להגדרת הטור ניסיוני ללמוד אנאירובית Biogeochemical אינטראקציות בין והידרוקסידים ברזל (אוקסי), יסודות קורט, חיידקים
19 בדצמבר 2017
גורל היווצרות המינים של ארסן וכספית באקויפרים הם פעילות מיקרוביאלית ותנאים קשורה קשר הדוק פיזיו-כימית. כאן, אנו מציגים התקנה ניסיוני העמודה המקורית מחקה אקויפר ומאפשרת הבנה טובה יותר של יסוד קורט דילדול בתנאים אנאוקסיים. שתי דוגמאות מוצגים, המשלב גישות גיאוכימיים מיקרוביולוגית.
המטרה הכוללת של מערך ניסוי זה היא לחקור את גורלן של מתכות קורט בתנאים של סולפט ו/או הפחתת ברזל הנגרמים על ידי פעילויות מיקרוביאליות. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הביוגיאוכימיה כגון אינטראקציות בין מחזורים ביוגיאוכימיים מרכזיים כמו כספית וארסן. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שבשל זרימת המים הרציפה, הדינמיקה של התגובות הביוגיאוכימיות ויכולתם של יסודות קורט מנותקים ונגישים דרך יציאות הדגימה.
וכך, שיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי גורל הכספית והארסן כפי שהודגם כאן המסתיים בתחמוצות ברזל. ניתן ליישם אותו גם על יסודות קורט אחרים או מצעי נשא. תדגים את ההליך חפידה טריס, טכנאית מהמעבדה שלנו.
כדי להתחיל בהליך זה, הוסף 500 מיליליטר מים טהורים במיוחד לכור זכוכית המצויד במוט ערבוב מגנטי. יש להוסיף 50 גרם ברזל(III)כלוריד הקסהידרט תוך כדי ערבוב. הוסף ידנית כ-50 מיליליטר של תמיסה של 10 מולרית של נתרן הידרוקסיד כדי להתחיל במשקעים של פריהידריט.
לאחר מכן, התאימו את ה-pH לשש והמשיכו לערבב במשך שעה להתייצבות. עבור הידרוקסידים ואוקסיהידרוקסידים עם ארסן, הכינו 100 מיליליטר תלת-תחמוצת ארסן בריכוז של 10 גרם לליטר. לאחר מכן, הוסף 70 מיליליטר מתמיסה זו לתמיסת תחמוצת הברזל.
ממשיכים לערבב שלוש שעות. לאחר מכן, צנטריפוגה בחום של 2, 000 גרם למשך 20 דקות. הסר את הסופרנטנט והשהה מחדש את הגלולה עם 50 מיליליטר מים טהורים במיוחד.
חזור על הצנטריפוגה והשעיה מחדש פעמיים נוספות. התאושש ואחסן את ההידרוקסידים הלחים והאוקסיהידרוקסידים כמתואר בפרוטוקול הטקסט. שמור ארבעה גרם סיליקה ג'ל ב-40 מיליליטר של אשלגן הידרוקסיד 7% על צלחת חמה תוך ערבוב עם מוט ערבוב מגנטי עד להמסה.
הוסף 60 מיליליטר מים טהורים במיוחד. מצננים את התמיסה על קרח לכ-20 מעלות צלזיוס כדי למנוע התייצבות מהירה מדי של הג'ל. טיטרט את תערובת הסיליקה ג'ל עם חומצה זרחתית 20% עד pH 7.5.
לאחר מכן, ערבבו במהירות את ג'ל הסיליקה הנוזלי עם 320 גרם חול סטרילי שעורבב בעבר עם 18.3 גרם של תחמוצות ברזל עם כספית או ארסן לפני שהוא מתמצק. בעזרת מרית מפרקים את התערובת הג'ל. כדי להתחיל בהגדרת עמודי הזכוכית, חבר את מעילי המים למערכת קירור מים.
הגדר את המערכת לשמירה על טמפרטורה ממוצעת של 20 מעלות צלזיוס. חותכים אורכים של צינורות PTFE בקוטר פנימי של שלושה מילימטרים, ומוודאים שיש אורך מספיק לכניסת ויציאת העמודה. לאחר מכן, הוסף שכבה של צמר סלעים לח לעמוד מלמעלה.
הוסף 320 גרם חול סטרילי. הוסף את השכבה הסופית המורכבת מהחול הסטרילי המעורבב בעבר ותחמוצות ברזל אמורפיות מיובשות קבועות במטריצת הסיליקה ג'ל. לאחר מכן, חבר את הזרימה לצינורות פריסטלטיים.
