt, 2.15  0 ‐ 10‐14  > 100 Model G: transport vesicle‐mediated transport tr. vesicles   dVt/dt, 2.20  10‐11 ‐ 10‐10  0.1 ‐ 1 SDV  dNs/dt, 2.18  0 ‐ 10‐14  > 100  valve  dNv/dt, 2.19  0 ‐ 10‐14  > 100 Model H: macropinocytosis‐mediated transport SDV  dNs/dt, 2.21  0 ‐ 10‐14  > 100  valve  dNv/dt, 2.22  0 ‐ 10‐14  > 100 

  5.3.4 Mathematical assessment of alternative silicic uptake models in P. laevis. 

The outcome of our analysis  so  far was not  satisfactory and  initiated us  to define alternative pathways.  In view of the demand for high silicic acid concentrations for the  unidirectional  transformation  into  solid  silica  during  valve  formation  the following  mechanisms  were  selected:  i)  transport  vesicle‐mediated  uptake  and intracellular  transport  of  silicic  acid  towards  the  SDV,  containing  three  cellular compartments  (Table  1, model G)  and  ii)  (macro)pinocytosis‐mediated  uptake  of silicic acid from the medium, containing two cellular compartments (Table 1, model H) and where the initial vesicle transforms to become the SDV. Since the model for transport vesicle‐mediated silicon uptake contains three cellular compartments,  this  mechanism  only  applies  when  it  contains  an  invisible compartment  to match with  the observed dual uptake  regime  (Fig. 1). Therefore, the number of observable compartments in the model was assessed similarly as just explained by  varying  the  values  for kts, ksv and Vt. The actual  total  volume of  the transport vesicles  (Vt)  in  this model was unknown, but  this volume  logically never could exceed the total cell volume, being estimated at 7.4∙10‐10 L/cell.39 The values of the  parameters  were  substituted  in  equations  2.16‐2.19  (supplement  S2)  to calculate  the order of magnitude of  the  transport  rates  (i.e. dN/dt  and dVt/dt). A positive value for the differential equations was only obtained for kts > 10 min‐1, ksv = 0.01 min‐1, and Vt < 10‐11 L/cell. The saturation times for the different compartments were calculated  from  the values of dNx/dt  (eq. 2.16‐2.19,  supplement S2) and  the maximal Si contents of the compartments (Ni) or the maximal total transport vesicle volume (Vt, Table 3) via: 

Page 85: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

77

     , max ,max/ or / tchar sat t

dVdNt N Vdt dt

=           (2)  

The saturation time of the transport vesicle compartment appeared to be very  low (0.1‐1 min).  This means  that  at  the  applied  experimental  intervals  to  determine silicon uptake this rapid saturation could have been missed at the very early stage (i.e. the first 5 min) and at much later stages when 3‐D valve thickening occurred (> 60  min).  Mathematically,  however,  the  algorithms  for  a  mechanism  based  on transport  vesicle‐mediated  silicon  uptake  matches  only  with  those  of  the mechanism  including  two  cellular  compartments  (Table  1,  model  B)  at  high saturation rates of transport vesicle compartments (Supplement S3). This outcome prompted us to further focus on (macro)pinocytosis‐mediated silicon uptake (Table 1, model H).  In  this mechanism  it  is  hypothesized  that  a  larger  vesicle  is  formed intracellularly, which  subsequently  is  compressed  towards  the  cleavage  furrow by means  of  cellular  and  membrane  activity24,40  while  simultaneously  water  is exported41  so  that  silicic  acid  concentration  reaches  the  threshold  for autopolymerization  to  solid  silica.14  In  this  mechanism  two  distinct  cellular compartments  (vesicle plus solution and  the solid silica of  the valve) are  involved, matching exactly mathematically with model B (Table 1). Physiologically a transport vesicle‐mediated  and  the  (macro)pinocytosis‐mediated  uptake  mechanisms  are quite well related, but only if saturation of transport vesicles proceeds rapidly similar mathematical  principles  apply.  In  diatoms  a  combination  of  both  eventually may occur to enable the 2‐and 3‐dimensional expansion of the initial SDV,3,5 allowing the cell to better steer the process.  5.3.5 Kinetic parameters of (macro)pinocytosis‐mediated silicic acid uptake in P. laevis. 

Our comparative mathematical assessment revealed that silicic acid uptake during valve formation under standard culture conditions could be described by the model that involves (macro)pinocytosis events (model H, Table 1). In fact, this agreed well with  various  observations  such  as:  i)  the  nanostructural  variation  of  the  biosilica induced by  external  salinity,5  ii)  the  fluorescent probing  to monitor  the  rapid 2‐D development of new hypovalves,20,21 and iii) the high membrane activity in dividing diatoms  cells,24  in  particular  when  compression  of  a  initial  SDV  occurs  as  is suggested by  fluorescence characteristics of  the probe PDMPO20,27 and activity of aquaporins  to  export  water  from  the  SDV.41  In  order  to  determine whether  the model matched well with our experimental data, both were  fitted and  the kinetic parameters  and  rate  constants  were  calculated  for  different  silicic  acid concentrations  in  the medium  (Fig. 3a‐c). The value of all  transport  rate constants decreased  at  silicic  acid  concentrations  above  200  μmol/L, which may  imply  that diatoms have reached the optimal uptake rate and not necessarily need to acquire more  silicic  acid;  a  reasonable  explanation when  one  considers  that  a  surplus  of silicic acid would  require  intracellular storage, that never has been confirmed. The transport  rate  constants  kef  and  ksv  clearly obey  the Michaelis Menten  kinetics  at lower silicic acid concentrations  in  the medium. However,  for uptake of silicic acid (kup)  this was  less obvious, although Michaelis Menten kinetics could be expected (Table 4). This kup also displayed a high affinity for silicic acid as was deduced from the low Km value (2.0 μmol/L). The rate constant for valve formation (ksv) revealed a much higher Km value (12 μmol/L), whereas the Km value of the efflux rate constant 

Page 86: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

78

kef  even was  higher  than  any  of  the  other  rate  constant  (22  μmol/L). Using  the obtained  rate  constants  the  concentration  of  silicon  species  in  the  SDV  (Ns)  and valve (Nv) were calculated (Fig. 4).     

 

 Figure  3:  Dependency  of  calculated  rate  constants  in  Pleurosira  laevis  on  different  silicic  acid concentrations  in the medium. A) rate constant  for uptake of silicic acid  (kup)  from the medium, B) rate constant for efflux of silicic acid (kef) from cell, and C) rate constant for transformation of silicic acid to solid valve silica (ksv). The lines represents the Michaelis Menten kinetics.    Table 4: Michaelis Menten constants of the rate constants in macropinocytosis mediated silicic acid uptake (model H) for P. laevis 

Michaelis‐Menten constants rate constant 

transport process Km (μmol/L)  kmax  

kup  medium to SDV  2.0 ± 1.7  1.6 ± 0.16 ∙ 10‐10 L∙(cell∙min)‐1 kef  efflux to medium  22 ± 10  3.5 ± 0.57 ∙ 10‐2  min‐1 ksv  SDV to valve  12 ± 11  3.1 ± 0.73 ∙ 10‐2 min‐1 

 

Page 87: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

79

  Figure 4: A typical result (MicroMath Scientist® plot) obtained by fitting total silicic acid uptake per cell (■) to model H and by simulation with the rate constants determined for synchroneously dividing cells  of  Pleurosira  laevis  at medium  concentration  of  silicic  acid  of  490  μmol/L.  The  straight  line represents the fitted total silicon  in cell, the dashed  line Si  in SDV, the dotted  line the silicon that  is deposited  in the valve. All concentrations are at the  level of 10‐15 mol Si/cell. For all datasets similar results were obtained (not shown).  This  exercise  showed  that  the  silicic  acid  content  in SDV  (Ns)  reached  a maximal value between 1‐2 hrs, well coinciding with the rapid valve formation as determined by fluorescent probing.20,21 The maximal silicic acid content  in the SDV (Ns, Fig. 5a) depended on the silicic acid concentration in the medium and appeared to increase from zero to maximal values of in the range of 3.2∙10‐13 mol/cell; the latter occurring when 200‐300 μmol/L silicic acid was present  in  the medium. At higher silicic acid concentrations in the medium the maximal content of the SDV decreased, agreeing with the decrease in the experimentally determined rate constant values (Fig. 3).   

 Figure 5: The calculated maximal maximum amount of Si  in the SDV  (Ns  in mol cell‐1)  in Pleurosira laevis depending on silicic acid concentration in the medium (A), and the determined cell volume (in %) occupied by SDV (B). For the latter, the volumes where calculated for silicon concentrations inside the SDV at 2 mmol/L. 

Page 88: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

80

 It was investigated whether the amount of silicic acid in the SDV (Ns in mol/cell) was sufficient to initiate silica polymerization, i.e. the silicic acid concentration inside the SDV  should  reach  the  required  threshold  of  2 mmol/L.14 The  volume  of  the SDV correlating  with  this  concentration  was  calculated.  With  this  information  the percentage of cell volume occupied by the SDV could then be estimated (Fig 5B). To maintain  the  silicon  concentration  at  the  saturation  level  of  2  mmol/L  an  SDV volume  reaching  up  to  22%  of  the  cell  volume  (200  μmol/L  silicic  acid  in  the medium) is required. Due to the decreased silicic acid uptake at increasing medium concentrations (Fig. 2 and 5A) a lower SDV volume is sufficient (Fig. 5B). Apparently, the calculated silicon concentrations of the SDV (Ns) and its volume dependency for silica deposition yielded plausible conditions to achieve valve formation in P. laevis. Noteworthy  is  that  in  probing  valve  morphogenesis,  the  fluorescence  intensity increases at higher  silica  concentrations,27 while  in parallel  the  shape of  the SDV, and  potentially  its  volume,  changes  upon  compression  towards  the  cleavage furrow.20,21   5.3.6 Compartmental analyses for other diatom species  

To  confirm  whether  the  approach  for  P.  laevis  applied  to  other  species,  we performed  the  same  compartmental  analysis  on C. wailesii, N.  pelliculosa,  and N. salinarum, using the obtained experimental data on silicic acid uptake. By assessing the number of cell compartments being  involved  in silicic acid uptake during valve formation, it appeared that the mechanism comprised of a maximum of two cellular compartments (SDV and the solid silica of the valve, Table 1, models B and H) was favoured.  Similar  to  P.  laevis,  the  involved  rate  constants  (kup,  kef  and  ksv),  the maximal silicon content in the SDV (Ns), and the volume of the SDV were calculated (Table 5).   Table  5:  Rate  constants  and  other  parameters  for  N.  pelliculosa,  N.  salinarum  and  C.  wailesii describing silicic acid uptake by macropinocytosis (model H) under standard culture conditions 

Organism    N. pelliculosa  N. salinarum  C. wailesii cell volume  L/cell  7.86∙10‐15  1.37∙10‐12  2.40∙10‐8 [Si] medium  μmol/L  140  317  456  kup  L∙(cell∙min)‐1  2.53∙10‐16  2.66∙10‐14  9.42∙10‐10  kef  min‐1  0.00739  0.0188  0.0656 ksv  min‐1  0.00813  0.0253  0.00565 Ns,max  mol/cell  1.58∙10‐18  1.66∙10‐16  5.76∙10‐12 vol SDV (2 mmol/L Si)  % cell vol.  10.0  6.05  12.0 

 Again  the  uptake  rate  constant  (kup)  and  the  silicic  acid  content  in  the  SDV  (Ns) depended on the cell volume comparable to what has been determined for P. laevis. For  the  three  species  the  rate  constants  for efflux  (kef) and  transport  to  the valve (ksv) were in the same order of magnitude as was observed in P. laevis (Table 5). The SDV volumes varied somewhat between species and occupied respectively 6.1‐12% of  the  cell  volume  ([Si(OH)4]  in  SDV  =  2 mmol/L), which  demonstrated  that  the obtained results are plausible for silica polymerization and thus valve formation.  In view of  cell physiology,  the  (macro)pinocytosis‐mediated uptake of  silicic acid  for valve  formation proved  to be  the best performing one,  in particular when  soluble 

Page 89: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

81

silicic  acid  inside  this  vesicle,  or  potentially  the  premature  SDV,  concentrates towards saturation levels during compression and 2‐D orientation upon maturation.  

5.4 Discussion and Conclusions To  our  best  knowledge  a  detailed  compartmental  analysis  for  studying  uptake kinetics of silicic acid during valve formation in diatoms has not been reported. This combined  experimental  and  mathematical  approach  allowed  us  to  assess  the number of compartments involved by correlating uptake parameters of 31Si‐labelled silicic  acid  to  a  series  of models. Our  data  revealed  that  during  valve  formation uptake mechanisms in which two cellular compartments are involved matched best to  the  experimentally  identified  uptake  regimes.  Irrespective  to  the  presence  of SITs16,19,22,42 it was not possible to assign SIT‐mediated silicon uptake and transport as  the major mechanism  in diatom valve  formation. The SITs‐mediated uptake as proposed by Thamatrakoln8 would  require  intracellular  transport and  involvement of an additional compartment and only applies when this compartment cannot be discerned due to its rapid processing and saturation. Because SIT expression follows the initial stage of valve formation19 it seems unlikely that they take part in the first 1‐2 hrs when the 2‐D valve structure is deposited.20,21 

 Based  on  the  models  two  mechanisms  for  uptake  of  silicic  acid  during  valve formation  are  favoured.  One  involves  a  process  of  pincocytosis  combined  with rapidly saturating vesicles that form the SDV. The other assigns (macro)pinocytosis‐mediated  silicon  uptake  and  subsequent  transformation  of  the  vesicle  and  its content of silicic acid to respectively become the SDV and the solid silica. The latter mechanism agrees with silicon uptake that is described in plants26 and recently has been proposed to explain the effect of ionic strength on the nanostructure of diatom biosilica.5  (Macro)pinocytosis  possibly  coincides  with mechanisms  to  change  the vesicles  into  the primary SDV  that upon maturation quickly becomes compressed towards  the  cleavage  furrow. The observations  for a high  cellular and membrane activity in dividing diatoms cells24,40 as well as the suggested dehydration of the SDV by  aquaporins41  and  simultaneous  silica  concentration  as  seen  in  fluorescent probing20,21,27 all support such a SDV molding pathway. This pathway surely would explain a simple cost‐effectively mechanism to efficiently contain and concentrate silicic  acid  at  the  proper  location,  not  requiring  any  intracellular  transport  and/or stabilization  to  prevent  autopolymerization.  This  also  is  in  line with  observations that  diatom  silicification  proceeds  rather  independent  to  other  metabolic processes.9,10  Yet,  further  research  is  required  to  confirm  this  (macro)pinocytosis process.  The (macro)pinocytosis‐mediated uptake outperformed the other mechanisms, well matched  our  experimental data,  and  could  account  for uptake  of  sufficient  silicic acid to produce at least the initial 2‐D base of the new hypovalve. The transport rate constants  for  silicic acid uptake as well as  its  transport  inside  the  cell obeyed  the Michaelis‐Menten kinetics  (Fig.  3 and Table 4) and  this agreed well with previous observations (8, 9 and references in both). The affinities for the silicic acid uptake and intracellular transport processes clearly differed as was displayed in the Km values of 

Page 90: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

82

the  rate  constants. The high affinity  for  silicic acid of  the uptake process – which relates to the cell’s absolute need for silicic acid – was determined from the low Km value of the rate constant kup (2.0 ± 1.7 μmol/L Si; Table 4) and should enable the cell to  take  up  silicic  acid  very  efficiently.  The Km  value  of  silicic  acid  transformation inside the SDV to solid silica of the valve (ksv) was clearly higher (12 ± 11 μmol/L Si), suggesting  that a  threshold value has  to be  reached  to  initiate valve  formation.  In this respect, one should notice that a threshold of silicic acid controls the expression of DNA polymerase for DNA transcription in diatom cell division25 and of interest is to  find  out  whether  these  transcription  and  valve  formation  thresholds  have  a concerted mode action  to  fully control  the cell division process  in diatoms and  to assure that cell division only proceeds when sufficient silicon is available. The efflux of  silicic  acid  from  the  cells  occurred  only  at  very  high  external  silicic  acid concentrations  and  only  under  these  conditions  the  affinity  of  the  efflux  rate constant  (kef) was estimated higher  than  the other  rate constants. Elevated efflux rates are expected to ensure that a surplus of silicic acid is not built up in the cell and should be considered a feed back mechanism. Our compartmental analysis suggests that the SDV volume is of importance in view of  the  increasing  internal silicic acid concentration  (Fig. 5b and Table 5) and most probably  is adjusted or molded by cellular activity during 2‐D development of  the new hypovalve. Molding of the SDV has been described (1, 3 and references in both), whereas  a  high membrane  activity  is  observed  during  diatom  cell  division.24  The calculated  vesicle  volumes  to  enable  silica  polymerization  to  form  the  new hypovalve are quite reasonable and even quite well correlate with the observed pale fluorescent vesicles that are observed in studying valve morphogenesis.20,21,27 Upon maturation this vesicle, potentially the initial SDV, is directed and flattened towards the  cleavage  furrow.  If  simultaneously  water  is  expelled41  the  SDV  constituents concentrate allowing silicic acid to polymerize when the proper saturation level has been  reached.14  This  concentration  is  supported  by  the  intensity  change  of  the compound used in fluorescent probing.27 It should also be noted that the saturation level not only depends on the presence of other ions, but on their concentrations as well. Both  steer  the polymerization  reaction13,14 and could account  for  the  salinity effect on  the nanostructure of  the biosilica.5  (Macro)pinocytosis‐mediated uptake enables the fast silicon uptake kinetics which has been referred to as surge uptake (8 and  references  therein) and well explains  the high demand  for  silicic acid  to  form new hypovalves. With  respect  to  cell  biology  and  physiology  diatoms may  have  evolved  separate pathways for uptake and transport of silicic acid allowing the cell to distinctively use one  for  rapid  uptake  of  larger  amounts  of  silicic  acid  during  valve  formation. Another one could be responsible for silicic acid uptake/transport for use of silicon in different  processes.  Presence  of  silicon  inside  cytoplasm  and  organelles  (e.g. mitochondria,  microsomes,  chloroplasts)  as  well  as  its  role  in  controlling  DNA replication  indicates  that  silicon  is  constitutively  present.12,25  Since  SITs  become expressed when valve formation has progressed largely,19 it also seems unlikely that these transporters are  involved  in valve formation when bulk uptake  is essential. In line  with  observations  of  Thamatrakoln8  SITs‐mediated  silicon  transport  would account for uptake of silicon at low concentrations and/or small quantities, making it tempting to suggest that SITs are used to control intracellular silicon concentrations 

Page 91: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

83

at  locations  other  than  the  SDV.  In  contrast,  (macro)pinocytosis  could  largely account  for  silicic  acid  uptake  during  valve  formation.  Further  research  should indentify the components of the molecular machinery involved to see whether they are specifically activated and controlled prior, during and following valve formation. 

