Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Bruke fleksible Gold-Titanium reaksjons celler for å simulere trykk avhengig mikrobiell aktivitet i sammenheng med undergrunnen Biomining

doi: 10.3791/60140 Published: October 5, 2019

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. utarbeidelse av medium og inoculation av mikrobiell kultur

  1. Forbered en basal salt medium for autotrofe prokaryoter henhold til publiserte teknikker13. Løs opp og bland kjemikaliene under i destillert vann (mg/L): na24· 10H2o (150) (NH4)2so4 (450), KCl (50), MgSO4· 7H2o (500), KH2PO4 (50) og ca (ingen 3andre) 2· 4h2O (7).
  2. Tilsett 1 mL/L av en 1, 000x konsentrert spor element løsning som inneholder (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), na 2 andre priser SeO4 (0,51), na2wo4· 2h2O (0,1), og NaVO3 (0,1). Juster pH til 1,8 ved å tilsette 5 M svovelsyre.
  3. Sterilisere mediet i en autoklav ved 121 ° c og 1,2 bar i 20 min og sterilisere den Ferric jern oppløsningen ved filtrering gjennom en 0,22 μm pore størrelse sprøyte filter.
  4. Overfør 50 mL av sterilisert basal salt medium til en serum flaske og tilsett Ferric jern oppløsning og Elemental svovel til en endelig konsentrasjon på henholdsvis 50 mM og 10 g/L.
  5. Vaksinere mediet med en blandet kultur bestående av flere mesoacidophilic jern-oksiderende prokaryoter14.
  6. Cap serum flasken med sterilisert butyl gummi propper og sel med aluminium krympe.
  7. Kraftig boble kulturen medium med N2 til Strip oppløst oksygen i 25 min. Bruk to nåler, Plasser en dypere i flaske hodet, den andre i nærheten av hetten.
  8. Injisere CO2 for å få en 90% N2 og 10% co2 atmosfære i Headspace av serum flasken. Ruge kulturen uten omrøring ved 30 ° c i mørket.

2. utarbeidelse av den gull-Titan reaksjons cellen og høytrykks reaktoren

  1. Rengjør gull Titan reaksjons cellen.
    1. Demonter reaksjons cellen i de enkelte delene for å unngå kontakt av syre med rustfritt stål deler, eller eksponering av de monterte delene med ulike termiske ekspansjons egenskaper til varme.
    2. Rengjør overflatene som skal være i kontakt med prøven under eksperimentet (dvs. gull posen, Titan hodet, Titan prøvetakingsrøret og Titan ventilen).
      1. Sett gull posen og Titan hodet i et glass beger.
      2. Legg nok 10% HCl til å dekke alle delene.
      3. Varm syren på en varmeplate til 50 ° c i 3 timer under omrøring.
      4. Fjern delene med PTFE-pinsett fra syre løsningen og skyll dem med deionisert vann.
      5. Skyll den indre overflaten av gull posen og Titan hodet grundig med 65% HNO3 og deretter med deionisert vann.
      6. Skyll den indre overflaten av Titan prøvetakingsrøret og Titan ventilen med 10% HCl, etterfulgt av deionisert vann, 65% HNO3, og deretter deionisert vann igjen.
      7. Rengjør alle deler fra organisk forurensning ved å skylle dem med aceton.
      8. Tørk alle deler i ovnen ved 105 ° c i minst 1 time.
    3. Heat overflatene på gull posen, Titan hodet, og Titan prøvetaking røret ved å utsette dem til en temperatur på 450 ° c for 4 t i en dempe ovn i en luft atmosfære.
      Merk: denne prosedyren Steriliserer overflater og resulterer i dannelsen av en passiverende Titan karbondioksid lag på alle Titan overflater. Titan delene skal ha en gul til blå farge etter varmebehandlingen.
    4. Anneal gullet cellen for å øke fleksibiliteten i gull ved å tilbakestille små krystallisering domener ved å bruke varme med en propan fakkel. Heat gullet overflaten rundt for å redusere knekk i gull som kan ha dannet under siste krympende av gull posen volum i et eksperiment. Pass på å ikke varme gull for mye på ett sted for å unngå sin smelting.
      Merk: en rød glød av gull overflaten viser tilstrekkelig oppvarming.
    5. Monter gull posen i Titan kragen, og Titan prøvetaking slangen inn i Titan hodet ved hjelp av et dreiemoment på 10 NM for kjertlene.
  2. Inspiser høytrykks reaktoren.
    1. Kontroller reaktoren for mulig skade, korrosjon og løse deler visuelt.
      Merk: spesiell oppmerksomhet bør rettes mot forseglingen og kerf der forseglingen finner sted. Hvis en grafitt pakning ble tidligere brukt til å forsegle reaktoren, rester av det kan fortsatt være i kerf og bør fjernes med en plast PIN før neste eksperiment.
    2. Påfør kobber sulfid lim til thrust boltene i høytrykks reaktor hodet. Sørg for at fettet fordeles over hele tråden.
    3. Sjekk den skruen som passer kompresjons forseglingen for lengden av den gjenværende grafitt pakking.

3. fylling og montering av gull-Titan reaksjons celle under anoksisk forhold

  1. Legg i hanskerommet.
    1. Klargjør kultur mediet i serum flaskene i henhold til avsnitt 1.
    2. Vikle delene av goldtitanium reaksjons celle som senere vil være i kontakt med prøven i aluminiumsfolie for å minimere eventuell forurensning.
    3. Åpne og Lås opp værelse i hanskerommet, Legg inn det inngående materialet på det flyttbare brettet, og Lukk og lås frontdekslet.
    4. Evakuere værelse 3x og flom den med høy renhet nitrogen.
    5. Bruk et par hansker og komme så nært som mulig til Inner dekselet. Lås opp og åpne Inner dekselet for å fjerne det inngående materialet fra den flyttbare skuffen.
    6. Lukk og lås det innvendige dekslet.
  2. Fyll gull cellen.
    1. Pakk den rene gull posen og stå den opp med et glass beger, for eksempel. Åpne serum flasken som inneholder 100 mL bakteriekultur og elementær svovel.
    2. Rist serum flasken forsiktig og Overfør bakterie kulturen inn i gull posen.
  3. Monter reaksjons cellen.
    1. Sett Titan hodet med den vedlagte Titan sampling slangen inn i Titan kragen som omslutter den øvre kanten av gull posen.
      Merk: Pass på at tetningsflaten på den koniske nedre delen av Titan hodet passer jevnt, ved å dreie 90 ° frem og tilbake.
    2. Skyv skiven og kompresjons bolt ringen over Titan prøve røret på Titan hodet.
      Merk: Drei kompresjons bolt ringen i Titan kragen med 30 ° for å justere flenser i Titan kragen og skyve skruen.
    3. Fest de seks Allen-skruene i samme grad for å sikre en jevn trykkfordeling av Titan hodet på den øverste kanten av gull posen i Titan kragen (dvs. tetningsflaten til reaksjons cellen).
      Merk: Fest Allen-skruene i kompresjons bolt ringen til hånd tett slik at dreiemomentet for de motsatte skruene økes først (kryss og tvers) før du fortsetter med klokken.
  4. Monter prøve ventilen på toppen av Titan røret. Fest tilkoblingen hånd tett og sørg for å lukke ventilen.
  5. Fjern alle delene fra hanskerommet.

