Name: Wykorzystanie elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan do symulacji zależnej od ciśnienia aktywności mikrobiologicznej w kontekście biogórnictwa podpowierzchniowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-10-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 13 s
Description: Poznaj metodę badań aktywności mikroorganizmów w warunkach wysokiego ciśnienia do 350 barów przy użyciu elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan. Technika ta umożliwia symulację procesów biogórnictwa podpowierzchniowego.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy Robertowi Rosenbauerowi (USGS, Menlo Park) za podzielenie się swoją wiedzą na temat elastycznych komórek reakcyjnych złoto-tytanowych, oraz Georgowi Scheederowi (BGR) za jego wkład podczas początkowej fazy konfiguracji zmodyfikowanego systemu w Hanowerze. Chcielibyśmy podziękować wielu naukowcom (m.in. Katji Heeschen, Andreasowi Risse, Jensowi Gröger-Trampe, Theodorowi Alpermannowi) korzystającym z instalacji w Hanowerze w licznych projektach, które przyczyniły się do niewielkich ulepszeń po drodze, a także Christianowi Seegerowi za opracowanie urządzenia kołyszącego do reaktorów wysokiego ciśnienia. Dziękujemy Laurze Castro (Uniwersytet Complutense w Madrycie) za spostrzeżenia SEM. Na koniec chcielibyśmy wyrazić naszą wdzięczność Nilsowi Wölkiemu za wyprodukowanie tego wysokiej jakości filmu do artykułu. Prace te były wspierane przez projekt Unii Europejskiej BIOMOre w ramach programu Horyzont 2020 (Umowa o grant # 642456).

