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Engineering

Verwendung flexibler Gold-Titan-Reaktionszellen zur Simulation druckabhängiger mikrobieller Aktivität im Kontext des Subsurface Biominings

doi: 10.3791/60140 Published: October 5, 2019

Summary

Dieses Protokoll beschreibt mikrobielle Experimente unter erhöhten Drücken, um Biomining-Prozesse vor Ort zu untersuchen. Der experimentelle Ansatz verwendet einen schaukelnden Hochdruckreaktor, der mit einer Gold-Titan-Reaktionszelle ausgestattet ist, die eine mikrobielle Kultur in einem sauren, eisenreichen Medium enthält.

Abstract

Laborstudien zur Untersuchung von mikrobiellen Prozessen unter der Oberfläche, wie z. B. Metallauslaugung in tiefen Erzvorkommen (Biomining), haben gemeinsame und herausfordernde Hindernisse, einschließlich der besonderen Umweltbedingungen, die repliziert werden müssen, z. B. Hochdruck und in einigen Fällen saure Lösungen. Ersteres erfordert einen Versuchsaufbau, der für die Druckaufschlagung bis 100 bar geeignet ist, während letztere einen Flüssigkeitsbehälter mit hoher chemischer Beständigkeit gegen Korrosion und unerwünschte chemische Reaktionen mit der Behälterwand erfordert. Um diese Bedingungen für eine Anwendung im Bereich des In-situ-Biobergbaus zu erfüllen, wurde in dieser Studie eine spezielle flexible Gold-Titan-Reaktionszelle in einem Schaukelhochdruckreaktor verwendet. Das beschriebene System ermöglichte die Simulation von In-situ-Biomining durch schwefelgetriebene mikrobielle Eisenreduktion in einer anoxischen, druckgesteuerten, hochchemisch inerten Versuchsumgebung. Die flexible Gold-Titan-Reaktionszelle kann bis zu 100 ml Probenlösung aufnehmen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt abgetastet werden kann, während das System den gewünschten Druck beibehält. Experimente können auf Zeitskalen von Stunden bis Monaten durchgeführt werden. Die Montage des Hochdruckreaktorsystems ist ziemlich zeitaufwändig. Wenn jedoch komplexe und herausfordernde (mikrobiologische) Prozesse, die im tiefen Erduntergrund in chemisch aggressiven Flüssigkeiten auftreten, im Labor untersucht werden müssen, überwiegen die Vorteile dieses Systems die Nachteile. Die Ergebnisse ergaben, dass das mikrobielle Konsortium auch bei hohem Druck aktiv ist, aber mit deutlich niedrigeren Stoffwechselraten.

Introduction

In den letzten zehn Jahren haben die Bemühungen, die Auswirkungen des Bergbaus auf die Umwelt zu minimieren, zugenommen. Der Tagebau für die Rohstoffgewinnung von Erzen (z.B. kupferreiche Sulfiderze) wirkt sich durch die Grabungsarbeiten und die großen Restmengen von Abfallgesteinen und Resten von verarbeitetem Erz nach der Gewinnung von wertvollen Metalle wie Kupfer. Die direkte Gewinnung von Kupfer aus dem Erz im Untergrund würde diese Auswirkungen erheblich reduzieren. Die Technologie des In-situ-Biobergbaus ist ein vielversprechender Kandidat für diesen Prozess1. Diese Publikation beschreibt die Verwendung von stimulierter mikrobieller Aktivität, um die Edelmetalle aus dem Erz in eine wässrige Lösung im Untergrund zu extrahieren. So kann eine kupferreiche Lösung leicht wieder an die Oberfläche gepumpt werden, um beispielsweise das Metall weiter zu konzentrieren.

Die Aktivität erzauslaugungssauer saurophiler Mikroorganismen wurde in vielen Laboratorien für eine Vielzahl von Parametern2,3,4,5,6untersucht. Druckeffekte auf die mikrobielle Aktivität, die sich aus dem Unterschied zwischen den Umgebungsoberflächenbedingungen (nahe 1 bar) und dem Untergrund in einer Tiefe von 1.000 m bei hydrostatischen Bedingungen (ca. 100 bar) ergeben, sind jedoch nicht gut dokumentiert. Daher wurden die Auswirkungen des Drucks auf die mikrobielle Eisenreduktion durch verschiedene experimentelle Wege untersucht7. Hier wird die am besten geeignete Technik ausführlich beschrieben.