5.5 References  1. Pickett‐Heaps  JD, Schmid AMM, Edgar LA  (1990) The cell biology of diatom valve  formation. 

Progr Phycol Res 7:1‐168. 2. Round FE, Crawford FM, Mann DG  (1990) Diatoms: The biology and morphology of  the genera 

(Cambridge Univ Press, Cambridge, UK). 3. Gordon R, Drum RW (1994) The chemical basis of diatom morphogenesis. Int Rev Cytol 150: 243‐

272. 4. Vrieling EG, Gieskes WWC, Beelen TPM (1999) Silicon deposition in diatoms: Control by the pH 

inside the silicon deposition vesicle. J Phycol  35:548‐559. 5. Vrieling EG, Sun Q, Tian M, Kooyman PJ, Gieskes WWC,  van Santen RA, Sommerdijk NAJM 

(2007)  Salinity‐dependent  diatom  biosilicification  implies  an  important  role  of  external  ionic strength. Proc Natl Acad Sci USA 104:10441‐10446. 

6. Lopez PJ, Descles J, Allen AE, Bowler C (2005) Prospects  in diatom research. Curr Opin Biotech 16:180‐186. 

7. Wong  Po  Foo  C, Huang  J, Kaplan DL  (2004)  Lessons  from  seashells:  silica mineralization  via protein templating. Trends biotech 22:577‐585. 

8. Thamatrakoln K, Hildebrand M (2008) Silicon uptake in diatoms revisited: A model for saturable and nonsaturable uptake kinetics and the role of silicon transporters. Plant Physl 146:1397‐1407. 

9. Martin‐Jézéquel  V,  Hildebrand  M,  Brzezinski  MA  (2000)  Silicon  metabolism  in  diatoms: implications for growth. J Phycol 36:821‐840. 

10. Claquin P, Martin‐Jezequel V  (2002) Uncoupling of silicon compared with carbon and nitrogen metabolisms and  the  role of  the  cell  cycle  in  continuous  cultures of Thalassiosira  pseudonana (Bacillariophyceae) under light, nitrogen, and phosphorus control. J Phycol 38:922‐930 

11. Coombs  J,  Volcani  BE  (1968)  Studies  on  the  biochemistry  and  fine  structure  of  silica‐shell formation in diatoms. Chemical changes in the wall of Navicula pelliculosa during its formation. Planta 82:280‐292. 

12. Mehard CW, Sullivan CW, Azam F, Volcani BE  (1974) Role of  silicon  in diatom metabolism. 4. Subcellular‐localization of silicon and germanium  in Nitzschia‐alba and Cylindrotheca‐fusiformis. Phys Plant 30:265‐272. 

13. Del Amo Y, Brzezinski MA (1999) The chemical form of dissolved Si taken up by marine diatoms. J Phycol 35:1162–1170. 

14. Iler RK (1979) The chemistry of silica (John Wiley & Sons, New York).  15. Brinker CJ, Scherer GW (1990) Sol‐Gel science (Academic, New York). 16. Hildebrand  M,  Volcani  BE,  Gassmann  W,  Schroeder  JI  (1997)  A  gene  family  of  silicon 

transporters. Nature  385:688‐689.  17. Hildebrand M (2000) Silicic acid transport and its control during cell wall silicification in diatoms. 

in  Biomineralization;  from  Biology  to  Biotechnology  and medical  Application,  ed  Baeuerlein  E (Wiley‐VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany), pp. 171‐188. 

18. Hildebrand M  (2003) Biological processing of nanostructured  silica  in diatoms. Progr Org Coat 47:256‐266. 

19. Thamatrakoln K, Hildebrand M  (2007) Analysis of Thalassiosira pseudonana silicon transporters indicates distinct  regulatory  levels and  transport activity  through  the cell cycle. Eukaryotic Cell 6:271‐279. 

20. Hazelaar  S,  van  der  Strate  HJ,  Gieskes  WWC,  Vrieling  EG  (2005)  Monitoring  rapid  valve formation in the pennate diatom species Navicula salinarum (Bacillariophyceae). J Phycol 41:354‐358. 

21. Heredia A, van der Strate HJ, Delgadillo I, Basiuk VA, Vrieling EG (2008) Analysis of organo‐silica interactions  during  valve  formation  in  synchroneously  growing  cells  of  the  diatom  Navicula pelliculosa. ChemBioChem 9:573‐584. 

Page 92: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

84

22. Thamatrakoln K, Alverson AJ, Hildebrand M  (2006) Comparative  sequence analysis of diatom silicon transporters: Toward a mechanistic model of silicon transport. J Phycol 42:822‐834. 

23. Gröger C, Sumper M, Brunner E  (2008) Silicon uptake  and metabolism of  the marine diatom Thalassiosira  pseudodana:  Solid‐state  Si‐29  NMR  and  fluorescence  microscopic  studies.  J Structural Biol 161:55‐63. 

24. Kühn  S,  Brownlee  C  (2005)  Membrane  organisation  and  dynamics  in  the  marine  diatom Coscinodiscus wailesii (Bacillariophyceae). Bot Mar 48:297‐305.  

25. Okita  TW,  Volcani  BE  (1977)  The  deoxyribonucleic  acid  polymerases  from  the  diatom Cylindrotheca  fusiformis.  Partial  purification  and  characterization  of  four  distinct  activities. Biochem J 167:601‐610. 

26. Neumann D, De Figueirdo C (2002) A novel mechanism of silicon uptake. Protoplasma 220:59‐67. 27. Shimizu K, Del Amo Y, Brzezinski MA, Stucky GD, Morse DE  (2001) A novel  fluorescent  silica 

tracer for biological silicification studies. Chem Biol 8:1051‐1060. 28. Shipley  RA,  Clark  RE  (1972)  Tracer  methods  for  in  vivo  kinetics  –  Theory  and  applications, 

(Academic Press, New York, London). 29. Krijger GC, Harms AV, Leen R, Verburg TG, Wolterbeek B (1999) Chemical forms of technetium 

in tomato plants; TcO4‐, Tc‐cysteine, Tc‐glutathione and Tc‐proteins. Env Exp Bot 42:69‐81. 

30. Kolar  ZI,  (1990)  Tracing  of  interfacial  transport  of matter  in  solid‐liquid  systems  in  dynamic equilibrium. J Trac Micropro Techn 8:103‐120. 

31. Kolar  ZI,  Verburg  TG,  van  Dijk  HJM  (2002)  Three  kinetically  different  inorganic  phosphate entities  in  bovine  casein micelles  revealed  by  isotopic  exchange method  and  compartmental analysis. J Inorg Biochem 90:61‐66.  

32. Shipe  RF,  Brzezinski  MA  (1999)  A  Study  of  Si  Deposition  Synchrony  in  Rhizosolenia (Bacillariophyceae) Mats Using a Novel 32Si Autoradiographic Method. J Phycol 35:995‐1004. 

33. Azam F, Hemmings BB, Volcani BE  (1973) Germanium  incorporation  into  silica of diatom cell‐walls. Arch Microbiol 92:11‐20.  

34. Firestone BR, Shirly VS (1996) Table of isotopes, 8th ed. (John Wiley & Sons, New York). 35. Brasser  HJ,  Gürboğa  G,  Kroon  JJ,  Kolar  ZI, Wolterbeek  HT,  Volkers  KJ,  d  Krijger  GC  (2006) 

Preparation of 31Si‐labelled silicate: a radiotracer for silicon studies  in biosystems. J Label Comp Radiopharm 47:867‐882. 

36. Brasser HJ, Krijger GC, Wolterbeek HT  (2008) On  the beneficial  role of silicon  to organisms: A case study on the importance of silicon chemistry to metal accumulation in yeast. Biol Trace Elem Res 125:81‐95. 

37. Veldhuis MJW, Admiraal W  (1987)  Influence of phosphate‐depletion on  the growth and colony formation of Phaeocystis‐pouchetii. Mar Biol 95:47‐54. 

38. van ‘t Riet K, Tramper J (1991) Basic bioreactor design. (Marcel Dekker inc., New York).  39. Snoeijs P, Busse S, Potapova M (2002) The importance of diatom cell size in community analysis. 

J Phycol 38:265‐272. 40. Schmid AMM (1986) Wall morphogenesis in Coscinodiscus Wailesii Gran et Angst II: cytoplasmic 

events  of wall morphogenesis.  in  Proceedings  of  the  8th  International  Diatom  Symposium,  ed Richard M (Koeltz, Königstein, Germany), pp 293‐314. 

41. Grachev  MA,  Annenkov  VV,  Likhoshway  YV  (2008)  Silicon  nanotechnologies  of  pigmented heterokonts. Bioessays 30:328‐337. 

42. Armbrust EV, Berges JA, Bowler C, Green BR, Martinez D, Putnam NH, Zhou SG, Allen AE, Apt KE,  Bechner M,  et  al.  (2004)  The  genome  of  the  diatom  Thalassiosira  pseudodana:  Ecology, evolution, and metabolism. Science 306:79‐86 

Page 93: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

85

5.6 Supplement 1: mass transfer over Nernst layer The cell is surrounded by a laminar water layer known as the Nernst layer, and silicic acid that is taken up has to pass this layer. Mass transport inside the Nernst layer is determined by diffusion, so it is of importance to assess whether this process is rate limiting for uptake kinetics. Following van ‘t Riet & Tramper1 the mass transfer flux by diffusion (F) over the boundary layer to the cell (in mol/cell/s) is calculated:    ( )water cellF k A C C k A C= ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅Δ   (1.1) with mass  transfer  coefficient  k  (m∙s‐1),  area  of  the  cell A  (5∙10‐8 m2),  silicic  acid concentration (in mol∙m‐3) in the medium Cmedium and in the cell Ccell. The value of k is calculated with the Sherwood number (Sh): 

 k dShD⋅

=   (1.2) 

with d as the diameter of the cell, and D as the diffusion coefficient in water (1∙10‐9 m2∙s‐1).  The  value  of  k  is  calculated  for  the  utmost  limiting  condition;  i.e. when convection  in  the  liquid  is  absent  (thus  no  stirring  or  mixing).  In  this  case  the Sherwood number has the value of 2. This yields a k value: 

 2 Dkd⋅

=   (1.3) 

When  flux  F  is  calculated with  this  k  value  the  following  transport  rates over  the Nernst  layer  were  calculated.  These  values  were  compared  to  experimental observed uptake rates (table S1.1).  Table  S1.1:  Silicic  acid  transport  rates  over  the Nernst  layer when medium  convection  is  absent (column 4) compared to experimental observed uptake rates (column 5) in Pleurosira laevis, Navicula pelliculosa, N. salinarum and Coscinodiscus wailesii.  

Organism  diameter cell 

concentration gradient ΔC 

diffusion transport rate 

observed uptake rate 

  m  μmol/L  mol∙(cell∙min)‐1  mol∙(cell∙min)‐1 P. laevis  1∙10‐4  1  6 ∙ 10‐14  3 ∙ 10‐17     10  6 ∙ 10‐13  8 ∙ 10‐16     100  6 ∙ 10‐12  2 ∙ 10‐15     1000  6 ∙ 10‐11  1 ∙ 10‐14 N. pelliculosa  2∙10‐6  100  2 ∙ 10‐13  2 ∙ 10‐20 N. salinarum  1∙10‐5  100  1 ∙ 10‐12  4 ∙ 10‐18 C. wailesii  4∙10‐4  100  1 ∙ 10‐11  4 ∙ 10‐13 

 It was calculated that the silicic acid flux F per cell  is at  least 25 times higher for all organisms than the observed uptake rate per cell, so diffusion over the Nernst layer is not rate limiting. Consequently, silicic acid uptake should be considered the active uptake of the cell itself. This means that presence of the Nernst layer does not have to be included in the compartmental analysis for which models for silicic acid uptake were defined.  5.6.1 Reference 

1. van ‘t Riet K, Tramper J (1991) Basic bioreactor design. (Marcel Dekker inc., New York).  

Page 94: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

86

5.7 Supplement 2: mathematical formulation of the models All  models  are  based  on  first  order  kinetics  mass  transport  between  different compartments within a closed system,1 and are valid for Si‐limited diatom cells that do not contain intracellular silicic acid pools at the moment the uptake experiments were started (t=0). After replenishment the cells start to take up silicic acid and the different  compartments  of  the  cell will  start  to  be  filled.  The whole  uptake  and transport  system  expectedly  consists  of  the  medium  and  the  different  cellular compartments (Table S2.1).   Table  S2.1:  The  defined  models  based  on  current  knowledge  the  presence  of  distinctive compartments  model  No. of 

compartments Compartments  Remarks 

  in cell  in total     Models for determination of number of compartments 

A  1  2  Medium and cell   the cell is a black box B  2  3  Medium, 2 cell compartments   unidirectional flux to last compartment  C  2  3  Medium, 3 cell compartments  unidirectional flux to last compartment  D  3  4  Medium, 2 cell compartments   bidirectional flux to last compartment  E  3  4  Medium, 3 cell compartments   bidirectional flux to last compartment  

Models based on physiological knowledge and speculation 

F  3  4 Medium, cytoplasm, SDV, silica  

SIT‐mediated transport 

G  3  4 Medium, transport vesicles, SDV, silica  

transport vesicle‐mediated transport 

H  2  3  Medium, SDV, silica  macropinocytosis mediated transport 

 Note that the medium is regarded as a separate compartment. Silicic acid uptake of from the medium is determined by the transport rate constant kup, and efflux from the cell to the medium by kef (all models). The defined models were separated into two  categories:  category  1  (Models  A‐E)  is  used  to  determine  the  number  of experimentally observable compartments  in  the cell, and category 2  (Models F‐H) describe silicic acid uptake and  transport during valve  formation based on current physiological data. Synchroneously dividing diatoms generally need at least about 8 hours to finish valve formation and cell separation;2‐5 within this time frame the cell density does not alter so that the growth rate does not affect the models.  5.7.1 Determination of the number of compartments (Model A – E) 

To determine  the number of compartments  that can be experimentally discerned, five models (A – E) were formulated, comprising 1 to 3 cellular compartments; thus 2 – 4 compartments when the medium  is  included (Table 1/S2.1).  In models B and C the  assumption was  that  silicic  acid  in  the  final  cellular  compartment  transforms fully  into  solid  valve  silica6  and  as  such  is  not  transported  back  to  another compartment of the cell. The transport towards the final compartment therefore is considered a unidirectional flux. Nevertheless, to confirm this assumption, models D and E were formulated that each include a reflux from the final compartment.  

Page 95: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

87

5.7.1.1 Model A: the cell as black box (no separate compartments in the cell) 

 → kup  medium ← kef 

cell 

 Parameters Cm  silicic acid concentration in the medium (mol/L) Cx  cell density of the culture (cell/L) Ntotal  mol Si taken up by the entire cell (mol/cell)  Transport rate constants kup  from medium to cell (L/(cell∙min)) kef  from cell to medium (min‐1)  Algorithms to determine transport from and into the compartments involved: 

Medium:    mef total x up m x

dC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.1)

    

Cell:   totalup m ef total

dN k C k Ndt

= ⋅ − ⋅   (2.2)

                    5.7.1.2 Model B: two cellular compartments and an unidirectional flux to the  final compartment 

 → kup   

  → k3 medium ← kef 

 comp 1 

   

 comp 2 

 

 Additional parameters and transport rates in comparison to model A: N1  mol Si in compartment 1 (mol/cell) N2  mol Si in compartment 2 (mol/cell) k3  from compartment 1 to compartment 2 (min‐1)   In model  B  the  total  amount  of  silicic  acid  in  the  cell Ntotal  consists  of  the  total amount of silicic acid in the compartments 1 and 2 (N1 and N2):  1 2totalN N N= +   Algorithms to determine transport from and into the compartments involved: 

Medium:  1m

ef x up m xdC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.3)

     

Cellular compartment 1:      13 1( )up m ef

dN k C k k Ndt

= ⋅ − + ⋅   (2.4) 

Page 96: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

88

 

Cellular compartment 2:     23 1

dN k Ndt

= ⋅     (2.5) 

  

5.7.1.3 Model C: three cellular compartments and an unidirectional flux tothe  final compartment 

 → kup  → k3   

    → k5 medium ← kef 

comp 1 ← k4 

 comp 2 

   comp 3 

 Additional parameters and transport rates in comparison to model B N3  mol Si in compartment 3 (mol/cell) kup  from medium to compartment 1 (L/(cell∙min)) k4  from compartment 2 to compartment 1 (min‐1)  k5  from compartment 2 to compartment 3 (min‐1)  

In model C the total amount of silicic acid in the cell (Ntotal) consists of the total  

amount  of  silicic  acid  in  compartments  1,  2  and  3  (N1,  N2  and  N3): 

1 2 3totalN N N N= + +   Algorithms to determine transport from and into the compartments involved:  

Medium:  1m

ef x up m xdC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.3) 

 

Cellular compartment 1:  14 2 3 1( )up m ef

dN k C k N k k Ndt

= ⋅ + ⋅ − + ⋅   (2.6) 

 

Cellular compartment 2:  23 1 4 2 5 2

dN k N k N k Ndt

= ⋅ − ⋅ − ⋅   (2.7) 

 

Cellular compartment 3:  35 2

dN k Ndt

= ⋅     (2.8) 

Page 97: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

89

5.7.1.4 Model D: two cellular compartments and a bidirectional flux between all cellular compartments (i.e. model B with efflux from the final compartment included)  

 → kup  → k3    medium ← kef 

 comp1 

  ← k4 

 comp2 

 