4. montering av høytrykks reaktoren med reaksjons cellen

  1. Monter reaksjons cellen i reaktor hodet.
    Merk: installasjonen av høytrykks reaktoren kommer med en svært kort eksponering av den åpne enden av prøve røret til den omgivende atmosfæren, da prøve ventilen må fjernes for å lederøret gjennom skru forseglingen i reaktor hodet. For installasjon, bør reaktoren hodet allerede plasseres i en benk vise. En 45 ° vinkel gjør det enklere å håndtere. Kompresjons forseglingen montering (ligger i den sentrale posisjonen til reaktoren hodet er Gage blokk montering), som holder prøvetaking røret på plass, må være åpen.
    1. Fjern prøve ventilen for Titan, skruen og kragen oppå prøve røret.
    2. Guide røret med reaksjons cellen festet gjennom det sentrale hullet i reaktor hodet til ca 5 cm av røret passerer gjennom. Skyv den store skruen over røret og fest den lille kragen.
      Merk: nå kan reaksjons celle monteringen ikke gli tilbake gjennom reaktor hodet og begge hender er fri til å installere prøve ventilen.
    3. Re-feste Titan ventilen.
    4. Stram kompresjons forseglingen.
    5. Fjern reaktor hodet fra benken vise å installere den på reaktoren fartøyet.
  2. Forbered deg på å forsegle reaktoren.
    1. Sett grafitt tetting på kerf av reaktoren fartøyet.
    2. Plasser reaktor hodet forsiktig med den vedlagte reaksjons cellen på reaktor fartøyet.
      Merk: reaktoren hodet, inkludert Termo, må være nøye plassert på reaktoren fartøyet å ikke skade gull posen eller Termo.
  3. Fyll reaktoren fartøyet med en blanding av deionisert og vann fra springen (omtrent i en 1:1 ratio).
  4. Steng reaktoren.
    1. Sjekk kragen for å sikre at de nedre endene av kompresjons boltene ikke stikker ut av trådene. Ellers vil ikke trykkbeholderen bli riktig installert.
    2. Løft kragen og plasser den rundt de utstikkende kantene av reaktoren headvessel grensesnittet. Hvis du beveger kragen forsiktig på den, vil det føre til en skikkelig passform. Lukk feste låsene som holder kragen på plass.
    3. Fest kompresjons boltene etter et krysser mønster og Øk dreiemomentet i moderate trinn til den endelige verdien som er anbefalt av produsenten er oppnådd.
      Merk: ulike høytrykks reaktor systemer kan ha ulike dreiemomentverdier.
    4. Til slutt fester du kompresjons boltene med klokken.
  5. Installer høytrykks reaktoren i rocking enheten.
    Merk: installasjonen av høytrykks reaktoren i rocking enheten er beskrevet for en skreddersydd modell produsert ved Federal Institute for Geofag og naturressurser i Hannover, Tyskland. Derfor er den beskrevne installasjonen en generell retningslinje for enheter av sammenlignbare design.
    1. Monter reaktoren forsiktig i den rocking enheten.
      Merk: det er best å holde høytrykks reaktoren av Gage Block forsamlingen deler (f. eks, manometer eller prøvetaking rør skruer) mens senke den inn i rocking enheten.
    2. Fixate reaktoren med to klemmer over et par lange skruer.
    3. Plasser skiver på hver skrue og stram klemmene med skrue muttere.
    4. Koble kontrollenhetene for Termo, trykkgiveren og varmeelementet.
      Merk: det er viktig å sørge for at alle ledningene er av tilstrekkelig lengde for rocking bevegelse og hindre kontakt med oppvarmede overflater.
    5. Skyv varmeelementet over reaktor beholderen og stram til skru låsen.
      Merk: vannet som pressurize systemet er Hentet fra et reservoar med høytrykks pumpe. Det er overført gjennom rustfritt stål blod i høytrykks reaktoren.
      Merk: rocking høytrykks reaktoren garanterer en grundig blanding av innholdet i reaksjons cellen (dvs. gassen, væsken og alle de faste fasene i den). En langsom gynge fart er betydelig å forhindre skade å gullet bag av rask flytter faste stoffer eller av deformasjon på grunn av tyngdekraften virkninger på fleksibel gullet for opphøyet temperatur. Den rocking systemet kan rotere ved nær 180 °.

5. starte eksperimentet

  1. Kontroller at temperatur-og trykk grensene i overvåkingsprogram varen er satt til de ønskede verdiene.
    Merk: i dette eksperimentet ble de satt til 70 ° c og 25 MPa.
  2. Utfør en lekkasje sjekk.
    1. Koble trykkrøret, en kapillær i rustfritt stål, til reaktor hodet.
    2. Øk trykket til mål trykket med forskjellige intervaller mens du kontinuerlig sjekker om det er lekkasje.
    3. Hold trykket konstant til strømningshastigheten på pumpen er nesten null.
      Merk: Vær oppmerksom på at Komprimerbar, oppløst luft i vann er synlig i lang tid i subtile strømnings avlesninger.
  3. Start oppvarmingen etter en vellykket lekkasje sjekk.
    1. Start loggingen av trykksetting pumper.
    2. Juster settpunktet for oppvarming til ønsket verdi og starte oppvarming med programvaren.
    3. Sjekk regelmessig alle parametre og system status.
    4. Tilkoblingsstagene trykkrøret etter at du har nådd mål temperaturen.
    5. Start rocking enheten.

6. prøvetaking av høytrykks reaktoren i driftsmodus

  1. For å ta en prøve, fest en 5 mL sprøyte til Luer lock-kontakten på prøve ventilen på toppen av høytrykks reaktoren.
  2. Åpne forsiktig ventilen og la væsken prøven presse inn i sprøyten ved trykket inne i høytrykks reaktoren. Lukk ventilen etter at prøvevolumet har nådd 1 mL. Løsne sprøyten.
  3. Overfør prøvene i sprøyten umiddelbart til et 2 mL rør i en avtrekks hette for behandling.

7. Analyse av væske prøve

Merk: bare trinnene for de mindre vanlige fotometriske ferrozine analysen (dvs. § 7,1) er beskrevet her i detalj og er nevnt i videoen, fordi de andre trinnene er standard operasjonsprosedyrer i mikrobiologi.