1. Przygotowanie pożywki i inokulacja kultury drobnoustrojów
<ol>
	<li>Przygotuj podstawową pożywkę solną dla autotroficznych prokariontów zgodnie z opublikowanymi technikami13. Rozpuść i wymieszaj poniższe substancje chemiczne w wodzie destylowanej (mg/L): Na2SO4·10H2O (150) (NH4)2SO4 (450), KCl (50), MgSO4·7H2O (500), KH2PO4 (50) i Ca(NO3)2·4H2O (7).</li>
	<li>Dodać 1 ml/l 1000x stężonego roztworu pierwiastków śladowych zawierającego (g/L): ZnSO4·7H2O (10), CuSO4·5H2O (1), MnSO4·H2O (0,76), CoSO4·7H2O (1), CrK(SO4)2·12H2O (0,4), H3BO3 (0,6), NaMoO4·2H2O (0,5), NiSO4·6H2O (1), Na2SeO4 (0,51), Na2WO4·2H2O (0,1) i NaVO3 (0,1). Dostosuj pH do 1,8, dodając 5 M kwasu siarkowego.</li>
	<li>Wysterylizuj pożywkę w autoklawie w temperaturze 121 °C i ciśnieniu 1,2 bara przez 20 minut, a następnie wysterylizuj roztwór żelaza przez filtrację przez filtr strzykawkowy o wielkości porów 0,22 μm.</li>
	<li>Przenieść 50 ml wysterylizowanej pożywki soli podstawowej do butelki z surowicą i dodać roztwór żelaza i siarkę elementarną do końcowego stężenia odpowiednio 50 mM i 10 g/l.</li>
	<li>Zaszczep pożywkę mieszaną kulturą złożoną z kilku mezoacidofilnych prokariontów utleniających żelazo14.</li>
	<li>Zakręć butelkę serum wysterylizowanymi korkami z kauczuku butylowego i zamknij aluminiowymi zaciskami.</li>
	<li>Energicznie bąbelkować pożywkę hodowlanąN2, aby usunąć rozpuszczony tlen przez 25 minut. Użyj dwóch igieł, umieść jedną głębiej w główce butelki, drugą blisko nakrętki.</li>
	<li>Wstrzyknąć CO2 w celu uzyskania atmosfery 90% N2 i 10 % CO2 w przestrzeni nad butelką z surowicą. Inkubować kulturę bez mieszania w temperaturze 30 °C w ciemności.</li>
</ol>
2. Przygotowanie komory reakcyjnej złoto-tytanowej i reaktora wysokociśnieniowego
<ol>
	<li>Oczyść komórkę reakcyjną złoto-tytan.
	<ol>
		<li>Zdemontuj komórkę reakcyjną na poszczególne części, aby uniknąć kontaktu kwasu z częściami ze stali nierdzewnej lub wystawienia zmontowanych części o różnych właściwościach rozszerzalności cieplnej na działanie ciepła.</li>
		<li>Oczyść powierzchnie, które będą miały kontakt z próbką podczas eksperymentu (tj. złotą torbę, tytanową głowicę, tytanową rurkę do pobierania próbek i tytanowy zawór).
		<ol>
			<li>Umieść złotą torbę i tytanową główkę w szklanej zlewce.</li>
			<li>Dodaj tyle 10% HCl, aby pokryć wszystkie części.</li>
			<li>Podgrzej kwas na płycie grzewczej do temperatury 50 °C przez 3 godziny, mieszając go.</li>
			<li>Wyjmij części pęsetą PTFE z roztworu kwasu i spłucz je wodą dejonizowaną.</li>
			<li>Dokładnie spłucz wewnętrzną powierzchnię złotej torebki i tytanową głowicę 65% HNO3, a następnie wodą dejonizowaną.</li>
			<li>Przepłukać wewnętrzną powierzchnię tytanowej rurki do pobierania próbek i tytanowego zaworu 10% HCl, a następnie wodą dejonizowaną, 65% HNO3, a następnie ponownie wodą dejonizowaną.</li>
			<li>Oczyść wszystkie części z zanieczyszczeń organicznych, spłukując je acetonem.</li>
			<li>Suszyć wszystkie części w piekarniku w temperaturze 105 °C przez co najmniej 1 godzinę.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Podgrzać powierzchnie złotej torby, tytanowej głowicy i tytanowej rurki do pobierania próbek, wystawiając je na działanie temperatury 450 °C przez 4 godziny w piecu muflowym w atmosferze powietrza. 
		UWAGA: Ta procedura sterylizuje powierzchnie i powoduje powstanie pasywującej warstwy dwutlenku tytanu na wszystkich powierzchniach tytanowych. Części tytanowe po obróbce cieplnej powinny mieć kolor od żółtego do niebieskiego.</li>
		<li>Wyżarzaj złote ogniwo, aby zwiększyć elastyczność złota, resetując małe domeny krystalizacji poprzez zastosowanie ciepła za pomocą palnika propanowego. Podgrzej powierzchnię złota dookoła, aby zmniejszyć załamania w złocie, które mogły powstać podczas ostatniego kurczenia się objętości złotej torby w eksperymencie. Upewnij się, że nie podgrzewasz złota zbyt mocno w jednym miejscu, aby uniknąć jego stopienia. 
		UWAGA: Czerwona poświata złotej powierzchni wskazuje na wystarczające nagrzanie.</li>
		<li>Zamontuj złotą torbę w tytanowym kołnierzu, a tytanową rurkę do pobierania próbek w tytanowej głowicy, używając momentu obrotowego 10 Nm dla dławnic.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sprawdź reaktor wysokociśnieniowy.
	<ol>
		<li>Sprawdź wzrokowo reaktor pod kątem ewentualnych uszkodzeń, korozji i luźnych części. 
		UWAGA: Szczególną uwagę należy zwrócić na uszczelkę i szczelinę, w której odbywa się uszczelnienie. Jeśli uszczelka grafitowa była wcześniej używana do uszczelnienia reaktora, jej resztki mogą nadal znajdować się w szczelinie i powinny zostać usunięte plastikową szpilką przed następnym eksperymentem.</li>
		<li>Nałóż pastę siarczku miedzi na oporowe w głowicy reaktora wysokociśnieniowego. Upewnij się, że smar jest rozprowadzony na całym gwincie.</li>
		<li>Sprawdź przykręcaną uszczelkę zaciskową pod kątem długości pozostałego uszczelnienia grafitowego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Napełnianie i montaż komory reakcyjnej złoto-tytanowej w warunkach beztlenowych
<ol>
	<li>Załaduj schowek na rękawiczki.
	<ol>
		<li>Przygotować pożywkę hodowlaną w butelkach z surowicą zgodnie z sekcją 1.</li>
		<li>Owiń części komórki reakcyjnej goldtina, które później będą miały kontakt z próbką, w folię aluminiową, aby zminimalizować potencjalne zanieczyszczenie.</li>
		<li>Otwórz i odblokuj przedsionek schowka podręcznego, załaduj cały przychodzący materiał na ruchomą tacę, a następnie zamknij i zablokuj przednią pokrywę.</li>
		<li>Ewakuuj przedsionek 3x i zalej go azotem o wysokiej czystości.</li>
		<li>Załóż parę rękawiczek i zbliż się jak najbliżej wewnętrznej osłony. Odblokuj i otwórz pokrywę wewnętrzną, aby wyjąć materiał przychodzący z ruchomej tacy.</li>
		<li>Zamknij i zablokuj pokrywę wewnętrzną.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Napełnij złotą komórkę.
	<ol>
		<li>Rozpakuj czystą złotą torbę i postaw ją na przykład ze szklaną zlewką. Otwórz butelkę serum zawierającą 100 ml kultury bakteryjnej i siarki elementarnej.</li>
		<li>Delikatnie wstrząśnij butelką serum i przenieś kulturę bakteryjną do złotej torebki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zmontować komórkę reakcyjną.
	<ol>
		<li>Włóż tytanową głowicę z dołączoną tytanową rurką do pobierania próbek do tytanowego kołnierza otaczającego górną krawędź złotej torby. 
		UWAGA: Upewnij się, że powierzchnia uszczelniająca stożkowej dolnej części tytanowej głowicy pasuje płynnie, obracając ją o 90° do przodu iz powrotem.</li>
		<li>Nasunąć podkładkę i pierścień zaciskowej na tytanową rurkę do pobierania próbek na tytanową głowicę. 
		UWAGA: Obróć pierścień zaciskowej w tytanowym pierścieniu o 30°, aby wyrównać kołnierze tytanowego pierścienia i pierścienia oporowej.</li>
		<li>Dokręć sześć imbusowych w tym samym stopniu, aby zapewnić równomierny rozkład nacisku tytanowej główki na górnej krawędzi złotego worka w tytanowym kołnierzu (tj. powierzchni uszczelniającej komórki reakcyjnej). 
		UWAGA: Dokręć imbusowe w pierścieniu zaciskowej do momentu ręcznego dokręcenia, tak aby moment obrotowy przeciwległych został najpierw zwiększony (skrzyżowanie), zanim będziesz kontynuować zgodnie z ruchem wskazówek zegara.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zamontuj ponownie zawór do pobierania próbek w górnej części tytanowej rurki. Dokręć połączenie ręcznie i upewnij się, że zawór jest zamknięty.</li>
	<li>Wyjmij wszystkie części ze schowka na rękawiczki.</li>
</ol>
4. Montaż reaktora wysokociśnieniowego z komórką reakcyjną
<ol>
	<li>Zamontuj komórkę reakcyjną w głowicy reaktora. 
	UWAGA: Instalacja reaktora wysokociśnieniowego wiąże się z bardzo krótkim narażeniem otwartego końca rurki do pobierania próbek na otaczającą atmosferę, ponieważ zawór do pobierania próbek musi zostać usunięty, aby przeprowadzić rurkę przez uszczelkę śrubową w głowicy reaktora. Do instalacji głowica reaktora powinna być już umieszczona w imadle stołowym. Kąt 45° ułatwia obsługę. Złączka z uszczelnieniem zaciskowym (umieszczona w centralnym położeniu zespołu bloku przyrządów pomiarowych głowicy reaktora), która utrzymuje rurkę do pobierania próbek na miejscu, musi być otwarta.
	<ol>
		<li>Zdemontować tytanowy zawór do pobierania próbek, i kołnierz na górze rurki do pobierania próbek.</li>
		<li>Przeprowadzić probówkę z zamocowaną komórką reakcyjną przez centralny otwór w głowicy reaktora, aż około 5 cm rurki przejdzie przez nią. Nasuń dużą na rurkę i zamocuj mały kołnierz. 
		UWAGA: Teraz zespół komory reakcyjnej nie może przesunąć się z powrotem przez głowicę reaktora i obie ręce są wolne, aby ponownie zainstalować zawór do pobierania próbek.</li>
		<li>Ponownie zamocuj tytanowy zawór.</li>
		<li>Dokręcić złączkę uszczelki zaciskowej.</li>
		<li>Zdejmij głowicę reaktora z imadła stołowego, aby zainstalować ją na zbiorniku reaktora.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotować się do uszczelnienia reaktora.
	<ol>
		<li>Umieść uszczelnienie grafitowe na szczelinie zbiornika reaktora.</li>
		<li>Ostrożnie umieścić głowicę reaktora z dołączoną komórką reakcyjną na zbiorniku reaktora. 
