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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |