משקעי Core חתך וסחיטה הנקבובית ווטרס תחת תנאים אנוקסיים
7 במרץ 2016
מוצג פרוטוקול לחיתוך ליבות משקעים ושאיבת מי נקבוביות בתנאים אנוקסיים על מנת לאפשר ניתוח של מינים רגישים לחמצון חיזור הן במוצקים והן בנוזלים.
המטרה הכללית של הליך זה היא לחתוך דגימות ליבה של משקעים ולהפיק מים מחללי נקבוביות (pore waters) מדגימות ליבה אלו, תוך שמירה על מצב החמצון המקורי. שיטה זו מאפשרת לחוקרים בתחומי הגאוקימיה לבחון את הספציאציה (speciation) של מתכות במי נקבוביות ובמשקעים מאזורים רגישים לרדוקס, כגון אגמים ושטחים ביצתיים. היתרונות המרכזיים של טכניקה זו הם גמישותה ויכולת ההתאמה שלה, ניידותה לשטח, עלותה הנמוכה, והעובדה שאינה משבשת את שכבות המשקעים.
את הפרוצדורה ידגים ראהול סינה, סטודנט לתואר ראשון מהמעבדה שלי. התחילו בהכנת מעבדת השטח על ידי הקמת שק הגloves. ראשית, הדקו את לוח ההנחיה למרכז אל משטח העבודה.
מקמו את החור עבור מעטפת הליבה כך שיהיה בולט מול המשטח כדי להבטיח שהוא פתוח. לאחר מכן,יצבו את מכלי החנקן באמצעות תפס ספסל. לאחר מכן, הניחו את שקית הכפפות מעל הפלטה והעבירו צינורית בין השקית לבין ווסת הגז.
הכניסו כ-eight inches של צינור לתוך השקית. כעת, אטמו את חיבור הצינור בשקית בעזרת סרט בידוד, והחליקו תליב (clamp) על הצינור בתוך השקית, אך השאירו את התליב פתוח. לאחר מכן, חתכו X בתחתית השקית מעל החור שבפלטה, ואז מלאו את השקית בפריטים המפורטים.
בדקו שוב את הרשימות, כיוון ששכיחה של פריט היא אי-נוחות רבה. המשימה הבאה היא להכין את הליבה. ראשית, הניחו מעלית מעבדה על הרצפה מתחת למשטח העבודה.
על גבי המעלה המעבדתית (lab jack) צריכה להיות יריעת עץ רב-שכבתי (plywood) עם חור במרכזה לייצוב הגליל. לאחר מכן, כאשר הגליל במצב אנכי, דחפו אותו דרך לוח ההנחיה של הגליל ודרך ה-X בשקית הכפפות. כ-10 עד 15 ס"מ מהגליל צריכים לבלוט מעל הלוח.
כעת, בזמן שאדם אחד תומך בליבה, הדביקו את הליבה לשקית מסביב ל-X באמצעות סרט בידוד. לאחר מכן, הכינו את דוחף הליבה. ראשית, הכניסו את הידית לתוך מרווח PVC באורך של six-inch ובקוטר של two-inch, ולאחריו מחבר באורך של three-inch, ואז מרווח נוסף ומחבר נוסף וכן הלאה, עד שהידית תהיה מכוסה לחלוטין.
כעת, מקמו את מסחט הליבה מתחת לליבה ותמכו אותה באמצעות הג'ק. יש לסובב את הג'ק למצב הנמוך ביותר האפשרי. לאחר מכן, חתכו בזהירות מסביב לתחתית מכסה הליבה באמצעות סכין יפנית.
השאירו טבעת של מכסה ליבה מסביב לליינר של הליבה והשאירו חתיכה מעגלית של המכסה כנגד חומרי הליבה. כעת, אדם אחד חייב להגיע לתוך שקית הכפפות כדי להבטיח את הליבה בעוד האחר מרים את הג'ק. הזריקו בהדרגה את דוחף הליבה אל תוך הליינר של הליבה תוך כדי הרמת המשקע כלפי מעלה.
ייתכן שיהיה צורך להניע מעט את הבורג (extruder). המשיכו להעלות את הגליל עד שהמשקעים והמים שמעליהם יגיעו לראש מעטפת הגליל. המשימה האחרונה היא לאטום את השקית.
ראשית, ודאו שוב שכל הפריטים נמצאים שם. לאחר מכן, פתחו את כל החפצים בתוך השקית המכילים אוויר כלוא. כעת, רצוי בעזרת אדם נוסף, בצעו ריקון (purge) של הכפפה שלוש פעמים.
