इस प्रोटोकॉल situ biomining प्रक्रियाओं में अध्ययन करने के लिए ऊंचा दबाव के तहत माइक्रोबियल प्रयोगों का वर्णन करता है. प्रयोगात्मक दृष्टिकोण एक अम्लीय, लौह समृद्ध माध्यम में एक माइक्रोबियल संस्कृति युक्त एक सोने-टाइटेनियम प्रतिक्रिया सेल से लैस एक कमाल उच्च दबाव रिएक्टर को रोजगार.
उपसतह माइक्रोबियल प्रक्रियाओं की जांच करने वाले प्रयोगशाला अध्ययन, जैसे गहरे अयस्क निक्षेपों (बायोमाइनिंग) में धातु निक्षालन, विशेष पर्यावरणीय स्थितियों सहित आम और चुनौतीपूर्ण बाधाओं को साझा करते हैं, जिन्हें दोहराया जाना चाहिए, जैसे, उच्च दबाव और कुछ मामलों में अम्लीय समाधान. पूर्व एक प्रयोगात्मक 100 बार करने के लिए दबाव के लिए उपयुक्त सेटअप की आवश्यकता है, जबकि बाद संक्षारण और कंटेनर दीवार के साथ अवांछित रासायनिक प्रतिक्रियाओं के खिलाफ उच्च रासायनिक प्रतिरोध के साथ एक तरल पदार्थ कंटेनर की मांग. इन सीटू बायोमाइनिंग के क्षेत्र में एक आवेदन के लिए इन शर्तों को पूरा करने के लिए, इस अध्ययन में एक कमाल उच्च दबाव रिएक्टर के अंदर एक विशेष लचीला सोने-टाइटेनियम प्रतिक्रिया सेल का उपयोग किया गया था। वर्णित प्रणाली एक anoxic, दबाव नियंत्रित, अत्यधिक रासायनिक निष्क्रिय प्रयोगात्मक वातावरण में सल्फर चालित माइक्रोबियल लोहे की कमी के माध्यम से situ biomining के अनुकरण की अनुमति दी. लचीला सोने-टाइटेनियम प्रतिक्रिया सेल नमूना समाधान है, जो किसी भी समय बिंदु पर नमूना किया जा सकता है, जबकि प्रणाली वांछित दबाव बनाए रखता है की 100 एमएल तक समायोजित कर सकते हैं। प्रयोग घंटे से लेकर महीनों तक के समय-समय पर किए जा सकते हैं. उच्च दबाव रिएक्टर प्रणाली को इकट्ठा करने में काफी समय लगता है। फिर भी, जब जटिल और चुनौतीपूर्ण (microbiological) प्रक्रियाओं रासायनिक आक्रामक तरल पदार्थ में पृथ्वी की गहरी subsurface में होने वाली प्रयोगशाला में जांच की जानी है, इस प्रणाली के फायदे नुकसान पल्ला झुकना. परिणामों में पाया गया कि उच्च दबाव पर भी माइक्रोबियल संघ सक्रिय है, लेकिन काफी कम चयापचय दरों पर.
पिछले दशक के दौरान, पर्यावरण पर खनन के प्रभाव को कम करने के प्रयासों में वृद्धि हुई है। अयस्कों के कच्चे माल निष्कर्षण के लिए खुला गड्ढे खनन (उदाहरण के लिए, तांबे से समृद्ध सल्फाइड अयस्क), खुदाई गतिविधियों द्वारा और अपशिष्ट चट्टानों और कीमती की निकासी के बाद संसाधित अयस्क के अवशेष ों की बड़ी शेष मात्रा द्वारा आसपास के परिदृश्य को प्रभावित करता है तांबे की तरह धातुओं. उपसतह में अयस्क से सीधे तांबे को निकालने से इन प्रभावों में काफी कमी आएगी। इन सीटू बायोमाइनिंग की प्रौद्योगिकी इस प्रक्रिया1के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार है . इस प्रकाशन को प्रेरित माइक्रोबियल गतिविधि के उपयोग का वर्णन करने के लिए अयस्क से कीमती धातुओं को उपसतह में एक जलीय समाधान में निकालने के लिए. इस प्रकार, एक तांबे से भरपूर समाधान आसानी से सतह पर वापस पंप किया जा सकता है आगे धातु ध्यान केंद्रित, उदाहरण के लिए.