 Additional parameters and transport rates in comparison to model B k4  efflux from compartment 2 to compartment 1 (min‐1)   The total amount of silicic acid in the cell Ntotal consists of the total amount of silicic acid in compartments 1 (N1) and 2 (N2):  1 2totalN N N= +   Algorithms to determine transport from and into the compartments involved:  

Medium:  1m

ef x up m xdC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.3) 

 

Cellular compartment 1:  14 2 3 1( )up m ef

dN k C k N k k Ndt

= ⋅ + ⋅ − + ⋅   (2.6) 

 

Cellular compartment 2:  23 1 4 2

dN k N k Ndt

= ⋅ − ⋅   (2.9) 

  

5.7.1.5 Model E: three cellular compartments and a bidirectional flux between all cell compartments (i.e. model C with efflux from the final compartment included) 

 → kup  → k3  → k5      medium 

← kef comp 1 

← k4 comp 2 

← k6 comp 3 

 Additional parameters and transport rates in comparison to model C k6  from compartment 3 to compartment 2 (min‐1)  

The total amount of silicic acid in the cell (Ntotal) consists of the total amount of silicic acid in compartments 1, 2 and 3 (N1, N2 and N3):  1 2 3totalN N N N= + +   Algorithms to determine transport from and into the compartments involved:  

Medium:  1m

ef x up m xdC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.3) 

 

Cellular compartment 1:  14 2 3 1( )up m ef

dN k C k N k k Ndt

= ⋅ + ⋅ − + ⋅   (2.6) 

 

Page 98: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

90

Cellular compartment 2:  23 1 6 3 4 5 2( )dN k N k N k k N

dt= ⋅ + ⋅ − + ⋅   (2.10) 

 

Cellular compartment 3:  35 2 6 3

dN k N k Ndt

= ⋅ − ⋅   (2.11) 

  

5.7.2 Description of silicic acid transport by means of SITs (model F), transport vesicles (model G) and macropinocytosis mediated transport (model H) 

Three mechanisms were defined for transport of silicic acid from the medium to the SDV  based  on  current  physiological  data.  These  were:  i)  transport  by means  of silicon  transporters  (SITs;  model  F),  ii)  transport  vesicle‐mediated  uptake  and intracellular  transport  (model  G),  and  iii)  (macro)pinocytosis‐  mediated  uptake (model H).  The  siliceous  valve  inside  the  SDV  in  all models was  considered  as  a chemically different type of compounds (solid silica) and distinguished as a distinct compartment.  The  transport  process  from  SDV  to  the  solid  valve  silica  in  fact represents the silica polymerization reaction that occurs  inside the SDV. The silicic acid concentration in the SDV should be high enough to initiate the polymerization reaction.7 Moreover,  the SDV appears  to acidify  in  the  course of  valve  formation, which favours the polymerization of free silicic acid and inhibits dissolution of silica.5 Therewith it is reasonable to assume that silicic acid in the SDV is fully transformed to solid silica that not dissolves (efflux of silicic acid); the efflux from solid valve silica to silicic acid in the SDV thus is excluded in the models.  5.7.2.1 Model F: Silicon transporters (SITs) mediated uptake and transport  

This mechanism describes the active uptake of silicic acid from the medium over the cell wall into the cytoplasm and transport (assumingly in an yet unknown stabilized form8‐11)  to  the  SDV  where  the  valve  is  formed.  This  model  describes  a  four‐compartments system comprised of the medium, the cytoplasm, the SDV and the siliceous  valve.  It  should  be  noted  that  the mathematical  description  of  the  SIT‐mediated uptake mechanism is identical to model C.   

→ kup  → kcs   

    → ksv medium ← kef 

cytoplasm ← ksc 

 SDV    

valve 

 Parameters Cm  silicic acid concentration in medium (mol/L) Cx  cell density of culture (cell/L) Ntotal  mol Si in entire cell (mol/cell) Nc  mol Si in cytoplasm compartment (mol/cell) Ns  mol Si in SDV compartment (mol/cell) Nv  mol Si in valve compartment (mol/cell)   

Page 99: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

91

Transport rate constants kup  from medium to cytoplasm (uptake) (L/(cell∙min)) kef  from cytoplasm to medium (efflux) (min‐1) kcs  from cytoplasm to SDV (min‐1)  ksc  from SDV to cytoplasm (min‐1)  ksv  from SDV to valve (min‐1)  

The total amount of silicic acid in the cell (Ntotal) consists of the amount of silicic acid in  the  cytoplasm,  the  SDV  and  the  siliceous  valve  (Nc,  Ns  and  Nv): 

total c s vN N N N= + +  Algorithms to determine transport from and into the compartments involved:  

Medium:   mef c x up m x

dC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.12) 

 

Cytoplasm:  ( )cup m sc s ef cs c

dN k C k N k k Ndt

= ⋅ + ⋅ − + ⋅   (2.13) 

 

SDV:  scs c sc s sv s

dN k N k N k Ndt

= ⋅ − ⋅ − ⋅   (2.14) 

 

Valve:  vsv s

dN k Ndt

= ⋅   (2.15) 

   5.7.2.2 Model G: transport vesicles mediated uptake and transport 

According to this mechanism silicic acid  is taken up by pinocytosis and transported to  the  SDV  by means  of  transport  vesicles. Morphological  studies  have  revealed presence of vesicles that fuse to the expanding SDV,12 which were initially denoted as silicon  transport vesicles  (STVs).  In addition an elevated membrane activity has been noticed  in dividing diatoms cells,13,14 which could enable molding of the SDV and its fusion with vesicles. During molding, water may be expelled.15 In this whole process,  the  silicic  acid  concentration  inside  the  transport  vesicles  is  considered equal to that of the medium. Since any potential efflux mechanism  involved  is not assigned, an efflux from the SDV (if existing) to the medium has been described by the aspecific  first order  transport  rate  constant kef. The  final model describes  the following  compartments:  the  medium,  the  transport  vesicles,  the  SDV  and  the siliceous valve.   

→ kup  → kts    

transport vesicles    → ksv medium ← kef 

SDV  

valve 

   

Page 100: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

92

Additional or altered parameters and transport rates in comparison to model F Nt  mol Si in transport vesicle compartment (mol/cell) kup  from medium to transport vesicles (overall rate constant) (L/cell/min) kef  from SDV to medium (aspecific rate constant) (min‐1)  kts  from transport vesicles to SDV (min‐1) ksv  from SDV to valve (min‐1)   

The total amount of silicic acid in the cell (Ntotal) consists of the amount of silicic acid in  transport  vesicles,  the  SDV  and  the  siliceous  valve  (Nt,  Ns  and  Nv): 

total t s vN N N N= + +   Algorithms to determine transport from and into the compartments involved: 

Medium:  mef s x up m x

dC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.16) 

Transport vesicles:  tup m ts t

dN k C k Ndt

= ⋅ − ⋅   (2.17) 

SDV:  ( )sts m t ef sv s

dN k C V k k Ndt

= ⋅ ⋅ − + ⋅   (2.18) 

Valve:  vsv s

dN k Ndt

= ⋅   (2.19) 

 The  silicic  acid  concentration  in  the  transport  vesicles  (Ct)  equals  the  silicic  acid concentration  in  the medium  (Cm). With  Vt  as  the  total  volume  of  the  transport vesicles (in L/cell) Nt can be rewritten:  t m tN C V= ⋅   This yields the differential equations:  

Medium:  mef s x up m x

dC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.16) 

 

Transport vesicles:  ( )t sup ts ef x up x t

m

dV Nk k k C k C Vdt C

= − + ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.20) 

 

SDV:  ( )sts m t ef sv s

dN k C V k k Ndt

= ⋅ ⋅ − + ⋅   (2.18) 

 

Valve:  vsv s

dN k Ndt

= ⋅   (2.19) 

  

Page 101: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

93

5.7.2.3 Model H: uptake and transport by means of macropinocytosis 

This mechanism describes  the uptake of  a  large  amount of  silicic  acid  containing medium by macropinocytosis.  It  is hypothesized that this  large vesicle (assumingly the initial SDV) is transformed into the SDV by compression of this vesicle towards the cleavage furrow in  line with the observed elevated cellular (membrane) activity in SDV moding13,14 and fluorescent probing studies.2,3,16 During compression, silicic acids  concentrates  ‐  potentially when water  is  expelled15  ‐  until  the  threshold  for silica polymerization  is reached and silica  is form. The  increase  in silica agrees with an increase in fluorescence intensity.2,3,16 The resulting model contains the following compartments: the medium, the SDV (originating from the pinocytosis vesicle) and the  siliceous  valve. Note  that  this model  is mathematically  identical  to model  B (Supplement 2.1).  

→ kup   

  → ksv medium ← kef 

 SDV    

 valve  

 Parameters, transport rates and constants  Cm  silicic acid concentration in medium (mol/L) Cx  cell density of culture (cell/L) Ntotal  mol Si in entire cell (mol/cell) Ns  mol Si in SDV compartment (mol/cell) Nv  mol Si in valve compartment (mol/cell) kup  from medium to SDV (macropinocytosis) (L/cell/min) kef  from SDV to medium (aquaporins ?) (min‐1)  ksv  from SDV to valve (min‐1)   Ntotal consists of the amount of silicic acid in SDV and valve (Ns and Nv respectively): 

total s vN N N= +   Algorithms to determine transport from and into the compartments involved:  

Medium:      mef s x up m x

dC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅        (2.16) 

SDV:        ( )sup m ef sv s

dN k C k k Ndt

= ⋅ − + ⋅     (2.21) 

Valve:        vsv s

dN k Ndt

= ⋅           (2.22) 

  

Page 102: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

94

5.7.3 References 1. Shipley RA, Clark RE  (1972)  Tracer methods  for  in  vivo  kinetics  –  Theory  and  applications, 

(Academic Press, New York, London). 2. Hazelaar  S,  van  der  Strate HJ, Gieskes WWC,  Vrieling  EG  (2005) Monitoring  rapid  valve 

formation  in  the pennate diatom  species Navicula  salinarum  (Bacillariophyceae).  J Phycol 41:354‐358. 

3. Heredia A, van der Strate HJ, Delgadillo I, Basiuk VA, Vrieling EG (2008) Analysis of organo‐silica  interactions  during  valve  formation  in  synchroneously  growing  cells  of  the  diatom Navicula pelliculosa. ChemBioChem 9:573‐584. 

4. Hazelaar  S  (2006)  Nanoscale  architecture;  the  role  of  proteins  in  diatom  silicon biomineralization.  PhD  Thesis,  University  of  Groningen,  The  Netherlands. http://irs.ub.rug.nl/ppn/296120626 

5. van de Poll WH, Vrieling EG, Gieskes WWC  (1999) Location and expression of  frustulins  in the pennate  diatoms Cylindrotheca  fusiformis, Navicula  pelliculosa  and Navicula  salinarum (Bacillariophyceae). J Phycol 35:1044‐1053 

6. Vrieling EG, Gieskes WWC, Beelen TPM (1999) Silicon deposition in diatoms: Control by the pH inside the silicon deposition vesicle. J Phycol  35:548‐559. 

7. Iler RK (1979) The chemistry of silica (John Wiley & Sons, New York). 8. Hildebrand  M,  Volcani  BE,  Gassmann  W,  Schroeder  JI  (1997)  A  gene  family  of  silicon 

transporters. Nature  385:688‐689. 9. Hildebrand M  (2000)  Silicic  acid  transport  and  its  control  during  cell wall  silicification  in 

diatoms.  in  Biomineralization;  from  Biology  to  Biotechnology  and medical  Application,  ed Baeuerlein E (Wiley‐VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany), pp. 171‐188. 

10. Hildebrand M  (2003) Biological  processing  of  nanostructured  silica  in  diatoms.  Progr Org Coat 47:256‐266. 

11. Thamatrakoln  K,  Hildebrand  M  (2007)  Analysis  of  Thalassiosira  pseudonana  silicon transporters indicates distinct regulatory levels and transport activity through the cell cycle. Eukaryotic Cell 6:271‐279. 

12. Pickett‐Heaps  JD,  Schmid  AMM,  Edgar  LA  (1990)  The  cell  biology  of  diatom  valve formation. Progr Phycol Res 7:1‐168. 

13. Kühn  S,  Brownlee  C  (2005) Membrane  organisation  and  dynamics  in  the marine  diatom Coscinodiscus wailesii (Bacillariophyceae). Bot Mar 48:297‐305. 

14. Schmid  AMM  (1986)  Wall  morphogenesis  in  Coscinodiscus  Wailesii  Gran  et  Angst  II: cytoplasmic  events  of wall morphogenesis.  in  Proceedings  of  the  8th  International Diatom Symposium, ed Richard M (Koeltz, Königstein, Germany), pp 293‐314. 

15. Grachev MA, Annenkov VV, Likhoshway YV (2008) Silicon nanotechnologies of pigmented heterokonts. Bioessays 30:328‐337. 

16. Shimizu K, Del Amo Y, Brzezinski MA, Stucky GD, Morse DE (2001) A novel fluorescent silica tracer for biological silicification studies. Chem Biol 8:1051‐1060. 

 

Page 103: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

95

5.8 Supplement 3: mathematical comparison of the transport vesicle mechanism (model G) with model B It was observed  that  the silicon uptake model with only  two compartments  in  the cell  revealed  the  best  fit  to  the  experimental  data  for  uptake  of  silicon. Mathematically  it  was  demonstrated  that  the  transport  vesicle  compartment displayed very fast uptake kinetics (Table S3.1).   Table  S3.1:  Calculated magnitudes  of minimum  and maximum  rates  dN/dt  (mol/(cell∙min))  and dVt/dt (L/(cell∙min)) and characteristic saturation times for models F and G for P. laevis.  

compartment  rate, eq. nr.  min.‐max value  char.  saturation time (min) 

Model F: SIT‐mediated transport cytoplasm  dNc/dt, 2.13  0 ‐ 10‐14  > 100 SDV  dNs/dt, 2.14  0 ‐ 10‐14  > 100 valve  dNv/dt, 2.15  0 ‐ 10‐14  > 100 Model G: transport vesicle‐mediated transport tr. vesicles   dVt/dt, 2.20  10‐11 ‐ 10‐10  0.1 ‐ 1 SDV  dNs/dt, 2.18  0 ‐ 10‐14  > 100  valve  dNv/dt, 2.19  0 ‐ 10‐14  > 100 Model H: macropinocytosis‐mediated transport SDV  dNs/dt, 2.21  0 ‐ 10‐14  > 100  valve  dNv/dt, 2.22  0 ‐ 10‐14  > 100 

 The question remained whether the uptake model (model G) for transport vesicle‐mediated  silicon  uptake matched with model  B.  In  practice,  this means  that  the algorithmic  structure  in  the  equations  for  both  models  should  be  similar  and consequently N1 and N2  in model B  (Suppl. 2; equations 2.3‐2.5) must respectively match  Ns  and  Nv  in model  G  (Suppl.  2;  equations  2.16,  2.18  and  2.19).  At  the moment  the  transport  vesicle  compartment becomes  saturated,  there  is  no  time dependent behavior  in  the experimental  time  frame and as  such dVt/dt  (Suppl. 2; equation 2.20) drops to zero so this equation can be rewritten as:  

  upt

sts ef x up x

m

kV Nk k C k C

C

=+ ⋅ ⋅ − ⋅

  (3.1)

    Subsequently, Vt is substituted into the equations of the model for transport vesicle‐mediated uptake (model G) in which then 3 compartments remain involved (i.e. the medium,  the SDV and  the valve). The  resulting equations were  then compared  to both models:  

Page 104: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

96

Medium compartment: 

model G:  mef s x up m x

dC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.16) 

model B:  1m

ef x up m xdC k N C k C Cdt

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅   (2.3) 

 Transport vesicles compartment (saturated, not time dependent): 

model G:  up mt t m

sts ef x up x

m

k CN V C Nk k C k C

C

⋅= ⋅ =

+ ⋅ ⋅ − ⋅  (3.2)

   SDV compartment / model B cell compartment 1: 

model G:  ( )s tsup m ef sv s

sts ef x up x

m

dN k k C k k NNdt k k C k CC

= ⋅ ⋅ − + ⋅+ ⋅ ⋅ − ⋅

   

or simplified:    constant ( )sup m ef sv s

dN k C k k Ndt

= ⋅ ⋅ − + ⋅   (3.3) 

   

model B:  13 1( )up m ef

dN k C k k Ndt

= ⋅ − + ⋅   (2.4) 

Valve compartment / model B cell compartment 2: 

model G:   vsv s

dN k Ndt

= ⋅   (2.19) 

 

model B:   23 1

dN k Ndt

= ⋅   (2.5) 

With comparing the equations of models B and G, the similarity  in structure of the algorithms was obvious for two compartments; the medium and the siliceous valve. The silicic acid contents N1 (eq. 2.3) and N2 (eq. 2.5) of the cell compartments 1 and 2 are  assigned  similar  to  respectively Ns  (eq.  2.16)  and Nv  (eq.  2.19), whereas  the constant k3 (eq. 2.5) matches with ksv (eq. 2.19). Also the algorithmic similarity can be observed for the SDV compartment in case the constant in equation 3.3 becomes 1, in fact when: 

  sts ef x up x

m

Nk k C k CC

⋅ ⋅ − ⋅   (3.4) 

The value kts then can be calculated via equation 3.1 for any chosen value of Vt. The mathematical evaluation of the observed silicic acid uptake shows that the transport vesicle model (model G) with three cellular compartments mathematically matches with the observed model B (two cellular compartments), but only  in that case that for the transport vesicle compartments a very fast transport kinetics applies. In view of  diatom  valve  formation  and  the  pace  at which  the  valve  is  formed  in  its  2‐D direction1,2  this  energetically  demanding  process  would  not  be  likely.  However, sequential pinocytosis steps could occur during 3‐D  thickening of  the valve, which proceeds  less  rapidly,1,2  allowing  formation  of  the  much  more  detailed nanostructures.3,4  As  such  transport  vesicles  cannot  be  excluded  during  diatom 

Page 105: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

97

valve formation; however,  in massive uptake of silicic acid  in the  initial stages  (the completion of the 2‐D valve structure) their role expectedly is less important.  5.8.1 References 

1. Heredia A, van der Strate HJ, Delgadillo I, Basiuk VA, Vrieling EG (2008) Analysis of organo‐silica  interactions  during  valve  formation  in  synchroneously  growing  cells  of  the  diatom Navicula pelliculosa. ChemBioChem 9:573‐584. 

2. Hazelaar  S,  van  der  Strate HJ, Gieskes WWC,  Vrieling  EG  (2005) Monitoring  rapid  valve formation  in  the pennate diatom  species Navicula  salinarum  (Bacillariophyceae).  J Phycol 41:354‐358. 

3. Pickett‐Heaps  JD,  Schmid  AMM,  Edgar  LA  (1990)  The  cell  biology  of  diatom  valve formation. Progr Phycol Res 7:1‐168. 

4. Gordon R, Drum RW (1994) The chemical basis of diatom morphogenesis. Int Rev Cytol 150: 243‐272. 

   

Page 106: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 5: Silicon uptake in diatoms 

98

Page 107: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6  

A new method to study heterogeneous binding and precipitation of silicate and phosphate in heterotrophic biofilms 

  Abstract:  Biologically mediated precipitation is currently being applied to improve soil properties for  civil  engineering  purposes.  Biofilms  have  developed mechanisms  to  accumulate nutrients and organic substrates  in their structural extracellular polymeric substances (EPS) matrix. This is supposed to increase the substrate availability. It is expected that the binding of ions by the EPS can result in formation of precipitants and crystals in the biofilm. Here we present a new autoradiography method using the radioactive isotopes 31Si and 32P that allowed us to image the spatial distribution of silicate and phosphate binding  in  biofilms.  The  fast  silicon  uptake  kinetics  allowed  us  to  quantify  the  31Si signal,  for  32P  this  was  not  possible.  Using  this  method  it  was  shown  that  both radioisotopes  were  bound  heterogeneously  by  the  biofilm.  In  addition,  the  metal concentrations  in  the  growth medium  affected  the  biofilm  structure  as well  as  the metal binding characteristics of  the biofilm. The  relation between binding of  silicates and crystallization of silicate is discussed.     

Page 108: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

100

6.1 Introduction Biologically mediated precipitation of  inorganic minerals  can be applied  for many civil  engineering  purposes.1,2  For  example,  micro‐organisms  are  used  in  ground works  to  improve  soil  properties  like  mechanical  strength  and  stiffness (biogrouting),  or  permeability  (biosealing  or  bioclogging).3‐5    Precipitation  can  be driven  purely  by  physical  and  chemical  processes,  though  many  examples  of biological  enhanced  precipitation  processes  are  found  in  nature.6‐8  Best  known examples of biological  enhanced precipitation  processes  are  carbonate  structures like  corals,  bivalves,  exoskeletons  in  coccolithophores,  stromatolites  and trombolites, but  also bone  and  skeleton  structures  result  from biological  induced precipitation.6,9  In  many  of  these  systems  the  biological  component  is  able  to control  the  crystal  structure and  composition  to a  certain extent. Several ways  in which micro‐organisms contribute to the precipitation process are identified: 10,11 1) producing  one  of  the  precipitating  ions  (e.g.  carbonate),  2)  changing  the  local environmental  conditions,  like  pH  or  redox  potential  or  3)  by  acting  as  a  crystal nucleus or actively binding ions from the bulk solution.  In  contrast  to  carbonate,  the  use  of  silicate  precipitates  for  biogrouting  is  hardly investigated  and  poorly  understood,  while  silicate  (quartz)  is  the most  common cement in naturally cemented sandstones.12 The potential of silicate precipitates to apply for biogrouting seems high, due to a lower solubility and higher resistance to abrasion of quartz as compared to calcite.13‐15  Biological enhanced silicate precipitation is found in several organisms (diatoms and sponges). Silicate binding and precipitation in these systems is mainly controlled by variation of charged molecule groups  in proteins 16,17 and these organisms are able to  control  for  skeleton  and  frustule  construction.  Silicified  microbial  mats  are another example of silicate precipitation on biological surfaces 18,19 and  it has been suggested that microorganisms play a role in the precipitation of dissolved silicates. Cell walls of certain bacteria can serve as template for precipitation of several metal silicates.20 In addition, biofilms can  induce precipitation albeit  in a  less controlled and  indirect manner  then  in diatoms and sponges. Namely, extracellular polymeric substances (EPS) play a role in binding metals and counterions, thereby creating good sites for crystal nucleation or local supersaturation resulting in precipitation. EPS is a matrix produced  by  microorganisms  that  can  be  used  for  attaching  and  structuring biofilms. The EPS matrix  contains mainly polymeric  sugars, but also nucleic acids and  proteins.21  The  polymeric  sugars  can  be  composed  of  different  types  of monosaccharides, and saccharide composition may be regulated by environmental conditions  as  well  as  by  the  population  composition  in  a  biofilm.  The  EPS composition will partly determine  the binding affinity  for different micronutrients like  silicate,  phosphate  and  metal  ions.  For  silicate  precipitation  it  has  been suggested that methylated groups in EPS, and phosphate and methylated groups in proteins, can serve as potential condensation nuclei. Also metal ions like iron in cell walls  have  been  shown  to  enhance  binding  of  silicate.20  Other  factors  that  will determine  the  binding  affinity  may  be  temperature,  pH,  micronutrient concentration and diffusive transport.  

Page 109: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

101

Biofilms are  rarely homogeneously  structured and many  studies have  shown  that biofilm  structuring  can  be  explained  by  self–organizing  mechanisms.22  These mechanisms are mostly illustrated by simple models describing mass transport, cell growth, cell to cell signaling or chemotaxis.23‐25 Recently it has been suggested that biofilms may be considered as a unicellular structure  in which microorganisms can be altruistic as  long as  it  is beneficial  for  the performance of  the  total structure.26 Organization has been suggested as a way for a biofilms to cope with unfavorable environmental  conditions,  or  to  optimize  the  mass  transport  or  its  overall performance.27 Heterogeneity in structure may create variation in binding sites and thereby potentially  improve  the overall performance of  the biofilm. Probably  the affinity for nutrients is not uniformly distributed over the biofilm. To investigate the possibilities of biofilm use  in ground works knowledge of  the EPS  silicate binding capacities, the influence of metals, and the role of heterogeneity is of importance.  In the present study autoradiography is used to gain  insight  into the heterogeneity of  binding  of  silicates  and  phosphates  in  biofilms  grown  under  different concentrations of metals  (Fe, Mg, Ca and Al).  It was assumed  that different metal availability would induce a variation in types of EPS expressed in the biofilm.28,29 We also  investigated whether autoradiography data  can be used  for quantification of the  binding  of  silicates  in  particular.  For  this,  a  new method  to  handle  data  and quantify the results was developed based on the use of radioisotopes. In this study a 31Si‐silicate  tracer  was  used  to  study  silicate  binding  on  the  biofilm.  In  addition phosphate  (a biofilm nutrient) binding was  investigated with  32P‐phosphate  to be able to evaluate the new method with another tracer.    

6.2 Material and methods 6.2.1 Biofilm growth conditions 

Heterotrophic biofilms have been grown on microscope  slides  in a PVC  incubator which  allowed  gas  exchange  with  air.  The  incubator  contained  three  physical separated  incubation  lanes. Every  lane had a volume of 10 ml and contained three microscope  slides. The  lanes were  connected  to  a  circulation  system  and  200 ml medium was continuously circulated over the slides. Growth medium was refreshed daily. The metal  concentrations  in  the growth media were different  for  the  three lanes, but  all media  contained  5 mM NaCl,  10 mM NH4Cl,  10 mM NaNO3,  10mM KH2PO4,  25  mM  Na2HPO4.7H2O,  0.1%ww  D‐glucose,  0.05%  ww  NaAcetate  and 0.05% ww NaSuccinate. Metal concentrations  in  the media of  the  three  lanes are given  in  table  1. Since  it  is our goal  to use  silicate binding  for grouting processes which require a high concentration of silicate, the pH of the medium was set to 9.5‐10 using a 1M NaOH. Nevertheless in these experiments no extra silicate was added during growth, and the silicate concentration in the medium was kept on 7.5 μmol/L. In this way it was easier to assess whether the new imaging method can work.   

Page 110: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

102

Table 1: Metal concentrations in the media for lane 1, 2 and 3 Metal  Concentration (mmol/L)   lane 1  lane 2  lane 3 Fe  0.8  1.6  4.0 Ca  0.8  4.0  20 Al  0.8  1.6  4.0 Mg  0.8  4.0  20 

 Heterotrophic biofilms were grown by initially adding an inoculum to all three lanes and  allow  settlement  and  attachment  of  microbial  cells  for  three  hours.  The inoculum was derived  from a sand column  incubation  flushed with a medium with the  same  composition  as  is  used  for  the  high metal  lane.  After  three  hours  the inoculum was replaced by the medium and biofilms were allowed to develop for a period of 5 days at room temperature. After 5 days the Si and P binding experiments with the radioactive tracers were performed on every slide. The water content of the biofilms was used to estimate their volumes, and was determined by measurement of  the  difference  between  the  wet  weight  of  the  biofilms  per  slide  prior  to  the exposure of the radioactive material and the weight after drying.  6.2.2 Metal analysis 

Inductively coupled plasma optical emission  spectrometry  (ICP‐OES, Perkin Elmer OES Optima 4300DV, Boston, USA) was used  to determine Si, Fe, Ca, Al and Mg concentrations  in  the  biofilm. Dried  non‐radioactive biofilms were destructed  (24 hours at 60o C) by pure HNO3,30 and the metal concentration was determined on the residue. Dry weight of the biofilms was determined by weighing before destruction to  correct  for  biomass  differences.  For  calibration,  Merck  CertiPUR  standard solutions 1703 (Amsterdam, The Netherlands) were used.  6.2.3 31Si and 32P tracers 31Si  in  the  form of  31Si‐silicate  (t1/2 2.62 h, β‐ 1.49 MeV) accompanied by  32P  in  the form of 32P‐phosphate (t1/2 14.3 day, β‐ 1.7 MeV) was produced in the nuclear reactor of  the  Reactor  Institute  Delft  of  Delft  University  of  Technology,  Delft,  The Netherlands.  No‐carrier‐added  31Si‐labeled  silicate  solution  (specific  activity  4.8 TBq/g) accompanied by 32P‐phosphate (specific activity 2.7 MBq/g) was prepared by purification  with  a  chemical  precipitation  reaction  with  barium  carbonate  as described earlier.31 By  removing a part of  the  32P‐phosphate during purification  it was possible to prepare a tracer solution that contained both radionuclides in a good proportion, allowing double tracer experiments.  The half‐lifes of 31Si and 32P are 2.62 h and 14.26 days (=342.24 h) respectively. This means  that  two measurements are obligatory  to determine  the activities of both tracers. The first measurement determines the total activity of both 31Si and 32P, and should  take  place  soon  after  the  preparation  of  the  tracer  solution.  The  second measurement must take place when 31Si has decayed to negligible radioactivity level (in  this  study  after  at  least  48  hours).  The  activity  of  32P  at  the  time  of  the  first measurement  can be  calculated  from  the activity at  the  second measurement by use of  its half‐life. After subtraction,  this yields  the  31Si activity at  the  time of  the first measurement. The activity in liquid samples of 31Si and 32P was determined on a 

Page 111: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

103

LKB liquid scintillation counter (β‐ radiation by liquid scintillation) using Ultima Gold XR liquid scintillation counting cocktail. The volume of the samples was adjusted to 5 ml with demineralized water and mixed with 15 ml LSC counting cocktail prior to analysis.  In  this  paper  all  activities  are  recalculated  to  the  end  time  of  the  tracer production  in  the nuclear  reactor  (t=0). The activities at  t=0 are  correlated  (when possible) to the silicate and phosphate concentrations in the samples. The amounts 31Si and 32P do not significantly influence the concentrations of total Si and P in the mastermix, which were 7.5 μmol/L and 25 mmol/L, respectively.     6.2.4 Radioactive 31Si and 32P treatment of the biofilms 

After  rinsing  the  biofilms  with  demineralized  water  to  wash  away  the  metal containing media as much as possible, the biofilms were exposed to the radioactive master mix  (mixture  of metal  free medium  and  tracer  solution). Due  to  the  fast decay  rate  of  31Si  incubation  times  of  10  and  20 minutes  (experiment  1  and  2, respectively) were chosen to allow a reasonable time for the tracer to interact with the  biofilms,  and  to  ensure  that  enough  tracer  activity  was  left  for  the autoradiography procedure. The incubator was gently shaken every 2 minutes for 15 seconds during this period, in order to allow a good exchange between the medium and  the biofilm. Samples  from  the mastermix were  taken prior  to  incubation and after  incubation  to determine  the activity per mL. Overlaying water was  removed directly after the treatment and the slides were rinsed again very shortly with non radioactive  solution with  the  same  composition as  the mastermix. After  this  final washing, the slides were dried on air in a hood. This took approximately 45 minutes.   6.2.5 Scanning and autoradiography procedures 

After  drying  biomass  distribution  images  per  slide were made  using  a  black  and white HP  flat bed  scanner  scanning with a black background.  The  light  reflection was used as  indicator of  the biomass density distribution. All  images  in  this study have been scanned at 300 dpi, giving a pixel resolution of ~85μm pixel‐1. Scanning all images  at  the  same  resolution  allowed  a  direct  comparison  of  the  different autoradiographical images.  First an autoradiographic  image  (Imaget1, consisting of  the  signal of both  31Si and 32P) was made by exposure of  the  radioactive  labeled biofilms  to autoradiography screens  of  the  Phosphor  Imager  system  (Packard  Cyclone  Storage  Phosphor System). This system is sensitive to both 31Si and 32P and can determine the spatial distribution  of  radioactivity.  A  second  image  (Imaget2)  showing  only  32P  activity without any signal from 31Si was made at  least 48 hours  later, when the 31Si signal was undetectable due  to  its  short half  life  time of 2.62 hour  (see  results  section). Imaget2 was used to determine the 32P portion in Imaget1, after which it was possible to calculate the specific 31Si portion in Imaget1. The exposure times for both images were 3 hours.  Quantitative calibration of the grey values (after background subtraction) was done with  reference  drops  of  dried mastermix with  known  31Si  and  32P  activity.  It was found that  the autoradiographic plates were not equally sensitive  for  the different radiation coming  from  31Si and  32P. Decay  from  32P caused 2.77 higher grey values per  Bq∙s  than  decay  from  31Si.  The  relationship  between  decay  (in  cpm∙h, 

Page 112: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

104

determined from the activity of the mastermix drops by liquid scintillation) and the total grey value (corrected for pixel number) for both nuclides is given in Fig.1. The linear fit has been forced through zero. Using the exposure times the grey values of 32P  in  Imaget1 were  recalculated  from  Imaget2  and  subtracted  from  the  observed grey values yielding 31Si decay in Imaget1.   

 Figure 1:  Relationship between greyvalue on the autoradiography plates and decay (in cpm∙h) of the tracer  solution measured with  liquid  scintillation  counting.  Linear  regression  for  Si  y=1248  X  (r2= 0.984) and P: y =3457 X (r2=0.992). Both have P<0.05.            

6.2.6 Image treatment 

The flat bed  images were 8‐bit black and white  images and the autoradiographical images  were  16  bit  black  and  white  images.  Every  scan  contained  several microscope  slides  per  image.  To  be  able  to  do  calculations  with  the  different images,  the  images were  cropped  gaining  a  biomass  image,  an  autoradiography image at t1 and an autoradiography image at t2 per microscope slide, and the angle was changed such that every  image fitted exactly  in a 308 X 898 pixel box which  is the size of a microscope slide (2.5 cm X 7.5 cm) at 300 dpi. Cropping and changes of the  angle  were  performed  manually  in  the  imaging  software  program  ImageJ (http://rsbweb.nih.gov/ij/).  Initially  we  tried  to  overlay  the  different  images  with Geographical Information Software (arc‐view), using multiple reference points. This allowed us  to overlay  the  images, but  created extra  information by  interpolation, which  made  the  calculations  between  images  impossible.  Therefore  it  was necessary  to  reposition  the  images  per  slide  manually  by  simple  rotation  and cropping of the main images. Fortunately the slides have specific sizes and also clear visual structures that allowed us to overlay the different images. After generation of 

Page 113: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

105

the different  images  the conversions are  relatively  simple  since  these conversions are all linear. The background grey  value was  subtracted  from  the  autoradiographical  imaging. After background correction  it was possible to separate the 31Si signal from the 32P signal in the Imaget1 by: Imaget1‐ (Imaget2 x correction factor).  The correction factor is dependent of the half‐life time of 32P (342.24 hrs) and the starting and ending time of the exposure of the Image t1 and Imaget2:  

,1 ,1

,2 ,2

ln 2 ln 2exp exp342.42 342.24correction factor

ln 2 ln 2exp exp342.24 342.24

start end

start end

t t

t t

− −⎡ ⎤ ⎡ ⎤⋅ − ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦=− −⎡ ⎤ ⎡ ⎤⋅ − ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

 

 In this study the correction factor was 1.39115 (time in hours).   After separation of the  31Si and  32P signal  it was possible to relate these signals to the actual Si and P in the mastermix and biofilm yielding the uptake/exchange in the biofilm  per  pixel,  provided  that  the  entire  system  of  biofilm  and  overlaying mastermix has  reached an equilibrium state  (no change  in concentrations  in  time) for  that  particular  element.  The  analysis  of  the  average  values  and  standard deviations  of  the  images  and  the  creation  of  false  coloring  of  the  images  was performed by use of ImageJ software. In Fig. 2 an example of the entire procedure is shown.      

Page 114: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

106

  Figure 2:  An example of the method to calculate silicate and phosphate distribution images. Image 1  Silicate  at  t=1  is  corrected  for  background  (A)  where  after  the  P  image  (image  2  at  t=2,  after background 500 subtraction (B) and calculation to t=1 (C)) is subtracted (yielding D). Thereafter both Si  t=1  and  the  P  t=1  image  are  recalculated  to  t=0  (E  and  G)  and  converted  (if  possible)  to concentration images by multiplication of a correction factor (yielding F and H). Thereafter the ratio of the Si and P images can be made, which indicates the variation in binding Si to P in the biofilm (I).  

