Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Использование гибких золото-титановых реакционных клеток для имитации давления-зависимой микробной активности в контексте подповерхностного биомину

doi: 10.3791/60140 Published: October 5, 2019

Summary

Этот протокол описывает микробные эксперименты под повышенным давлением для изучения в процессах биоминирования на месте. Экспериментальный подход использует качалки высокого давления реактор оснащен золото-титановой реакционной клетки, содержащие микробной культуры в кислой, богатые железом среды.

Abstract

Лабораторные исследования, исследующие подповерхностные микробные процессы, такие как выщелачивание металла в глубоких рудных отложениях (биоминирование), имеют общие и сложные препятствия, включая особые экологические условия, которые необходимо воспроизвести, например, высокое давление а в некоторых случаях кислые растворы. Первый требует экспериментальной установки подходит для давления до 100 бар, в то время как последний требует жидкости контейнер с высокой химической устойчивостью против коррозии и нежелательных химических реакций с контейнерной стеной. Для удовлетворения этих условий для применения в области биодобычи на месте в этом исследовании была использована специальная гибкая золотистого титановая реакционная ячейка внутри реактора высокого давления. Описанная система позволила моделирование в situ биоминирования через сернистые микробного железа сокращения в аноксической, давление контролируемых, высоко химически инертной экспериментальной среде. Гибкая золотистого титановая реакционная ячейка может вместить до 100 мл образца раствора, который может быть отобран в любой момент времени, в то время как система поддерживает желаемое давление. Эксперименты могут проводиться на временных масштабах от нескольких часов до нескольких месяцев. Сборка реакторной системы высокого давления занимает достаточно много времени. Тем не менее, когда сложные и сложные (микробиологические) процессы, происходящие в глубокой поверхности Земли в химически агрессивных жидкостях, должны быть исследованы в лаборатории, преимущества этой системы перевешивают недостатки. Результаты показали, что даже при высоком давлении микробный консорциум активен, но при значительно более низких метаболических скоростях.

Introduction

В течение последнего десятилетия усилились усилия по минимизации воздействия горнодобывающей промышленности на окружающую среду. Открытая добыча ям для добычи руды (например, богатых медью сульфидных руд), влияет на окружающий ландшафт в результате раскопок и больших оставшихся объемов отходов и остатков переработанной руды после извлечения ценных драгоценных металлы, как медь. Добыча меди непосредственно из руды в недрах значительно уменьшит эти последствия. Технология in situ биодобычи является перспективным кандидатом для этого процесса1. Данная публикация описывает использование стимулируемой микробной активности для извлечения драгоценных металлов из руды в водный раствор в недрах. Таким образом, богатый медом раствор можно легко перекачивать обратно на поверхность, чтобы еще больше сконцентрировать металл, например.

Активность ореолыковых ацидофильных микроорганизмов была изучена во многих лабораториях по широкому спектру параметров2,3,4,5,6. Однако воздействие давления на микробную активность, вызванное различием между условиями лаборатории окружающей среды (около 1 бар) и подповерхностным грунтом на глубине 1000 м с гидростатическими условиями (100 бар), недостаточно документировано. Таким образом, влияние давления на сокращение микробного железа были исследованы с помощью различных экспериментальных путей7. Здесь подробно описана наиболее подходящая техника.

Реакторы высокого давления широко используются для изучения реакций при давлении и температурах, происходящих в недрах Земли. Такие реакторы состоят из реакторного сосуда на дне, который может содержать образец жидкости с микробной культурой. Сидя на верхней части реакторного судна, головка реактора предлагает широкий спектр соединений и интерфейсов для мер безопасности и датчиков мониторинга (например, температуры или давления). Большинство реакторов высокого давления изготовлены из нержавеющей стали. Этот материал предлагает высокую устойчивость и хорошие свойства обработки, но коррозионная устойчивость поверхности из нержавеющей стали не является адекватной для каждого применения. Например, если исследованы высококислые или сильно сокращающиеся ваковые растворы, могут возникнуть значительные реакции соединений, представляющих интерес для стены реактора. Один из способов избежать этого заключается в том, чтобы вставить лайнер в реакторный сосуд, например, лайнер из борозиликатного стекла7. Его легко чистить и можно стерилизовать путем автоклавирования. Кроме того, он не подвергается нападению с помощью кислых или сокращения водной растворов. Несмотря на то, что лайнер может помочь предотвратить искусственные реакции раствора или микробов в растворе с стенкой реактора из нержавеющей стали, остается несколько проблем. С одной стороны, если образуется коррозионный газ, например, сероводород, вырабатываемый сульфатно-снижающие бактерии, этот газ может всплывать с непокрытой поверхностью головы реактора, сидящей над лайнером. Другим недостатком является то, что невозможно вывести образец из реактора при сохранении давления.

