Denne protokollen beskriver mikrobielle eksperimenter under forhøyet Trykk for å studere in situ biomining prosesser. Den eksperimentelle tilnærmingen sysselsetter en rocking høytrykks reaktor utstyrt med en gull-Titan reaksjons celle som inneholder en mikrobiell kultur i en syrlig, jern-rik medium.
Laboratoriestudier undersøker undergrunnen mikrobielle prosesser, slik som metall utvasking i dype malm forekomster (biomining), dele felles og utfordrende hindringer, inkludert spesielle miljøforhold som må replikeres, for eksempel høyt trykk og i noen tilfeller Sure løsninger. Den førstnevnte krever en eksperimentell oppsett egnet for trykksetting opp til 100 bar, mens sistnevnte krever en væskebeholder med høy kjemisk motstand mot korrosjon og uønskede kjemiske reaksjoner med container veggen. For å møte disse betingelsene for en anvendelse innen in situ biomining, ble det brukt en spesiell fleksibel gull-Titan reaksjons celle innenfor en rocking høytrykks reaktor i denne studien. Den beskrevne systemet tillot simulering av in situ biomining gjennom svovel-drevet mikrobiell jern reduksjon i en anoksisk, trykk-kontrollerte, svært kjemisk inert eksperimentelle miljø. Den fleksible gull Titan reaksjons cellen kan romme opptil 100 mL prøve løsning, som kan prøves på et gitt tidspunkt, mens systemet opprettholder det ønskede trykket. Eksperimenter kan utføres på tidsrammer som spenner fra timer til måneder. Montering av høytrykks reaktor systemet er ganske tidkrevende. Likevel, når komplekse og utfordrende (mikrobiologisk) prosesser som forekommer i jordens dype undergrunnen i kjemisk aggressive væsker må undersøkes i laboratoriet, oppveier fordelene ved dette systemet ulempene. Resultatene fant at selv ved høyt trykk den mikrobielle konsortium er aktiv, men på betydelig lavere metabolske priser.
I løpet av det siste tiåret, har arbeidet med å minimere virkningen av gruvedrift på miljøet økt. Åpne pit gruvedrift for råvare utvinning av malm (f. eks, kobber-rik sulfid malm), påvirker det omkringliggende landskapet ved utgraving aktiviteter og av de store gjenværende volumer av avfall bergarter og rester av bearbeidede malm etter utvinning av dyrebare metaller som kobber. Utpakking av kobber direkte fra malmen i undergrunnen vil redusere disse konsekvensene betraktelig. Teknologien til in situ biomining er en lovende kandidat for denne prosessen1. Denne publikasjonen beskriver bruken av stimulert mikrobiell aktivitet for å trekke ut edle metaller fra malmen i en vandig løsning i undergrunnen. Således kan en kobber-rik løsning lett pumpes tilbake til overflaten for å ytterligere konsentrere metallet, for eksempel.
Aktiviteten av malm-utvasking acidophilic mikroorganismer har blitt studert i mange laboratorier for et mangfoldig utvalg av parametere2,3,4,5,6. Men, trykk effekter på mikrobiell aktivitet som følge av forskjellen mellom ambient overflate Lab forhold (nær 1 bar) og undergrunnen i en dybde på 1 000 m med hydrostatisk forhold (~ 100 bar), er ikke godt dokumentert. Derfor har effekten av press på mikrobiell jern reduksjon blitt undersøkt gjennom ulike eksperimentelle veier7. Her er den mest egnede teknikken beskrevet i detalj.