Hochdruckreaktoren wurden ausgiebig eingesetzt, um Reaktionen bei Drücken und Temperaturen im Erduntergrund zu untersuchen. Solche Reaktoren bestehen aus einem Reaktorbehälter am Boden, der eine Flüssigkeitsprobe mit einer mikrobiellen Kultur enthalten kann. Der Reaktorkopf, der auf dem Reaktorbehälter sitzt, bietet eine Vielzahl von Anschlüssen und Schnittstellen für Sicherheitsmaßnahmen und Überwachungssensoren (z. B. Temperatur oder Druck). Die meisten Hochdruckreaktoren sind aus Edelstahl gefertigt. Dieses Material bietet eine hohe Belastbarkeit und gute Bearbeitungseigenschaften, aber die Korrosionsbeständigkeit der Edelstahloberfläche ist nicht für jede Anwendung ausreichend. Wenn beispielsweise hochsäuernde oder stark reduzierende wässrige Lösungen untersucht werden, können signifikante Reaktionen der von Interesse sindden Verbindungen mit der Reaktorwand auftreten. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, einen Liner in den Reaktorbehälter einzufügen, z. B. einen Liner aus Borosilikatglas7. Es ist leicht zu reinigen und kann durch Autoklavieren sterilisiert werden. Darüber hinaus wird es nicht von sauren oder reduzierenden wässrigen Lösungen angegriffen. Auch wenn ein Liner helfen kann, künstliche Reaktionen der Lösung oder Mikroben in der Lösung mit der Edelstahl-Reaktorwand zu verhindern, bleiben mehrere Probleme bestehen. Zum einen, wenn ein ätzendes Gas gebildet wird, wie Schwefelwasserstoff, das von sulfatreduzierenden Bakterien produziert wird, könnte dieses Gas mit der unbedeckten Oberfläche des Reaktorkopfes über dem Liner reagieren. Ein weiterer Nachteil ist, dass es nicht möglich ist, eine Probe aus dem Reaktor zu ziehen, während der Druck aufrecht erhalten bleibt.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden spezielle flexible Reaktionszellen in den Hochdruckreaktoren für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt. Eine flexible Polytetrafluorethylenzelle (PTFE)wurde für Löslichkeitsstudien von Salzen in hochsalzsalzierten Salzen entwickelt. Die Einschränkung dieses Systems ist jedoch, dass einige Gase das PTFE leicht durchdringen können. Darüber hinaus weist dieses Material noch eine relativ niedrige Temperaturstabilität auf. So wurde das System durch die Entwicklung eines flexiblen Goldbeutels mit einem Titankopf9 im Edelstahl-Hochdruckreaktor verbessert. Die Goldoberfläche ist korrosionsbeständig gegen saure oder reduzierende Lösungen und Gase. Die Titanoberfläche ist auch sehr inert, wenn sie gründlich zu einer kontinuierlichen Titandioxidschicht passiviert wird. Bei der Probenahme aus dieser Reaktionszelle durch ein angeschlossenes Titan-Probenahmerohr schrumpft der Goldbeutel im Volumen. Der Innendruck des Systems wird aufrechterhalten, indem die gleiche Wassermenge, wie sie durch Probenahme entnommen wird, in den Hochdruckreaktor aus Edelstahl pumpt, der die Reaktionszelle aufnehmen kann. Die Probe in der Reaktionszelle wird durch Schaukeln oder Kippen des Hochdruckreaktors während des Experiments um mehr als 90° in Bewegung gehalten.

Die Reaktionszelle besteht aus den in Abbildung 1dargestellten Teilen: Goldbeutel, Titankragen, Titankopf, Edelstahlscheibe, Titan-Kompressionsbolzenring, Titan-Probenahmerohr mit Rostdrüsen und Kragen für den Hochdruck-Kegel und Gewindeanschlüsse auf beiden Seiten und das Titanventil. Der Goldbeutel ist eine zylindrische Goldzelle (Au 99.99) mit einer Wandstärke von 0,2 mm, einem Außendurchmesser von 48 mm und einer Länge von 120 mm.

Alle Titanteile werden von der Werkstatt aus Titanstäben der Sorte 2 maßgeschneidert. Die Abmessungen des Kragens, des Kopfes, der Scheibe und des Kompressionsbolzenrings sind in Abbildung 2sichtbar. Das Titan-Probenahmerohr ist eine Kapillare aus Titan mit einem Außendurchmesser von 6,25 mm und einer Wandstärke von 1,8 mm, was zu einem Innendurchmesser von 2,65 mm führt. Es wird in den Titankopf und das Titanventil durch Hochdruck-Kegel- und Gewindeverbindungen fixiert, die eine Abdichtung von Titan-gegen-Titan-Oberflächen gewährleisten. Das Hochdruck-Titanventil ist mit einem langsam öffnenden Stiel ausgestattet, um auch bei hohem Druck eine sehr kontrollierte Öffnung oder Probenahme zu ermöglichen. Dieses System wurde in zahlreichen Studien10,11,12verwendet.