 

6.3 Results 6.3.1 Effect of growth conditions on metal binding in biofilms 

Different medium concentrations of iron, magnesium and calcium were used to test the effect of metal concentration on the binding capacity for silicate and phosphate by  the  biofilm.  The  different  metal  concentrations  resulted  in  different  biofilm structures.  The  lower  metal  concentrations  resulted  in  more  homogenous  and “slimy” biofilms (i.e. biofilms containing a major EPS matrix). The biofilms grown at the  high  metal  concentrations  formed  much  less  slime  and  displayed  a  more heterogeneous distribution. The difference in slime (EPS) production is reflected by the water  content of  the biofilm. Since water  is  the major volume  fraction of  the biofilm  the  water  amount  is  directly  correlated  to  the  biofilm  volume.  All experiments showed the same decreasing trend  in biofilm volume with an  increase in metal concentration: medium metal treatment caused a decline in biofilm volume of 66‐74 % and high metal treatment a decline of 84‐91 % compared to  low metal treatment.  

Page 115: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

107

Three  independent  replications  of  the  experiment  (without  radioactive  Si  and  P labeling)  showed  an  increase  of  the  overall metal  content  in  the  biofilm with  an increase in metal concentrations in the medium (Fig. 3A).   

 Figure 3: Average metal concentrations  (n=3  slides) at  the  three different metal  treatments  (A)  in December 2006 (striped bars, exp. 1 and 2) and in march 2007 (crossed bars, exp. 3), measured during three independent experiments and the relationship between metal concentration in the biofilm and the  silicate  concentration  in  the biofilm  (B)  in  the  same  experiments  (the December  experiments indicated by open circles and triangles, the march experiment indicated by the black squares) .  The  differences  between  the  experiments may  originate  from  differences  in  the inoculum. The  inoculum has been from the same origin for all experiments, but for the third experiment the inoculum had been stored in the fridge for three months, in the  high metal  concentration medium.  The  third  experiment was  performed  the week before  the  labeling experiments. The difference between  the experiments  is indicated  by  the  striped  bars  (exp.  1  and  2)  and  the  crossed  bars  (exp.  3).  There seems  to  be  an  inverse  trend  between  the metal  bound  to  the  biofilm  and  the silicate bound  per  gram  of biofilm, when  two  outlayers with  extreme  high metal concentrations were  excluded. However, when  these outlayers were  included  the relationship was lost (Fig. 3B).    

Page 116: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

108

  6.3.2 Optimization of the autoradiographic method 

The  labeling  experiments  with  the  biofilm  were  performed  in  triplicate  in  two independent  experiments.  Since  the  tracer  had  to  be  prepared  separately  per experiment  there was  some difference  in  the  31Si  and  32P  activity  concentrations. The ratio of the 31Si and 32P activities  in the tracer solution on t=0 for experiment 1 and 2 was 30 and 47 respectively. This yielded a theoretical 31Si/32P ratio of the grey values of  the mastermix on  the autoradiographic plates on  t =  t1 of 2.65 and 4.12 respectively, taking into account the differences in sensitivity for both isotopes. Any deviation of this ratio indicates selective binding of one of the isotopes.  In  the  calibration  it  was  found  that  the  31Si/32P  greyvalue  ratios  were  not homogeneous  for  the  area  on  which  the  master  mix  drops  have  dried  (Fig.  4) indicating some differences in crystallization characteristics of Si and P.   

 Figure 4: Image of 31Si and 32P distribution  at t1 on the autoradiography plates for 20, 15, 10 and 5 ul dried traces solution on a microscope slide as well as the ratio of the two.  The calibration  is made with  the mastermix of  the second experiment and should yield  a  theoretical  31Si/32P  ratio  of  4.12  at  t1.  Since  the  ratio’s were  not  normal distributed, we  used  the modes  rather  than  the mean  values.  The modus  of  the ratio’s was 4.40, 4.05, 3.67 and 4.09 for respectively the 20, 15, 10 and 5 μl drops. All values were relatively close to the theoretical value of 4.12.  Working with two radionuclides implied that two measurements were obligatory. In all cases the second measurement (LSC determination or image) was made at least 48  hours  after  t=0.  It  can  be  calculated  that  after  48  hours  only  0.0003%  of  the original 31Si was still present, while 90.7% of 32P remained. In the mixtures of the two tracers as used  in  the experiments  it can be calculated  that  the percentage of  the total  activity  that  can  be  ascribed  to  31Si  after  48  hours  is  0.01‐0.02%  for  all experiments. So the assumption can be made that 31Si has decayed completely after 

Page 117: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

109

48  hours,  and  the  observed  activity  of  the  second measurement  can  be  totally ascribed to 32P.  6.3.3 Time dependent uptake behaviour 

To  have  an  indication  of  the  rates  of  the  processes  the  average  uptake  and/or exchange of silicate and phosphate per slide was compared between experiment 1 and experiment 2. Measurements on the mastermix showed that <6% of the active silicate  and  <21%  of  the  active  phosphate was  bound  by  the  biofilms.  The  grey values of the  images were averaged over the entire slide and converted to 31Si and 32P activities (Fig. 5) for exp. 1 and 2 (10 resp. 20 minutes incubation time).   

 Figure  5: Average  uptake  per mL  biomass  (n=3)  for  silicic  acid  (in  nmol/mL  biofilm  volume)  and phosphate  (in Bq/mL biofilm  volume)  for  low, medium  and high metal medium,  incubated  for  10 (striped bars)   and 20 minutes (black bars). Data calculated from average grey values per slide. The error bars represent standard deviations.  These signals showed  that both silicate and phosphate uptake per biofilm volume increased with  the metal  concentration  in  the medium.  There was  no  significant difference  in  silicate  binding  between  a  labeling  period  of  10  and  20  minutes indicating that silicate binding and exchange seems to be a fast phenomenon, and the  equilibrium  state  was  reached  within  10  minutes.  This  means  that  Si concentration  changes  in biofilm and medium do not occur after  10 minutes. For this reason it is possible to relate the 31Si activity to natural Si in the mastermix and biofilm and the silicate uptake per mL biofilm could be calculated.  Phosphate  uptake  on  the  other  hand  was  different  for  the  10  and  20  minutes binding  experiments, where  the  20 minutes  binding  experiment  yielded  a  higher phosphate  binding.  This  indicates  that  P‐binding  was  still  in  progress  after  20 minutes incubation, and the equilibrium state was not reached yet. Based on these 

Page 118: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

110

results  it  was  not  possible  to  determine  the  time  scale  in  which  the  state  of equilibrium will be reached, and it was not possible to quantify phosphate binding in the biofilm based on 32P activity, but our results indicate that a difference in kinetics eventually results in a lower Si/P ratio for the long incubation (Fig. 6).   

 Figure 6: Si/P ratios of the average Si and 32P uptake values of the different slides. A are the results of 10 minutes  incubation and B shows the results of 20 minutes  incubation. The errorbars  indicate the standard deviation of the three slides per treatment.  6.3.4 Silicate and phosphate spatial distribution 

To  test whether  the  binding  of  both  components was  homogenously  distributed over the biofilm autoradiography was used to image the distribution of  31Si and 32P Heterogeneous silicate and phosphate binding to the biofilms was observed for all three media types. Heterogeneity  in binding could not be explained by variation  in biofilm  biomass  distribution  alone.  Areas  with  high  biomass  resulted  in  higher labeling, but several strong  labeled regions were found where the biomass content was  low  (Fig.  7).  The  Si/P  ratio  images  also  show  that  some  regions within  the biofilm bind Si better  (green/blue zones) while other  regions bind P better  (yellow zones).    

Page 119: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

111

  

Figure 7:   From left to the right the spatial distribution of biomass, bound Si and P, the ratio Si/P in biofilms  grown  in  low,  medium  and  high  metal  concentrations  after  10  minutes  incubation (experiment 1). The color bar in the biomass experiment indicates the relative biomass measured as grey value. The color bar in the Silicate and Phosphate images represents the binding of Si and P in  respectively femtomol/pixel and mBq/pixel. The ratio Si/P is in femtomol/mBq.  

Zones with different binding  ratios can occur close  to each other  (0.3‐0.6 mm).  It was investigated whether this technique could also be used for quantification of the results.  The  time  dependent  uptake  behaviour  showed  that  it  was  allowed  to quantify the  31Si signal. This means that  the actual Si concentration distribution  in the  biofilm  can  be  calculated  based  on  the  overall  Si  concentration  in  the  entire biofilm (Fig. 3B). For 32P on the other hand this was not allowed (explained above). 

Page 120: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

112

The  relative  spatial  32P  distribution  in  Fig.  7  is  based  on  assumed  homogeneous uptake kinetics. The histogram curves of silicate  indicate  that  low metal media  resulted  in a more heterogenous binding of silicates, followed by respectively the high metal and the medium metal medium. For phosphate it appears that the high metal media results in the most heterogeneous binding, followed by biofilms grown at respectively low metal and medium metal media (Fig. 8).   

 Figure 8: Histogram of  the distribution of Si, P and  the  ratio Si/P  in experiment 1 The  ratios have been expressed as fmol Si/ Bq P for convenience. Black squares represent the  low metal treatment, open circles the medium metal concentration and the open triangles the high metal concentration.    It was also found that there were two optima  in the Si histograms for the biofilms grown at  low metal and high metal  concentrations. The humps  in  the phosphate histograms  indicate also  two optima, but  these are  less pronounced. Two optima may result from different types of binding. The histograms of the Si/P images show that the binding was most equal  (narrow peak)  in the high metal treatment, while the  low  metal  and  medium  metal  curves  were  much  wider  indicating  a  bigger difference in binding characteristics in the biofilms growing under these treatments.      

Page 121: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

113

6.4 Discussion Our  results  show  that  silicate  and  phosphate  directly  bind  to  the  biofilm matrix. Silicate  precipitation  on  biological  surfaces  is  a  common  feature  in  nature,  like precipitation on several Bacillus species 20 and adsorption on yeast cell walls.32 This binding to  individual cells, while biomass  in biofilms  is heterogeneously distributed already indicates that the binding of Si must be heterogeneous at the μm scale.  In the case of EPS as a matrix for precipitation, the chemical composition of the EPS will  determine  the  organization  of  the matrix  and  its  binding  capacity  for  both silicate and phosphate. Selective silicate binding to  incorporated metal atoms (e.g. chelated Ca) or positive charged amine groups within the EPS matrix may be used to concentrate silicate or phosphate and thereby stimulate local crystal formation. The images  show  that different  regions within a biofilm exist  that bind Si or P better, probably as a result of a heterogeneous distribution of bacterial communities. The  results  also  show  differences  between  the  binding  kinetics  of  Si  and  P.  This difference  may  be  caused  by  a  difference  in  binding  characteristics  within  the biofilm, but may also result from fundamental differences between Si and P binding. Binding of silicate may be dependent on quick binding on available binding sites  in the EPS matrix or cell walls. Phosphate on the other hand will also bind directly to specific binding sites, but in addition phosphate is expected to be taken up actively by  growing  cells  by  phosphate  transporters.  This  active  uptake may  explain  the ongoing  P  uptake  per  biovolume  as  found  in  the  20  minute  incubation.  The histograms  show  two  optima  for  both  silicate  and  phosphate  binding,  probably resulting  from  two different uptake mechanisms. Chemical precipitation as metal silicate or metal phosphate can explain one histogram optimum. Phosphate uptake as a nutrient by the organisms in the biofilm could explain the other optimum in the 32P histogram. For silicate adsorption on the EPS and cell walls may account for the other optimum. The narrow peak in the Si/P histogram could be a result of chemical precipitation of metal silicate or phosphate.   For  silicate  it  is  allowed  to  convert  the  31Si  signal  to  an  actual  Si concentration in the biofilm, because the binding/exchange process appeared to be very fast (equilibrium within 10 minutes) while more than 93 % of the 31Si remained in the mastermix. Moreover the biofilms were pregrown in medium with almost the same  silicate  concentration  as  the  mastermix.  This  means  that  a  chemical equilibrium  already  existed  between  silicate  in  the  biofilm  and  the  preculture medium. Since the mastermix had almost the same concentration as the preculture medium a new chemical equilibrium could be established quite easily.  The 32P signal on the other hand was changing during more then 20 minutes. This means that the equilibrium state was not  reached yet, and  that  it  is not possible  to assign  the  32P signal  to a  concentration. To determine  the quantitative P uptake  in  the biofilms longer incubation times are needed. This has to be further investigated. It  is  clear  that  there  is a  relationship with  silicate and phosphate binding and  the metal  treatment. Both  the  silicate  and  phosphate  uptake  per mL  biofilm  in  high metal treatment were about six times higher than in low metal treatment. However, when silicate and metal concentrations  in  the biofilms were compared  (Fig 3),  the correlation between silicate concentration and the actual metal concentration in the biofilm seems  to be negative. This difference may be explained by a difference  in  

Page 122: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

114

metal  content  in  the  biofilms which  is  also  different  due  to  the  clear  difference variation in EPS production per treatment.  In the experiment in which we compared the metal content with the Si content we did  not  add  extra  Si  to  the medium. Our  experimental  design was  such  that we looked  for  the  highest  binding  capacity.  In  the  silicate  and  phosphate  binding experiment we tested whether it was possible to manipulate Si binding in soils and we took out the metals of the medium when we added the silicate. Highest binding was found in the high metal treatment. In principle almost every charged metal ion should be able  to  increase nucleation of silicate. The difference may be caused by the  fact that  in the high metal media, silicate  is already precipitated  in the media, thereby reducing the silicate concentrations to which the biofilms are exposed.  The  biofilms  were  grown  under  high  pH  regimes.  The  reason  was  that  for biogrouting purposes high amounts of  silicate are needed  in  the medium without the risk of gelation of crystallization. A reduction in pH due to metabolic activity will favor the precipitation of metal phosphates and silicates. Under  lower pH regimes complex formation of (not dissociated) silicic acid with metal  ions,33 and silicic acid adsorption  directly  on  biological  substances  like  yeast  cell  walls  32  could  act  as starting point for precipitation. Probably the EPS itself, which has a similar chemical structure as the yeast cell wall, can also act as precipitation matrix for silicate. The behavior under lower pH has to be further investigated. For the application of biologically mediated silicate precipitation  it will probably be best to produce positively charged EPS (grown under high pH).34 Optionally we can create a negatively charged EPS surface, and charge  this EPS with bivalent metal cations. Another option  is the use of PEG or the production of specific proteins,  in nature specially formed to stimulate silicate precipitation. These proteins are mostly formed by  some bacteria, but also by all diatoms and  sponges.  In addition  it also seems possible to grow bacteria which have  iron bound to their cell wall which can function as condensation nuclei. This needs further investigation.  This  study  shows  that  it  is  possible  to  combine  autoradiographic  methods  and digital  image handling, and  that double  tracer experiments are possible  in  spatial binding studies. The difference in half life times between 31Si and 32P allowed signal separation by  imaging  the sample directly after  the experiment and consequently after at least 48 hrs. This enables the calculation of the individual contribution of 31Si and 32P to the grey values. In liquid samples it suffices to subtract the overall activity measuring  results  from  each  other  after  recalculation  to  the  ending  time  of  the tracer production in the reactor (t=0). But in imaging results the spatial distribution also plays a role. To be able to separate the imaging data for both 31Si and 32P signals it is required that the pixel positions of the images of the different time points match each  other  exactly.  The  spatial  method  is  very  sensitive,  and  can  detect concentrations down to femtomol per pixel (89μm X 89 μm). The images show that the heterogeneity is big (Fig. 7), with values ranging between 2,5 to 25  femtomol Si per pixel within one treatment.  When  this method  is used  for quantification of the uptake  it  is obligatory that the incubation times are long enough for the system to reach an equilibrium state, and that the concentrations  in biofilm and mastermix are known.  In this study this was the  case  for  silicate,  but  not  for  phosphate. To  obtain  reliable  phosphate  uptake 

Page 123: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

115

values  further  investigations  are  needed,  like  longer  lasting  experiments  and phosphate efflux determinations. The  spatial  distribution method  described  here  opens  up  opportunities  to  study precipitation  in biofilms  in more detail, not only  for  31Si and  32P, but also  for other radioisotopes. The sensitivity for other radiotracers depends especially on the beta energy, branching percentage, half‐life time and specific activity. When used for 32P alone, the method can be even more sensitive since purification to remove part of the 32P in order to create the right balance between the 31Si and the 32P isotope does not have to be applied. In this case it is better to produce the tracer at least two days before the experiment, allowing the complete decay of 31Si.   

6.5 References 1. Ivanov  V  and  Chu  J  (2008)  Applications  of microorganisms  to  geotechnical  engineering  for 

bioclogging  and  biocementation  of  soil  in situ,  Reviews  in  Environmental  Science  and Biotechnology 7 (2), 139‐153. 

2. DeJong JT, Mortensen BM, Martinez BC and Nelson DC (2009), Bio‐mediated soil improvement, Ecological Engineering In Press, Corrected Proof. 

3. DeJong JT, Fritzges MB and Nusslein K (2006), Microbially Induced Cementation to Control Sand Response  to Undrained  Shear,  Journal  of Geotechnical  and Geoenvironmental  Engineering  132 (11), 1381‐1392. 

4. Nemati M. and Voordouw G  (2003), Modification of porous media permeability, using calcium carbonate produced enzymatically in situ, Enzyme and Microbial Technology, 33 (5), 635‐642. 

5. Whiffin VS, van Paassen LA and Harkes MP  (2007), Microbial Carbonate Precipitation as a Soil Improvement Technique, Geomicrobiology Journal 24 (5), 417‐423. 

6. Lowenstam HA and Weiner S (1989), On Biomineralization. Oxford, Oxford University Press. 7. Stocks‐Fischer S, Galinat  JK  and Bang SS  (1999), Microbiological precipitation of CaCO3, Soil 

Biology and Biochemistry 31 (11), 1563‐1571. 8. Castanier S, Le Metayer‐Levrel G and Perthuisot J‐P (2000), Bacterial Roles  in the Precipitation 

of Carbonate Minerals  in:. Microbial  Sediments, Riding RE  and  SM Awramik  (eds.),  Springer, Berlin 

9. Wood R (1999), Reef Evolution, Oxford, Oxford University Press. 10. Hammes  F  and  Verstraete W  (2002),  Key  roles  of  pH  and  calcium metabolism  in microbial 

carbonate precipitation, Reviews in Environmental Science and Biotechnology 1 (1), 3. 11. Braissant O, Cailleau G, Dupraz C and Verrecchia EP (2003), Bacterially Induced Mineralization of 

Calcium  Carbonate  in  Terrestrial  Environments:  The  Role  of  Exopolysaccharides  and  Amino Acids. Journal of Sedimentary Research 73 (3), 485‐490. 

