使用柔性金-钛反应池模拟地下生物采矿中压力依赖性微生物活性

生物浸出是指利用嗜酸性细菌通过溶解金属硫化物，从矿石中提取铜及其他有价金属的应用技术。例如，可以从孔雀石矿石中利用这些细菌溶解硫化物来提取铜，随后生成富含硫酸铜的溶液，从而便于从中提取铜。

原位生物采矿是一种利用细菌提取金属的方法，无需进行地下或露天开采作业。该方法通过将富含铁的酸性溶液泵入岩层，使金属硫化物溶解，再将富含金属的溶液抽回地表，从而提取金属。在本实验中，使用一个高压反应器单元来模拟深部岩层中的环境条件。

对细菌进行研究，分析其与硫化物氧化相耦合的铁还原活性；特别是，我们感兴趣的是观察细胞在高压条件下的活性程度，以及其反应速率随压力变化的情况。实验中可使用高压反应器（如图所示），该装置可模拟高达350 bar的压力环境。高压反应器的底部由反应容器构成，可用于盛装含有微生物培养物的液体样品。

反应堆堆顶设有多种连接接口，用于安全措施和监测传感器，例如监测反应堆内部的温度或压力。大多数高压反应堆由不锈钢制成。

这种材料具有高弹性及良好的机械加工性能。然而，对于某些应用，例如涉及酸性或强还原性水溶液的实验，不锈钢表面的耐腐蚀性可能不足。一种避免此问题的方法是将衬管插入反应器容器中。

此处使用由聚四氟乙烯（tefflon）制成的衬管。聚四氟乙烯具有很高的耐腐蚀性，但其污染风险也较高，因为它无法通过高压灭菌进行消毒，且铁屑可能在其表面析出。另一种可使用的衬管材料是石英玻璃。

它易于清洁，可通过高压灭菌进行消毒，且不易受酸性或还原性水溶液的影响。尽管内衬材料有助于防止样品与不锈钢反应器壁发生不必要的反应，但仍存在一些问题。例如，若产生腐蚀性气体（如硫化氢），该气体可能会与内衬上方暴露的反应器盖表面发生反应。另一个缺点是，无法在不改变压力的情况下从反应器中取出样品。

为了克服这些局限，我们使用了一种特殊的反应室——一种带有钛头的柔性金袋。金表面耐酸性或还原性溶液及气体的腐蚀，钛表面也具有高度的惰性。

形成连续的二氧化钛层时，此处可见为深蓝色。采样过程中，金袋的体积会缩小。金袋的体积减少不应超过50%，以防止形成尖锐的褶皱和边缘。

图中所示为金袋实验内部装置的各个组件。从下至上依次可见：柔性金袋反应池、钛密封系统（包括钛制端盖、垫圈和压紧螺栓环），以及用于在运行模式下对反应池进行取样的采样管和阀门。现在，我们将样品转移至金-钛反应池中。

首先，打开并解锁空腔室，将所有传入物料装载到可移动托盘上。关闭并锁紧前盖。在对过渡舱抽真空后，戴上手套对，靠近内层盖板。

打开内盖并解锁，从可移动托盘中取出传入物料。拆开洁净的金色袋子，固定其支架。打开血清瓶，其中含有100 mL细菌培养物和单质硫。

轻轻摇动血清瓶，并将细菌培养物转移至金袋中。将带有组装管的钛头插入金袋上的钛盖内。然后，将垫圈和压缩环套在钛质采样管上。

将六个榆木螺丝拧紧至相同程度，以确保钛帽对钛盖内金袋最上缘的压力分布均匀。此处为金钛反应池的密封面。重新安装钛管顶部的取样阀。

用手拧紧连接处，然后务必关闭阀门。此时，高压反应器的核心部件已完全组装完毕，可安装到反应器帽中。

现在可以安装高压反应器。在此过程中，采样管的开口端会短暂暴露于周围大气中，因为必须拆下采样阀才能将采样管穿过反应器盖上的螺纹密封件。停止从采样管上拆卸采样阀及螺钉。

将管路穿过反应器头部，将大螺钉套在管路上，然后拧紧小盖。此时反应单元组件无法再从反应器头部滑出，双手可自由重新安装采样阀。从台钳上取下反应器头部，将其安装到反应釜容器上。

必须小心地将反应堆堆盖（包括热电偶）放置在反应堆容器上，以免损坏金袋或热电偶。最后，将配有分体环和压缩螺栓的坚固盖子固定在反应堆堆盖和容器周围，以适当地密封系统。为避免可能的伤害，特别是手指挫伤，需小心地将高压反应堆安装在摇动装置中。

高压反应器由两个夹具固定，夹具滑过一对螺钉。垫圈和螺母将夹具固定到位。连接热电偶和压力传感器的控制单元。

确保导线长度足以满足摇动运动的需求，同时防止其内容物加热导线表面。最后，将加热元件套在反应釜上，并拧紧其螺钉锁。用于加压系统的水由高压泵从储水罐中抽取。

通过不锈钢毛细管将其转移至高压反应器中。高压反应器的摇动可确保反应腔内各组分的充分混合，例如其中的气体、液体和/或固相。

较慢的摇动速度对于防止固体快速移动或高温下重力对柔性金袋产生影响而造成的金袋损伤至关重要。我们的系统能够在指示器上绿色和黄色标记的角度范围内旋转，该角度接近180度。实验参数由软件同时记录。

取样时，将一个5毫升的注射器连接到高压反应器顶部取样阀的小锁接口上。小心打开阀门，反应釜内的过压会自动将液体样品推入注射器中。

当样品体积达到一毫升后，关闭阀门。取下注射器。立即将注射器中的样品转移至一个两毫升的离心管中，用于后续处理。

通过光度分析法测定反应池中微生物将三价铁还原为二价铁的过程。一系列含有呈浓度依赖性紫色的二价铁复合物及指示剂铁基二茂铁的二价铁标准溶液，用作校准试剂。高压反应器实验结果表明，在特制的金钛反应池中，细菌可将硫和三价铁氧化为二价铁，且压力对反应具有显著影响。

图中显示了在1 bar和100 bar压力下进行的实验中，22天内亚铁离子浓度的增加情况。在1 bar和100 bar条件下分别检测到约31和13毫摩尔的亚铁离子。这明确表明，即使在100 bar的高压下，微生物细胞仍然具有活性，但其三价铁还原活性在高压条件下显著降低。

扫描电子显微镜图像显示了杆状细胞在低压和高压实验条件下的生长情况。Seyfried 及其同事于 1979 年开发的柔性金-钛反应池具有广泛应用于多种科学研究的潜力，包括涉及腐蚀性气体和流体的反应。其中一个应用可能是测定铁和气体在高温高压下的溶解度。

另一个应用可能是确定在石油和天然气形成过程中发生的反应。第三种应用，如本研究中所述，可能是研究在高温高压条件下的微生物反应。