Protocol

1. Vorbereitung des Mediums und Impfung der mikrobiellen Kultur

  1. Bereiten Sie ein Basalsalzmedium für autotrophe Prokaryoten nach veröffentlichten Techniken13vor. Die folgenden Chemikalien in destilliertem Wasser (mg/L) auflösen und mischen: Na2SO410H2O (150) (NH4)2SO4 (450), KCl (50), MgSO47H2O (500), KH2PO4 (50) und Ca(NO) 3) 24H2O (7).
  2. 1 ml/L einer 1.000x konzentrierten Spurenelementlösung mit (g/L) enthalten: ZnSO4x 7H2O (10), CuSO4-5H2O (1), MnSO4 H2O (0,76), CoSO47H2O (1), CrK(SO4)212H2O (0,4), H3BO3 (0,6), NaMoO42 H2O (0,5), NiSO46H2O (1), Na 2 SeO4 (0,51), Na2WO4,2H2O (0,1) und NaVO3 (0,1). Stellen Sie den pH-Wert auf 1,8 ein, indem Sie 5 M Schwefelsäure hinzufügen.
  3. Sterilisieren Sie das Medium in einem Autoklaven bei 121 °C und 1,2 bar für 20 min und sterilisieren Sie die Eisenlösung durch Filtration durch einen Spritzenfilter in Porengröße von 0,22 m.
  4. 50 ml des sterilisierten Basalsalzmediums in eine Serumflasche geben und Eiseneisenlösung und Elementarschwefel zu einer Endkonzentration von 50 mM bzw. 10 g/L geben.
  5. Impfen Sie das Medium mit einer gemischten Kultur, die aus mehreren mesoaxiophilen Eisenoxidierungsprokaryotenbesteht 14.
  6. Kappen Sie die Serumflasche mit sterilisierten Butylgummistopfen und versiegeln Sie sie mit Aluminiumcrimps.
  7. Blasen Sie das Kulturmedium mit N2 kräftig, um gelösten Sauerstoff für 25 min zu entfernen. Verwenden Sie zwei Nadeln, legen Sie eine tiefer in den Flaschenkopf, die andere in der Nähe der Kappe.
  8. Injizieren Sie CO2, um eine 90% N2 und 10%CO2-Atmosphäre im Kopfraum der Serumflasche zu erhalten. Inkubieren Sie die Kultur ohne Rühren bei 30 °C im Dunkeln.

2. Vorbereitung der Gold-Titan-Reaktionszelle und des Hochdruckreaktors

  1. Reinigen Sie die Gold-Titan-Reaktionszelle.
    1. Zerlegen Sie die Reaktionszelle in die Einzelteile, um den Kontakt von Säure mit den Edelstahlteilen oder die Exposition der montierten Teile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften gegenüber Wärme zu vermeiden.
    2. Reinigen Sie die Oberflächen, die während des Experiments mit der Probe in Berührung kommen (z. B. der Goldbeutel, der Titankopf, das Titan-Probenahmerohr und das Titanventil).
      1. Legen Sie den Goldbeutel und den Titankopf in einen Glasbecher.
      2. Fügen Sie genug 10% HCl hinzu, um alle Teile abzudecken.
      3. Erhitzen Sie die Säure auf einer Heizplatte auf 50 °C für 3 h, während Sie sie rühren.
      4. Entfernen Sie die Teile mit PTFE-Pinzette aus der Säurelösung und spülen Sie sie mit entionisiertem Wasser ab.
      5. Spülen Sie die Innenfläche des Goldbeutels und des Titankopfes gründlich mit 65% HNO3 und dann mit entionisiertem Wasser.
      6. Spülen Sie die Innenfläche des Titan-Probenahmerohrs und des Titanventils mit 10% HCl, gefolgt von entionisiertem Wasser, 65% HNO3, und dann wieder entionisiertes Wasser.
      7. Reinigen Sie alle Teile von organischer Kontamination, indem Sie sie mit Aceton spülen.
      8. Alle Teile im Ofen bei 105 °C mindestens 1 h trocknen.
    3. Erhitzen Sie die Oberflächen des Goldbeutels, des Titankopfes und des Titan-Probenahmerohrs, indem Sie sie einer Temperatur von 450 °C für 4 h in einem Muffelofen in einer Luftatmosphäre aussetzen.
      HINWEIS: Dieses Verfahren sterilisiert die Oberflächen und führt zur Bildung einer passivierenden Titandioxidschicht auf allen Titanoberflächen. Die Titanteile sollten nach der Wärmebehandlung eine gelbe bis blaue Farbe haben.
    4. Die Goldzelle wird anneal, um die Flexibilität des Goldes zu erhöhen, indem kleine Kristallisationsdomänen durch Anwenden von Wärme mit einem Propangasbrenner zurückgesetzt werden. Erhitzen Sie die Goldoberfläche rundherum, um Knicke im Gold zu reduzieren, die sich während des letzten Schrumpfens des Goldbeutelvolumens in einem Experiment gebildet haben könnten. Achten Sie darauf, das Gold nicht zu viel an einem Ort zu erhitzen, um sein Schmelzen zu vermeiden.
      HINWEIS: Ein rotes Leuchten der Goldoberfläche zeigt eine ausreichende Erwärmung.
    5. Montieren Sie den Goldbeutel in den Titankragen und die Titan-Probenahmeschläuche in den Titankopf mit einem Drehmoment von 10 Nm für die Drüsen.
  2. Prüfen Sie den Hochdruckreaktor.
    1. Überprüfen Sie den Reaktor visuell auf mögliche Beschädigungen, Korrosion und lose Teile.
      HINWEIS: Besondere Aufmerksamkeit sollte der Dichtung und der Kante gewidmet werden, an der die Versiegelung stattfindet. Wenn zuvor eine Graphitdichtung zur Abdichtung des Reaktors verwendet wurde, können sich Reste davon noch in der Kerbe befänden und sollten vor dem nächsten Versuch mit einem Kunststoffstift entfernt werden.
    2. Kupfersulfidpaste auf die Schubbolzen im Hochdruckreaktorkopf auftragen. Stellen Sie sicher, dass das Fett über das gesamte Gewinde verteilt ist.
    3. Überprüfen Sie die schraubschlüssige Kompressionsdichtung auf die Länge der verbleibenden Graphitverpackung.