  1. Bruk en ferrozine-analyse til franskledete bestemme konsentrasjonen av oppløst jern (Fe2 +(AQ)) og total jern (Fetot)15.
    1. Forbered en rekke jernholdige jern standard løsninger ved å oppløse kjente mengder FeSO4· 7 H2O i vann.
    2. Bland 50 μL av disse standard nivåene med 1 mL av en 1 M ferrozine løsning.
      Merk: reaksjonen av ferrozine med oppløst jern jern danner et lilla kompleks. Intensiteten av fargen samsvarer med jern konsentrasjonen av jern.
    3. Etabler en kalibrerings kurve mellom konsentrasjonen av jern og absorbansen av jern ferrozine komplekset.
    4. Beregn konsentrasjonen av jernholdige jern av en prøve fra to parallelle målinger i henhold til den etablerte standardkurven.
  2. Analysere pH-verdien og oksidasjon/reduksjon potensialet (ORP) med digitale pH/Redox meter med semimicro pH-elektroder, og en sølv klorid elektrode, henholdsvis.
  3. Count planktoniske celler direkte ved hjelp av et lett mikroskop med et Thoma kammer.
  4. Undersøk celle morfologi ved å skanne elektron mikroskopi (SEM).
    1. Filtrer planktoniske celler som er dyrket under forskjellige forhold gjennom et filter med en størrelse på 0,1 − 0,2 μm pore.
    2. Tørke prøver med aceton og oppbevar dem over natten ved 4 ° c i 90% aceton.
    3. Tørk prøvene av kritisk punkt tørking og frakk dem med grafitt eller gull.
    4. Undersøk prøver med et felt utslipps skanning elektronmikroskop (FE-SEM) ved 10 kV.

Representative Results

Resultatene av høytrykks reaktor eksperimentet med den spesielle gull-Titan reaksjons celle viser at mikrobiell blandet kultur acidophiles oksidert svovel og redusert Ferric jern til jern jern (Figur 3).

På både 1 bar eller 100 bar trykkforhold, hadde kulturer en etterslep fase da vokst i gull-Titan reaksjons celle. Etter denne perioden oppsto en rask økning i konsentrasjonen av jern jern fra ca. 9 mM til 31 mM i kulturen som ble dyrket på 1 bar. Over inkubasjonstid på 22 dager, ble ~ 31 mM og 13 mM av jernholdige jern funnet i analysene på 1 bar og 100 bar, henholdsvis. Dette viser tydelig at de mikrobielle cellene var aktive på 100 bar, men deres Ferric jern-reduserende aktivitet var betydelig lavere ved forhøyet trykk. Abiotiske kontroll eksperimenter utført i Hungate rør og serum flasker viste ikke Ferric jern reduksjon på 1 bar og 100 bar.

Skanning elektron mikroskopi bilder (Figur 4) viser Rod-formede celler dyrket i eksperimenter ved lavt og høyt trykk. Ingen signifikant endring i celle morfologi ble observert ved 1 bar versus 100 bar. Imidlertid var cellevekst åpenbart hemmet av forhøyet trykk, som celle tallet var 1,3 x 108 celler/ml på 1 bar i forhold til 4,5 x 107 celler/ml på 100 bar7. Disse dataene er sammenlignbare med testene gjort i Hungate rør7. Dermed hadde den fleksible gull-Titan reaksjons cellen i seg selv ingen effekt på cellevekst og var egnet for mikrobiell vekst tester.

Resultatene viser at bioleaching mikroorganismer er aktive selv på et høyt trykk på 100 bar, som er svært relevant for in situ biomining fordi slike forhold oppstår i dype malm forekomster ved en dybde under 1 000 m7.

Figure 1
Figur 1: oversikt over reaksjons celle delene. Fra bunn til topp: gull posen, Titan krage, Titan hode, skive, Titan kompresjon bolt ring, Titan prøvetaking rør med rustfrie kjertler og krage for høytrykks konede og gjengede tilkoblinger på begge sider, og Titan ventilen med en adapteren for tilkobling av en Luer lock-sprøyte. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: dimensjonale tegninger av Titan deler bearbeides fra stenger av Titan grade 2. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: endringer av jern konsentrasjonen i jern i gull-Titan reaksjons celle med jern-oksiderende kultur. Celler ble dyrket anaerob ved 30 ° c. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: morfologi av jern-oksiderende kultur dyrket på 1 bar og 100 bar. Celler ble dyrket anaerob ved 30 ° c. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

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.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

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).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter