פרוטוקול זה מתאר ניסויים מיקרוביאלית תחת לחצים מוגבה ללמוד תהליכי ביוניג באתרו. הגישה הניסיונית מעסיקה כור בלחץ גבוה נדנדה מצויד תא התגובה זהב-טיטניום המכיל תרבות מיקרוביאלית של חומצי, ברזל עשיר בברזל.
לימודי מעבדה בחקר תהליכי מיקרוביאלית של פני השטח, כגון מתכת המעכבות בפיקדונות עפרות עמוק (ביונינג), לחלוק מכשולים משותפים ומאתגרים, כולל תנאי הסביבה המיוחדים שצריך לשכפל, למשל, לחץ גבוה ובמקרים מסוימים פתרונות חומציים. הראשון מחייב התקנה ניסיונית המתאימה ללחץ של עד 100 bar, בעוד האחרון דורש מכולה נוזלית עם עמידות כימית גבוהה מפני תגובות כימיות ובלתי רצויות של קורוזיה עם קיר המיכל. כדי לעמוד בתנאים אלה עבור יישום בתחום של ביונינג באתרו, מיוחד גמיש זהב-טיטניום התגובה בתוך המחולל ללחץ גבוה נדנדה שימש במחקר זה. המערכת המתוארת מאפשרת סימולציה של ביוניג באתרו באמצעות הפחתת ברזל מונחה גופרית באמצעות בקרת שליטה, מבוקרת לחץ, כימית בסביבה ניסיוני מאוד. תא התגובה הגמיש זהב-טיטניום יכול להכיל עד 100 mL של פתרון לדוגמה, אשר ניתן לטעום בכל נקודת זמן נתון בעוד המערכת שומרת על הלחץ הרצוי. ניתן לבצע ניסויים בצירי זמן החל משעות עד חודשים. הרכבת מערכת המחולל לחץ גבוה די זמן רב. עם זאת, כאשר תהליכים מורכבים ומאתגרים (מיקרוביולוגית) המתרחשים במשטח התחתי העמוק של כדור הארץ, יש לחקור במעבדה את היתרונות של מערכת זו, הגוברים על החסרונות. התוצאות מצאו, כי גם בלחץ גבוה את החיידקים הוא פעיל, אך בקצב חילוף החומרים נמוך באופן משמעותי.
במהלך העשור האחרון, המאמצים למזער את ההשפעה של הכרייה על הסביבה גדלו. כריית בור פתוח עבור הפקת חומרי גלם של עפרות (g., עשיר בנחושת הגופרתי), משפיע על הנוף שמסביב על ידי פעילויות החפירה ועל ידי כמויות גדולות של סלעי פסולת ושרידי עפרות מעובד לאחר החילוץ של יקר מתכות כמו נחושת. מיצוי הנחושת ישירות עפרות במשטח המשנה באופן משמעותי להפחית את ההשפעות האלה. הטכנולוגיה של ביוניג באתרו היא מועמד מבטיח לתהליך1. פרסום זה מתאר את השימוש בפעילות גירוי מיקרוביאלית כדי לחלץ את המתכות יקרות מן עפרות לתוך פתרון מימית במשטח המשנה. לפיכך, פתרון עשיר בנחושת ניתן לשאוב בקלות בחזרה אל פני השטח כדי לרכז עוד יותר את המתכת, למשל.
הפעילות של מיקרואורגניזמים עפרת-leaching כבר נחקרו במעבדות רבות עבור מגוון מגוון של פרמטרים2,3,4,5,6. עם זאת, השפעות הלחץ על הפעילות החיידקים כתוצאה ההבדל בין תנאי מעבדה משטח הסביבה (ליד 1 בר) ואת תת משטח בעומק של 1,000 m עם תנאים הידרוסטטיים (~ 100 בר), אינם מתועדים היטב. לכן, השפעות הלחץ על הפחתת ברזל מיקרוביאלית נחקרו באמצעות שדרות ניסיוני שונים7. כאן, הטכניקה המתאימה ביותר מתוארת בפרוטרוט.