3. Füllen und Montage der Gold-Titan-Reaktionszelle unter anoxischen Bedingungen

  1. Laden Sie den Handschuhkasten.
    1. Bereiten Sie das Kulturmedium in den Serumflaschen nach Abschnitt 1 vor.
    2. Wickeln Sie die Teile der Goldtitan-Reaktionszelle, die später mit der Probe in Kontakt kommt, in Aluminiumfolie, um mögliche Verunreinigungen zu minimieren.
    3. Öffnen und entsperren Sie den Vorraum der Handschuhbox, laden Sie das gesamte eingehende Material auf das bewegliche Fach und schließen und verriegeln Sie die vordere Abdeckung.
    4. Evakuieren Sie den Vorraum 3x und überfluten Sie ihn mit hochreinem Stickstoff.
    5. Tragen Sie ein Paar Handschuhe und kommen Sie so nah wie möglich an die innere Abdeckung. Entsperren und öffnen Sie die innere Abdeckung, um das eingehende Material aus der beweglichen Schale zu entfernen.
    6. Schließen und verriegeln Sie die innere Abdeckung.
  2. Füllen Sie die Goldzelle.
    1. Den sauberen Goldbeutel auspacken und zum Beispiel mit einem Glasbecher hochstehen. Öffnen Sie die Serumflasche mit 100 ml Bakterienkultur und Elementarschwefel.
    2. Schütteln Sie die Serumflasche vorsichtig und übertragen Sie die Bakterienkultur in den Goldbeutel.
  3. Montieren Sie die Reaktionszelle.
    1. Setzen Sie den Titankopf mit dem befestigten Titan-Probenahmerohr in den Titankragen ein, der den oberen Rand des Goldbeutels umschließt.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Dichtfläche des konischen unteren Teils des Titankopfes reibungslos passt, indem Sie ihn um 90° hin und her drehen.
    2. Schieben Sie die Scheibe und den Kompressionsbolzenring über das Titan-Probenahmerohr auf den Titankopf.
      HINWEIS: Drehen Sie den Kompressionsbolzenring im Titankragen um 30°, um die Flansche des Titankragens und des Schubbolzenrings auszurichten.
    3. Befestigen Sie die sechs Allen-Schrauben im gleichen Umfang, um eine gleichmäßige Druckverteilung des Titankopfes am obersten Rand des Goldbeutels im Titankragen (d.h. die Dichtfläche der Reaktionszelle) zu gewährleisten.
      HINWEIS: Befestigen Sie die Allen-Schrauben im Kompressionsbolzenring bis zur Handfest, so dass das Drehmoment für die gegenüberliegenden Schrauben zuerst erhöht wird (Kreuz).
  4. Installieren Sie das Probenahmeventil an der Oberseite des Titanrohres erneut. Befestigen Sie den Anschluss handfest und stellen Sie sicher, dass das Ventil geschlossen wird.
  5. Entfernen Sie alle Teile aus dem Handschuhkasten.