Для преодоления этих ограничений для различных применений были разработаны специализированные гибкие реакционные элементы внутри реакторов высокого давления. Гибкаяклетка 8 политетрафтометилен (ПТФЕ) была разработана для изучения растворимости солей в высокосоленых рассолах. Тем не менее, ограничение этой системы является то, что некоторые газы могут легко проникать PTFE. Кроме того, этот материал по-прежнему имеет относительно низкую температурную устойчивость. Таким образом, система была усовершенствована путем проектирования гибкого золотого мешка с титановой головкой9, которая будет помещена внутри реактора высокого давления из нержавеющей стали. Поверхность золота коррозионно-устойчива против кислых или уменьшая решений и газов. Поверхность титана также очень инертна, когда пассивирована тщательно, чтобы сформировать непрерывный слой диоксида титана. Во время отбора проб из этой реакционной ячейки через подключенную титановую трубку, золотой мешок сжимается в объеме. Внутреннее давление системы поддерживается путем перекачки того же объема воды, который изымается путем отбора проб, в реактор высокого давления из нержавеющей стали, вмещающий реакционную ячейку. Образец внутри реакционной ячейки держится в движении, раскачивая или наклоняя реактор высокого давления более чем на 90 градусов во время эксперимента.

Реакционная ячейка состоит из частей, изображенных на рисунке 1: золотой мешок, титановый воротник, титановая головка, шайба из нержавеющей стали, титановое кольцо сжатия болт, титановая трубка отбора проб с нержавеющими железами и воротники для высокого давления coned и резьбовые соединения с обеих сторон, и титановый клапан. Золотой мешок представляет собой цилиндрическую золотистую (Au 99.99) ячейку толщиной стены 0,2 мм, внешний диаметр 48 мм и длину 120 мм.

Все титановые детали изготовлены мастерской на заказ из титановых стержней 2 класса. Размеры воротника, головы, шайбы и кольца сжатия болт видны на рисунке 2. Титановая пробная труба представляет собой капилляр из титана с внешним диаметром 6,25 мм и толщиной стены 1,8 мм, в результате чего внутренний диаметр составляет 2,65 мм. Он закреплен в титановой головке и титановом клапане с высоким давлением конусных и резьбовых соединений, обеспечивающих уплотнение титановых против-титановых поверхностей. Титановый клапан высокого давления оснащен медленным открыванием стебля, позволяющим очень контролируемое открытие или отбор проб даже при высоком давлении. Эта система была использована в многочисленных исследованиях10,11,12.