כורים בלחץ גבוה השתמשו בהרחבה כדי ללמוד תגובות ללחצים וטמפרטורות המתרחשות על פני השטח של כדור הארץ. כורים כאלה מורכבים מכלי המגיב בתחתית שיכול להכיל דגימת נוזל עם תרבות מיקרוביאלית. יושב על גבי כלי המגיב, ראש הכור מציע מגוון רחב של חיבורים וממשקים עבור אמצעי בטיחות וחיישנים ניטור (למשל, טמפרטורה או לחץ). כורים בלחץ גבוה עשויים נירוסטה. חומר זה מציע עמידות גבוהה ומאפיינים שבבי טוב, אבל עמידות קורוזיה של משטח נירוסטה אינו מספיק עבור כל יישום. לדוגמה, אם מדובר בחומרים חומציים ביותר או בעלי הפחתה גבוהה ביותר של פתרונות מימית, ייתכנו תגובות משמעותיות של תרכובות העניין עם קיר הכור. אחת הדרכים למנוע את זה היא להכניס אניה לתוך כלי המגיב, למשל אניה עשוי זכוכית בורוסיליקט7. זה קל לנקות והוא יכול להיות מעוקר על ידי אוטוקלינג. בנוסף, הוא אינו מותקף על ידי חומצי או הפחתת פתרונות מימית. למרות אניה יכול לעזור למנוע תגובות מלאכותיות של הפתרון או חיידקים בפתרון עם קיר הכור נירוסטה, מספר בעיות נותרו. עבור אחד, אם נוצר גז מאכל, כגון מימן גופרתי המיוצר על ידי חיידקים להפחתת סולפט, גז זה עשוי להגיב עם המשטח נחשף של ראש הכור יושב מעל אניה. חיסרון נוסף הוא שלא ניתן למשוך דגימה מהכור תוך שמירה על הלחץ.
כדי להתגבר על מגבלות אלה, תאים מיוחדים התגובה גמיש בתוך כורים בלחץ גבוה פותחו עבור מגוון רחב של יישומים. תאשמונה גמיש פוליטפלואורואתילן תוכנן ללימודי מסיסות של מלחים בבררינות מלוחים מאוד. עם זאת, המגבלה של מערכת זו היא כי גזים מסוימים יכולים בקלות לחלחל החוצה. בנוסף, לחומר זה עדיין יש יציבות בטמפרטורה נמוכה יחסית. כך, המערכת שופרה על ידי עיצוב שקית זהב גמיש עם ראש טיטניום9 להיות ממוקם בתוך המחולל נירוסטה בלחץ גבוה. משטח הזהב עמיד בפני קורוזיה מפני מוצרים חומציים או מצמצמים של גזים. משטח טיטניום הוא גם מאוד אינרטי כאשר פסיב ביסודיות כדי ליצור שכבת טיטניום דו חמצני רציפה. במהלך הדגימה מתא התגובה הזה דרך שפופרת מחובר לדגימת טיטניום, שקית הזהב מתכווץ בווליום. הלחץ הפנימי של המערכת מתוחזק על ידי שאיבה באותו נפח של מים, כפי שהוא מסתגר על ידי דגימה, לתוך הכור פלדת אל-חלד בלחץ גבוה להתאים את התא התגובה. המדגם בתוך תא התגובה נשמרת בתנועה על ידי הנדנדה או הטיית הכור בלחץ גבוה על ידי יותר מ 90 ° במהלך הניסוי.
תא התגובה מורכב החלקים מתוארים באיור 1: שקית זהב, צווארון טיטניום, ראש טיטניום, נירוסטה מכונת כביסה, הנעל טיטניום טבעת, שפופרת דגימה טיטניום עם בלוטות הנירוסטה וקולרים עבור הלחץ הגבוה וה חיבורים משורשרות משני הצדדים ושסתום הטיטניום. שקית זהב הוא גליל זהב (Au 99.99) תא עם עובי קיר של 0.2 מ”מ, קוטר החיצוני של 48 מ”מ, ואורכו של 120 מ”מ.
כל חלקי טיטניום מותאמים אישית על ידי סדנת מתוך כיתה טיטניום 2 מוטות. הממדים של טבעת הצווארון, הראש, המכונת כביסה והדחיסה גלויים באיור 2. שפופרת דגימה טיטניום הוא נימי של טיטניום עם קוטר חיצוני של 6.25 מ”מ ועובי הקיר של 1.8 מ”מ, והתוצאה היא קוטר פנימי של 2.65 מ”מ. הוא קבוע לתוך הראש טיטניום שסתום טיטניום על ידי בלחץ גבוה התקשרויות והליכי משורשרות להבטיח גושפנקה של טיטניום נגד טיטניום משטחים. שסתום טיטניום בלחץ גבוה מצויד גזע פתיחה איטית כדי לאפשר פתיחה מבוקרת מאוד או דגימה אפילו בלחץ גבוה. מערכת זו שימש במחקרים רבים10,11,12.