4. Montage des Hochdruckreaktors mit der Reaktionszelle

  1. Montieren Sie die Reaktionszelle in den Reaktorkopf.
    HINWEIS: Die Installation des Hochdruckreaktors erfolgt mit einer sehr kurzen Belichtung des offenen Endes des Probenahmerohrs gegenüber der umgebenden Atmosphäre, da das Probenahmeventil entfernt werden muss, um das Rohr durch die Schneckendichtung im Reaktorkopf zu führen. Für die Installation sollte der Reaktorkopf bereits in eine Bank-Sicht gelegt werden. Ein 45°-Winkel ermöglicht eine einfachere Handhabung. Die Kompressionsdichtung (in der zentralen Position der Blockbaugruppe des Reaktorkopfes), die das Probenahmerohr an Ort und Stelle hält, muss geöffnet sein.
    1. Entfernen Sie das Titan-Probenahmeventil, die Schraube und den Kragen auf der Oberseite des Probenahmerohrs.
    2. Führen Sie das Rohr mit der Reaktionszelle, die durch das zentrale Loch im Reaktorkopf befestigt ist, bis ca. 5 cm des Rohres durchgehen. Schieben Sie die große Schraube über das Rohr und befestigen Sie den kleinen Kragen.
      HINWEIS: Jetzt kann die Reaktionszellenbaugruppe nicht durch den Reaktorkopf zurückgleiten und beide Hände können das Probenahmeventil wieder installieren.
    3. Das Titanventil wieder befestigen.
    4. Ziehen Sie die Kompressionsdichtungsbefestigung fest.
    5. Entfernen Sie den Reaktorkopf von der Bank, um ihn auf dem Reaktorbehälter zu installieren.
  2. Bereiten Sie sich darauf vor, den Reaktor zu versiegeln.
    1. Legen Sie die Graphitdichtung auf die Kante des Reaktorbehälters.
    2. Legen Sie den Reaktorkopf mit der angeschlossenen Reaktionszelle vorsichtig auf den Reaktorbehälter.
      HINWEIS: Der Reaktorkopf, einschließlich des Thermoelements, muss sorgfältig auf den Reaktorbehälter gelegt werden, um den Goldbeutel oder das Thermoelement nicht zu beschädigen.
  3. Füllen Sie den Reaktorbehälter mit einer Mischung aus entionisiertem und Leitungswasser (ungefähr im Verhältnis 1:1).
  4. Versiegeln Sie den Reaktor.
    1. Überprüfen Sie den Kragen, um sicherzustellen, dass die unteren Enden der Kompressionsschrauben nicht aus ihren Fäden herausragen. Andernfalls wird der Druckbehälter nicht korrekt installiert.
    2. Heben Sie den Kragen an und legen Sie ihn um die hervorstehenden Kanten der Reaktorkopfgefäßschnittstelle. Das sanfte Bewegen des Kragens dazu führt zu einer ordentlichen Passform. Schließen Sie die Schnappschlösser, die den Kragen an Ort und Stelle halten.
    3. Befestigen Sie die Verdichtungsschrauben nach einem Kreuzmuster und erhöhen Sie das Drehmoment in moderaten Schritten, bis der vom Hersteller empfohlene Endwert erreicht ist.
      HINWEIS: Verschiedene Hochdruckreaktorsysteme können unterschiedliche Drehmomentwerte aufweisen.
    4. Befestigen Sie schließlich die Kompressionsbolzen im Uhrzeigersinn.
  5. Installieren Sie den Hochdruckreaktor in der Schaukelvorrichtung.
    HINWEIS: Die Installation des Hochdruckreaktors in der Schaukelvorrichtung wird für ein Sondermodell der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover beschrieben. Daher ist die beschriebene Installation eine allgemeine Richtlinie für Geräte vergleichbarer Bauart.
    1. Montieren Sie den Reaktor vorsichtig in der Schaukelvorrichtung.
      HINWEIS: Am besten halten Sie den Hochdruckreaktor an den Gage Block-Montageteilen (z. B. Manometer- oder Probenahmerohrschrauben) und senken ihn in die Schaukelvorrichtung.
    2. Fixieren Sie den Reaktor mit zwei Klemmen über ein Paar langer Schrauben.
    3. Legen Sie Diebe an jeder Schraube und ziehen Sie die Klemmen mit Schraubenmuttern fest.
    4. Schließen Sie die Steuergeräte für das Thermoelement, den Druckaufnehmer und das Heizelement an.
      HINWEIS: Es ist wichtig, sicherzustellen, dass alle Drähte ausreichend lang für die Schaukelbewegung sind und den Kontakt zu den beheizten Oberflächen zu verhindern.
    5. Schieben Sie das Heizelement über den Reaktorbehälter und ziehen Sie das Schraubenschloss fest.
      HINWEIS: Das Wasser, um das System unter Druck zu setzen, wird aus einem Reservoir mit einer Hochdruckpumpe entnommen. Es wird durch Edelstahlkapillaren in den Hochdruckreaktor übertragen.
      HINWEIS: Das Schaukeln des Hochdruckreaktors garantiert eine gründliche Vermischung des Reaktionszellinhalts (d. h. des Gases, der Flüssigkeit und aller festen Phasen darin). Eine langsame Schaukelgeschwindigkeit ist wichtig, um Schäden am Goldbeutel durch schnell bewegende Feststoffe oder durch Verformung durch Gravitationseffekte auf das flexible Gold bei erhöhten Temperaturen zu verhindern. Das Schaukelsystem kann sich um fast 180° drehen.