		UWAGA: Głowicę reaktora, w tym termoparę, należy ostrożnie umieścić na zbiorniku reaktora, aby nie uszkodzić złotej torby lub termopary.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Napełnij zbiornik reaktora mieszaniną wody dejonizowanej i wody z kranu (w przybliżeniu w stosunku 1:1).</li>
	<li>Uszczelnij reaktor.
	<ol>
		<li>Sprawdź kołnierz, aby upewnić się, że dolne końce zaciskowych nie wystają z gwintów. W przeciwnym razie zbiornik ciśnieniowy nie zostanie prawidłowo zainstalowany.</li>
		<li>Podnieś kołnierz i umieść go wokół wystających krawędzi interfejsu zbiornika czołowego reaktora. Delikatne przesuwanie na nim obroży zaowocuje odpowiednim dopasowaniem. Zamknij zatrzaski przytrzymujące obrożę na miejscu.</li>
		<li>Dokręć kompresyjne zgodnie z wzorem krzyżowym i zwiększaj moment obrotowy w umiarkowanych krokach, aż do osiągnięcia końcowej wartości zalecanej przez producenta. 
		UWAGA: Różne systemy reaktorów wysokociśnieniowych mogą mieć różne wartości momentu obrotowego.</li>
		<li>Na koniec dokręć zaciskowe w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zainstaluj reaktor wysokociśnieniowy w urządzeniu kołyszącym. 
	UWAGA: Instalacja reaktora wysokociśnieniowego w urządzeniu kołyszącym jest opisana dla modelu wykonanego na zamówienie wyprodukowanego w Federalnym Instytucie Nauk o Ziemi i Zasobów Naturalnych w Hanowerze w Niemczech. Dlatego opisana instalacja jest ogólną wskazówką dla urządzeń o porównywalnej konstrukcji.
	<ol>
		<li>Ostrożnie zamontuj reaktor w urządzeniu kołyszącym. 
		UWAGA: Najlepiej jest trzymać reaktor wysokociśnieniowy za części montażowe bloku przyrządów pomiarowych (np. manometru lub rurki do pobierania próbek) podczas opuszczania go do urządzenia kołyszącego.</li>
		<li>Zamocuj reaktor za pomocą dwóch zacisków na parze długich.</li>
		<li>Umieść podkładki na każdej i dokręć zaciski za pomocą nakrętek śrubowych.</li>
		<li>Podłączyć jednostki sterujące termopary, przetwornika ciśnienia i elementu grzejnego. 
		UWAGA: Ważne jest, aby upewnić się, że wszystkie przewody mają wystarczającą długość do ruchu kołysania i zapobiegają kontaktowi z nagrzanymi powierzchniami.</li>
		<li>Nasuń element grzejny na zbiornik reaktora i dokręć jego. 
		UWAGA: Woda do zwiększania ciśnienia w systemie jest pobierana ze zbiornika z pompą wysokociśnieniową. Jest przenoszony przez kapilary ze stali nierdzewnej do reaktora wysokociśnieniowego. 
		UWAGA: Kołysanie reaktora wysokociśnieniowego gwarantuje dokładne wymieszanie zawartości komórki reakcyjnej (tj. gazu, płynu i wszystkich znajdujących się w nim faz stałych). Niska prędkość kołysania jest ważna, aby zapobiec uszkodzeniu worka ze złotem przez szybko poruszające się ciała stałe lub deformację spowodowaną wpływem grawitacji na elastyczne złoto w podwyższonych temperaturach. System bujania może obracać się o blisko 180°.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Rozpoczęcie eksperymentu
<ol>
	<li>Sprawdź, czy limity temperatury i ciśnienia w oprogramowaniu monitorującym są ustawione na żądane wartości. 
	UWAGA: W tym eksperymencie ustawiono je na 70 °C i 25 MPa.</li>
	<li>Wykonaj kontrolę szczelności.
	<ol>
		<li>Podłącz rurę ciśnieniową, kapilarnę ze stali nierdzewnej, do głowicy reaktora.</li>
		<li>Podnoś ciśnienie do ciśnienia docelowego w różnych odstępach czasu, stale sprawdzając, czy nie ma wycieków.</li>
		<li>Utrzymuj ciśnienie na stałym poziomie, aż natężenie przepływu pompy będzie bliskie zeru. 
		UWAGA: Należy pamiętać, że ściśliwe, rozpuszczone powietrze w wodzie jest widoczne przez długi czas w subtelnych odczytach przepływu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozpocznij ogrzewanie po pomyślnym sprawdzeniu szczelności.
	<ol>
		<li>Rozpocznij rejestrowanie pomp ciśnieniowych.</li>
		<li>Dostosuj nastawę grzania do żądanej wartości i uruchom ogrzewanie za pomocą oprogramowania.</li>
		<li>Regularnie sprawdzaj wszystkie parametry i stan systemu.</li>
		<li>Odkręć rurę ciśnieniową po osiągnięciu temperatury docelowej.</li>
		<li>Uruchom urządzenie kołyszące.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Pobieranie próbek z reaktora wysokociśnieniowego w trybie operacyjnym
<ol>
	<li>Aby pobrać próbkę, należy podłączyć strzykawkę o pojemności 5 ml do złącza Luer Lock zaworu do pobierania próbek w górnej części reaktora wysokociśnieniowego.</li>
	<li>Ostrożnie otworzyć zawór i pozwolić, aby próbka płynu wepchnęła się do strzykawki pod wpływem ciśnienia wewnątrz reaktora wysokociśnieniowego. Zamknij zawór, gdy objętość próbki osiągnie 1 ml. Odłączyć strzykawkę.</li>
	<li>Natychmiast przenieść próbki w strzykawce do probówki o pojemności 2 ml w dygestoriach w celu przetworzenia.</li>
</ol>
7 . Analiza próbki płynu
UWAGA: Tylko kroki dla mniej popularnego testu fotometrycznego ferrozyny (tj. sekcja 7.1) są tutaj szczegółowo opisane i są wymienione w filmie, ponieważ inne kroki są standardowymi procedurami operacyjnymi w mikrobiologii.
<ol>
	<li>Użyj testu ferrozynowego, aby fotometrycznie określić stężenie rozpuszczonego żelaza żelazawego (Fe2+(aq)) i całkowitego żelaza (Fetot)15.
	<ol>
		<li>Przygotować serię roztworów wzorcowych żelaza żelaznego, rozpuszczając znane ilości FeSO4·7H2Ow wodzie.</li>
		<li>Zmieszać 50 μl tych standardowych poziomów z 1 ml 1 M roztworu ferrozyny. 
		UWAGA: Reakcja ferrozyny z rozpuszczonym żelazem żelazawym tworzy fioletowy kompleks. Intensywność koloru koreluje ze stężeniem żelaza żelaznego.</li>
		<li>Ustalić krzywą kalibracyjną między stężeniem żelaza żelazawego a absorbancją kompleksu żelazo-ferrozyna.</li>
		<li>Obliczyć stężenie żelaza żelazawego w próbce z dwóch równoległych pomiarów zgodnie z ustaloną krzywą wzorcową.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analizuj wartość pH i potencjał utleniania/redukcji (ORP) za pomocą cyfrowych mierników pH/redoks z półmikroelektrodami pH i elektrodą chlorku srebra.</li>
	<li>Policz komórki planktonowe bezpośrednio za pomocą mikroskopu świetlnego z komorą Thoma.</li>
	<li>Zbadaj morfologię komórki za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
	<ol>
		<li>Filtruj komórki planktonowe hodowane w różnych warunkach przez filtr o wielkości porów 0,1-0,2 μm.</li>
		<li>Próbki odwodnić acetonem i przechowywać je przez noc w temperaturze 4 °C w 90% acetonie.</li>
		<li>Wysuszyć próbki w krytycznym punkcie suszenia i pokryć je grafitem lub złotem.</li>
		<li>Zbadaj próbki za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową (FE-SEM) przy napięciu 10 kV.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Johnson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomining+goes+underground%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Geoscience%22%5BJournal%5D)">Biomining goes underground.</a> Nature Geoscience. 8 (3), 165-166 (2015).</li>
<li>Bellenberg, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Manipulation+of+pyrite+colonization+and+leaching+by+iron-oxidizing+Acidithiobacillus+species%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiology+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Manipulation of pyrite colonization and leaching by iron-oxidizing Acidithiobacillus species.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 99 (3), 1435-1449 (2014).</li>
<li>Christel, S., Fridlund, J., Watkin, E. L., Dopson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acidithiobacillus+ferrivorans+SS3+presents+little+RNA+transcript+response+related+to+cold+stress+during+growth+at+8+%C2%B0C+suggesting+it+is+a+eurypsychrophile%5BTitle%5D)+AND+%22Extremophiles%22%5BJournal%5D)">Acidithiobacillus ferrivorans SS3 presents little RNA transcript response related to cold stress during growth at 8 °C suggesting it is a eurypsychrophile.</a> Extremophiles. 20 (6), 903-913 (2016).</li>
<li>Dopson, M., Ossandon, F. J., Lovgren, L., Holmes, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+resistance+or+tolerance%3F+Acidophiles+confront+high+metal+loads+via+both+abiotic+and+biotic+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Metal resistance or tolerance? Acidophiles confront high metal loads via both abiotic and biotic mechanisms.</a> Frontiers in Microbiology. 5, 157(2014).</li>
<li>Schippers, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomining%3A+metal+recovery+from+ores+with+microorganisms%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Biochemical+Engineering%2FBiotechnology%22%5BJournal%5D)">Biomining: metal recovery from ores with microorganisms.</a> Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 141, 1-47 (2014).</li>
<li>Shiers, D., Ralph, D., Bryan, C., Watling, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Substrate+utilisation+by+Acidianus+brierleyi%2C+Metallosphaera+hakonensis+and+Sulfolobus+metallicus+in+mixed+ferrous+ion+and+tetrathionate+growth+media%5BTitle%5D)+AND+%22Minerals+Engineering%22%5BJournal%5D)">Substrate utilisation by Acidianus brierleyi, Metallosphaera hakonensis and Sulfolobus metallicus in mixed ferrous ion and tetrathionate growth media.</a> Minerals Engineering. 48, 86-93 (2013).</li>
<li>Zhang, R., Hedrich, S., Ostertag-Henning, C., Schippers, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+elevated+pressure+on+ferric+iron+reduction+coupled+to+sulfur+oxidation+by+biomining+microorganisms%5BTitle%5D)+AND+%22Hydrometallurgy%22%5BJournal%5D)">Effect of elevated pressure on ferric iron reduction coupled to sulfur oxidation by biomining microorganisms.</a> Hydrometallurgy. 178, 215-223 (2018).</li>