השיטה המוצגת לניסויים בלחץ גבוה של תגובות חיידקים בתוך פתרונות חומצי היה כלי רב עוצמה כדי לדמות תהליכים תת-מgeomicrobiological עמוקים בסביבת מעבדה.
ישנם מספר צעדי עבודה ידניים מעורבים, שחלקם דורשים תשומת לב מיוחדת. בתור הערה כללית, אין להשתמש בכוח מופרז בעת הרכבת החלקים הבודדים של תא הזהב-טיטניום הגמיש וראש הכור (סעיפים 3 ו-4). אם המפרט של היצרן (לדוגמה, עבור לחץ מרבי, טמפרטורה, מומנט כוח), המערכת תתעלם ממנה, דליפת דליפה ו/או חומר עלול להיגרם.
ניקוי חלקי זהב וטיטניום (סעיף 2.2) הוא צעד הכרחי לעבודה, לא רק עבור ניסוי זה, אלא במיוחד עבור ניסויים הכרוכים (ב-) תגובות אורגניות. שרידים מניסויים קודמים בתא הזהב עלולים לגרום לתגובות בלתי רצויות ולכן ממתח תוצאות. כאשר התאספו תא זהב טיטניום מותקן בראש הכור, עדיף לעבוד במהירות ובדיוק, כי בזמן זה כמויות קטנות של חמצן יכול להיכנס לתא זהב. סגירת שסתום הדגימה לפני היציאה כפפות הוא מידה הראשון טוב כדי למזער את החליפין בין אווירת הסביבה עם הפנים של תא זהב.
לאחר הכור ממוקם במכשיר נדנדה, חשוב להגדיר את מהירות התנועה נדנדה ~ 170 °/min. אם המחולל לחץ גבוה נע מהר מדי, קרע של תא הזהב עלול לקרות עקב השפעות הכבידה או הקצוות חדים של משקעים או דגימות סלע בעת שימוש.
ניתן להשתמש בשיטה זו בשדות מחקר נוספים. תא התגובה הגמיש של טיטניום הזהב מכיל את הפוטנציאל לשמש לקבוצה מגוונת של חקירות מדעיות9 ללמוד תגובות בלחץ ובטמפרטורה גבוהות ובנוזלים מאוד מאכל או גזים.
מיקרואורגניזמים במשטח התת עמוק בטמפרטורות מעל 70 ° c בנוכחות של משטחים מינרליים עשוי לעורר את הייצור של מימן מולקולרי או חומצות אורגניות כמו אצטט גם תחת לחץ גבוה16. מוצרים אלה, ותרכובות אחרות, עשוי לגרום לפעילות מיקרוביאלית מוגבר במהלך התהליכים bioleaching באתרו, בנוסף תרכובות גופרית נחקר במחקר זה.
היישומים כוללים קביעת מסיסות של גזים ויונים בנוזלים מימיים, תגובות גיאוכימיות בתנאים של מערכות אוורור הידרותרמיות17, הקוונפיקציה של שבירה איזוטופ18, תגובות GEOCHEMICAL במהלך CO 2 קיבוע על19, תהליכים אביוטיים במהלך היווצרות של נפט וגז בתוך סלעי מקור20, ותגובות חיידקים בלחצים מוגבה במשטח המשנה21 כמו במחקר הנוכחי.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לרוברט רוזבאואר (USGS, פארק Menlo) בשיתוף המומחיות שלו בתאי התגובה הגמישים של הזהב-טיטניום, וגיאורג Scheeder (BGR) לקלט שלו בשלב ההתחלתי של הקמת המערכת המתוקנת בהנובר. היינו רוצים להודות למדענים רבים (כולל katja heeschen, אנדריאס rise, ינס gröger-Trampe, תיאודור אלפרפראון) באמצעות ההתקנה בהנובר פרויקטים רבים שתרמו שיפורים קטנים לאורך הדרך וכריסטיאן seeger לפיתוח ה מכשיר נדנדה לכורים בלחץ גבוה. אנו מודים ללורה קסטרו (אוניברסיטת מדריד) עבור תצפיות SEM. ולבסוף, היינו רוצים להביע את הכרת התודה שלנו לנילס וולקי על הפקת וידאו באיכות גבוהה עבור המאמר. עבודה זו נתמכת על ידי האיחוד האירופי אופק 2020 ביונור פרוייקט (גרנט הסכם 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 |