5. Starten des Experiments

  1. Prüfen Sie, ob die Temperatur- und Druckgrenzwerte in der Überwachungssoftware auf die gewünschten Werte eingestellt sind.
    HINWEIS: In diesem Experiment wurden sie auf 70 °C und 25 MPa eingestellt.
  2. Führen Sie eine Leckprüfung durch.
    1. Schließen Sie das Druckrohr, eine Kapillare aus Edelstahl, an den Reaktorkopf an.
    2. Erhöhen Sie den Druck auf den Zieldruck in unterschiedlichen Intervallen, während Sie kontinuierlich auf Leckagen überprüfen.
    3. Halten Sie den Druck konstant, bis die Durchflussmenge der Pumpe fast Null ist.
      HINWEIS: Achten Sie darauf, dass komprimierbare, gelöste Luft in Wasser für eine lange Zeit in subtilen Strömungsmessungen sichtbar ist.
  3. Starten Sie die Heizung nach einer erfolgreichen Leckkontrolle.
    1. Starten Sie die Protokollierung der Druckpumpen.
    2. Stellen Sie den Sollwert für die Heizung auf den gewünschten Wert ein und starten Sie die Heizung mit der Software.
    3. Überprüfen Sie regelmäßig alle Parameter und den Systemstatus.
    4. Ziehen Sie das Druckrohr nach Erreichen der Zieltemperatur ab.
    5. Starten Sie das Schaukelgerät.

6. Probenahme des Hochdruckreaktors im Betriebsmodus

  1. Um eine Probe zu nehmen, befestigen Sie eine 5 ml Spritze am Luer Lock-Anschluss des Probenahmeventils an der Oberseite des Hochdruckreaktors.
  2. Öffnen Sie das Ventil vorsichtig und lassen Sie die Flüssigkeitsprobe durch den Druck im Hochdruckreaktor in die Spritze drücken. Schließen Sie das Ventil, nachdem das abgetastete Volumen 1 ml erreicht hat. Lösen Sie die Spritze.
  3. Die Proben in der Spritze zur Verarbeitung sofort in ein 2 ml-Rohr in einer Dunstabzugshaube übertragen.

7 . Analyse der Flüssigkeitsprobe

HINWEIS: Nur die Schritte für den weniger häufigen photometrischen Ferrozin-Assay (d. h. Abschnitt 7.1) werden hier ausführlich beschrieben und im Video erwähnt, da die anderen Schritte Standard-Operationsverfahren in der Mikrobiologie sind.