חבר את הקצה השני של הצינור הפריסטלטי לאספקת מדיום המים. חבר זרימה עולה של מים סטריליים טהורים במיוחד המבעבעים ברציפות על ידי גז חנקן במהירות נמוכה של כשני מיליליטר לשעה. לאחר מכן, מכסים את העמוד בנייר אלומיניום כדי לחסום את האור.
לאחר שבועיים נצפה משקע בצבע שחור בממשק בין שתי שכבות החול. האזור השחור הזה פולש בהדרגה לאזורים העליונים המועשרים בברזל הידרוקסיד ובאוקסיהידרוקסיד, כאשר כל השכבה העליונה הופכת לשחורה בסוף הניסוי. לאחר 35 ימים של ריצה רצופה, רמות הסולפט הנמדדות יורדות ואחריה עלייה חולפת בסך הברזל המומס.
מהיום ה-60 ואילך, נראה כי סך הארסן המומס עולה באופן משמעותי. ביום ה-54 מתוארים הפרמטרים הפיזיקליים והכימיים. בעוד שה-pH נשאר קרוב ל-pH שבע לאורך העמודה, פוטנציאל החיזור משתנה באופן משמעותי עם ערכים המתקרבים ל-200 מילי-וולט שליליים באזור מדולל הברזל שבו מתרחשת הפחתת סולפט ומתקרבים למילי-וולט שלילי בחלק העליון שבו מתרחשת הפחתת ברזל חיידקית וכימית.
ריכוזי הסולפט המומס מגיעים לכ-20 מיליגרם לליטר בשכבות התחתונות ויורדים מתחת למיליגרם לליטר באזור העשיר בברזל. סולפט יורד בחדות גם בממשק בין אזורים נטולי ברזל ועשירים בברזל, מה שמעיד על שיא של פעילות הפחתת סולפט. בינתיים, ארסן מתגלה באזור העליון בעוד שמינים של תיוארסן נראים קרוב יותר לממשק ותיוסולפט נמצא בשכבה התחתונה נטולת הברזל.
פרופילי ריכוז אלה מצביעים על שיא של פעילות הפחתת סולפט בממשק בין שכבות נטולות ברזל ועשירות בברזל. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות כמו מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, ספקטרוסקופיה של ראמאן או מבחני פעילות על מנת לענות על שאלות נוספות כגון אילו מינרלים חדשים נוצרים או אילו קהילות חיידקים התפתחו. אל תשכח שעבודה עם כספית וארסן עלולה להיות מסוכנת ביותר ואמצעי זהירות יש להשתמש בכפפות ובמכסי אדים כאלה בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את גורלם של ארסן וכספית באקוויפרים, תוך התמקדות בהשפעת תנאים פיזיקו-כימיים ופעילות מיקרוביאלית. מוצגת מערכת עמודות ניסויית המדמה אקוויפר כדי להעמיק את ההבנה של הביוגאוכימיה של יסודות קורט בסביבות אנוקסיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ביוגיאוכימיה
- אקולוגיה מיקרוביאלית
- מדעי הסביבה
רקע
- מתכות קוריות כגון ארסן וכספית הן מזהמים סביבתיים משמעותיים.
- פעילויות מיקרוביאליות ממלאות תפקיד מכריע במחזור הביוגאוכימי של יסודות אלו.
- הבנת גורלם באקוויפרים חיונית לניהול סביבתי.
- מחקרים קודמים הראו קשרים בין מחזורים ביוגאוכימיים.
מטרת המחקר
- לבחון את גורלם של מתכות קוריות תחת תנאי חזרת סולפטים ו/או ברזל.
- לחקור את האינטראקציות בין המחזורים הביוגאוכימיים של כספית וארסניק.
- לספק תובנות לגבי הדינמיקה של תגובות ביוגאוכימיות באקוויפרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הקמת עמודה ניסיונית המדמה תנאי אקוויפר.
- זרימת מים רציפה להפרדת תגובות ביו-גיאו-כימיות.
- פתחי דגימה לניטור לביליות של יסודות קורון.
- שילוב של גישות גיאוכימיות ומיקרוביולוגיות.
תוצאות עיקריות
- הדגים את גורלם של כספית וארסן המסתיימים בתחמוצות ברזל.
- סיפק תובנות לגבי הדינמיקה של התנהגות יסודות קורס.
- הראה את הישימות ליסודות קורס ולמצעים אחרים.