<li>Dickson, F., Blount, C. W., Tunell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+hydrothermal+solution+equipment+to+determine+the+solubility+of+anhydrite+in+water+from+100+degrees+C+to+275+degrees+C+and+from+1+bar+to+1000+bars+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Science%22%5BJournal%5D)">Use of hydrothermal solution equipment to determine the solubility of anhydrite in water from 100 degrees C to 275 degrees C and from 1 bar to 1000 bars pressure.</a> American Journal of Science. 261 (1), 61-78 (1963).</li>
<li>Seyfried, W., Gordon, P., Dickson, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+reaction+cell+for+hydrothermal+solution+equipment%5BTitle%5D)+AND+%22American+Mineralogist%22%5BJournal%5D)">A new reaction cell for hydrothermal solution equipment.</a> American Mineralogist. 64 (5-6), 646-649 (1979).</li>
<li>Cross, M. M., Manning, D. A., Bottrell, S. H., Worden, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermochemical+sulphate+reduction+%28TSR%29%3A+experimental+determination+of+reaction+kinetics+and+implications+of+the+observed+reaction+rates+for+petroleum+reservoirs%5BTitle%5D)+AND+%22Organic+Geochemistry%22%5BJournal%5D)">Thermochemical sulphate reduction (TSR): experimental determination of reaction kinetics and implications of the observed reaction rates for petroleum reservoirs.</a> Organic Geochemistry. 35 (4), 393-404 (2004).</li>
<li>Frerichs, J., Rakoczy, J., Ostertag-Henning, C., Krüger, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viability+and+adaptation+potential+of+indigenous+microorganisms+from+natural+gas+field+fluids+in+high+pressure+incubations+with+supercritical+CO2%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Viability and adaptation potential of indigenous microorganisms from natural gas field fluids in high pressure incubations with supercritical CO2.</a> Environmental Science & Technology. 48 (2), 1306-1314 (2014).</li>
<li>Heeschen, K., Risse, A., Ostertag-Henning, C., Stadler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Importance+of+co-captured+gases+in+the+underground+storage+of+CO2%3A+Quantification+of+mineral+alterations+in+chemical+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Procedia%22%5BJournal%5D)">Importance of co-captured gases in the underground storage of CO2: Quantification of mineral alterations in chemical experiments.</a> Energy Procedia. 4, 4480-4486 (2011).</li>
<li>Wakeman, K., Auvinen, H., Johnson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbiological+and+geochemical+dynamics+in+simulated-heap+leaching+of+a+polymetallic+sulfide+ore%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnology+and+Bioengineering%22%5BJournal%5D)">Microbiological and geochemical dynamics in simulated-heap leaching of a polymetallic sulfide ore.</a> Biotechnology and Bioengineering. 101 (4), 739-750 (2008).</li>
<li>Pakostova, E., Grail, B. M., Johnson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Indirect+oxidative+bioleaching+of+a+polymetallic+black+schist+sulfide+ore%5BTitle%5D)+AND+%22Minerals+Engineering%22%5BJournal%5D)">Indirect oxidative bioleaching of a polymetallic black schist sulfide ore.</a> Minerals Engineering. 106, 102-107 (2017).</li>
<li>Lovley, D. R., Phillips, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+assay+for+microbially+reducible+ferric+iron+in+aquatic+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Rapid assay for microbially reducible ferric iron in aquatic sediments.</a> Applied and Environmental Microbiology. 53 (7), 1536-1540 (1987).</li>
<li>Parkes, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prokaryotes+stimulate+mineral+H2+formation+for+the+deep+biosphere+and+subsequent+thermogenic+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Geology%22%5BJournal%5D)">Prokaryotes stimulate mineral H2 formation for the deep biosphere and subsequent thermogenic activity.</a> Geology. 39 (3), 219-222 (2011).</li>
<li>McCollom, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Abiotic+methane+formation+during+experimental+serpentinization+of+olivine%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Science+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Abiotic methane formation during experimental serpentinization of olivine.</a> Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 113 (49), 13965-13970 (2016).</li>
<li>Pester, N. J., Conrad, M. E., Knauss, K. G., DePaolo, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+D%2FH+isotope+fractionation+between+molecular+hydrogen+and+water%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Kinetics of D/H isotope fractionation between molecular hydrogen and water.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 242, 191-212 (2018).</li>
<li>Rosenbauer, R. J., Thomas, B., Bischoff, J. L., Palandri, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+sequestration+via+reaction+with+basaltic+rocks%3A+Geochemical+modeling+and+experimental+results%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Carbon sequestration via reaction with basaltic rocks: Geochemical modeling and experimental results.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 89, 116-133 (2012).</li>
<li>Knauss, K. G., Copenhaver, S. A., Braun, R. L., Burnham, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrous+pyrolysis+of+New+Albany+and+Phosphoria+Shales%3A+production+kinetics+of+carboxylic+acids+and+light+hydrocarbons+and+interactions+between+the+inorganic+and+organic+chemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Organic+Geochemistry%22%5BJournal%5D)">Hydrous pyrolysis of New Albany and Phosphoria Shales: production kinetics of carboxylic acids and light hydrocarbons and interactions between the inorganic and organic chemical systems.</a> Organic Geochemistry. 27 (7-8), 477-496 (1997).</li>
<li>Parkes, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Culturable+prokaryotic+diversity+of+deep%2C+gas+hydrate+sediments%3A+first+use+of+a+continuous+high-pressure%2C+anaerobic%2C+enrichment+and+isolation+system+for+subseafloor+sediments+%28DeepIsoBUG%29%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Culturable prokaryotic diversity of deep, gas hydrate sediments: first use of a continuous high-pressure, anaerobic, enrichment and isolation system for subseafloor sediments (DeepIsoBUG).</a> Environmental Microbiology. 11 (12), 3140-3153 (2009).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przedstawiona metoda wysokociśnieniowych eksperymentów reakcji mikrobiologicznych w roztworach kwaśnych była potężnym narzędziem do symulacji głębokich podpowierzchniowych procesów geomikrobiologicznych w środowisku laboratoryjnym.
W grę wchodzi wiele etapów pracy ręcznej, z których niektóre wymagają szczególnej uwagi. Ogólnie rzecz biorąc, nie wolno używać nadmiernej siły podczas montażu poszczególnych części elastycznego ogniwa złoto-tytanowego i głowicy reaktora (sekcje 3 i 4). Zignorowanie zaleceń producenta (np. dotyczących maksymalnego ciśnienia, temperatury, momentu obrotowego) może spowodować wyciek i/lub awarię materiału.
Czyszczenie części ze złota i tytanu (sekcja 2.2) jest niezbędnym etapem pracy, nie tylko w tym eksperymencie, ale przede wszystkim w eksperymentach obejmujących reakcje (nie)organiczne. Pozostałości po poprzednich eksperymentach w złotej kuwetce mogą powodować niepożądane reakcje, a tym samym zniekształcanie wyników. Gdy zmontowane ogniwo złoto-tytanowe jest zainstalowane w głowicy reaktora, najlepiej jest pracować szybko i precyzyjnie, ponieważ w tym czasie do złotego ogniwa mogą dostać się niewielkie ilości tlenu. Zamknięcie zaworu do pobierania próbek przed wyjściem ze schowka jest dobrym pierwszym środkiem mającym na celu zminimalizowanie wymiany między atmosferą otoczenia a wnętrzem złotej komórki.
Po umieszczeniu reaktora w urządzeniu kołyszącym ważne jest, aby ustawić prędkość ruchu kołysania na ~170°/min. Jeśli reaktor wysokociśnieniowy porusza się zbyt szybko, może dojść do pęknięcia złotej komórki z powodu efektów grawitacyjnych lub ostrych krawędzi osadów lub próbek skał podczas użytkowania.
Metoda ta może być stosowana w dodatkowych dziedzinach badawczych. Elastyczna komórka reakcyjna złoto-tytanowa może być wykorzystywana do różnorodnych badań naukowych9 Badanie reakcji pod podwyższonym ciśnieniem i temperaturą oraz w wysoce korozyjnych cieczach lub gazach.
Mikroorganizmy znajdujące się głęboko pod powierzchnią w temperaturach powyżej 70 °C w obecności powierzchni mineralnych mogą stymulować produkcję wodoru cząsteczkowego lub kwasów organicznych, takich jak octan, nawet pod podwyższonym ciśnieniem16. Produkty te, jak i inne związki, mogą indukować podwyższoną aktywność mikrobiologiczną podczas procesów bioługowania in situ, oprócz związków siarki badanych w tym badaniu.
Zastosowania obejmują oznaczanie rozpuszczalności gazów i jonów w cieczach wodnych, reakcje geochemiczne w warunkach systemów kominów hydrotermalnych17, oznaczanie ilościowe frakcjonowania izotopów18, reakcje geochemiczne podczas sekwestracji CO2 19, procesy abiotyczne podczas tworzenia się ropy i gazu w skałach źródłowych20 oraz reakcje mikrobiologiczne przy podwyższonym ciśnieniu pod powierzchnią21, jak w niniejszym badaniu.