  1. Verwenden Sie einen Ferrozin-Assay, um die Konzentration von gelöstem Eisen (Fe2+(aq)) und Gesamteisen (Fetot)15photometrisch zu bestimmen.
    1. Bereiten Sie eine Reihe von Eisenstandardlösungen vor, indem Sie bekannte Mengen von FeSO4,7 H2O in Wasser auflösen.
    2. Mischen Sie 50 l dieser Standardwerte mit 1 ml einer 1 M Ferrozinlösung.
      HINWEIS: Die Reaktion von Ferrozin mit dem gelösten Eisen bildet einen violetten Komplex. Die Intensität der Farbe korreliert mit der Eisenkonzentration.
    3. Erstellen Sie eine Kalibrierkurve zwischen der Eisenkonzentration und der Absorption des Eisen-Ferrozin-Komplexes.
    4. Berechnen Sie die Konzentration von Eiseneisen aus Eisen einer Probe aus zwei parallelen Messungen entsprechend der festgelegten Standardkurve.
  2. Analysieren Sie den pH-Wert und das Oxidations-/Reduktionspotenzial (ORP) mit digitalen pH/Redox-Messgeräten mit semimikrolen pH-Elektroden bzw. einer Silberchloridelektrode.
  3. Zählen Sie planktonische Zellen direkt mit einem Lichtmikroskop mit einer Thoma-Kammer.
  4. Untersuchen Sie die Zellmorphologie durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM).
    1. Filtern sie planktonische Zellen, die unter verschiedenen Bedingungen durch einen Filter mit einer Porengröße von 0,1 bis 0,2 m angebaut werden.
    2. Proben mit Aceton dehydrieren und über Nacht bei 4 °C in 90% Aceton lagern.
    3. Trocknen Sie die Proben durch kritische Punkttrocknung und beschichten Sie sie mit Graphit oder Gold.
    4. Untersuchen Sie Proben mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) bei 10 kV.

Representative Results

Die Ergebnisse des Hochdruckreaktorexperiments mit der speziellen Gold-Titan-Reaktionszelle zeigen, dass die mikrobielle Mischkultur von Säureophilen Schwefel oxidierte und Eisen zu Eisen reduzierte (Abbildung 3).

Bei sowohl 1 bar oder 100 bar Druckbedingungen hatten die Kulturen eine Verzögerungsphase, wenn sie in der Gold-Titan-Reaktionszelle angebaut wurden. Nach dieser Zeit trat ein rascher Anstieg der Eisenkonzentration von ca. 9 mM auf 31 mM in der kulturgewachsenen Kultur von 1 bar auf. Über die Inkubationszeit von 22 Tagen wurden in den Tests bei 1 bar bzw. 100 bar 31 mM bzw. 13 mM Eisen nachgewiesen. Dies zeigt deutlich, dass die mikrobiellen Zellen bei 100 bar aktiv waren, aber ihre eisenreduzierende Aktivität war bei erhöhtem Druck deutlich niedriger. Abiotische Kontrollexperimente in Hungate-Röhren und Serumflaschen zeigten keine Eisenreduktion bei 1 bar und 100 bar.

Die Rasterelektronenmikroskopiebilder (Abbildung 4) zeigen stabförmige Zellen, die in Experimenten bei niedrigem und hohem Druck angebaut werden. Bei 1 bar gegenüber 100 bar wurde keine signifikante Veränderung der Zellmorphologie beobachtet. Das Zellwachstum wurde jedoch offensichtlich durch den erhöhten Druck gehemmt, da die Zellzahl 1,3 x 108 Zellen/ml bei 1 bar im Vergleich zu 4,5 x 107 Zellen/ml bei 100 bar7betrug. Diese Daten sind vergleichbar mit den Tests in Hungate-Rohren7. So hatte die flexible Gold-Titan-Reaktionszelle selbst keinen Einfluss auf das Zellwachstum und eignete sich für mikrobielle Wachstumstests.

Die Ergebnisse zeigen, dass bioleachierende Mikroorganismen auch bei einem hohen Druck von 100 bar aktiv sind, was für die In-situ-Biomining von hoher Relevanz ist, da solche Bedingungen in tiefen Erzablagerungen in einer Tiefe von unter 1.000 m7auftreten.

Figure 1
Abbildung 1: Übersicht der Reaktionszellteile. Von unten nach oben: der Goldbeutel, Titankragen, Titankopf, Unterlegscheibe, Titan-Kompressionsbolzenring, Titan-Probenahmerohr mit Rostverschraubungen und Kragen für die Beilage- und Gewindeverbindungen mit Hohemdruck Adapter zum Anschluss einer Luer Lock Spritze. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Maßzeichnungen der Titanteile, die aus Stäben der Titansorte 2 bearbeitet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Veränderungen der Eisenkonzentrationen in der Gold-Titan-Reaktionszelle mit der eisenoxidierenden Eisenoxidkultur. Die Zellen wurden anaerob bei 30 °C kultiviert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Morphologie der eisenoxidierenden Eisenoxidkultur, die bei 1 bar und 100 bar angebaut wird. Die Zellen wurden anaerob bei 30 °C kultiviert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Die vorgestellte Methode für Hochdruckexperimente von mikrobiellen Reaktionen in sauren Lösungen war ein leistungsfähiges Werkzeug, um tiefe geomikrobiobiologische Prozesse unter der Oberfläche in einer Laborumgebung zu simulieren.