अयस्क-लेचिंग अम्लरागी सूक्ष्मजीवों की गतिविधि का कई प्रयोगशालाओं में विभिन्न प्रकार केपैरामीटरों केलिए अध्ययन किया गया है 2,3,4,5,6. हालांकि, परिवेश सतह प्रयोगशाला शर्तों (लगभग 1 बार) और hydrostatic शर्तों ($ 100 बार) के साथ 1,000 मीटर की गहराई पर subsurface के बीच अंतर से उत्पन्न माइक्रोबियल गतिविधि पर दबाव प्रभाव अच्छी तरह से प्रलेखित नहीं हैं। अतः विभिन्न प्रायोगिक मार्गों के माध्यम से माइक्रोबियल आयरन न्यूनीकरण पर दबाव केप्रभावोंकी जांच की गई है। यहाँ, सबसे उपयुक्त तकनीक विस्तार से वर्णित है.
पृथ्वी के उपसतह में होने वाले दबावों और तापमान पर प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए उच्च दाब रिएक्टरों का बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया है। इस तरह के रिएक्टरों में नीचे एक रिएक्टर पोत होता है जिसमें माइक्रोबियल संस्कृति के साथ एक तरल पदार्थ का नमूना हो सकता है। रिएक्टर पोत के शीर्ष पर बैठे, रिएक्टर सिर सुरक्षा उपायों और निगरानी सेंसर (उदाहरण के लिए, तापमान या दबाव) के लिए कनेक्शन और इंटरफेस की एक विविध सरणी प्रदान करता है। सबसे उच्च दबाव रिएक्टरों स्टेनलेस स्टील के बने होते हैं। यह सामग्री उच्च लचीलापन और अच्छा मशीनिंग गुण प्रदान करता है, लेकिन स्टेनलेस स्टील की सतह के संक्षारण प्रतिरोध हर आवेदन के लिए पर्याप्त नहीं है। उदाहरण के लिए, यदि अत्यधिक अम्लीय या अत्यधिक कम करने वाले जलीय समाधानों की जांच की जाती है, तो रिएक्टर दीवार के साथ ब्याज के यौगिकों की महत्वपूर्ण प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं। इससे बचने का एक तरीका रिएक्टर पोत में एक लाइनर डालना है, उदाहरण के लिए बोरोसिलिकेट ग्लास7से बना लाइनर। यह साफ करने के लिए आसान है और autoclaving द्वारा बाँझ किया जा सकता है. इसके अलावा, यह अम्लीय द्वारा हमला नहीं है या जलीय समाधान को कम करने. हालांकि एक लाइनर स्टेनलेस स्टील रिएक्टर दीवार के साथ समाधान या रोगाणुओं के कृत्रिम प्रतिक्रियाओं को रोकने में मदद कर सकता है, कई समस्याएं बनी हुई हैं। एक के लिए, यदि संक्षारक गैस का गठन होता है, जैसे सल्फेट कम करने वाले बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन सल्फाइड, तो यह गैस लाइनर के ऊपर बैठे रिएक्टर सिर की खुली सतह के साथ प्रतिक्रिया कर सकती है। एक अन्य नुकसान यह है कि दबाव बनाए रखते हुए रिएक्टर से एक नमूना वापस लेना संभव नहीं है।