ראשית, כאשר השק מרוקן ככל האפשר, אטמו את הפתח הראשי באמצעות מספר גומיות מתיחה (bungee cords). לאחר מכן, בעזרת עוזר המווסת את זרימת החנקן ל-50 psi, כוונו את הגז סביב השק, ובמיוחד לתוך חריצים שבהם עלול להילכד אוויר. כאשר השק מנופח מאוד, כבו את הווסת או סגרו את התסמין כדי להפסיק את זרימת הגז.
לאחר מכן, פתחו את הפתח הראשי ודחפו החוצה כמה שיותר גז מהשקית. חזרו על תהליך מילוי השקית בחנקן, כולל כל הסדקים, וריקון השקית פעמיים נוספות. עם השלמת פעולה זו, שקית הכפפה אמורה להכיל רמות נמוכות מאוד של חמצן.
סיימו עם כמות נוחה של גז בתוך שקית הכפפות. מומלץ לבצע הליך זה בעבודה בזוגות. לצורך הליך זה, לבשו זוג כפפות חד-פעמיות מעל הכפפות המובנות בשקית.
החליפו את הכפפות הללו בכל פעם שהן מלוכלכות או קרועות. ראשית, הסירו את כל המים העומדים מחלקו העליון של הליבה באמצעות מזרק. לאחר מכן, סננו מים אלו דרך מסנן מזרק של 0.45-micron.
בשלב הבא, מקמו טבעת לחיתוך ליבות מעל החלק העליון של צילינדר הליבה. לאחר מכן, הרימו את הליבה עד שהמשקע יגיע לקצה העליון של הטבעת. בתוך השקית,יבססו את צילינדר הליבה כך שכאשר הליבה תזוז, הצילינדר לא יזוז.
ייתכן שהמפעיל העובד בתוך שק כפפות יצטרך ללחוץ קלות על לביד הגליל כך שחומר הליבה יהיה בחלקו העליון של הטבעת. לאחר מכן, יש לדחוף חותך ליבות בין החלק העליון של הלביד לבין הטבעת, כך שקטע המשקע יהיה מעל החותך. זהו קטע הליבה הראשון.
בעזרת כפות פלסטיק, העבירו את הפרוסה למבחנה קונית של 50-milliliter וסגרו אותה היטב. שטפו את הכלים וחזרו על התהליך עד שכל הגליל יחולק לפרוסות ויועבר למבחנות. במהלך תהליך חיתוך הגליל, ייתכן שהג'ק של המעבדה יגיע למתיחה מלאה.
אם הדבר קורה, החזיקו את הגליל במקומו, הורידו את הג'ק ומקמו את חלקי ה-PVC כך שיאריכו את דוחף הגליל. לאחר מכן,יסרו את הג'ק חזרה למקומו. במהלך תהליך זה, השקית עלולה להתרוקן או להתנפח יתר על המידה.
בצעו התאמות על ידי פתיחה קצרה של שסתום גז החנקן או על ידי פתיחה קצרה של פתח השקית הראשי לשחרור גז. ברגע שהליבה נחתכה וכל המשקע נמצא במבחנות צנטריפוגה, ניתן להוציא את המבחנות הללו משקית הכפפות ולסגור את שקית הכפפות. לאחר מכן, הכינו את המבחנות שנאספו לצנטריפוגציה כפי שהוסבר בפרוטוקול הכתוב.
לאחר מכן, סובבו אותם בצנטריפוגה במהירות של 1,100 g או מהר יותר למשך 20 דקות. לאחר הסבב, החזירו את המבחנות לסביבה נטולת חמצן והכניסו מספר מבחנות ריקות לאיסוף הדגימות. יש לנקות שוב את השקית באמצעות שטיפה פעמיים או שלוש, כפי שנעשה קודם לכן.
כעת, פתחו מבחנה שסחררה בצנטריפוגה והוציאו את מי הנקבים באמצעות מזרק עם צינור בקצה. לאחר מכן, בעזרת מסנן מזרק של 0.45 מיקרון, סננו את המים למבחנה לאיסוף. הפרוטוקול הכתוב מסביר כיצד לעבד את הדגימות בהמשך.