Høytrykks reaktorer har blitt brukt i stor utstrekning for å studere reaksjoner ved trykk og temperaturer som oppstår i jordens overflate. Slike reaktorer består av et reaktor fartøy nederst som kan inneholde en væske prøve med en mikrobiell kultur. Reaktor hodet sitter på toppen av reaktor fartøyet og tilbyr et mangfoldig utvalg av forbindelser og grensesnitt for sikkerhetstiltak og overvåknings sensorer (f.eks. temperatur eller trykk). De fleste høytrykks reaktorer er laget av rustfritt stål. Dette materialet gir høy elastisitet og gode maskinering egenskaper, men korrosjonsbestandighet av rustfritt stål overflaten er ikke tilstrekkelig for hvert program. For eksempel, hvis svært sure eller svært redusere vandige løsninger er undersøkt, kan betydelige reaksjoner av forbindelsene av interesse med reaktoren veggen oppstå. En måte å unngå dette på er å sette inn en liner i reaktor fartøyet, for eksempel en liner laget av Borosilikatglass glass7. Det er lett å rengjøre og kan steriliseres ved autoklavering. I tillegg er det ikke angrepet av Sure eller redusere vandige løsninger. Selv om en liner kan bidra til å forhindre kunstige reaksjoner av løsningen eller mikrober i løsningen med rustfritt stål reaktor veggen, flere problemer gjenstår. For en, hvis en etsende gass dannes, slik som hydrogensulfid produsert av sulfat-reduserende bakterier, kan denne gassen reagere med den avdekket overflaten av reaktoren hodet sitter over duken. En annen ulempe er at det ikke er mulig å trekke en prøve fra reaktoren samtidig opprettholde trykket.
For å overkomme disse begrensningene, har spesialiserte fleksible reaksjons celler inne i høytrykks reaktorer blitt utviklet for en rekke bruksområder. En fleksibel polytetrafluoretylen (PTFE) celle8 ble designet for løselighet studier av salter i svært saltvann saltlaker. Men begrensningen av dette systemet er at noen gasser lett kan trenge gjennom PTFE. I tillegg har dette materialet fortsatt en relativt lav temperaturstabilitet. Dermed ble systemet forbedret ved å designe en fleksibel gull pose med en Titan Head9 som skal plasseres inne i rustfritt stål høytrykks reaktor. Gull overflaten er korrosjonsbestandig mot Sure eller reduserende løsninger og gasser. Titan overflaten er også svært inert når paddivert grundig for å danne en kontinuerlig Titan karbondioksid lag. Under prøvetaking fra denne reaksjonen cellen gjennom en tilkoblet Titan prøvetaking tube, den gull posen krymper i volum. Systemets innvendige trykk opprettholdes ved å pumpe det samme volumet av vann, som trekkes ut av prøvetaking, i høytrykks reaktoren i rustfritt stål som er imøtekommende for reaksjons cellen. Prøven inne i reaksjons cellen holdes i bevegelse ved å gynge eller vippe høytrykks reaktoren med mer enn 90 ° i løpet av eksperimentet.
Reaksjonen cellen består av delene avbildet i figur 1: gull posen, Titan krage, Titan hodet, rustfritt stål skive, Titan kompresjon bolt ring, Titan prøvetaking rør med rustfritt kjertler og krage for høytrykks konede og gjengede tilkoblinger på begge sider, og Titan ventilen. Gull posen er en sylindrisk gull (au 99,99) celle med en veggtykkelse på 0,2 mm, en ytre diameter på 48 mm, og en lengde på 120 mm.
Alle Titan deler er skreddersydd av verkstedet fra Titan grade 2 stenger. Dimensjonene på kragen, hodet, vaskemaskinen og kompresjons bolt ringen er synlige i figur 2. Den Titan prøvetaking røret er en kapillær av Titan med en ytre diameter på 6,25 mm og en veggtykkelse på 1,8 mm, noe som resulterer i en indre diameter på 2,65 mm. Det er festet i Titan hodet og Titan ventilen ved høytrykks konede og gjengede forbindelser som sikrer et segl av Titan-mot-Titan overflater. Høytrykks Titan ventilen er utstyrt med en langsom åpning stamme for å muliggjøre svært kontrollert åpning eller prøvetaking selv ved høyt trykk. Dette systemet ble brukt i en rekke studier10,11,12.