इन सीमाओं को दूर करने के लिए, उच्च दबाव रिएक्टरों के अंदर विशेष लचीला प्रतिक्रिया कोशिकाओं अनुप्रयोगों की एक किस्म के लिए विकसित किया गया है. एक लचीला polytetrafluoroethylene (PTFE) सेल8 अत्यधिक लवण brines में लवण के घुलनशीलता अध्ययन के लिए डिजाइन किया गया था. हालांकि, इस प्रणाली की सीमा है कि कुछ गैसों को आसानी से PTFE व्याप्त कर सकते हैं. इसके अलावा, इस सामग्री को अभी भी एक अपेक्षाकृत कम तापमान स्थिरता है. इस प्रकार, प्रणाली एक टाइटेनियम सिर9 के साथ एक लचीला सोने की थैली डिजाइन द्वारा सुधार किया गया था स्टेनलेस स्टील उच्च दबाव रिएक्टर के अंदर रखा जाएगा. सोने की सतह अम्लीय या समाधान और गैसों को कम करने के खिलाफ जंग प्रतिरोधी है. टाइटेनियम सतह भी अत्यधिक निष्क्रिय है जब अच्छी तरह से passivated एक सतत टाइटेनियम डाइऑक्साइड परत के रूप में. एक जुड़ा टाइटेनियम नमूना ट्यूब के माध्यम से इस प्रतिक्रिया सेल से नमूने के दौरान, सोने के बैग मात्रा में सिकुड़ता है. प्रणाली के आंतरिक दबाव पानी की एक ही मात्रा पंप द्वारा बनाए रखा है, के रूप में नमूना द्वारा वापस ले लिया है, स्टेनलेस स्टील उच्च दबाव रिएक्टर प्रतिक्रिया सेल को समायोजित करने में. प्रयोग के दौरान उच्च दाब रिएक्टर को 90 डिग्री से अधिक की गति से हिलाकर या झुकाकर अभिक्रिया सेल के अंदर का नमूना गति में रखा जाता है।
प्रतिक्रिया सेल चित्रा 1में चित्रित भागों के होते हैं: सोने की थैली, टाइटेनियम सिर, स्टेनलेस स्टील वॉशर, टाइटेनियम संपीड़न बोल्ट अंगूठी, स्टेनलेस ग्रंथियों और कॉलर के साथ टाइटेनियम नमूना ट्यूब उच्च दबाव coned के लिए और दोनों पक्षों पर पिरोया कनेक्शन, और टाइटेनियम वाल्व. सोने की थैली 0.2 मिमी की एक दीवार मोटाई, 48 मिमी की एक बाहरी व्यास, और 120 मिमी की लंबाई के साथ एक बेलनाकार सोना (Au 99.99) सेल है.
सभी टाइटेनियम भागों कस्टम टाइटेनियम ग्रेड 2 छड़ से कार्यशाला द्वारा किए गए हैं। कॉलर, सिर, वॉशर, और संपीड़न बोल्ट वलय के आयाम चित्र 2में दिखाई देते हैं। टाइटेनियम नमूना ट्यूब 6.25 मिमी की एक बाहरी व्यास और 1.8 मिमी की एक दीवार मोटाई के साथ टाइटेनियम की एक केशिका है, 2.65 मिमी के एक आंतरिक व्यास में जिसके परिणामस्वरूप. यह टाइटेनियम सिर और टाइटेनियम वाल्व में उच्च दबाव coned और पिरोया कनेक्शन द्वारा तय की गई है टाइटेनियम के खिलाफ टाइटेनियम सतहों की एक मुहर सुनिश्चित करने. उच्च दबाव टाइटेनियम वाल्व बहुत नियंत्रित खोलने या यहां तक कि उच्च दबाव पर नमूना के लिए अनुमति देने के लिए एक धीमी गति से खोलने स्टेम के साथ सुसज्जित है। इस प्रणाली का प्रयोग अनेकअध्ययनों में 10,11,12में किया गया .