תוך שימוש בפרוטוקול המתואר, נלקחה ליבה מאזור ביצה בקרבת ניו אורלינס תשעה חודשים לאחר אסון Deep Water Horizons. ביצה זו הייתה מזוהמת בכמות גדולה של נפט. באמצעות ספקטרופוטומטר נייד Hach DR 2700, הנתונים הראו ריכוזי סולפיד גבוהים ביותר.
ריכוזי הברזל היו נמוכים וברזל במצב חמצון של שלוש פלוס לא זוהה. לכן, לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו יש לנקות את שק הגלימה מחמצן, להוציא את הליבה בתוך שק הגלימה כדי לאפשר חיתוך, ולהפריד את מי הנקבוביות מהמשקעים. לאחר שליטה בטכניקה, ניתן לבצעה בשעה עד שלוש שעות לליבה, תלוי באורך הליבה.
בעת ביצוע הליך זה, חשוב לזכור לנקות ביסודיות את שק הגליפות (glove bag) ולכוונן את גובה הליבה באיטיות. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות כגון ספציאציה של ברזל באמצעות ferrousing, ספציאציה של ארסן באמצעות וולטאמטריה או הפרדה בעמודה, והפרדה של מתילכספית, וזאת כדי לענות על שאלות בנוגע למצב החמצון-חיזור של המערכת. אין לשכוח שעבודה עם גזים דחוסים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ואבטחת המיכל היא חיונית במהלך ביצוע הליך זה.
ייתכן שדגימות משקעים מסוימות יהיו מזוהמות בחומרים מסוכנים ויש לנקוט באמצעי הזהירות המתאימים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לחיתוך ליבות משקעים והפקת מי נקבוביים תחת תנאים אנוקסיים. השיטה מאפשרת ניתוח של מינים רגישים לחמצון-חיזור הן במוצקים והן בנוזלים, במיוחד במחקר גאוכימי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- גאכימיה
- מדעי הסביבה
- כימיית חמצון-חיזור
רקע
- הבנת הספציאציה ( speciation) של מתכות במשקעים היא קריטית להערכות סביבתיות.
- אזורים הרגישים לתגובות חמצון-חיזור (Redox), כגון אגמים וביצות, דורשים טכניקות דגימה קפדניות.
- שמירה על מצב החיסון המקורי במהלך הדגימה חיונית לצורך ניתוח מדויק.
- שיטה זו תוכננה להיות ניידת לשימוש בשטח וחסכונית.
מטרת המחקר
- מתן פרוטוקול מהימן לחיתוך מדגמי ליבות של משקעים.
- הקל על מיצוי מי נקבוביים מבלי להפר את שכבות המשקעים.
- מתן אפשרות לחקר מינים רגישים לתהליכי חמצון-חיזור בסביבות שונות.
שיטות שהשתמשו בהן
- הכנת מעבדה שטח באמצעות שק כפפות.
- קיבוע של לוח הנחיית הליבה למשטח עבודה יציב.
- חיתוך של ליבות משקעים תוך שמירה על מצב החמצון שלהן.
- מיצוי מי נקבוביות לצורך אנליזה בהמשך.
תוצאות עיקריות
- הפרוטוקול שומר בהצלחה על מצב החמצון של ליבות משקעים.
- חוקרים יכולים לנתח ביעילות את הספציאציה של מתכות במי נקבוביות.
- השיטה ניתנת להתאמה לתנאי שטח שונים.
- היא מפגינה גמישות וכדאיות כלכלית עבור מחקרים גאוכמיים.
מסקנות
- פרוטוקול זה מהווה כלי בעל ערך עבור חוקרים הלומדים סביבות הרגישות לתהליכי חמצון-חיזור.
- הוא מאפשר ניתוח מפורט של כימיית המשקעים ומי הנקבים.
- יתרונותיה של השיטה הופכים אותה למתאימה ליישומים גאוכימיים מגוונים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו תומכת במחקר ופיתוח בתחום הביו-פרמה על ידי מתן אפשרות לשימור אנליטים הרגישים לחמצון-חיזור במטריצות סביבתיות, דבר החיוני להפחתת סיכונים מכניסטיים במחקרי רעילות ופרמקולוגיה של בטיחות. על ידי שמירה על מצב החמצון המקורי במהלך עיבוד הדגימות, הטכניקה מבטיחה את שלמות הנתונים עבור תיקוף ביומרקרים בשלבים מאוחרים יותר ומידול חיזוי של התנהגות תרכובות במערכות ביולוגיות מורכבות. ניידותה בשטח ועלותה הנמוכה מקלות על בדיקת השערות בשלבים מוקדמים במערכות רלוונטיות למחלה, ובכך מפחיתות את אי-הוודאות בזיהוי מועמדים מובילים ובתהליכי עבודה פרה-קליניים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של מסלולים תלויי-חמצון-חיזור במודלים של מחלות על ידי שימור מינים לא יציבים, כגון סולפיד וספיציאציית ברזל, לצורך תיקוף מכניסטי של מטרות.