- הדגיש את חשיבותה של הפעילות המיקרוביילית במחזור של מתכות קורס.
מסקנות
- ההגדרות הניסיוניות יעילות לחקר גורלו של מתכת עקביות.
- תהליכים מיקרוביאליים משפיעים באופן משמעותי על מחזורים ביו-גאו-כימיים.
- מחקרים נוספים יכולים להרחיב את הממצאים עבור יסודות אחרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות לתעשייה
הבנת הגורל הביוגאוכימי של יסודות קורט רעילים כגון ארסן וכספית בתנאים אנוקסיים בעלי פעילות מיקרובית היא קריטית להערכת סיכונים ניבויית במחקר ופיתוח סביבתי ופרמצבטי. מערך עמודות ניסויי זה מאפשר הפרדה מדויקת בין התרומות הכימיות למיקרוביאליות לניידות של יסודות קורט, ובכך תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית ובתיקוף מטרות עבור אסטרטגיות התערבות סביבתיות. גישה זו מספקת מידע לקבלת החלטות בשלבים מוקדמים של פרויקטים הכוללים הפחתת מזהמים, ביו-סננייה או בטיחות סביבתית של תרכובות פרמצבטיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של נתיבים מיקרוביאליים וגיאוכימיים המשפיעים על גורלם של יסודות קורט.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של יעדים מיקרוביאליים המעורבים במחזורי חמצון-חיזור של ארסן וכספית.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכנית על ידי בידוד תרומות ביוטיות לעומת אביוטיות לניידות היסודות.
- מספק ביטחון ניבוי למודלים של סיכון סביבתי ולאסטרטגיות התערבות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין מערכות עמודות מהומקדות וחזרתיות לבדיקות כימיות ומיקרוביולוגיות המשך.
- מאפשר מדידה כמותית של ספציאציה וניידות של יסודות קורט תחת תנאים מבוקרים.
- תומך בסטנדרטיזציה של בדיקות להערכת התערבויות מיקרוביאליות או כימיות.
- מאפשר התאמה ניתנת להרחבה ליסודות קורט אחרים או לתשתיות נשיאה שונות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה ממצאים מעבדתיים לתרחישים סביבתיים הרלוונטיים ליישומים פתאטורים וביוטכנולוגיים.
- מספקת רציפות מגילוי מכניסטי להערכת סיכונים סביבתיים פרה-קלינית.
- מאפשרת קידום של אסטרטגיות לביורימדיאציה או להפגתה, המותאמות לרמת הסיכון.
- תומכת בזיהוי ביומרקרים תרגומיים לניטור סביבתי.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline & Workflow Integration)
שיטה זו, המבוססת על עמודות, משתלבת ברצף שבין השלב הגילוי לשלב הפרה-קליני במחקר על סיכונים סביבתיים ושיקום, ובכך מגשרת בין מחקרים מכניסטיים לבדיקות התערבות יישומית.
- ביולוגיה של הגילוי: מנתחת מנגנונים מיקרוביאליים וגאו-כימיים השולטים בגורלם של יסודות קלילה.
- סריקה: מספקת תוצרים כמותיים וניתנים לשחזור להשוואת יעילות של התערבויות.
- אנליזה: מספקת פרופילים מרחביים וזמניים של פוטנציאל חיזור-חמצון (redox), pH וספיציאציה של יסודות קלילה.
- מחקר תרגומי: מקשרת תובנות מנגנוניות מהמעבדה למודלים סביבתיים הרלוונטיים לשטח.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פלטפורמה מודולרית הניתנת להתאמה ליסודות קלילה שונים ולמטריצות סביבתיות מגוונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במודלים של גורל סביבתי ובתיקוף מטרות.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של זרימות עבודה עבור ניסויים הדירים וניתנים להרחבה.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס להחלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) עבור פרויקטים של התערבות סביבתית והפחתת סיכונים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של אסטרטגיות שיקום או ניטור המותאם לרמת הסיכון.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרוביולוגיה אנאירובית, גאוכמיה וכימיה אנליטית.
- מחייב גישה למערכות עמודות מבוקרות, משאבות פריסטלטיות ומכשור אנליטי לכימות יסודות עקבה.
- דורש סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים להבטחת שחזוריות והשוואתיות של הנתונים.
- ניתן להתאמה ליסודות עקבה שונים ומטריצות סביבתיות שונות באמצעות שינויים בפרוטוקול.
- פרוטוקולי בטיחות מחמירים הם חיוניים בשל אופיים המסוכן של ארסן וכספית.