Protocol

1. Подготовка среды и прививка микробной культуры

  1. Подготовка базальной соли среды для автотрофических прокариот в соответствии с опубликованными методами13. Растворите и смешайте химические вещества ниже в дистиллированной воде (мг/л): Na2SO4No10H2O (150) (NH4)2SO4 (450), KCl (50), MgSO47H2O (500), KH2PO4 (50), и Ca (NO 3) 2No 4H2O (7).
  2. Добавьте 1 мл/л раствора концентрированного микроэлемента, содержащего (г/л): nSO4Х7H 2O (10), CuSO4Х5H 2O (1), MnSO4 H2O (0.76), CoSO4No7H2O (1), CrK (SO4)2No12H2O (0.4), H3BO3 (0.6), NaMOO4No2H2O (0.5), NiSO4no6H2O (1), Na 2 SeO4 (0.51), Na2WO4No2H2O (0.1), и NaVO3 (0.1). Отрегулируйте рН до 1,8, добавив 5 М серной кислоты.
  3. Стерилизовать среду в автоклаве при 121 кв и 1,2 бар в течение 20 минут и стерилизовать раствор железа железа путем фильтрации через 0,22 мкм пор размер шприца фильтра.
  4. Перенесите 50 мл стерилизованной базальной соли в бутылку сыворотки и добавьте раствор железа и элементарной серы в окончательную концентрацию 50 мм и 10 г/л соответственно.
  5. Прививать среду со смешанной культурой, состоящей из нескольких мезоакисильных железооооо-окислительных прокариот14.
  6. Запечатайте бутылку сыворотки стерилизованными резиновыми пробками и уплотньте алюминиевыми обжимами.
  7. Энергично пузырь культуры среды с N2 лишить растворенного кислорода в течение 25 минут. Используйте две иглы, поместите один глубже в голову бутылки, другой близко к крышке.
  8. Впрыскните CO2 для получения 90% N2 и 10% co2 атмосферы в головном пространстве бутылки сыворотки. Инкубировать культуру, не помешивая при 30 градусах По Цельсию в темноте.

2. Подготовка золото-титановой реакционной ячейки и реактора высокого давления

  1. Очистите золотисто-титановую реакционную ячейку.
    1. Разберите реакционную ячейку на отдельные части, чтобы избежать контакта кислоты с частями из нержавеющей стали или воздействия собранных частей с различными тепловыми свойствами расширения тепла.
    2. Очистите поверхности, которые будут соприкасаться с образцом во время эксперимента (т.е. золотой мешок, титановая головка, титановая трубка для взятия проб и титановый клапан).
      1. Положите золотой мешок и титановую головку в стеклянный стакан.
      2. Добавить достаточно 10% HCl, чтобы покрыть все части.
      3. Нагрейте кислоту на нагревательной пластине до 50 градусов по Цельсию в течение 3 ч, помешивая.
      4. Удалите детали с помощью пинцета PTFE из кислотного раствора и промойте их деионизированной водой.
      5. Промыть внутреннюю поверхность золотого мешка и титановой головки тщательно с 65% HNO3, а затем с деионизированной водой.
      6. Промыть внутреннюю поверхность титановой трубки отбора проб и титанового клапана с 10% HCl, а затем деионизированной воды, 65% HNO3, а затем деионизированной воды снова.
      7. Очистите все части от органического загрязнения, промывих их ацетоном.
      8. Высушите все части в духовке при температуре 105 градусов по Цельсию не менее 1 ч.
    3. Нагрейте поверхности золотого мешка, титановой головы и титановой трубки отбора проб, подвергая их температуре 450 градусов по Цельсию на 4 ч в глухой печи в воздушной атмосфере.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта процедура стерилизует поверхности и приводит к образованию пассивационного слоя диоксида титана на всех титановых поверхностях. Титановые детали должны иметь желтый и синий цвет после тепловой обработки.
    4. Anneal золотая ячейка, чтобы увеличить гибкость золота путем сброса малых доменов кристаллизации, применяя тепло с пропан факел. Нагрейте поверхность золота все вокруг для уменьшения изломы в золоте которые могли сформировать во время последнего сжимая тома мешка золота в эксперименте. Убедитесь в том, чтобы не нагревать золото слишком много в одном месте, чтобы избежать его плавления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Красное свечение золотой поверхности показывает достаточное нагревание.
    5. Соберите золотой мешок в титановый воротник, и титана отбора проб труб в титановой головке с помощью крутящего момента 10 Нм для желез.
  2. Осмотрите реактор высокого давления.
    1. Визуально проверяйте реактор на возможные повреждения, коррозию и рыхлые детали.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Особое внимание следует уделить уплотнению и бордюру, где происходит уплотнение. Если графитная прокладка ранее использовалась для герметизации реактора, остатки его все еще могут находиться в бордюре и должны быть удалены с помощью пластиковой булавки перед следующим экспериментом.
    2. Нанесите медную сероводородную пасту на тяговые болты в головке реактора высокого давления. Убедитесь, что смазка распределена по всему потоку.
    3. Проверьте облегающее винтом компрессионное уплотнение на длину оставшейся графитовой упаковки.