अम्लीय समाधान के भीतर माइक्रोबियल प्रतिक्रियाओं के उच्च दबाव प्रयोगों के लिए प्रस्तुत विधि एक प्रयोगशाला वातावरण में गहरी subsurface geomicrobiological प्रक्रियाओं अनुकरण करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण था।
वहाँ कई मैनुअल काम कदम शामिल हैं, जिनमें से कुछ विशेष ध्यान देने की आवश्यकता है. एक सामान्य नोट के रूप में, कोई अत्यधिक बल जब लचीला सोने-टाइटेनियम सेल और रिएक्टर सिर (अनुभाग 3 और 4) के अलग-अलग भागों कोडांतरण किया जाना चाहिए। यदि निर्माता के विनिर्देशों (उदाहरण के लिए, अधिकतम दबाव के लिए, तापमान, टोक़) पर ध्यान नहीं दिया जाता है, रिसाव और/या सामग्री की विफलता का परिणाम हो सकता है।
सोने और टाइटेनियम भागों की सफाई (अनुभाग 2.2) एक अनिवार्य काम कदम है, न केवल इस प्रयोग के लिए, लेकिन विशेष रूप से शामिल प्रयोगों के लिए (में) कार्बनिक प्रतिक्रियाओं. स्वर्ण कोशिका में पिछले प्रयोगों के अवशेष अवांछित प्रतिक्रियाओं का कारण बन सकते हैं और इसलिए परिणामों के पूर्वाग्रह हो सकते हैं। जब इकट्ठे सोने-टाइटेनियम सेल रिएक्टर सिर में स्थापित किया गया है, यह सबसे अच्छा है जल्दी और ठीक काम करते हैं, क्योंकि इस समय ऑक्सीजन की छोटी मात्रा में सोने की सेल में प्रवेश कर सकता है. glovebox छोड़ने से पहले नमूना वाल्व बंद सोने की कोशिका के इंटीरियर के साथ परिवेश वातावरण के बीच आदान-प्रदान को कम करने के लिए एक अच्छा पहला उपाय है.
एक बार रिएक्टर रॉकिंग डिवाइस में रखा गया है, यह करने के लिए रॉकिंग गति गति सेट करने के लिए महत्वपूर्ण है $170 /min. यदि उच्च दबाव रिएक्टर बहुत तेजी से चलता है, सोने की कोशिका का टूटना गुरुत्वाकर्षण प्रभाव या तलछट या रॉक नमूने के तेज किनारों के कारण हो सकता है जब इस्तेमाल किया.
इस विधि अतिरिक्त अनुसंधान फ़ील्ड में उपयोग किया जा सकता है। लचीला सोने-टाइटेनियम प्रतिक्रिया सेल के लिए वैज्ञानिक जांच के एक विविध सेट के लिए इस्तेमाल किया जा करने की क्षमता है9 ऊंचा दबाव और तापमान पर प्रतिक्रियाओं का अध्ययन और अत्यधिक संक्षारक तरल पदार्थ या गैसों में.
खनिज सतहों की उपस्थिति में 70 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर गहरे उपसतह में सूक्ष्मजीव आण्विक हाइड्रोजन या कार्बनिक अम्लों जैसे ऐसीटेट के उत्पादन को उत्तेजित कर सकते हैं. इन उत्पादों, और अन्य यौगिकों, इस अध्ययन में जांच सल्फर यौगिकों के अलावा, situ bioleaching प्रक्रियाओं में के दौरान ऊंचा माइक्रोबियल गतिविधि प्रेरित हो सकता है.
अनुप्रयोगों में जलीय तरल पदार्थ में गैसों और आयनों की विलेयता का निर्धारण, हाइड्रोथर्मल वेंट सिस्टम की स्थितियों पर भूरासायनिक अभिक्रियाएं17, समस्थानिक प्रभाजन18का परिमाण, ब्व्यू के दौरान भू-रासायनिक अभिक्रियाएं शामिल हैं। 2 पृथक्करण19, स्रोत चट्टानों में तेल और गैस के निर्माण के दौरान अजैविक प्रक्रियाएं20, और वर्तमान अध्ययन के रूप में उपसतह21 में ऊंचा दबावों पर माइक्रोबियल अभिक्रियाओं.
The authors have nothing to disclose.