- ערך תפעולי: מספק זרימת עבודה הניתנת לשחזור לבידוד מי נקבים מליבות משקעים, ובכך תומך בהכנה עקבית של דגימות בבדיקות של רעילות סביבתית.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק תמציות מי נקבים (pore water) אמינות כמותית המתאימות לסטנדרטיזציה של בדיקות, ומאפשר סינון של תרכובות המווסתות מסלולים הרגישים לתהליכי חמצון-חיזור.
- ערך תפעולי: מקל על מיצוי דגימות בנאמנות גבוהה תחת תנאים אנוקסיים, מה שמשפר את השחזוריות של הבדיקה ומפחית תוצאות שליליות שגויות במסעות של סינון פנוטיפי.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך בהלימה של ביומרקרים תרגומיים על ידי שימור מינים הרגישים לחמצון-חיזור (redox-sensitive species) המתאימים להתקדמות המחלה במודלים פרה-קליניים.
- ערך תפעולי: מבטיח רציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי שמירה על שלמות הדגימות לאורך שלבי זרימת העבודה, ובכך מפחית שונות בקבלת החלטות על קידום מותאם סיכון.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן אפשרות להכנה אמינה של דגימות עבור בדיקות ביולוגיה של חמצון-חיזור (redox), תומכת בבחינת השערות בשלבי הגילוי המוקדמים ומסייעת בזיהוי מועמדים מובילים (leads) באמצעות נתונים שהסיכון המכניסטי שלהם הופחת.
- ביולוגיה של גילוי (Discovery Biology): תומך בבדיקת השערות ובבירור מסלולים על ידי שימור אנליטים הרגישים למצב חמצון, שהם קריטיים לתיקוף מטרות בתחומי מחלות המאופיינות בפעילות רדוקס.
- סריקה (Screening): משפר את מוכנות הבדיקה והשחזוריות על ידי אספקת דגימות מי נקבים עם מינימום ארטיפקטים של חמצון, מה שמאפשר הערכה אמינה של תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת פלטים כמותיים, כגון מדידות של ספציאציה של סולפיד וברזל, המאפשרות לצוותים להשוות תנאי רדוקס בין קבוצות ניסוייות.
- מחקר תרגומי (Translational Research): מקשר לרציפות פרה-קלינית על ידי שימור ביומרקרים של עקה רדוקס, ובכך תומך בהחלטות מותאמות סיכון בתיקוף מודלים של מחלות.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש כיכולת ניתנת לשימוש חוזר עבור צוותי סביבה ורעילות, תוך סטנדרטיזציה של הטיפול בדגימות בין פרויקטים ואזורים גיאוגרפיים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי באמצעות שימור מינים רגישים לחמצון-חיזור, הפחתת עמימות מכניסטית בפארמקולוגיה של בטיחות.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה של עיבוד דגימות אנוקסיות במסגרות שטח ומעבדה.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות go/no-go טובות יותר באמצעות הפחתת תוצאות חיוביות שגויות במבחנים תלויי חמצון-חיזור, ויעילות הונית בסינון ראשוני.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעדוף תרכובות מותאם סיכון בהתבסס על נתוני ביומרקרים אמינים של חמצון-חיזור, להפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות מדעית בטכניקות אנאירוביות ובכימיה של חמצון-חיזור (redox).
- הציוד הנדרש כולל מערכות של שקי חמצון (glove bag), וסתי גז חנקן, צנטריפוגות ומסנני מזרקים.
- סטנדרטיזציה בין צוותים מחייבת הדרכה על פרוטוקולי ניקוי חמצן ונהלי טיפול בליבות.
- שיקולי התאמה כוללים כיונון של עובי חיתוך הליבה בהתבסס על הקוטר ודחיסות המשקעים.
- מגבלות מעשיות כוללות את הצורך בניתוח מהיר לאחר ההפקה כדי למנוע חמצון הדרגתי, גם תחת תנאים אופטימליים.