3. Заполнение и сборка золото-титановой реакционной ячейки в аноксических условиях

  1. Загрузите бардачок.
    1. Подготовка среды культуры в бутылках сыворотки в соответствии с разделом 1.
    2. Оберните части клетки реакции goldtitanium которая более поздно будет в контакте с образцом в алюминиевой фольге для того чтобы свести к минимуму любое потенциальное загрязнение.
    3. Откройте и разблокировать прихожей перчаточного ящика, загрузить все входящие материалы на подвижный лоток, а также закрыть и заблокировать переднюю крышку.
    4. Эвакуируйте antechamber 3x и затопит её азотом высокой чистоты.
    5. Носите перчатки и получить как можно ближе к внутренней крышке. Разблокируйте и откройте внутреннюю крышку, чтобы удалить входящий материал из подвижного лотка.
    6. Закройте и закройте внутреннюю крышку.
  2. Заполните золотую клетку.
    1. Разверните чистый золотой мешок и выстоять его со стеклянным стаканом, например. Откройте бутылку сыворотки, содержащую 100 мл бактериальной культуры и элементарной серы.
    2. Аккуратно встряхните бутылку сыворотки и перенесите бактериальную культуру в золотой мешок.
  3. Соберите реакционную ячейку.
    1. Вставьте титановую головку с прикрепленной титановой трубкой отбора проб в титановый воротник, охватывающий верхний край золотого мешка.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что уплотнительная поверхность конической нижней части титановой головки вписывается в плавно, поворачивая его на 90 градусов вперед и назад.
    2. Сдвиньте шайбу и кольцо компрессионного болта над титановой трубкой отбора проб на титановую головку.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поверните кольцо компрессионного болта в титановом воротнике на 30 ", чтобы выровнять фланги титанового воротника и кольца тяги болт.
    3. Закрепите шесть винтов Аллена в той же степени, чтобы обеспечить равномерное распределение давления титановой головы на верхнем краю золотого мешка в титановом воротнике (т.е. уплотнительной поверхности реакционной ячейки).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Закрепите аллен винты в сжатие болт кольцо до ручной герметичной так, что крутящий момент для противоположных винтов увеличивается в первую очередь (крещение) до продолжения по часовой стрелке.
  4. Переустановите клапан выборки в верхней части титановой трубки. Закрепите соединение ручной герметичной и убедитесь, что закрыть клапан.
  5. Удалите все части из бардачка.