हम लचीला सोने-टाइटेनियम प्रतिक्रिया कोशिकाओं पर अपनी विशेषज्ञता साझा करने में रॉबर्ट Rosenbauer (USGS, Menlo पार्क) धन्यवाद, और Georg Scheeder (बीजीआर) हनोवर में संशोधित प्रणाली की स्थापना के प्रारंभिक चरण के दौरान अपने इनपुट के लिए. हम कई वैज्ञानिकों को धन्यवाद देना चाहते हैं (कत्जा Heeschen, एंड्रियास Risse, जेन्स Grger-Trampe, थियोडोर Alpermann सहित) कई परियोजनाओं में हैनोवर में सेटअप का उपयोग कर कि रास्ते में थोड़ा सुधार में योगदान दिया और ईसाई Seger के विकास के लिए उच्च दबाव रिएक्टरों के लिए रॉकिंग डिवाइस। हम SEM टिप्पणियों के लिए लौरा कास्त्रो (मेड्रिड के Complutens विश्वविद्यालय) धन्यवाद. और अंत में, हम इस लेख के लिए इस उच्च गुणवत्ता वाले वीडियो के उत्पादन के लिए Nils W lki के लिए हमारी कृतज्ञता व्यक्त करना चाहते हैं. यह काम यूरोपीय संघ क्षितिज 2020 परियोजना BIOMOre (अनुदान समझौते $ 642456) द्वारा समर्थित किया गया था.
Acetone | Merck | 100013 | |
CaN2O6 | Fluka | 31218 | |
Conax compression seal fittings | Conax Technologies | PG2-250-B-G | sealant could be selected according to temperatures in experiment |
Copper paste | Caramba | 691301 | |
Copper paste | CRC | 41520 | |
CoSO4x7H2O | Sigma | 10026-24-1 | |
CrKO8S2x12H2O | Roth | 3535.3 | |
CuSO4x5H2O | Riedel de Haen | 31293 | |
Disposable cuvettes | Sigma | z330388 | |
Ethanol absolute | Roth | 9065.3 | |
FE-SEM | JEOL | model no. JSM-6330F | |
Ferrozine | Aldrich | 180017 | |
Fe2(SO4)3x7H2O | Alfa Aesar | 33316 | |
FeSO4x7H2O | Merck | 103965 | |
Gold cell | Hereaus GmbH | manufactured according to dimensions supplied by customer | |
High-pressure reactor | PARR Instruments | model no. 4650 Series | reactors from other vendors could be used, too |
High-pressure syringe pump | Teledyne ISCO | DM-100 | |
HCl | Roth | 6331.3 | |
HNO3 | Fluka | 7006 | |
H3BO3 | Sigma | B6768 | |
KCl | Sigma | P9541 | |
KH2PO4 | Merck | 104873 | |
L-(+)-Ascorbic acid/Vitamin C | Applichem | A1052 | |
Light microscope | Leica DM3000 | ||
MgSO4x7H2O | Merck | 105886 | |
(NH4)2SO4 | Sigma | A4418 | |
NaMoO4x2H2O | Sigma | 331058 | |
NaO3Sex5H2O | Sigma | 00163 | |
NaO3V | Sigma | 590088 | |
Na2SO4 | Merck | 106649 | |
Na2WO4x2H2O | Sigma | 72069 | |
NiSO4x6H2O | Sigma | 31483 | |
Omnifix Luer | BRAUN | 4616057V | |
pH meter | Mettler Toledo | ||
Redox potential meter | WTW | ORP portable meter | |
Safe-Lock Tubes, 2 mL | Eppendorf | 0030120094 | |
Serum bottle | Sigma | 33110-U | |
Spectrophotometer | Thermo Scientific | model no. GENESYS 10S | |
Sterican Hypodermic needle | BRAUN | 4657519 | |
Stoppers | Sigma | 27234 | |
Sulfur powder | Roth | 9304 | |
Thoma Chamber | Hecht-Assistent | ||
Titanium parts of reaction cell | Titan-Halbzeug GmbH | 121-238 | manufactured by workshop at BGR according to dimensions supplied from Titanium grade 2 rods from Titan-Halbzeug GmbH |
Titanium valve | Nova Swiss Technologies | ND-5002 | |
Whatman membrane filters nylon | Sigma | WHA7402004 | |
ZnSO4x7H2O | Sigma | Z4750 |