12. McBride EF (1989), Quartz cement in sandstones: a review., Earth‐Science Reviews 26, 69‐112. 13. Dyke  CG  and Dobereiner  L  (1991),  Evaluating  the  strength  and  deformability  of  sandstones, 

Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology 24 (1), 123‐134. 14. Goldstein  RH  and  Rossi  C  (2002)  Recrystallization  in  Quartz  Overgrowths,  Journal  of  

Sedimentary Research 72 (3), 432‐440. 15. Broz ME,, Cook RF and Whitney DL  (2006), Microhardness,  toughness, and modulus of Mohs 

scale minerals, 91, 135‐142. 16. Kröger N, Deutzmann R and Sumper M (1999), Polycationic peptides from diatom biosilica that 

direct silica nanosphere formation, Science 286, 1129‐1132. 17. Kröger N, Deutzmann R and Sumper M (2001), Silica precipitating peptides from diatoms ‐ The 

chemical structure of silaffin‐1A from Cylindrotheca fusiformis, Journal of Biological Chemistry 276 (28), 26066‐26070. 

18. Shipe  RF  and  Brzezinski  MA  (1999),  A  study  of  Si  deposition  synchrony  in  Rhizosolenia (Bacillariophyceae) mats using a novel  32Si autoradiographic method, Journal of Phycology, 35, 995‐1004 

19. Shipe RF, Brzezinski MA, Pilskaln C and Villareal TA  (1999), Rhizosolenia mats: An overlooked source of silica production in the open sea, Limnology and Oceanography 44(5), 1282‐1292.  

Page 124: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 6: Silicon binding on biofilms 

116

20. Fortin D and Ferris FG  (1998), Precipitation of  iron, silica and sulfate on bacterial cell surfaces, Geomicrobiology Journal 15 (4), 309‐324.  

21. Sutherland  IW  (2001), Biofilm exopolysaccharides: a strong and sticky framework, Microbiology 147, 3‐9 

22. Picioreanu C, Kreft JU, Klausen M, Haagensen JAJ, Tolker‐Nielsen T, Molin S  (2007), Microbial motility involvement in a biofilm structure formation – a 3D modelling study, Water Science and Technology 55, 337‐343. 

23. Van Loosdrecht MCM, Heijnen JJ, Eberl H, Kreft J, Picioreanu C (2002) Mathematical modelling of biofilm  structures Antonie  van Leeuwenhoek,  International  Journal of General and Molecular Microbiology 81 (1‐4), 245‐256. 

24. Van Loosdrecht MCM, Picioreanu C, Heijnen  JJ  (1997) A more unifying hypothesis  for biofilm structures FEMS Microbiology Ecology 24 (2), 181‐183.   

25. Xavier JB, De Kreuk MK, Picioreanu C, Van Loosdrecht MCM Multi‐scale individual‐based model of microbial and byconversion dynamics in aerobic granular sludge (2007) Environmental Science and Technology 41 (18), 6410‐6417.   

26. Kreft JU (2004) Biofilms promote altruism. Microbiology 150, 2751‐2760 27. Palkova Z (2004), Multicellular microorganisms: laboratory versus nature, EMBO Reports 5, 470‐

476. 28. Jang A, Kim SM, Kim SY, Lee SG, Kim  IS (2001) Effect of heavy metals (Cu, Pb, and Ni) on the 

composition of EPS in biofilms, Water Science and Technology 43 (6), 41‐48 29. Mikes  J, Siglova M, Cejkova A, Masak  J,  Jirku V  (2005) The  influence of heavy metals on  the 

production of extracellular polymer substances in the processes of heavy metal ions elimination. Water Science and Technology 52 (10‐11) 151‐156 

30. Bisconti L, Pepi M, Mangani S, and Baldi F (1997), Reduction of vanadate to vanadyl by a strain of Saccharomyces cerevisiae, Biometals 10, 239–246. 

31. Brasser  HJ,  Gürboğa  G,  Kroon  JJ,  Kolar  ZI, Wolterbeek  HT,  Volkers  KJ,  Krijger  GC  (2006), Preparation  of  31Si  labelled  silicate:  a  radiotracer  for  silicon  studies  in  biosystems,  Journal  of Labelled Compounds and Radiopharmaceuticals 47, 867‐882, DOI 10.1002/jlcr.1096 

32. Brasser HJ, Krijger GC, Wolterbeek HT  (2008), On the beneficial role of silicon to organisms: a case  study  on  the  importance  of  silicon  chemistry  to metal  accumulation  in  yeast, Biological Trace Element Research, 125, 81‐95 

33. Iler RK (1979), The chemistry of silica, John Wiley & Sons, New York.  34. Comte  S,  Guibaud  G,  Baudu  M  (2008),  Biosorption  properties  of  extracellular  polymeric 

substances (EPS) towards Cd, Cu and Pb for different pH values. Journal of Hazardous Materials 151 (1) 185‐193. 

  

Page 125: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

117

Chapter 7  

Evaluation and outlook  The aim of the studies described in this thesis was certainly fulfilled as more insights in  the  mechanisms  behind  the  role  of  silicon  and  silicon  chemistry  in  several organisms were gained. For this purpose a silicon tracer was developed (chapter 2) and used to investigate silicon behaviour in baker’s yeast (chapter 3 and 4), diatoms (chapter 5) and biofilms (chapter 6).   

7.1 The 31Si‐silicate tracer For the determination of silicon uptake  in organisms ICP‐OES (e.g. 1), or use of the stable  isotopes  29Si or  30Si  in  combination with mass  spectrometry  (e.g.  2)  can be applied,  but  these  methods  have  the  disadvantage  of  relatively  high  detection limits,  requirement  of  relatively  laborious  sample  destruction  procedure,  and/or large sample volumes. Radiotracers generally do not have this drawback. For silicon the radioactive  isotopes 31Si, 32Si and the analogon 68Ge are avialable (e.g. 3‐5). The nuclide 31Si has the advantages over 32Si that it decays to a stable daughter isotope and  it can be produced no‐carrier added. Furthermore  it  is chemically  identical  to natural silicon, in contrast to 68Ge.  For the above reasons a no‐carrier added 31Si‐labelled silicate tracer was produced. This was performed  via a  31P(n,p)31Si  reaction using  fast neutrons. A high  specific activity  (4.8 ± 1.4 TBq/g) was obtained. An amount of 4.3 ± 0.8 MBq/mmol P was formed, accompanied by  5.7 ±  1.1 MBq  32P. The  yield  can be enhanced by  target irradiations in a high fast neutron flux facility in a high flux reactor (the Delft reactor is only 2 MW), which could be further investigated.  The  31Si‐silicic  acid  tracer was  proven  to  have  a  relatively  high  radionuclidic  and radiochemical purity. The yield was sufficient for silicic acid uptake studies  in yeast cells,  diatoms  and  biofilms  (Chapters  3‐6).  Even  in  the  case  of  yeast  cells, which exhibit  far  less  silicon  uptake  than  diatom  cells,  uptake  kinetic  studies  could  be performed,  although  relatively  large  sample  volumes  were  required  (chapter  4). Results obtained using the radiotracer are in good agreement with results from ICP‐OES  measurements.  The  radiotracer  has  the  advantage  over  ICP‐OES determinations  that  it  allows  short  sample  time  intervals,  and  in  general  smaller sample volumes. In addition, it can be used for autoradiographic purposes, as shown in biofilms (Chapter 6).   The  relatively  short  half‐life  time  of  31Si  has  the  practical  disadvantage  that experiments,  including  the  radioactivity  measurements,  have  to  be  completed within  about  eight hours. For  long  lasting  investigations  the  31Si  tracer  should be combined with a longer living tracer like 32Si. An other  (minor) drawback of the tracer  is the side product  32P‐phosphate  formed by thermal neutron activation via the 31P(n,γ)32P reaction. Probably the 32P impurity can  be  reduced  by  shielding  of  the  thermal  neutrons  by  cadmium  foil  or  by irradiation in a facility that has a higher ratio between the fast neutron flux and the thermal neutron flux. A small 32P residue remained after chemical purification, and none of the methods investigated could further remove this residue. The problem of 

Page 126: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 7: Evaluation and outlook 

118

the  remaining  32P  can  be  dealt  with  by  performing  two  measurements  on  the samples: one  immediately after sampling, and  the second at  least  two days  later, when  31Si has decayed  to undetectable  levels. Based on  these  two measurements the original amount of 31Si present  in the sample can be calculated. This procedure worked out very well  in the experiments. In some cases the presence of 32P was an advantage, and made  it possible  to perform double  tracer experiments where  32P was used  in an experiment for the chemical characterization of the tracer (chapter 2), and for determination of phosphate uptake in biofilms (chapter 6).   

7.2 Evaluation of the studies on yeast, diatoms and biofilms  To  investigate  the  role  of  silicon  chemistry  in  biology  a  study was  performed  on Baker’s  yeast  (a model  organism  for  the  eukaryotic  cell),  diatoms  and  biofilms. Yeasts  and  biofilms  have  in  common  that  no  indications  were  found  that  they possess  any  biochemical  means  to  handle  silicon.6  The  influence  of  silicon  on bioprocesses  in  these  organisms  has  therefore  most  likely  a  chemical  origin. Diatoms on  the other hand master  silicon and  its chemistry  to a high extend and have  developed  mechanisms  to  cope  with  possible  toxic  effects  of  silicon accumulation.  7.2.1 Subjected to silicon chemistry: yeast cells and biofilms 

In chapter 3 and 4 the influence of silicon on several processes in yeast was studied. Metals appeared to be affected by silicic acid (metal contents, metal uptake rates, and metal  deficiency  symptoms).  The  investigations  indicated  that  silicic  acid  is probably  not  taken  up  by  the  cell  and  that  the  observed  phenomena  could  be explained  by  a  combination  of  (physico)‐chemical  processes  like  adsorption  and complex  formation with metal  ions and organic compounds  in  the cell wall.  It was found  that  the  adsorption  characteristics  varied with metal  concentrations  in  the medium.  The  observed  silicon‐metal  interactions  could  be  explained without  any involvement of enzymes or binding sites. The existence of extracellular interactions of  silicon  with  organic  compounds  and  metals  was  also  observed  as  metal dependent  silicic  acid  deposition  on  the  extracellular  polymeric  substances  of biofilms (chapter 6). A PDMPO probe to visualize depositions of polymerized silicic acid in or on the cell7 can be usefull in further research, as are other techniques like X‐ray tomography or TEM‐EDX to investigate the surface structure of cells.  The results show that plain (physical) chemistry can be as or sometimes even more important  for  biological  processes  as  biochemical  processes,  depending  on  the organism and circumstances. It  is  likely that these types of silicon  interactions take place  in many or maybe all organisms, and  that  these processes are  important  in several biological processes. Silicon  is omnipresent  in the environment, and also  in chemicals  that are normally used  for  the  composition of growth media  it  is often present as a contaminant.8 So a silicon deficiency is unlikely to occur, neither in vivo nor  in  vitro.  Future  studies  should  not  only  focus  on  the  bioprocesses  that  are influenced  by  silicon,  but  also  on  possible  underlying  (physico‐)chemical mechanisms.  For  biotechnological  purposes  (extracellular)  silicon  interactions  can  possibly  be useful. Biogrouting by means of biofilms  loaded with  silicic acid has already been 

Page 127: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 7: Evaluation and outlook 

119

mentioned  for use  in  civil engineering,  for  instance  for enhancing  the mechanical strength  in  ground  works  (e.g.  9).  But  other  applications  are  also  interesting  to study,  for  example  the  deliberate  steering  of  biotechnological  processes  in microbiological cultures.  7.2.2 Diatoms: active “practitioners” of silicon chemistry 

Diatoms have an absolute need for silicon and they control silicon chemistry to such an  extend  that  they  are  able  to  produce  a  very  complex  silica  structure  like  the frustule. This makes diatoms interesting for technology to gain more knowledge for the  industrial  production  of  complex  silica  structures.10 Also  the  fact  that diatom cells are able  to  transport high amounts of silicic acid  through  the cell membrane and  the  cytoplasm without  the  occurrence  of  any  unwanted  chemical  reactions, especially polymerization in unwanted parts of the cell shows their ability to handle silicon.  The  study  described  chapter  5  in  this  thesis  showed  that  compartmental analysis based on a pinocytosis mechanism could well describe the uptake kinetics measured. This result offers a simple explanation of how diatoms are able to fulfill their  silicon  needs without  exposing  the  inner  part  of  the  cell  to  high  silicic  acid concentrations and undesired polymerization processes. Further research should be focused on molecular and (bio)physical‐chemical aspects of diatom biosilicification. Also some higher plants seem to possess a certain ability to handle silicon,11 and a mechanism similar to the transport vesicle mechanism  in diatoms  is found  in some metal tolerant plants that use silicon for alleviation of metal toxicity.12 Probably this type of uptake and transport mechanism  is used  in nature  for more purposes, and has to be further investigated.  

7.3 Outlook Silicon is everywhere in nature, and so is silicon chemistry, but for a long time it was believed  that  silicon was  a  quite  inert  element  in  nature.13 But  the  results  in  this thesis  show  that  silicon  chemistry  offers  enough  options  to  organisms  to  take advantage of  it.  It  is  remarkable  that  in  the case of yeasts silicon seems  to act by strict  chemical  pathways  and  outside  the  cell,  and  that  it  does  not  have  a  direct influence on biochemical processes. In some cases an intermediate step seems to be involved, for  instance the  influence on metals, to  influence bioprocesses.  In nature also other extracellular indirect chemical processes do occur. The bacterial oxidation of pyrite by use of extracellular ferric ions is such an example.14 

 

7.3.1 Further reseach in higher animals 

The  results  obtained  in  this  thesis  add  to  the  accumulating  evidence  that  silicon chemistry is omnipresent in nature and can interfere with several processes in living organisms.  Literature  on  higher  animals  and  humans  shows  evidence  for  the beneficial influence of silicon on many processes (e.g. 15, 16). But despite many years of research silicon binding sites or silicon handling enzymes have never been found in  these  organisms.  The  results  described  in  this  thesis  shed  new  light  on  these processes and make  it plausible that silicon chemistry plays a major role  in nature. Silicon  interactions with organic compounds and metals as  found  in baker’s yeast 

Page 128: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 7: Evaluation and outlook 

120

could well take place  in higher organisms as well, and  its  interference with several biological processes could be in a merely indirect way and analogous to yeast.  Although  Baker’s  yeast  serves  as  a model  organism  for  the  eukaryotic  cell,  the effects of silicon chemistry have to be investigated in animals as well, for instance in cell cultures. This means in practice that the research in higher animals should turn its  focus  to  physical  and  chemical  processes.  Studies with  PDMPO  probing7  and other techniques can be usefull in here. Also the (physical)‐chemical interactions of silicon with  other  compounds  and  the  chemical  speciation  of  silicon  compounds inside cells, body fluids and tissues are important aspects to investigate in vitro and in vivo.  7.3.2 Towards a new definintion of silicon essentiality 

The evolution of life on earth takes place in an environment in which silicon and its chemistry  is  omnipresent,  and  it  is  likely  that  organisms  have  adapted  to  silicon chemistry and used its possibilities and opportunities to a certain extend. The use of silicon  by  nature  seems  to  take  place  between  two  extremes:  on  the  one  end organisms passively undergo silicon chemistry like the yeasts, and on the other end the organisms  that have  a  strong  control over  silicon  chemistry  like  the diatoms. Probably  higher  plants  and  animals  are  found  somewhere  in  between  these extremes, depending on  the species. For  these organisms silicon could be at  least beneficial.  The  use  of  silicon  chemistry  without  the  aid  of  enzymes  or  other biochemical means  is an easy and  less energy consuming way  for an organism  to enhance  or  decrease  certain  processes.  It  can  be  speculated  that  during  the evolution  a  balance  has  been  established  between  silicon, metal  ions  and  other nutrients  in  the environment,  food, body  fluids and  tissues. Silicon chemistry then plays  a  role  in  maintaining  this  balance,  and  a  disturbance  can  cause  silicon deficiency signs as described  in  literature (e.g. 17). No evidence  is found that higher animals  like mammals  and  humans  are  capable  of  an  active  handling  of  silicon chemistry  like  the  diatoms  and  sponges  can,  but  probably  higher  animals  are capable of such indirect interactions.  Establishing the essentiality of silicon for several organisms has been difficult since many  years  and  is  often  based  on  circumstantial  evidence.15  In  a  natural environment  silicon  compounds  lack  any  redox  behavior  which  makes  them practically  unsuitable  as  a  cofactor  in  enzymes.  Since  research  on  biological processes  is  mainly  focused  on  enzymatic  reactions  and  interactions  simple (physico)chemical processes are  less  studied. This may explain why despite many years  of  research  only  a  few  biological  binding  sites  or  bioorganical  compounds containing  silicon  have  been  found  (yet)  except  some  plants  and  for  “bulk consumers” like the diatoms, silicoflagellates, ciliates and some sponges. But when silicon chemistry itself is taken into account, enzymes and binding sites are probably not needed for silicon to do its job as an essential element. In this way silicon differs from many  other  essential  elements  like  copper,  zinc  and  iron.  Possibly  silicon essentiality  is  in  particular  shown  in  the  organism’s  ability  to  handle  silicon chemistry.  Much  more  research  is  needed  on  this  subject,  and  unraveling  the interactions  between  silicon  chemistry  and  biological  processes  remains  a major challenge. 