W ciągu ostatniej dekady wzrosły wysiłki mające na celu zminimalizowanie wpływu górnictwa na środowisko. Górnictwo odkrywkowe w celu wydobycia rud (np. rud siarczkowych bogatych w miedź) wpływa na otaczający krajobraz poprzez działalność wydobywczą oraz duże ilości pozostałe skał płonnych i pozostałości przetworzonej rudy po wydobyciu metali szlachetnych, takich jak miedź. Wydobycie miedzi bezpośrednio z rudy znajdującej się pod powierzchnią znacznie zmniejszyłoby ten wpływ. Technologia biogórnictwa in situ jest obiecującym kandydatem do tego procesu1. W niniejszej publikacji opisano zastosowanie stymulowanej aktywności mikrobiologicznej do ekstrakcji metali szlachetnych z rudy do roztworu wodnego znajdującego się pod powierzchnią. W ten sposób roztwór bogaty w miedź można łatwo przepompować z powrotem na powierzchnię, na przykład w celu dalszego zagęszczenia metalu.
Aktywność mikroorganizmów acidofilnych ługujących rudę została zbadana w wielu laboratoriach dla różnorodnych parametrów2,3,4,5,6. Jednak wpływ ciśnienia na aktywność mikrobiologiczną wynikający z różnicy między warunkami laboratoryjnymi na powierzchni otoczenia (blisko 1 bara) a pod powierzchnią na głębokości 1000 m w warunkach hydrostatycznych (~100 bar), nie jest dobrze udokumentowany. W związku z tym wpływ ciśnienia na mikrobiologiczną redukcję żelaza został zbadany za pomocą różnych metod eksperymentalnych7. Tutaj szczegółowo opisano najbardziej odpowiednią technikę.
Reaktory wysokociśnieniowe były szeroko stosowane do badania reakcji przy ciśnieniach i temperaturach występujących pod powierzchnią ziemi. Takie reaktory składają się ze zbiornika reaktora umieszczonego na dnie, który może zawierać próbkę płynu z kulturą drobnoustrojów. Umieszczona na górze zbiornika reaktora głowica reaktora oferuje różnorodny zestaw połączeń i interfejsów dla środków bezpieczeństwa i czujników monitorujących (np. temperaturę lub ciśnienie). Większość reaktorów wysokociśnieniowych jest wykonana ze stali nierdzewnej. Materiał ten oferuje wysoką sprężystość i dobre właściwości obróbcze, ale odporność na korozję powierzchni ze stali nierdzewnej nie jest odpowiednia dla każdego zastosowania. Na przykład, jeśli badane są silnie kwaśne lub silnie redukujące roztwory wodne, mogą zachodzić znaczące reakcje interesujących związków ze ścianą reaktora. Jednym ze sposobów, aby tego uniknąć, jest włożenie wkładki do zbiornika reaktora, na przykład wkładki wykonanej ze szkła borokrzemianowego7. Jest łatwy do czyszczenia i może być sterylizowany w autoklawie. Ponadto nie jest atakowany przez kwaśne lub redukujące roztwory wodne. Mimo że wkładka może pomóc w zapobieganiu sztucznym reakcjom roztworu lub drobnoustrojom w roztworze ze ścianą reaktora ze stali nierdzewnej, pozostaje kilka problemów. Po pierwsze, jeśli powstanie gaz, taki jak siarkowodór wytwarzany przez bakterie redukujące siarczany, gaz ten może reagować z odsłoniętą powierzchnią głowicy reaktora znajdującą się nad wkładką. Kolejną wadą jest to, że nie jest możliwe pobranie próbki z reaktora przy zachowaniu ciśnienia.
Aby przezwyciężyć te ograniczenia, opracowano wyspecjalizowane elastyczne komórki reakcyjne wewnątrz reaktorów wysokiego ciśnienia do różnych zastosowań. Elastyczna komórka z politetrafluoroetylenu (PTFE) 8 została zaprojektowana do badań rozpuszczalności soli w solankach o wysokim stopniu zasolenia. Jednak ograniczeniem tego systemu jest to, że niektóre gazy mogą łatwo przenikać do PTFE. Ponadto materiał ten nadal ma stosunkowo niską stabilność temperaturową. W związku z tym system został ulepszony poprzez zaprojektowanie elastycznego złotego worka z tytanową głowicą9, który ma być umieszczony wewnątrz reaktora wysokociśnieniowego ze stali nierdzewnej. Powierzchnia złota jest odporna na korozję w stosunku do kwaśnych lub redukujących roztworów i gazów. Powierzchnia tytanu jest również wysoce obojętna po dokładnej pasywacji w celu utworzenia ciągłej warstwy dwutlenku tytanu. Podczas pobierania próbek z tej komórki reakcyjnej przez podłączoną tytanową probówkę do pobierania próbek, złoty worek kurczy się. Ciśnienie wewnętrzne systemu jest utrzymywane poprzez pompowanie tej samej objętości wody, która jest pobierana przez pobieranie próbek, do reaktora wysokociśnieniowego ze stali nierdzewnej, w którym znajduje się komórka reakcyjna. Próbka wewnątrz komory reakcyjnej jest utrzymywana w ruchu poprzez kołysanie lub przechylanie reaktora wysokociśnieniowego o ponad 90° podczas eksperymentu.
Komórka reakcyjna składa się z części przedstawionych na rysunku 1: złotego worka, tytanowego kołnierza, tytanowej głowicy, podkładki ze stali nierdzewnej, tytanowego pierścienia kompresyjnej, tytanowej rurki do pobierania próbek z nierdzewnymi dławikami i kołnierzami dla wysokociśnieniowych stożków i gwintowanych połączeń po obu stronach oraz tytanowego zaworu. Złoty worek to cylindryczne złote (Au 99,99) ogniwo o grubości ścianki 0,2 mm, średnicy zewnętrznej 48 mm i długości 120 mm.
Wszystkie części tytanu są wykonane na zamówienie przez warsztat z prętów tytanowych klasy 2. Wymiary kołnierza, łba, podkładki i pierścienia zaciskowej są widoczne na rysunku 2. Tytanowa rurka do pobierania próbek to kapilara z tytanu o średnicy zewnętrznej 6,25 mm i grubości ścianki 1,8 mm, co daje średnicę wewnętrzną 2,65 mm. Jest on mocowany w tytanowej głowicy i tytanowym zaworze za pomocą wysokociśnieniowych połączeń stożkowych i gwintowanych, zapewniających uszczelnienie powierzchni tytanowych względem tytanu. Wysokociśnieniowy zawór tytanowy jest wyposażony w trzpień o powolnym otwieraniu, który umożliwia bardzo kontrolowane otwieranie lub pobieranie próbek nawet przy wysokim ciśnieniu. System ten był używany w wielu badaniach10,11,12.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Merck</td><td>100013</td><td></td></tr><tr><td>CaN2O6</td><td>Fluka</td><td>31218</td><td></td></tr><tr><td>Złączki z uszczelnieniem zaciskowym Conax</td><td>Technologies</td><td>PG2-250-B-G</td><td>można dobrać w zależności od temperatur w eksperymencie</td></tr><tr><td>Pasta miedziana</td><td>Caramba</td><td>691301</td><td></td></tr><tr><td>Pasta miedziana</td><td>CRC</td><td>41520</td><td></td></tr><tr><td>CoSO4x7H2O</td><td>Sigma</td><td>10026-24-1</td><td></td></tr><tr><td>CrKO8S2x12H2O</td><td>Roth</td><td>3535.3</td><td></td></tr><tr><td>CuSO4x5H2O</td><td>Riedel de Haen</td><td>31293</td><td></td></tr><tr><td>Kuwety jednorazowe</td><td>Sigma</td><td>z330388</td><td></td></tr><tr><td>Absolutny etanol</td><td>Roth</td><td>9065.3</td><td></td></tr><tr><td>FE-SEM</td><td>JEOL</td><td>nr modelu JSM-6330F</td><td></td></tr><tr><td>Ferrozine</td><td>Aldrich</td><td>180017</td><td></td></tr><tr><td>Fe2(SO4)3x7H2O</td><td>Alfa Aesar</td><td>33316</td><td></td></tr><tr><td>FeSO4x7H2O</td><td>Merck</td><td>103965</td><td></td></tr><tr><td>Gold cell</td><td>Hereaus GmbH</td><td></td><td>wyprodukowany zgodnie z wymiary dostarczone przez klienta</td></tr><tr>Można również zastosować<td>reaktor wysokociśnieniowy</td><td>PARR Instruments</td><td>model nr 4650</td><td>Reaktory serii innych dostawców</td></tr><tr><td>Wysokociśnieniowa pompa strzykawkowa</td><td>Teledyne ISCO</td><td>DM-100</td><td></td></tr><tr><td>HCl</td><td>Roth</td><td>6331.3</td><td></td></tr><tr><td>HNO3</td><td>Fluka</td><td>7006</td><td></td></tr><tr><td>H3BO3</td><td>Sigma</td><td>B6768</td><td></td></tr><tr><td>KCl</td><td>Sigma</td><td>P9541</td><td></td></tr><tr><td>KH2PO4</td><td>Merck</td><td>104873</td><td></td></tr><tr><td>L-(+)-Askorbinowy/Witamina C</td><td>Applichem</td><td>A1052</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop świetlny</td><td>Leica DM3000</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MgSO4x7H2O</td><td>Merck</td><td>105886</td><td></td></tr><tr><td>(NH4)2SO4</td><td>Sigma</td><td>A4418</td><td></td></tr><tr><td>NaMoO4x2H2O</td><td>Sigma</td><td>331058</td><td></td></tr><tr><td>NaO3Sex5H2O</td><td>Sigma</td><td>00163</td><td></td></tr><tr><td>NaO3V</td><td>Sigma</td><td>590088</td><td></td></tr><tr><td>Na2SO4</td><td>Merck</td><td>106649</td><td></td></tr><tr><td>Na2WO4x2H2O</td><td>Sigma</td><td>72069</td><td></td></tr><tr><td>NiSO4x6H2O</td><td>Sigma</td><td>31483</td><td></td></tr><tr><td>Omnifix Luer</td><td>BRAUN</td><td>4616057V</td><td></td></tr><tr><td>pH-metr</td><td>Mettler Toledo</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Miernik potencjału redoks</td><td>Przenośny miernik</td><td></td><td>WTW</td> ORP</tr><tr><td>Probówki Safe-Lock, 2 ml</td><td>Eppendorf</td><td>0030120094</td><td></td></tr><tr><td>Butelka surowicy</td><td>Sigma</td><td>33110-U</td><td></td></tr><tr><td>Spektrofotometr</td><td>Thermo Scientific</td><td>model nr. GENESYS 10S</td><td></td></tr><tr><td>Sterican Igła podskórna</td><td>BRAUN</td><td>4657519</td><td></td></tr><tr><td>Korki</td><td>Sigma</td><td>27234</td><td></td></tr><tr><td>Siarka w proszku</td><td>Roth</td><td>9304</td><td></td></tr><tr><td>Thoma Chamber</td><td>Hecht-Assistent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tytanowe części komory reakcyjnej</td><td>Titan-Halbzeug GmbH</td><td>121-238</td><td>wyprodukowane przez warsztat BGR zgodnie z wymiarami dostarczonymi z prętów tytanowych klasy 2 firmy Titan-Halbzeug GmbH</td></tr><tr><td>Zawór tytanowy</td><td>Nova Swiss Technologies</td><td>ND-5002</td><td></td></tr><tr><td>Filtry membranowe Whatman nylon</td><td>Sigma</td><td>WHA7402004</td><td></td></tr><tr><td>ZnSO4x7H2O</td><td>Sigma</td><td>Z4750</td><td></td></tr></tbody></table>