4. Сборка реактора высокого давления с помощью реакционной ячейки

  1. Соберите реакционную ячейку в головку реактора.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Установка реактора высокого давления сопровождается очень коротким воздействием открытого конца трубки для отбора проб в окружающую атмосферу, так как клапан выборки должен быть удален, чтобы вести трубку через винтовую уплотнитель в головке реактора. Для установки головка реактора уже должна быть помещена в скамейку vise. Угол 45 "позволяет легче обрабатывать. Установка компрессионного уплотнения (расположенная в центральном положении сборки гража головного блока реактора), которая удерживает на месте трубку для отбора проб, должна быть открытой.
    1. Удалите клапан выборки титана, винт и воротник поверх трубки для отбора проб.
    2. Направляй трубку с реакционной ячейкой, прикрепленной через центральное отверстие в головке реактора, пока около 5 см трубки не проходят. Сдвиньте большой винт над трубкой и закрепите маленький воротник.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Теперь сборка реакционных ячеек не может скользить обратно через головку реактора, и обе руки свободны для переустановки клапана выборки.
    3. Повторно прикрепите титановый клапан.
    4. Затяните компрессионную установку уплотнения.
    5. Удалите головку реактора со скамейки vise, чтобы установить его на сосуд реактора.
  2. Приготовьтесь к герметизации реактора.
    1. Положите графитовое уплотнение на бордюр реакторного сосуда.
    2. Аккуратно поместите головку реактора с прикрепленной реакционной ячейкой на сосуд реактора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Головка реактора, включая термопару, должна быть аккуратно помещена на сосуд реактора, чтобы не повредить золотой мешок или термопару.
  3. Заполните сосуд реактора смесью деионизированной и водопроводной воды (примерно в соотношении 1:1).
  4. Запечатать реактор.
    1. Проверьте воротник, чтобы убедиться, что нижние концы сжатия болты не торчат из их нитей. В противном случае, давление судна не будет правильно установлен.
    2. Поднимите воротник и поместите его вокруг выступающих краев интерфейса головного умысла реактора. Аккуратно ехатрия на нем приведет к надлежащей форме. Закройте замки, держа воротник на месте.
    3. Закрепите компрессионные болты после перекрестного узора и увеличьте крутящий момент умеренными шагами до достижения конечного значения, рекомендованный производителем.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Различные системы реактора высокой давления могут иметь различные значения крутящего момента.
    4. Наконец, закрепите компрессионные болты по часовой стрелке.
  5. Установите реактор высокого давления в качалке устройства.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Установка реактора высокого давления в качалке устройства описывается для заказной модели, изготовленной в Федеральном институте геонаук и природных ресурсов в Ганновере, Германия. Таким образом, описанная установка является общим ориентиром для устройств сопоставимого дизайна.
    1. Смонтируйте реактор осторожно в качалке устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Лучше всего держать реактор высокой давления частями сборки гража (например, манометром или винтами трубки для отбора проб), опуская его в устройство для раскачивания.
    2. Зафиксировать реактор двумя зажимами на пару длинных винтов.
    3. Поместите шайбы на каждый винт и затяните зажимы винтовыми гайками.
    4. Подключите блоки управления для термопары, преобразователя давления и нагревательного элемента.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Важно убедиться, что все провода имеют достаточную длину для качания движения и предотвратить контакт с нагретыми поверхностями.
    5. Сдвиньте нагревательный элемент над сосудом реактора и затяните его винтовой замок.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вода для давления системы берется из резервуара с насосом высокого давления. Он передается через капилляры из нержавеющей стали в реактор высокого давления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Раскачивание реактора высокого давления гарантирует тщательное смешивание содержимого реакционных клеток (т.е. газа, жидкости и всех твердых фаз в нем). Медленная скорость раскачивания важна для предотвращения повреждения золотого мешка быстрыми движущимися твердыми телами или деформацией из-за гравитационного воздействия на гибкое золото при повышенных температурах. Система раскачивания может вращаться почти на 180 градусов.

5. Начало эксперимента

  1. Проверьте, установлены ли ограничения температуры и давления в программном обеспечении мониторинга до желаемых значений.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте они были установлены на 70 градусов по Цельсию и 25 MPa.
  2. Выполните проверку утечки.
    1. Соедините трубу давления, капилляр из нержавеющей стали, к головке реактора.
    2. Поднимите давление к целевому давлению с разного излгой интервалами, непрерывно проверяя на наличие утечки.
    3. Держите давление постоянным, пока скорость потока насоса почти равна нулю.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Остерегайтесь, что сжимаемый, растворенный воздух в воде виден в течение длительного времени в тонких показаниях потока.
  3. Запустите отопление после успешной проверки утечки.
    1. Начните лесозаготовки насосов для давления.
    2. Отрегулируйте заданную точку для нагрева до нужного значения и начните нагревание с помощью программного обеспечения.
    3. Регулярно проверяйте все параметры и состояние системы.
    4. Оттялите трубу давления после достижения целевой температуры.
    5. Запустите качалка устройства.

6. Отбор проб реактора высокого давления в рабочем режиме

  1. Чтобы взять образец, прикрепите шприц размерю 5 мл к разъему Luer Lock клапана в верхней части реактора высокой давления.
  2. Тщательно откройте клапан и дайте образцу жидкости протолкнуться в шприц под давлением внутри реактора высокой давления. Закройте клапан после того, как объем пробы достигает 1 мл. Отсоедините шприц.
  3. Перенесите образцы в шприц сразу в трубку 2 мл в дымовой капот для обработки.