Page 129: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 7: Evaluation and outlook 

121

7.4 References 1. Fischer  AC,  Steinebach OM,  Timmermans  KR, Wolterbeek  HT  (2007)  A method  for  the 

destruction and analysis of biogenic silicon in two Antarctic diatom species:  Thalassiosira sp. and Chaetoceros brevis. Journal of Applied Phycology 19: 71‐77 

2. Koster  JR,  Bol  R,  Leng MJ,  Parker AG,  Sloane HJ, Ma  JF  (2008)  Effects  of  active  silicon uptake by  rice on Si‐29  fractination  in  various plant parts. Rapid Communications  in Mass Spectrometry 23 (16) 2398‐2402 

3. Mehard CW; Volcani BE  (1975) Similarity  in uptake and  retention of  trace amounts of 31‐silicon and 68‐germanium in rat tissues and cell organelles. Bioinorganic Chemistry 5: 107‐124 

4. Shipe  RF;  Brzezinski  M  (1999)  A  study  of  Si  deposition  synchrony  in  Rhizosolenia (Bacillariophyceae) mats using a novel Si‐32 autoradiographic method. Journal of Phycology 35: 995‐1004 

5. Azam F, Hemmings BB, Volcani BE (1973) Germanium incorporation into silica of diatom cell walls. Archiv für Mikrobiologie 92: 11‐20 

6. Walker GM (1998) Yeast physiology and biotechnology. John Wiley & Sons, Chichester 7. Shimizu K, Del Amo Y, Brzezinski MA, Stucky GD, Morse DE (2001) A novel fluorescent silica 

tracer for biological silicification studies. Chemistry & Biology 8 (11) 1051‐1060 8. Iler RK (1979) The chemistry of silica, John Wiley & Sons, New York 9. Ivanov  V,  Chu  J  (2008)  Applications  of microorganisms  to  geotechnical  engineering  for 

bioclogging  and  biocementation  of  soil  in  situ.  Reviews  in  Environmental  Science  and Biotechnology 7 (2) 139‐153 

10. Morse DE (1999) Silicon biotechnology: harnessing biological silica production to construct new materials. Trends in Biotechnology 17 (6): 230‐232 

11. Ma JF, Tamai K, Yamaji N, Mitani N, Konishi S, Katsuhara M, Ishiguro M, Murata Y, Yano M (2006), A silicon transporter in rice, Nature 440 (7084) 688‐691 

12. Neumann D, De Figueiredo C (2002) A novel mechanism of silicon uptake, Protoplasma 220: 59‐67 

13. Ehrlich HL (1996) Geomicrobiology, third edition, revised and expanded. Marcel Bakker Inc., New York 

14. Boon M, Brasser HJ, Hansford GS, Heijnen JJ (1999) Comparison of the oxidation kinetics of different pyrites in the presence of Thiobacillus ferrooxidans or Leptospirillum ferrooxidans. Hydrometallurgy 53 (1): 57‐72 

15. Seaborn  CD,  Nielsen  FH  (2002)  Silicon  deprivation  and  arginine  and  cysteine supplementation affect bone collagen and bone and plasma trace mineral concentrations in rats. Journal of Trace Elements in Experimental Medicine 15 (3): 113‐122 

16. Najda  J, Gminski  J, Drozdz M, Danch A  (1992) Silicon metabolism  ‐ The  interrelations of inorganic  silicon  (Si) with  systemic  iron  (Fe),  zinc  (Zn)  and  copper  (Cu)  pools  in  the  rat. Biological Trace Element Research 34 (2): 185‐195 

17. Carlisle EM  (1986) Silicon  as  an  essential  trace  element  in animal nutrition.  in: Evered D; O'Connor M (eds.), Silicon biochemistry, John Wiley & Sons Ltd., Chichester. 

 

Page 130: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Chapter 7: Evaluation and outlook 

122

Page 131: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

123

Summary Thesis: A tracer aided study on silicon chemistry in biological systems 

 Silicon (Si) is omnipresent in nature, and it is involved in important but diverse roles in a broad range of organisms, including diatoms, higher plants and humans. Some organisms,  like  the  diatoms,  need  high  amounts  of  silicon,  and  master  silicon chemistry  to  a  high  extend  using  several  enzymes. Other  organisms which  need silicon as an essential trace element apparently do not have the capability to handle silicon by any biochemical means and it was hypothesized that silicon chemistry as such plays a major role. The  aim  of  the  research  described  in  this  thesis was  to  gain more  insight  in  the mechanisms behind  the  role  of  silicon  in  several  organisms  and  to  investigate  to what  extend  silicon  chemistry  can  play  a  role  in  biological  processes.  This  study focused on  the  chemical or biological  role of  silicon  in metal metabolism, on  the risks that are connected to silicon polymerization, and on a possible application  in biotechnology.  For  this  a  study  was  performed  on  Baker’s  yeast  Saccharomyces cerevisiae which often serves as a model organism for the eukaryotic cell (chapters 3 and  4),  diatoms  (chapter  5)  and  biofilms  (bacterial  communities  attached  to  a surface, chapter 6).   A silicon tracer was developed (chapter 2) to aid the studies described in this thesis. No‐carrier added 31Si was produced by a 31P(n,p)31Si reaction by fast neutrons in the nuclear  reactor  of  the  Delft  University  of  Technology.  Several  methods  were investigated to remove the side product 32P. Anion exchange with Dowex resin gave the  best  results  in  total  activity  yield  and  specific  activity,  but  precipitation with BaCO3 appeared to be the fastest and cheapest purification method, and sufficiently high yields were obtained as well.  It was determined that the 31Si tracer was  in the desired  chemical  form  of  silicic  acid  (Si(OH)4),  and  suitable  to  apply  in  biological systems.  Since yeasts and biofilms do not possess any biochemical means to handle silicon, it is  likely that any  influence of silicon on these organisms has a chemical origin. This was  investigated  by  studying  the  interaction  of  silicon  and  metals  in  these organisms. In chapter 3, the influence of silicon (as silicic acid Si(OH)4) on the growth rate  and  intracellular  accumulation  of  a  number  of  metals  was  investigated  in Baker's yeast Saccharomyces cerevisiae, a model organism for the eukaryotic cell. It was  found  that  the  growth  rate  was  not  influenced  by  silicic  acid  up  to concentrations of 10 mmol per  liter growth medium and a slight growth  inhibition was observed when silicate was present  in an extremely high concentration of 100 mM. Intracellular metal concentrations were investigated in yeast cultures grown in normal  culture  medium  without  added  silicate  (‐Si)  or  with  the  addition  of  10 mmol/L silicate  (+Si). Decreased amounts of Co, Mn and Fe were  found within +Si grown yeast cultures as compared  to  ‐Si grown ones, while  increased amounts of Mo and Mg were  found. Zn and K were apparently unaffected by  the presence of silicon. +Si enhanced yeast growth  rate under  low Zn2+  conditions, but decreased growth  rate under  low Mg2+ conditions. +Si did not alter  the growth  rates  in high

Page 132: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Summary 

124

 Zn2+ and Co2+ media. +Si doubled the uptake rate of Co2+, but did not influence that of Zn2+. It was proposed that these results could be explained by the formation of a polysilicate  layer on  the  cell wall which  changes  the  cell wall binding  capacity  for metal ions.  The toxicity of silicic acid was compared to germanium (Ge, as GeO2), a member of the same group of elements as Si (group 14) and sometimes used  in  literature as a silicon analogue. Ge proved to be far more toxic to yeast than Si and no  influence was  found  of  Si  on  Ge  toxicity.  It  was  proposed  that  these  results  relate  to differences  in  cellular  uptake  and  that  is  not  always  possible  to  use  Ge  as  a  Si analogue. These  results  also  indicated  that  a  chemical mechanism,  rather  than  a biological one, is important. This was further investigated by studying the influence of zinc and magnesium on Si‐accumulation at several silicate concentrations  in the medium by use of 31Si(OH)4 (chapter 4). Si‐accumulation fitted well with Freundlich adsorption.  Si‐release  followed  depolymerization  kinetics,  indicating  that  silicate adsorbs  to  the  surface  of  the  cell  rather  than  being  transported  over  the  cell membrane.  Subsequently,  adsorbed  silicate  interacts  with  metal  ions  and, therefore, alters the cell’s affinity for these ions. Since several metals are nutritional, these Si interactions can significantly change the growth and viability of organisms. In  conclusion,  the  results  show  that  chemistry  is  important  in  Si  and  metal accumulation  in  Baker’s  yeast,  and  suggest  that  similar  mechanisms  should  be studied in detail in other organisms to unravel essential roles of Si. The  capability of  silicon  to adsorb on organic  substances was also  investigated  in biofilms,  bacterial  communities  linked  together  by  extracellular  polymeric substances (EPS) to study a possible application of silicon chemistry  in a biological system. Biofilms have developed mechanisms to accumulate nutrients and organic substrates in their EPS matrix, probably to increase the substrate availability. It may be expected that the binding of ions by the EPS can result in interaction with silicon in  the  biofilm.  Probably  this  interaction  can  be  used  for  applications  in  civil engineering (e.g. biogrouting of soil). To study this the spatial distribution of silicate and phosphate binding in biofilms under different metal conditions was investigated (chapter  6).  For  this  a  new  autoradiography  method  using  31Si  (as  silicic  acid) accompanied by 32P (as phosphate) was developed. The equilibrium in silicon uptake was reached within minutes, so it was possible to quantify the 31Si signal, but for 32P this  was  not  possible.  Using  this  method  it  was  shown  that  both  silicon  and phosphate  bound  heterogeneously  to  the  biofilm.  In  addition,  the  metal concentrations  in the growth medium affected the biofilm structure as well as the silicate and phosphate binding characteristics of the biofilm.   In contrast to yeast and biofilms, diatoms master silicon chemistry to a high extend. Here it was investigated how diatoms cope with high amounts of silicon during valve formation  as  polymerization  at/in  vital  structures  should  be  avoided  (chapter  5). Silicic  acid  uptake  using  31Si(OH)4  was  studied  during  valve  formation  in synchroneously  dividing  cells  of  the  diatom  Pleurosira  laevis  and  other  diatoms. Valve formation  in diatoms requires bulk uptake and transport of silicic acid to the silica  deposition  vesicle  (SDV).  Two  earlier  proposed mechanisms  for  silicic  acid uptake and transport were  investigated: 1) uptake of silicon via silicon transporters (SITs) with subsequent  intracellular  transport, and 2)  (macro)pinocytosis‐mediated 

Page 133: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Summary 

125

uptake. The SITs mechanism requires a controlled mechanism to stabilize the high amounts  of  reactive  silicon  species  to  prevent  autopolymerization  and simultaneously direct  these  species  towards  the SDV, whereas  this problem does not play a role in the (macro)pinocytosis‐mediated mechanism.  Experimental data were correlated to systematically derived mathematical models for a compartmental analysis of the possible uptake/transport pathways,  including those  for both SITs‐ and  (macro)pinocytosis‐mediated uptake and  transport. This study indicates that the experimental data on silicon uptake during valve formation match  best  with  the model  that  describes  (macro)pinocytosis‐mediated  uptake. This process not only explains observed surge uptake at high demands  for silicon, but  also  suggests  that  another  pathway  exists  in which  SITs  apparently  are  not involved.  The  study  showed  that  the  pinocytosis  mechanism  gave  a  good description of the uptake kinetics that were found  in this study. This result offers a simple explanation for how the diatomic cell is able to fulfill its silicon needs without exposing  the  inner  part  of  the  cell  to  high  silicic  acid  concentrations  and  the problems  related  to  spontaneous  polymerization.  Further  molecular  and (bio)physical‐chemical research is needed on diatom biosilicification.  The results described in this thesis shed new light on the role of silicon chemistry in several bioprocesses. The  influence of  silicon on bioprocesses  in yeast  is probably from  chemical  origin,  resulting  from  interactions  with  organic  compounds  and metals.  These  interactions, which  also  occur  in  biofilms,  could  also  take  place  in higher organisms as well, and could probably explain at least part of the influence of silicon  in  biological  processes  in  higher  organisms. This may  explain why  despite many  years  of  research  biological  binding  sites  or  bioorganical  compounds containing silicon have never been found (yet) except for some plants and for bulk consumers  like the diatoms and some sponges. But when silicon chemistry  itself  is taken into account, enzymes and binding sites are probably not needed for silicon to do its job as an essential element. Further research is required on this subject to get clear‐cut answers on this matter.  ir. Heleen J. Brasser  

Page 134: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Summary 

126

Page 135: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

127

Samenvatting Proefschrift: een tracer ondersteunde studie naar siliciumchemie  

in biologische systemen  Het element silicium (Si) komt overal in de natuur voor. Het is essentieel voor talloze levende wezens zoals kiezelwieren  (diatomeeën), planten en zoogdieren, waar het een rol speelt  in een scala aan biologische processen. Sommige organismen, zoals  diatomeeën  (die een extern kiezelskelet bezitten) hebben zeer veel silicium nodig, en  beschikken  over  een  set  enzymen  om  het  te  hanteren. Maar  bij  veel  andere organismen die ook silicium nodig hebben als essentieel element, zoals bijvoorbeeld de  zoogdieren,  is  tot  nu  toe  geen  enkele  siliciumbiochemie  gevonden.  De mechanismen  die wel  een  rol  spelen  zijn  (nog)  niet  opgehelderd.  Een mogelijke verklaring kan zijn dat niet biochemie, maar gewone siliciumchemie een belangrijke rol speelt. Het onderzoek dat beschreven  is  in dit proefschrift richtte zich op deze hypothese. Er  is onderzocht of  siliciumchemie een  rol kan  spelen  in verschillende biologische systemen, en wat de achterliggende mechanismen kunnen zijn. Nadruk is gelegd op de chemische en/of biologische rol van silicium in metaalmetabolisme, op de risico’s die verbonden zijn aan siliciumpolymerisatie, en op een mogelijke toepassing van de siliciumchemie  in  de  biotechnologie.  Hiertoe  zijn  de  volgende  organismen onderzocht:  Bakkersgist  Saccharomyces  cerevisiae  (een  veel  gebruikt modelorganisme voor de eukaryote cel, hoofstuk 3 en 4), diatomeeën (kiezelwieren, hoofdstuk 5), en biofilms (een  laag bacteriën gehecht op een oppervlak, hoofdstuk 6).  Om  dit  onderzoek  uit  te  kunnen  voeren  is  een  siliciumtracer  ontwikkeld  die geproduceerd kon worden  in de kernreactor van het Reactor  Instituut Delft van de Technische Universiteit Delft (hoofdstuk 2). Door het bestralen van fosforzuur met snelle neutronen kon via een 31P(n,p)31Si reactie dragervrij radioactief silicium (31Si) gemaakt worden. Bij deze reactie ontstaat radioactief fosfor (32P) als bijproduct, en daarom  zijn  er  verschillende  methoden  onderzocht  om  het  32P  te  verwijderen. Behandeling met de anionwisselaar Dowex gaf de beste  resultaten op het gebied van activiteitsopbrengst en specifieke activiteit. Maar ook een neerslagreactie met bariumcarbonaat  bleek  een  snelle  en  goedkope methode  te  zijn met  een  goede opbrengst. Onderzoek toonde aan dat de tracer de gewenste chemische vorm van kiezelzuur (Si(OH)4) bezat en geschikt was voor biologische systemen.   Gisten en biofilms bezitten voor zover bekend geen specifieke siliciumbiochemie, en waarschijnlijk  is  de  invloed  van  silicium  op  deze  organismen  van  chemische oorsprong.  Als  siliciumchemie  een  rol  speelt,  kan  dat  tot  uiting  komen  in  de interactie  van  silicium  en  metalen  in  deze  organismen.  Dit  is  onderzocht  in hoofdstuk 3  in de  invloed van silicium (als kiezelzuur, Si(OH)4)   op de groeisnelheid en de  hoeveelheden metaal  cellen  van Bakkersgist Saccharomyces  cerevisiae,  een modelorganisme  voor de  eukaryote  cel. De  groeisnelheid bleek  niet  beïnvloed  te worden door silicium tot een concentratie van 10 mmol per liter groeimedium, en er werd een lichte groeiremming geconstateerd bij de extreem hoge concentratie van 100 mmol per  liter. De  invloed van  silicium op de metaalconcentraties  in de cel  is

Page 136: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Samenvatting 

128

 onderzocht in gistculturen zonder extra toegevoegd silicium (‐Si) en in culturen met 10 mmol/L silicium (+Si). In  +Si  culturen  werden  lagere  concentraties  kobalt, mangaan  en  ijzer  in  de  cel gevonden dan in –Si culturen, terwijl de concentratie van molybdeen en magnesium juist  toe  nam.  Zink  en  kalium  werden  niet  beïnvloed  door  silicium.  Gist  onder zinkdeficiëntie  bleek  sneller  te  groeien  in  een  +Si  cultuur  dan  in  een  –Si  cultuur, terwijl  onder  magnesiumdeficiëntie  het  omgekeerde  het  geval  was.  Er  is  geen invloed van silicium waargenomen op de groeisnelheid van culturen met hoge zink‐ en  kobaltconcentraties.  De  opnamesnelheid  van  kobalt  in  de  cel  in  standaard medium was verdubbeld  in +Si culturen, terwijl die van zink onveranderd bleef. Als verklaring  voor  deze  waarnemingen  werd  voorgesteld  dat  silicium  als  een  laag polysilicaat adsorbeert op de buitenkant van de cel op de celwand. Deze laag zou de bindingscapaciteit van de celwand voor metaalionen beïnvloeden. Germanium  (Ge) behoort  tot de zelfde groep elementen  in het periodiek systeem als  silicium  (groep  14)  en  wordt  soms  gebruikt  als  analogon  of  van  silicium.  De toxiciteit  van  silicium  (als  kiezelzuur)  is  vergeleken met  die  van  germanium  (als GeO2).  Germanium  bleek  veel  toxischer  te  zijn  voor  gist  dan  silicium.  De aanwezigheid  van  silicium  geen  invloed  bleek  te  hebben  op  de  toxiciteit  van germanium. De verklaring hiervoor werd gezocht in verschillen in opname in de cel. Germanium  blijkt  niet  altijd  geschikt  te  zijn  als  siliciumanalogon.  Alle  resultaten wezen er op dat veeleer een chemisch mechanisme een belangrijke  rol speelt dan biochemisch of biologisch mechanisme. Dit is verder onderzocht met behulp van de 31Si(OH)4  tracer  (hoofdstuk  4).  De  invloed  van  zink  en  magnesium  op  de siliciumophoping in of op de cel is bepaald bij verschillende siliciumconcentraties in het medium. De waargenomen siliciumophoping bleek goed  te beschrijven  te zijn met een Freundlich adsorptie‐isotherm. Vervolgens is de siliciumefflux vanuit de cel gevolgd,  en  deze  bleek  overeen  te  komen  met  de  depolymerisatiekinetiek  van polysilicaat. Dit alles wees erop dat silicium adsorbeert op de buitenkant van de cel, en  niet  wordt  opgenomen  in  de  cel.  Geadsorbeerd  silicium  kan  op  zijn  beurt reageren met metaalionen, en beïnvloedt daarmee de affiniteit van de cel voor deze metalen. Omdat veel metalen een belangrijke voedingsbron voor de cel zijn, kunnen siliciuminteracties van grote  invloed zijn op de groei en  levensvatbaarheid van het organisme.  De  conclusie  is  dat  chemie  een  grote  rol  speelt  in  silicium  en  de metaalhuishouding van Bakkersgist. Mogelijk spelen soortgelijke mechanismen een rol  in  andere  organismen  voor  silicium  als  essentieel  element.  Dit  moet  verder onderzocht worden. De eigenschap van silicium om te adsorberen op organische oppervlakken is verder onderzocht in biofilms met het oog op een mogelijke biotechnologische toepassing. Biofilms  zijn  bacteriën  die  aan  elkaar  en  aan  een  oppervlak  gehecht  zijn  met extracellulaire polymere  verbindingen  (“extracellular polymeric  substances”, EPS). Biofilms    hebben  mechanismen  ontwikkeld  om  voedingsstoffen  en  organische substraten  in  te  vangen  in  de  EPS‐matrix, waarschijnlijk  om  op  deze manier  de beschikbaarheid van de substraten voor de cellen te verhogen. De verwachting was dat de metalen in het EPS een interactie kunnen aangaan met silicium. Mogelijk kan deze  interactie  toegepast  worden  in  de  civiele  techniek  (bijvoorbeeld  bij  het biogrouten van grond). Dit  is onderzocht door de ruimtelijke verdeling van silicium en fosfaat in biofilms te bepalen onder verschillende metaalcondities (hoofdstuk 6). 

Page 137: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Samenvatting 

129

Hiertoe  is een nieuwe autoradiografiemethode ontwikkeld die gebruik maakt  van 31Si  (als  silicaat)  vergezeld  van  32P  (als  fosfaat). De  opname  van  silicaat  bereikte binnen  enkele  minuten  een  evenwichtwaarde,  en  daarom  kon  in  dit  geval  de opname  gekwantificeerd  worden.  Bij  fosfaat  was  dit  niet  mogelijk.    Met  deze methode  kon  worden  aangetoond  dat  zowel  silicium  als  fosfaat  hetrogeen gebonden werden  aan  de  biofilm. Bovendien  bleek  de metaalconcentratie  in  het groeimedium zowel de structuur van de biofilm als de bindingskarakteritieken voor silicaat en fosfaat te beïnvloeden.  Diatomeeën hebben een externe kiezelskelet, en bij vorming hiervan worden grote hoeveelheden silicium door de cel getransporteerd. Dit proces  is niet zonder risico, omdat  silicium  in hogere  concentraties  spontaan  kan polymeriseren. Diatomeeën bezitten  (in  tegenstelling  tot  gisten  en  biofilms)  een  scala  aan  biochemische mogelijkheden om de siliciumchemie te beheersen, maar het was niet duidelijk hoe de cel omgaat het het risico van spontane polymerisatie. Om dit te onderzoeken  is de siliciumopname in gesynchroniseerde cellen van de diatomee Pleurosira laevis en van andere diatomeeën gemeten tijdens de vorming van het kiezelskelet (hoofdstuk 5).  Hierbij  is  de  31Si(OH)4  tracer  is  gebruikt.  In  het  verleden  zijn  er  twee mechanismen  voorgesteld  die  de  opname  en  het  transport  van  silicium  in  de  cel beschrijven:  1)  opname  en  transport  door middel  van  transporteiwitten  (“silicon transporters”  of  SITs),  en  2)  opname  door  (macro)pinocytose  waarbij  de  de diatomee een “bel” vloeistof opneemt in de cel  en omgeeft met een membraan. In het eerste geval is er een vorm van stabilisatie nodig die er voor zorgt dat de grote hoeveelheden  silicium  in de  cel niet  spontaan gaan polymeriseren.  In het  tweede geval is dit niet aan de orde.  Deze  beide  mechanismen  zijn  verder  onderzocht.  Experimentele  data  zijn gecorreleerd aan een aantal wiskundige modellen voor een compartimentenanalyse en om de mogelijke opname en transportroutes te onderzoeken. Ook van het SITs‐ en  (macro)pinocytosemechanisme  is  een  wiskundig  model  opgesteld.  Uit  dit onderzoek  bleek  dat  de  experimentele  data  van  siliciumopname  gedurende  de vorming van het kiezelskelet het beste bleken te passen in het model voor opname via  (macro)pinocytose. Met dit proces kan de grote, snelle siliciumopname  (“surge uptake”) die optreedt bij hoge siliciumbehoefte verklaard worden. Bovendien wordt hiermee gesuggereerd dat er een alternatieve opnameroute bestaat waarbij geen SITs  betrokken  zijn. Het  onderzoek  toonde  aan  dat  opname  via  pinocytose  zeer goed de opnamekinetiek beschrijft  zoals die gevonden  is  in de experimenten. Dit resultaat verklaart eenvoudig hoe de diatomeecel  in staat  is om te voorzien  in zijn siliciumbehoefte  zonder  het  inwendige  van  de  cel  bloot  te  stellen  aan  hoge concentraties  silicium  en  de  daarmee  verbonden  risico’s  van  spontane polymerisatie.  Nader  moleculair  en  (bio)fysisch‐chemisch  onderzoek  naar biosilicificatie in diatomeeën blijft nodig.  De resultaten die beschreven zijn in dit proefschrift werpen een nieuw licht op de rol van  de  siliciumchemie  in  verschillende  biologische  processen.  De  invloed  van silicium op biologische processen  in gist  is waarschijnlijk van chemische oorsprong, en  resulteert  uit  interacties  met  organische  verbindingen  en  metalen.  Deze interacties, die ook bestaan  in biofilms, zouden ook voor kunnen komen  in hogere 

Page 138: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Samenvatting 

130

organismen,  en  zouden  de  invloed  van  silicium  op  biologische  processen  in  deze organismen ten minste deels kunnen verklaren.  Dit kan ook  verklaren waarom er  tot nu  toe geen  siliciumbiochemie  is gevonden, behalve in enkele planten en grootverbruikers zoals de diatomeeën en de sponzen. Maar als er ook rekening gehouden wordt met de chemie zelf van silicium, dan zijn biochemische processen en enzymen waarschijnlijk niet nodig voor silicium om zijn rol als essentieel element te kunnen vervullen. Om hier duidelijke antwoorden op de verkrijgen is nader onderzoek nodig.  ir. Heleen J. Brasser   

Page 139: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

 

131

Dankwoord  

“Always keep an open mind” Dr. Lesley A. Robertson 

 Het  beginnen met  een  promotieonderzoek  na  een  ingewikkelde  periode  in mijn leven was een sprong in het diepe, maar ook een onverwachte kans. Daarom wil  ik allereerst Bert Wolterbeek, mijn promotor, bedanken omdat hij mij deze kans bood. Het project was aanvankelijk heel vaag, maar gaandeweg bij onze gesprekken werd duidelijk dat de rol van het element silicium in de biologie het onderzoeksonderwerp moest worden. Bert heeft de gave om dingen vanuit heel verschillende invalshoeken te kunnen zien. Dat maakte het onderzoek zeer boeiend en afwisselend. Bert ziet ook  kans om  iets positiefs  te maken  van  “hopeloze”  resultaten. Al was  ik na  een gesprek met Bert altijd doodop,  ik zag het wel weer helemaal zitten. Daarom Bert, hartelijk dank, ’t was hartstikke leuk! Gerard Krijger was mijn  dagelijkse  begeleider. Hij  had  veel  goede  ideeën  en was altijd  zeer  geinteresseerd  in  de  laatste  resultaten.  En  daar werd  dan  stevig  over gediscussieerd, soms op afspraak, maar meestal spontaan bij de koffietafel, op het lab of zomaar ergens in de gang. Dit was voor mij heel belangrijk om een goed beeld te  krijgen  van wat  ik  aan het onderzoeken was  en waar  ik nog beter naar moest kijken. Gerard, hartelijk dank, je was onmisbaar!  Er  was  een  hele  club mede‐onderzoekers met  wie  ik  samengewerkt  heb.  Engel Vrieling en Han van der Strate deden het diatomeeënproject van de Rijksuniversiteit Groningen. Han kwam voor dag en dauw uit Groningen naar Delft met een hoofd vol ideeën  en  een  rugzak  vol  cultures  en  media.  En  zo  konden  we  een  hele  serie experimenten  uitvoeren.  Engel  heeft  een  zeer  grote  bijdrage  geleverd  aan  het artikel,  niet  alleen  inhoudelijk,  maar  ook  met  zijn  mooie  Engels  waarmee  hij ingewikkelde zaken zeer helder formuleerde. Het biofilmproject was in handen van Marc Staal, Leon van Paassen en Mark van Loosdrecht. Marc zat boordevol plannen en  was  een  door  de  wol  geverfde  experimentator.  We  hadden  soms  stevige wetenschappelijke  discussies,  en  die  leidden  vaak  tot  interessante  inzichten. Het was  leuk  om  samen  te werken met  jullie,  en  om  samen  een  artikel  te  schrijven. Engel, Han, Marc, Leon en Mark, allen hartelijk dank voor de prettige samenwerking op het  lab en bij het schrijven van onze artikelen. Zonder  jullie zou dit proefschrift niet geschreven zijn. Zvonko  Kolar,  Kees  Volkers  en  Gülşen  Gürboğa  waren  coauteur  van  het  tracer‐artikel. Zvonko heeft met zijn  radiochemiekennis een belangrijke bijdrage hieraan geleverd. Hij werkte zeer nauwkeurig de hele tekst van het artikel door, waarbij hij alles aanwees wat nog verduidelijking behoefde. Zvonko, bedankt daarvoor. Kees Volkers heeft zeer veel werk verricht in de ontwikkeling van de tracer. Ook heeft hij vele malen de opzuivering van de tracer uitgevoerd en maakte hij er een sport van om dit weer een minuut sneller te doen. Kees, je werk was superbelangrijk, hartelijk dank. Gülşen, die als gast op de afdeling werkte, heeft met haar werk en ideeën een belangrijke bijdrage geleverd aan de karakterisering van de tracer. Daarom, Gülşen, heel hartelijk bedankt.  

Page 140: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Dankwoord 

132

Het  onderzoek  zou  beslist minder  goed  verlopen  zijn  zonder  de  hulp  van Christa Timmermans,  Ehsan  Marandi  en  Jorrit  Heikamp,  die  hun  stage  liepen  op  onze afdeling. Allemaal hartelijk dank voor  jullie bijdrage aan het onderzoek door  jullie keiharde werk dat gepaard ging met een groot enthousiasme. Ook de bijdrage van Ralph Feld, Ou‐Zheng Hu en Ernst de Wiljes wil ik niet onvermeld laten. Zij hebben voor  hun  propedeuse‐eindproject  onderzoek  gedaan  naar  de  zuiverheid  van  de tracer en de efficiency van de verschillende detectiemethoden. Jullie werk was meer dan welkom, en daarom hartelijk dank. Dank aan Tona Verburg die mij bijstond  in mijn gevechten met Origin, Paint Shop en  ander  computergedoe, maar  vooral  voor  de  adviezen  en  hulp  op  gebied  van modellering en statistiek. “Komt goed, meissie”, zei ze dan, en dan kwam het ook altijd goed. Tona, je bent geweldig.  Heel belangrijk voor het onderzoek  is de ondersteuning op het  lab. Daarom dank aan  Koos  Kroon  die  een  aantal  experimenten  heeft  uitgevoerd,  en  die  een onmisbare vraagbaak was voor alles op labgebied. Dank aan Thea van Meerten voor de INAA metingen, die in een aantal gevallen gepaard gingen met enige gevechten met gedroogde gistcellen, Olav Steinebach die een deel van het ICP‐OES werk heeft uitgevoerd, Marijke Luttik van Biotechnologie voor advies over het kweken van gist, en Niek van der Pers van Materiaalkunde voor de Röntgendiffractieanalyses. Verder zorgde Folkert Geurink er altijd voor dat alles op computergebied vlekkeloos verliep. Geen tracer zonder kernreactor, en vooral, geen tracer zonder een HOR operator die om  vier uur  ’s nachts mijn  rabbits  in de  reactor  schoot. Daarom, mannen  van de HOR, hartelijk dank. Yvon Weijgertse, hartelijk dank voor al het  regelwerk, en ook dat  je  je hoofd koel hield bij onverwachte dingen of als er heel veel tegelijk moest gebeuren. Zonder jou waren er beslist dingen fout gegaan.  Een speciaal woord van dank voor Peter Bode, die onmiddelijk actie ondernam toen er op korte termijn een nieuw commissielid gezocht moest worden.  Verder dank aan alle andere  (oud‐)collega’s die  ik nog niet genoemd heb voor de prettige  sfeer  en  samenwerking.  In  het  bijzonder  bedank  ik mijn  kamergenotes Astrid van der Meer, met wie  ik heel wat  lief en  leed gedeeld heb, Diane Abou and Anna Sevcenco, I really enjoyed your company!   Halverwege  2002  overleed  plotseling  de man met  wie  ik  elf  jaar  getrouwd  was geweest. Hoewel wij anderhalf jaar daarvoor gescheiden waren na een ingewikkeld huwelijk, was dit toch een grote slag voor mij. De dagelijkse routine van werk, en het gezelschap van mijn collega’s heeft mij zeker door die moeilijke tijd heen geholpen. Het deed mij goed om te ervaren dat ik er ook bijhoorde toen ik niet zo goed in mijn vel zat. Bedankt iedereen!  En “last but not least” mijn dank aan het privéfront: mijn ouders, Paul, Sada, Aukje, en al die andere  familie, vrienden en kennissen die  ik niet genoemd heb maar die wel  interesse getoond hebben of mij op  één of  andere manier gesteund hebben. Ook jullie hartelijk dank! 

Page 141: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

133

Curriculum vitae  Heleen Brasser werd geboren op 10 april 1964 in Den Haag. In 1982 behaalde zij het VWO diploma aan het Interconfessioneel Westland College te Naaldwijk, en in 1983 het VWO certificaat Natuurkunde via een staatsexamen. In datzelfde jaar begon zij met de  studie Scheikundige Technologie  aan de Technische Universiteit  te Delft. Tijdens de studie liep zij stage bij het Drinkwater Leiding Bedrijf te Rotterdam waar zij onderzoek deed aan adsorptie van organische verbindingen aan actief koolfilters. Zij specialiseerde zich in de microbiologie en studeerde in 1991 af op het stikstof‐ en zwavelmetabolisme van de bacterie Thiosphaera Pantotropha. In 1991 tot 1996 deed ze de postdoctorale beroepsopleiding Biotechnologie aan het  Institute for Postgraduate Biotechnology Studies Delft Leiden en specialiseerde zij zich  in  de  Bioprocestechnologie.  Het  afstudeeronderwerp  was  bioleaching  van pyriet door Thiobacillus  ferrooxidans en Leptospirillum  ferrooxidans. Hierna werd zij werkzaam als gastdocent microbiologie en aquatische chemie aan het Unesco‐IHE in Delft naast andere werkzaamheden.  In 2001 begon zij met het promotieonderzoek waarvan dit proefschrift het resultaat is.  In  2004  behaalde  zij  het  diploma  Stralingsdeskundigheid  niveau  3. Naast  het onderzoek  was  zij  practicumdocent  en  begeleidde  zij  een  aantal  studenten,  stagiaires en een gastmedewerker.  

Page 142: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

Curriculum vitae 

134

  

Page 143: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

135

List of publications  H.J.  Brasser,  G.C.  Krijger,  H.T. Wolterbeek.  On  the  beneficial  role  of  silicon  to organisms:  A  case  study  on  the  importance  of  silicon  chemistry  to  metal accumulation in yeast. Biological Trace Elements Research 125: 81‐95 (2008)  H.J. Brasser, G.C. Krijger, T.G. van Meerten and H.T. Wolterbeek. Influence of silicon on cobalt, zinc, and magnesium in Baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae, Biological Trace Elements Research 112: 175‐190 (2006)  H.J. Brasser, G. Gürboğa,  J.J. Kroon, Z.I. Kolar, H.T. Wolterbeek, K.J. Volkers and G.C. Krijger. Preparation of  31Si‐labelled silicate: a  radiotracer  for silicon studies  in biosystems,  Journal  of  Labelled Compounds  and Radiopharmaceuticals 47:  867‐882 (2006). DOI: 10.1002/jlcr.1096  M.J. Staal, L.A. van Paassen, H.J. Brasser, G. Krijger, M.C.M. van Loosdrecht. Can biological  mediated  silicate  binding  in  biofilms  be  used  for  biogrouting?  In  H. Jonkers,  J. Booster, L. van Paassen, M. van Loosdrecht  (Eds.), BGCE 2008.  1st  Int. Conf. BioGeoCivil Eng., 23‐25 June 2008, Delft, The Netherlands, (pp. 150‐153). TU Delft and Deltares, Delft.  G.C. Krijger, K.J. Volkers, H.J. Brasser and Z.I. Kolar. Production of no‐carrier added 31Si for silicon‐uptake studies in yeast cells, Advances in Nuclear and Radiochemistry, 6th Int. Conf. Nucl. Radiochem, aug 29 – sep 3 2004  M.  Boon,  H.J.  Brasser,  G.S.  Hansford,  J.J.  Heijnen.  Comparison  of  the  oxidation kinetics  of  different  pyrites  in  the  presence  of  Thiobacillus  ferrooxidans  or Leptospirillum ferrooxidans. Hydrometallurgy 53: 57‐72 (1999)  

Page 144: A TRACER AIDED STUDY ON SILICON CHEMISTRY IN BIOLOGICAL ... · PDF fileA tracer aided study on silicon chemistry in biological systems ... 1.3 Thesis outline ...Authors: H J BrasserAffiliation:

136