wykorzystanie elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan do symulacji zależnej od ciśnienia aktywności mikrobiologicznej w kontekście biogórnictwa podpowierzchniowego

Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining

Badania laboratoryjne badające podpowierzchniowe procesy mikrobiologiczne, takie jak wypłukiwanie metalu w głębokich złożach rudy (biogórnictwo), dzielą wspólne i trudne przeszkody, w tym specjalne warunki środowiskowe, które muszą być odtworzone, np. wysokie ciśnienie i w niektórych przypadkach kwaśne roztwory. Pierwsza z nich wymaga eksperymentalnego zestawu odpowiedniego do zwiększania ciśnienia do 100 barów, podczas gdy druga wymaga zbiornika na płyn o wysokiej odporności chemicznej na korozję i niepożądane reakcje chemiczne ze ścianką zbiornika. Aby spełnić te warunki do zastosowania w dziedzinie biogórnictwa in situ, w badaniach wykorzystano specjalną elastyczną komórkę reakcyjną złoto-tytanową wewnątrz kołyszącego się reaktora wysokociśnieniowego. Opisany system umożliwił symulację biogórnictwa in situ poprzez mikrobiologiczną redukcję żelaza za pomocą siarki w beztlenowym, kontrolowanym ciśnieniu, wysoce obojętnym chemicznie środowisku eksperymentalnym. Elastyczna cela reakcyjna złoto-tytanowa może pomieścić do 100 ml roztworu próbki, który może być próbkowany w dowolnym momencie, podczas gdy system utrzymuje żądane ciśnienie. Eksperymenty mogą być przeprowadzane w skalach czasowych od godzin do miesięcy. Montaż systemu reaktora wysokociśnieniowego jest dość czasochłonny. Niemniej jednak, gdy złożone i trudne (mikrobiologiczne) procesy zachodzące głęboko pod powierzchnią ziemi w chemicznie agresywnych płynach muszą być badane w laboratorium, zalety tego systemu przeważają nad wadami. Wyniki wykazały, że nawet przy wysokim ciśnieniu konsorcjum mikrobiologiczne jest aktywne, ale w znacznie wolniejszym tempie metabolizmu.

Wyniki eksperymentu w reaktorze wysokociśnieniowym z zastosowaniem specjalnej reakcyjnej celi złoto-tytanowej wykazują, że mikrobiologiczna kultura mieszana acidofili utleniała siarkę i redukowała żelazo trzec価 do żelaza dwuwartościowego (Rysunek 3).
Zarówno w warunkach ciśnienia 1 bar, jak i 100 bar, kultury wykazywały fazę adaptacji podczas wzrostu w złoto-tytanowej komorze reakcyjnej. Po tym okresie w kulturze hodowanej przy ciśnieniu 1 bar nastąpił gwałtowny wzrost stężenia żelaza dwuwartościowego z około 9 mM do 31 mM. W czasie inkubacji wynoszącym 22 dni w analizach przy ciśnieniu 1 bar i 100 bar wykryto odpowiednio ~31 mM i 13 mM żelaza dwuwartościowego. Wykazuje to wyraźnie, że komórki mikrobiologiczne były aktywne przy ciśnieniu 100 bar, jednak ich aktywność w redukcji żelaza trójwartościowego była znacznie niższa przy podwyższonym ciśnieniu. Eksperymenty kontrolne abiotyczne przeprowadzone w probówkach Hungate i butelkach z surowicą nie wykazały redukcji żelaza trójwartościowego przy ciśnieniu 1 bar i 100 bar.
Obrazy z pomiarów skaningowej mikroskopii elektronowej (Rycina 4) przedstawiają pręcikowate komórki wyhodowane w eksperymentach przy niskim i wysokim ciśnieniu. Nie zaobserwowano istotnych zmian w morfologii komórek przy 1 bar w porównaniu do 100 bar. Jednakże wzrost komórek był wyraźnie zahamowany przez podwyższone ciśnienie, gdyż liczba komórek wynosiła 1,3 x 108 cells/mL przy 1 bar w porównaniu do 4,5 x 107 cells/mL przy 100 bar7. Dane te są porównywalne z testami przeprowadzonymi w rurkach Hungate7. Zatem sama elastyczna złoto-tytanowa komora reakcyjna nie miała wpływu na wzrost komórek i była odpowiednia do testów wzrostu mikrobiologicznego.
Wyniki pokazują, że mikroorganizmy bioługujące są aktywne nawet pod wysokim ciśnieniem 100 bar, co ma istotne znaczenie dla biominingu in situ, ponieważ takie warunki występują w głębokich złożach rudy na głębokości poniżej 1 000 m7.
<img alt="System pobierania próbek z tytanu, schemat narzędzia eksploracyjnego, obejmuje zawór, rurkę, elementy kompresyjne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Przegląd elementów celi reakcyjnej. Od dołu do góry: złota torba, tytanowy kołnierz, tytanowa głowica, podkładka, tytanowy pierścień śruby dociskowej, tytanowa rurka do pobierania próbek ze stalowymi dławikami i kołnierzami do wysokociśnieniowych połączeń stożkowych i gwintowanych po obu stronach oraz tytanowy zawór z adapterem do podłączenia strzykawki Luer Lock. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat techniczny projektów komponentów tytanowych ze szczegółowymi pomiarami i adnotacjami." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Rysunki wymiarowe części tytanowych obrobionych z prętów tytanu klasy 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres stężenia żelaza(II) przy 1 i 100 bar w czasie; wyniki analizy chemicznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Zmiany stężeń żelaza dwuwartościowego w złoto-tytanowej komorze reakcyjnej z kulturą bakterii utleniających żelazo(II). Komórki hodowano beztlenowo w temperaturze 30 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Porównanie kultur FIGB przy ciśnieniu 1 bar i 100 bar; obraz mikroskopowy; analiza struktury komórek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Morfologia kultury utleniającej żelazo dwuwartościowe hodowanej przy ciśnieniu 1 bar i 100 bar. Komórki hodowano beztlenowo w temperaturze 30 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>

Ten protokół opisuje eksperymenty mikrobiologiczne pod podwyższonym ciśnieniem w celu zbadania procesów biogórniczych in situ. W podejściu eksperymentalnym wykorzystuje się kołyszący się reaktor wysokociśnieniowy wyposażony w komórkę reakcyjną złoto-tytanową zawierającą kulturę mikrobiologiczną w kwaśnym, bogatym w żelazo środowisku.