7 . Анализ образца жидкости

ПРИМЕЧАНИЕ: Только шаги для менее распространенного фотометрического анализа феррозина (т.е. раздел 7.1) описаны здесь подробно и упоминаются в видео, потому что другие шаги являются стандартными процедурами эксплуатации в микробиологии.

  1. Используйте тестозиновый ассси для фотометрического определения концентрации растворенного железа (Fe2'(aq)) и общего железа (Fetot)15.
    1. Подготовьте серию стандартных решений по железу, растворив в воде известные количества FeSO4Х2O.
    2. Смешайте 50 л этих стандартных уровней с 1 мл раствора феррозина 1 м.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Реакция феррозина с растворенного железа образует фиолетовый комплекс. Интенсивность цвета коррелирует с концентрацией железа.
    3. Установите кривую калибровки между концентрацией железа и абсорбцией железо-феррозинового комплекса.
    4. Рассчитайте концентрацию железа в образце с двух параллельных измерений в соответствии с установленной стандартной кривой.
  2. Проанализируйте значение рН и потенциал окисления/сокращения (ORP) с помощью цифровых рН/редокс-счетчиков с полумикромикро-электродами рН и электродом хлорида серебра, соответственно.
  3. Считайте планктонных клеток непосредственно с помощью светового микроскопа с камерой Тома.
  4. Исследуйте морфологию клеток с помощью сканирования электронной микроскопии (SEM).
    1. Фильтр планктонных клеток, выращенных в различных условиях через 0,1 х 0,2 мкм поры размер фильтра.
    2. Обезвоживать образцы ацетоном и хранить их на ночь при 4 градусах По Цельсию в 90% ацетона.
    3. Высушите образцы критическим сушкой точки и покрасьте их графитом или золотом.
    4. Изучить образцы с помощью электронного микроскопа по сканированию выбросов (FE-SEM) на уровне 10 кВ.

Representative Results

Результаты эксперимента реактора высокого давления со специальной золото-титановой реакционной клеткой показывают, что микробная смешанная культура ацидофилов окисляет серу и сводит железо к железу(рисунок 3).

На обоих 1 бар или 100 бар давления условиях, культуры были фазы лага, когда выросли в золото-титановой реакции ячейки. После этого периода, быстрое увеличение концентрации железа железа от примерно 9 мМ до 31 мМ произошло в культуре, выращенной в 1 бар. В течение 22 дней в инкубации было обнаружено 31 мм и 13 мм железа на 1 бар и 100 бар, соответственно. Это ясно показывает, что микробные клетки были активны на 100 бар, но их феррий железа снижения активности был значительно ниже при повышенном давлении. Эксперименты по контролю абиотических наук, проведенные в трубах Hungate и бутылках сыворотки, не показали сокращения железа на 1 бар и 100 бар.

Сканирующие изображения электронной микроскопии(рисунок 4)показывают клетки в форме стержня, выращенные в экспериментах при низком и высоком давлении. Никаких существенных изменений в морфологии клеток не наблюдалось в 1 бар против 100 бар. Тем не менее, рост клеток, очевидно, тормозил повышенное давление, так как число клеток было 1,3 х 108 клеток/мл на 1 бар по сравнению с 4,5 х 107 клеток/ мл на 100 бар7. Эти данные сопоставимы с тестами, проведенными в трубах Hungate7. Таким образом, гибкая золотистого титановая реакционная клетка сама по себе не повлияла на рост клеток и была пригодна для проведения тестов на рост микробов.

Результаты показывают, что биовыщелаживание микроорганизмов активны даже при высоком давлении 100 бар, что очень актуально для in situ биодобычи, потому что такие условия происходят в глубоких месторождений руды на глубине ниже 1000 м7.