Es sind zahlreiche manuelle Arbeitsschritte erforderlich, von denen einige besondere Aufmerksamkeit erfordern. Generell darf bei der Montage der einzelnen Teile der flexiblen Gold-Titan-Zelle und des Reaktorkopfes (Abschnitte 3 und 4) keine übermäßige Kraft verwendet werden. Werden die Spezifikationen des Herstellers (z. B. für maximalen Druck, Temperatur, Drehmoment) ignoriert, kann es zu Leckagen und/oder Materialausfällen kommen.

Die Reinigung der Gold- und Titanteile (Abschnitt 2.2) ist ein unverzichtbarer Arbeitsschritt, nicht nur für dieses Experiment, sondern vor allem für Experimente mit (in-)organischen Reaktionen. Reste aus früheren Experimenten in der Goldzelle können unerwünschte Reaktionen und damit eine Verzerrung der Ergebnisse verursachen. Wenn die montierte Gold-Titan-Zelle im Reaktorkopf installiert ist, ist es am besten, schnell und präzise zu arbeiten, da zu diesem Zeitpunkt kleine Mengen Sauerstoff in die Goldzelle gelangen könnten. Das Schließen des Probenahmeventils vor dem Verlassen der Handschuhbox ist eine gute erste Maßnahme, um den Austausch zwischen der Umgebungsatmosphäre mit dem Inneren der Goldzelle zu minimieren.

Sobald der Reaktor in der Schaukelvorrichtung platziert ist, ist es wichtig, die Schaukelbewegungsgeschwindigkeit auf 170°/min einzustellen. Bewegt sich der Hochdruckreaktor zu schnell, kann es aufgrund von Gravitationseffekten oder den scharfen Kanten von Sediment- oder Gesteinsproben bei Verwendung zu einem Bruch der Goldzelle kommen.

Diese Methode kann in weiteren Forschungsbereichen eingesetzt werden. Die flexible Gold-Titan-Reaktionszelle hat das Potenzial, für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt zu werden9, die Reaktionen bei erhöhtem Druck und Temperatur und in stark korrosiven Flüssigkeiten oder Gasen untersuchen.

Mikroorganismen im tiefen Untergrund bei Temperaturen über 70 °C in Gegenwart mineralischer Oberflächen können die Produktion von molekularem Wasserstoff oder organischen Säuren wie Acetat auch unter erhöhtem Druck stimulieren16. Diese Produkte und andere Verbindungen könnten zusätzlich zu den in dieser Studie untersuchten Schwefelverbindungen eine erhöhte mikrobielle Aktivität während der In-situ-Bioleaching-Prozesse induzieren.

Anwendungen umfassen die Bestimmung der Löslichkeit von Gasen und Ionen in wässrigen Flüssigkeiten, geochemische Reaktionen unter Bedingungen hydrothermaler Entlüftungssysteme17, die Quantifizierung der Isotopenfraktionierung18, geochemische Reaktionen während CO 2 Sequestrierung19, abiotische Prozesse bei der Bildung von Öl und Gas in Quellengesteinen20, und mikrobielle Reaktionen bei erhöhten Drücken im Untergrund21 wie in der vorliegenden Studie.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Wir danken Robert Rosenbauer (USGS, Menlo Park) für den Austausch seiner Expertise zu den flexiblen Gold-Titan-Reaktionszellen und Georg Scheeder (BGR) für seinen Einsatz in der Anfangsphase des Aufbaus des modifizierten Systems in Hannover. Wir danken vielen Wissenschaftlern (darunter Katja Heeschen, Andreas Risse, Jens Gröger-Trampe, Theodor Alpermann) die das Setup in Hannover in zahlreichen Projekten nutzten, die auf dem Weg zu kleinen Verbesserungen beitrugen, und Christian Seeger für die Entwicklung der Schaukelvorrichtung für die Hochdruckreaktoren. Wir danken Laura Castro (Complutense University of Madrid) für die SEM-Beobachtungen. Und abschließend möchten wir Nils Wölki unseren Dank für die Produktion dieses hochwertigen Videos für den Artikel aussprechen. Diese Arbeit wurde durch das Projekt BIOMOre der Europäischen Union (Grant-Vereinbarung Nr. 642456) unterstützt.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Verwendung flexibler Gold-Titan-Reaktionszellen zur Simulation druckabhängiger mikrobieller Aktivität im Kontext des Subsurface Biominings
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Ostertag-Henning, C., Zhang, R., Helten, O., Weger, T., Schippers, A. Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining. J. Vis. Exp. (152), e60140, doi:10.3791/60140 (2019).More

Ostertag-Henning, C., Zhang, R., Helten, O., Weger, T., Schippers, A. Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining. J. Vis. Exp. (152), e60140, doi:10.3791/60140 (2019).

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