Wykorzystanie elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan do symulacji zależnej od ciśnienia aktywności mikrobiologicznej w kontekście biogórnictwa podpowierzchniowego

Laboratory studies investigating subsurface microbial processes, such as metal leaching in deep ore deposits (biomining), share common and challenging ...

Biogórnictwo opisuje zastosowanie bioługowania do ekstrakcji miedzi i innych metali ciśnieniowych ze skał poprzez rozpuszczanie siarczków metali za pomocą bakterii kwasolubnych. Na przykład miedź jest rudą coopashefa, którą można ekstrahować za pomocą tej bakterii, rozpuszczając siarczki. Następnie wytwarzany jest roztwór bogaty w siarczan miedzi, z którego można łatwo wyekstrahować miedź.Biogórnictwo in situ to ekstrakcja metali za pomocą bakterii bez konieczności prowadzenia wykopów i prac wydobywczych pod ziemią lub w odkrywce. Zamiast tego bogaty w żelazo kwaśny roztwór jest pompowany w dół formacji skalnej, siarczki metali rozpuszczają się, a bogaty w metal roztwór jest pompowany z powrotem na powierzchnię, z której można następnie wyekstrahować metale. W tym konkretnym eksperymencie użyto wysokociśnieniowej komórki reaktora, która symuluje warunki panujące w głębokiej formacji.Badane są bakterie, a ich aktywność związana jest z redukcją żelaza sprzężoną z utlenianiem związków siarki, a w szczególności interesuje nas, jak aktywne są komórki pod wysokim ciśnieniem i jak zmienia się ich tempo pod wpływem ciśnienia. Do eksperymentów można użyć reaktora wysokociśnieniowego, takiego jak ten przedstawiony tutaj, który może symulować warunki ciśnienia do 350 barów. Dno reaktora wysokociśnieniowego składa się ze zbiornika reaktora, który może zawierać próbkę płynu z kulturą drobnoustrojów.Głowica reaktora oferuje różnorodny zestaw połączeń dla środków bezpieczeństwa i czujników monitorujących. Na przykład temperatura lub ciśnienie wewnątrz reaktora. Większość reaktorów wysokociśnieniowych jest wykonana ze stali nierdzewnej.Materiał ten zapewnia wysoką sprężystość i dobre właściwości obróbcze. Jednak w przypadku niektórych zastosowań, takich jak eksperymenty z kwaśnymi lub wysoce redukującymi roztworami wodnymi, odporność na korozję powierzchni ze stali nierdzewnej może nie być wystarczająca. Jednym ze sposobów, aby tego uniknąć, jest włożenie wkładki do zbiornika reaktora.Tutaj wkładka wykonana z tefflonu. Tefflon ma wysoką odporność na korozję, ale wiąże się z większym ryzykiem zanieczyszczenia, ponieważ nie można go sterylizować w autoklawie, a na jego powierzchni mogą wytrącać się powierzchnie żelaza. Innym materiałem wkładki, który można zastosować, jest szkło kwarcowe.Jest łatwy do czyszczenia, może być sterylizowany w autoklawie i jest mniej podatny na działanie kwaśnych lub redukujących roztworów wodnych Mimo że materiał wyściółki może pomóc w zapobieganiu niepożądanym reakcjom próbki ze ścianą reaktora ze stali nierdzewnej, pozostaje kilka problemów. Jeśli powstaje gaz korozyjny, na przykład siarkowodór, gaz ten może reagować z odsłoniętą powierzchnią głowicy reaktora znajdującą się nad wkładką. Kolejną wadą jest to, że nie jest możliwe pobranie próbki z reaktora bez zmiany ciśnienia.Aby przezwyciężyć te ograniczenia, zastosowaliśmy specjalną komórkę reakcyjną, elastyczną złotą torbę z tytanową głowicą. Powierzchnia złota jest odporna na korozję w stosunku do kwaśnych lub redukujących roztworów i gazów. Powierzchnia tytanu jest również wysoce obojętna.Kiedy utworzyć ciągłą warstwę dwutlenku tytanu, tutaj widoczną w kolorze ciemnoniebieskim. Podczas pobierania próbek worek ze złotem kurczy swoją objętość. Objętość złotej torby nie powinna być zmniejszona o więcej niż 50%aby zapobiec tworzeniu się ostrych załamań i krawędzi.Pokazane tutaj części to poszczególne elementy wewnętrznej konfiguracji eksperymentu ze złotą torbą. Można zobaczyć, od dołu do góry, elastyczną komórkę reakcyjną ze złotą torbą, tytanowy system uszczelniający, składający się z tytanowej głowicy, podkładki i pogrubionego pierścienia kompresyjnego oraz rurkę do pobierania próbek i zawór umożliwiający dostęp do komórki reakcyjnej w trybie pracy. Teraz przenosimy próbkę do celi reakcyjnej złoto i tytan.Najpierw otwórz i odblokuj pustą komorę, a następnie załaduj cały przychodzący materiał na ruchomą tacę. Zamknij i zablokuj przednią pokrywę. Po opróżnieniu antykomory należy założyć parę rękawic i zbliżyć się do wewnętrznej osłony.Odblokuj i otwórz pokrywę wewnętrzną, aby wyjąć materiał przychodzący z ruchomej tacy. Rozpakuj czystą złotą torbę i zabezpiecz jej podstawę. Otwórz butelkę serum, która zawiera 100 ml kultury bakteryjnej i siarki elementarnej.Delikatnie wstrząśnij butelką serum i przenieś kulturę bakteryjną do złotej torebki. Włóż tytanową głowicę z rurką montażową do tytanowej osłony na złotej torbie. Następnie nasuń podkładkę i pogrubiony pierścień kompresyjny na tytanową rurkę do pobierania próbek.Dokręć sześć wiązu w tym samym stopniu, aby zapewnić równomierny rozkład nacisku tytanowej czapki na górnej krawędzi złotej torby w tytanowej osłonie. Jest to powierzchnia uszczelniająca ogniwa reakcyjnego złotego tytanu. Ponownie zamontuj zawór do pobierania próbek w górnej części tytanowej rurki.Dokręć mocno połączenie ręką. Następnie upewnij się, że zamknąłeś zawór. Teraz rdzeń reaktora wysokociśnieniowego jest w pełni zmontowany i może być zainstalowany w kapeluszu reaktora.Teraz może dojść do instalacji reaktora wysokociśnieniowego. Wiąże się to z bardzo krótkim naświetleniem otwartego końca rurki do pobierania próbek na otaczającą atmosferę, ponieważ zawór do pobierania próbek musi zostać usunięty, aby rurka przeszła przez uszczelkę śrubową w głowicy reaktora. Przestań wyjmować zawór do pobierania próbek i z rurki do pobierania próbek.Przeprowadź rurkę przez głowicę reaktora, nasuń dużą na rurkę i zamocuj małą pokrywę. Teraz zespół komory reakcyjnej nie może przesunąć się z powrotem przez głowicę reaktora i obie ręce mogą ponownie zainstalować zawór do pobierania próbek. Zdejmij głowicę reaktora z imadła stołowego, aby zainstalować ją na zbiorniku reaktora.Głowica reaktora, w tym para termiczna, musi być ostrożnie umieszczona na zbiorniku reaktora, aby nie uszkodzić złotego worka ani pary termicznej. Wreszcie, solidna pokrywa, wyposażona w pierścień dzielony i zaciskowe, jest mocowana wokół głowicy reaktora i zbiornika, aby odpowiednio uszczelnić system. Reaktor wysokociśnieniowy jest starannie zamontowany w urządzeniu kołyszącym, aby uniknąć potencjalnych obrażeń, zwłaszcza siniaków na palcach.Reaktor wysokociśnieniowy jest mocowany za pomocą dwóch zacisków nasuniętych na parę. Podkładki i nakrętki śrubowe utrzymują zaciski na miejscu. Podłączyć jednostki sterujące parą termiczną i czujnikiem ciśnienia.Ważne jest, aby zapewnić odpowiednią długość drutów do ruchu kołysania, jednocześnie zapobiegając nagrzewaniu się ich powierzchni przez zawartość. Na koniec nasuń element grzejny na zbiornik reaktora i dokręć jego. Woda do zwiększania ciśnienia w systemie jest pobierana ze zbiornika przez pompę wysokociśnieniową.Jest przenoszony przez kapilary ze stali nierdzewnej do reaktora wysokociśnieniowego. Kołysanie reaktora wysokociśnieniowego gwarantuje dokładne wymieszanie komory reakcyjnej. Na przykład zawartych w nim faz gazowych, płynnych i/lub stałych.Wolniejsza prędkość kołysania jest ważna, aby zapobiec uszkodzeniu worka ze złotem przez szybko poruszające się ciała stałe lub przez tworzenie się w wyniku wpływu grawitacji na elastyczne złoto w podwyższonych temperaturach. Nasz system jest w stanie obracać się pod kątem oznaczonym na zielono i żółto na wskaźniku, który jest bliski 180 stopni. Parametry eksperymentalne są jednocześnie rejestrowane przez oprogramowanie.Aby pobrać próbkę, strzykawka o pojemności 5 mililitrów jest przymocowana do małego interfejsu zamka zaworu do pobierania próbek w górnej części reaktora wysokociśnieniowego. Ostrożnie otwórz zawór. Płynna próbka jest automatycznie wpychana do strzykawki przez nadciśnienie wewnątrz komory reakcyjnej.Zamknij zawór, gdy objętość próbki osiągnie jeden mililitr. Odłączyć strzykawkę. Próbka w strzykawce jest natychmiast przenoszona do dwumililitrowej probówki w celu dalszego przetwarzania.Określenie mikrobiologicznej redukcji żelaza do żelaza żelazawego w komorze reakcyjnej uzyskuje się za pomocą analizy fotometrycznej. Seria roztworów wzorcowych żelaza żelazowego zawierających fioletowy kompleks i wskaźnik żelaza żelaza zależny od stężenia, żelazo ferrocen, służy jako środek kalibracyjny. Wyniki eksperymentu z reaktorem wysokociśnieniowym ze specjalnym ogniwem reakcyjnym złoto i tytan pokazują, że bakterie utleniają siarkę i żelazo do żelaza żelaznego i że ma to znaczący wpływ na ciśnienie.Na rysunku pokazano wzrost stężeń żelaza żelaznego w okresie 22 dni dla doświadczenia przeprowadzonego przy ciśnieniach od jednego bara do 100 barów. W przybliżeniu w testach wykryto 31 i 13 milimoli żelaza żelazawego odpowiednio przy jednym barze i 100 barach. To wyraźnie pokazuje, że komórki drobnoustrojów były aktywne nawet przy ciśnieniu 100 barów, ale ich aktywność redukująca żelazo była znacznie niższa przy wysokim ciśnieniu.Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego pokazuje komórki w kształcie pręcików rosnące w eksperymencie pod niskim i wysokim ciśnieniem. Elastyczne ogniwo reakcyjne ze złotego tytanu, opracowane przez Seyfrieda i jego współpracowników w 1979 roku, może być wykorzystywane do różnorodnych badań naukowych, w tym do reakcji z gazami i płynami. Jednym z zastosowań może być oznaczanie rozpuszczalności żelaza i gazów pod wysokim ciśnieniem i w wysokich temperaturach.Innym może być określenie reakcji zachodzących w procesie powstawania ropy naftowej i gazów. A trzeci, podobnie jak w tym badaniu, może dotyczyć badania reakcji mikrobiologicznych pod podwyższonym ciśnieniem i temperaturą.

using-flexible-gold-titanium-reaction-cells-to-simulate-pressure

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy powstawanie ogrodów chemicznych za pomocą eksperymentów iniekcyjnych, które pozwalają na laboratoryjne symulacje naturalnych chemicznych systemów ogrodowych, które tworzą się w podmorskich kominach hydrotermalnych.

Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

Symulowaliśmy prekambryjski system upwellingu morskiego w pionowej kolumnie przepływowej na skalę laboratoryjną. Celem było zrozumienie, w jaki sposób profile geochemiczneO2 i Fe(II) ewoluują, gdy cyjanobakterie wytwarzająO2. Wyniki wskazują na powstanie chemokliny w wyniku utleniania Fe(II) przez fotosyntetycznie wytwarzanyO2.

Symulacja laboratoryjna bogatego w żelazo(II) prekambryjskiego systemu upwellingu morskiego w celu zbadania wzrostu bakterii fotosyntetycznych

Przedstawiono protokół pomiaru przewodnictwa elektrycznego żywych biofilmów mikrobiologicznych w fizjologicznie istotnych warunkach.

Charakterystyka transportu elektronów przez żywe biofilmy

Losy i specjacja arsenu i rtęci w warstwach wodonośnych są ściśle związane z warunkami fizykochemicznymi i aktywnością mikrobiologiczną. Tutaj prezentujemy oryginalną eksperymentalną konfigurację kolumny, która naśladuje warstwę wodonośną i umożliwia lepsze zrozumienie biogeochemii pierwiastków śladowych w warunkach beztlenowych. Przedstawiono dwa przykłady, łączące podejście geochemiczne i mikrobiologiczne.

Eksperymentalna konfiguracja kolumny do badania beztlenowych oddziaływań biogeochemicznych między wodorotlenkami (tlenu) żelaza, pierwiastkami śladowymi i bakteriami

Techniki wzbogacania mikroorganizmów na miejscu lub hodowli in situ mogą ułatwić izolację trudnych do hodowli taksonów mikroorganizmów, zwłaszcza z ekstremalnych środowisk o niskiej biomasie lub geochemicznie. W tym miejscu opisujemy układ elektrochemiczny bez użycia zewnętrznego źródła zasilania w celu wzbogacenia szczepów drobnoustrojów, które są zdolne do zewnątrzkomórkowego transportu elektronów (EET).

Wolnostojący zestaw elektrochemiczny do wzbogacania bakterii oddychających anodą na miejscu

Izolacja odpornych na metale ciężkie mikroorganizmów ze źródeł geotermalnych jest gorącym tematem dla rozwoju biosystemów bioremediacji i monitorowania środowiska. Badanie to zapewnia metodologiczne podejście do izolowania i identyfikacji bakterii tolerujących metale ciężkie z gorących źródeł.

Bioprospekcja mikroorganizmów ekstremofilnych w celu rozwiązania problemu zanieczyszczenia środowiska

Tematem tego artykułu jest szczegółowe opisanie najlepszych praktyk tworzenia pożywek dla wymagających mikroorganizmów beztlenowych pozyskanych ze środowiska. Metody te pomagają w zarządzaniu kulturami beztlenowymi i mogą być stosowane do wspomagania wzrostu nieuchwytnych mikroorganizmów niehodowlanych, "mikrobiologicznej ciemnej materii".

Zestaw symulowanych formatów pożywek opartych na informacjach in situ do hodowli mikroorganizmów beztlenowych nabytych w środowisku

Ten protokół szczegółowo opisuje montaż układów mini-bioreaktorów, które mają być wykorzystane do hodowli złożonego przepływu złożonych zbiorowisk kałowych w warunkach beztlenowych. Omówiono również metody montażu, inokulacji i pobierania próbek z reaktorów do dalszej analizy.

Montaż bioreaktora do ciągłej hodowli złożonych zbiorowisk kałowych

Ten protokół przedstawia system mikrofluidyczny do badania mikrobiologiczne precipitacji minerałów tlenku manganu. Powstawanie biomineralu jest mierzone in situ za pomocą mikroskopii optycznej i analizy obrazu. To podejście może być dostosowane do badania precipitacji innych charakterystycznie zabarwionych biogenicznych minerałów w środowiskach porowatych.

Mikropłytka platforma do badania mikrobiologicznego wytrącania tlenków metali w mediach porowatych

Ilustrujemy zastosowanie analizy rezonansowej reakcji jądrowej 1H(15N,αγ)12C (NRA) do ilościowej oceny gęstości atomów wodoru na powierzchni, objętości i w warstwie międzyfazowej materiałów stałych. Opisano przypowierzchniowy profil głębokości wodoru monokryształu Pd(110) i stosów SiO2/Si(100).

Kwantyfikacja stężeń wodoru w warstwach powierzchniowych i granicznych faz oraz materiałach sypkich poprzez profilowanie głębokości z analizą reakcji jądrowej

Poznaj metodę badań aktywności mikroorganizmów w warunkach wysokiego ciśnienia do 350 barów przy użyciu elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan. Technika ta umożliwia symulację procesów biogórnictwa podpowierzchniowego.

Wykorzystanie elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan do symulacji zależnej od ciśnienia aktywności mikrobiologicznej w kontekście biogórnictwa podpowierzchniowego (Wideo) | JoVE Journal

Wykorzystanie elastycznych ogniw reakcyjnych złoto-tytan do symulacji zależnej od ciśnienia aktywności mikrobiologicznej w kontekście biogórnictwa podpowierzchniowego

Przeglądaj więcej filmów