Figure 1
Рисунок 1: Обзор частей клеток реакции. Снизу вверх: золотой мешок, титановый воротник, титановая головка, шайба, титановое кольцо сжатия болт, титановая трубка для отбора проб с нержавеющими железами и воротники для высокой давления coned и резьбовые соединения с обеих сторон, и титановый клапан с адаптер для подключения шприца Luer Lock. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Размерные чертежи титановых деталей, отданных из стержней титанового класса 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Изменения концентраций железа в клетке реакции золото-титана с культурой окисления железа. Клетки культивировались анаэробно при 30 градусах Цельсия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Морфология культуры окисления железа, выращенной в 1 баре и 100 бар. Клетки культивировались анаэробно при 30 градусах Цельсия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Discussion

Представленный метод экспериментов высокого давления микробных реакций в кислых растворах был мощным инструментом для имитации глубоких подповерхностных геомикробиологических процессов в лабораторных условиях.

Существует множество ручных рабочих шагов, некоторые из которых требуют особого внимания. Как правило, при сборке отдельных частей гибкой золото-титановой ячейки и головки реактора (разделы 3 и 4) не должно применяться чрезмерная сила. Если технические характеристики производителя (например, для максимального давления, температуры, крутящего момента) игнорируются, может возникнуть утечка и/или материальный сбой.

Очистка золотых и титановых частей (раздел 2.2) является незаменимым шагом работы не только для этого эксперимента, но особенно для экспериментов с участием (в)) органических реакций. Остатки от предыдущих экспериментов в золотой клетке может вызвать нежелательные реакции и, следовательно, смещения результатов. Когда собранная золото-титановая ячейка устанавливается в головке реактора, лучше всего работать быстро и точно, так как в это время в золотую клетку может попасть небольшое количество кислорода. Закрытие клапана выборки перед выходом из перчаточного ящика является хорошей первой мерой, чтобы свести к минимуму обмен между атмосферой окружающей среды с интерьером золотой клетки.

После того, как реактор помещается в качалке устройства, важно, чтобы установить скорость качания до 170 "/мин. Если реактор высокого давления движется слишком быстро, разрыв золотой клетки может произойти из-за гравитационных эффектов или острых краев отложений или образцов породы при использовании.

Этот метод может быть использован в дополнительных областях исследований. Гибкая золото-титановая реакционная клетка может быть использована для разнообразного набора научных исследований9, изучающих реакции при повышенном давлении и температуре и в высококоррозионных жидкостях или газах.

Микроорганизмы в глубокой поверхности при температурах выше 70 градусов по Цельсию в присутствии минеральных поверхностей могут стимулировать выработку молекулярного водорода или органических кислот, таких как ацетат даже под повышенным давлением16. Эти продукты, и другие соединения, могут вызвать повышенную микробную активность во время процессов биовылажания на месте, в дополнение к соединениям серы, исследованным в данном исследовании.

Применение включает определение растворимости газов и ионов в входящих жидкостях, геохимические реакции в условиях гидротермальных жерл систем17,количественная оценка фракционирования изотопов18,геохимические реакции во время CO 2 секвестр19, абиотические процессы при образовании нефти и газа в исходныхпородах 20,и микробные реакции при повышенном давлении в подповерхностном21, как в настоящем исследовании.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Мы благодарим Роберта Розенбауэра (USGS, Menlo Park) в обмене его опытом по гибким золото-титановых реакционных клеток, и Георга Scheeder (BGR) за его вклад на начальном этапе создания модифицированной системы в Ганновере. Мы хотели бы поблагодарить многих ученых (в том числе Катя Хишен, Андреас Риссе, Дженс Грёгер-Траппе, Теодор Альперманн), используя установку в Ганновере в многочисленных проектах, которые способствовали небольшим улучшениям на этом пути и Кристиан Сигер для разработки устройство для реакторов высокого давления. Мы благодарим Лауру Кастро (Университет Комплутенсе в Мадриде) за наблюдения SEM. И, наконец, мы хотели бы выразить нашу благодарность Нильсу Велки за создание этого высококачественного видео для статьи. Эта работа была поддержана проектом Европейского Союза Horizon 2020 BIOMOre (Грант-соглашение No 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).
Использование гибких золото-титановых реакционных клеток для имитации давления-зависимой микробной активности в контексте подповерхностного биомину
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