Den presenterte metoden for høytrykks eksperimenter av mikrobielle reaksjoner innen Sure løsninger var et kraftig verktøy for å simulere dyp undergrunnen geomicrobiological prosesser i et laboratoriemiljø.
Det er mange manuelle arbeidstrinn involvert, hvorav noen krever spesiell oppmerksomhet. Som en generell merknad, må ingen overdreven kraft brukes ved montering av de enkelte delene av den fleksible gull-Titan celle og reaktoren hodet (seksjoner 3 og 4). Hvis produsentens spesifikasjoner (for eksempel for maksimal trykk, temperatur, dreiemoment) ignoreres, kan det føre til lekkasje og/eller materialfeil.
Rengjøring av gull og Titan deler (§ 2,2) er et uunnværlig arbeid trinn, ikke bare for dette eksperimentet, men spesielt for eksperimenter som involverer (in-) organiske reaksjoner. Rester fra tidligere eksperimenter i gull cellen kan forårsake uønskede reaksjoner og derfor avvik av resultater. Når den monterte gull-Titan cellen er installert i reaktoren hodet, er det best å jobbe raskt og presist, fordi på denne tiden små mengder oksygen kunne gå inn i gull cellen. Lukke prøvetaking ventilen før du forlater glovebox er et godt første tiltak for å minimere utveksling mellom ambient atmosfære med det indre av gull cellen.
Når reaktoren er plassert i rocking enheten, er det viktig å sette rocking Motion hastigheten til ~ 170 °/min. Hvis høytrykks reaktoren beveger seg for fort, kan brudd på gull cellen skje på grunn av tyngdekraften eller de skarpe kantene av sediment eller steinprøver når de brukes.
Denne metoden kan brukes i flere forskningsfelt. Den fleksible gull-Titan reaksjons cellen har potensial til å bli brukt til et mangfoldig sett av vitenskapelige undersøkelser9 studere reaksjoner ved forhøyet trykk og temperatur og i svært etsende væsker eller gasser.
Mikroorganismer i den dype undergrunnen ved temperaturer over 70 ° c i nærvær av mineral overflater kan stimulere produksjonen av molekylær hydrogen eller organiske syrer som acetate selv under forhøyet trykk16. Disse produktene, og andre forbindelser, kan indusere forhøyet mikrobiell aktivitet under in situ bioleaching prosesser, i tillegg til svovel forbindelser undersøkt i denne studien.
Bruksområder omfatter bestemmelse av løselighet av gasser og ioner i vandige væsker, geokjemiske reaksjoner ved tilstander av hydrotermisk ventil systemer17, kvantifisering av isotop fraksjonering18, geokjemiske reaksjoner under co 2 opptak19, abiotiske prosesser under dannelsen av olje og gass i kilde bergarter20, og mikrobielle reaksjoner ved forhøyet trykk i undergrunnen21 som i denne studien.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Robert Rosenbauer (USGS, Menlo Park) i å dele sin ekspertise på den fleksible gull-Titan reaksjons celler, og Georg Scheeder (BGR) for hans innspill i den innledende fasen av å sette opp det modifiserte systemet i Hannover. Vi vil gjerne takke mange forskere (inkludert Katja Heeschen, Andreas Risse, Jens Gröger-trampe, Theodor Alpermann) ved hjelp av oppsettet i Hannover i en rekke prosjekter som bidro med små forbedringer underveis og Christian Seeger for å utvikle for høytrykks reaktorer. Vi takker Laura Castro (Complutense University of Madrid) for SEM observasjoner. Og til slutt, vil vi gjerne uttrykke vår takknemlighet til Nils Wölki for å produsere denne høykvalitetsvideo for artikkelen. Dette arbeidet ble støttet av den europeiske union Horizon 2020 prosjektet BIOMOre (Grant avtale # 642456).
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 |