Bu protokol, yerinde biyomining süreçlerinde çalışmak için yüksek basınç altında mikrobiyal deneyler açıklar. Deneysel yaklaşım, asidik, demir açısından zengin bir ortamda mikrobiyal kültür içeren altın-titanyum reaksiyon hücresi ile donatılmış sallanan yüksek basınçlı bir reaktör kullanır.
Derin cevher yataklarında metal yıkama (biyomining) gibi yeraltı mikrobiyal süreçlerini inceleyen laboratuvar çalışmaları, çoğaltılması gereken özel çevre koşulları, örneğin yüksek basınç dahil olmak üzere ortak ve zorlu engelleri paylaşır ve bazı durumlarda asidik çözeltiler. Eski 100 bar kadar basınçlandırma için uygun deneysel bir kurulum gerektirir, ikincisi korozyon ve konteyner duvarı ile istenmeyen kimyasal reaksiyonlara karşı yüksek kimyasal direnç ile sıvı bir konteyner gerektirir. Bu çalışmada, in situ biyomining alanında bir uygulama için bu koşulları karşılamak için, sallanan yüksek basınçlı reaktör içinde özel bir esnek altın-titanyum reaksiyon hücresi kullanılmıştır. Açıklanan sistem, anoksik, basınç kontrollü, kimyasal olarak son derece durağan deneysel bir ortamda kükürtlü mikrobiyal demir azaltma yoluyla in situ biyomining simülasyonu sağladı. Esnek altın-titanyum reaksiyon hücresi, sistem istenilen basıncı korurken herhangi bir zaman noktasında numune alınabilen 100 mL’ye kadar numune çözeltisi barındırabilir. Deneyler, saatler ile aylar arasında değişen zaman ölçeklerinde gerçekleştirilebilir. Yüksek basınçlı reaktör sisteminin montajı oldukça zaman alır. Bununla birlikte, kimyasal olarak agresif sıvılarda yeryüzünün derin yüzeyinde meydana gelen karmaşık ve zorlu (mikrobiyolojik) süreçler laboratuvarda incelendiğinde, bu sistemin avantajları dezavantajlardan daha ağır basmaktadır. Sonuçlar, yüksek basınçta bile mikrobiyal konsorsiyumun aktif olduğunu, ancak metabolik hızların önemli ölçüde daha düşük olduğunu ortaya koydu.
Son on yılda, madenciliğin çevre üzerindeki etkisini en aza indirme çabaları artmıştır. Cevherlerin hammadde ekstraksiyonu için açık çukur madenciliği (örneğin, bakır bakımından zengin sülfür cevherleri), kazı faaliyetleri ve değerli çıkarma dan sonra işlenmiş cevher kalıntıları nın büyük hacimleri ve kalan büyük atık kayaları ile çevredeki peyzajı etkiler bakır gibi metaller. Yeraltı daki cevherden doğrudan bakır çıkarmak bu etkileri önemli ölçüde azaltacaktır. in situ biomining teknolojisi bu süreç için umut verici bir aday1. Bu yayın, cevherden değerli metalleri yeraltı yüzeyinde sulu bir çözeltiye çıkarmak için uyarılmış mikrobiyal aktivitenin kullanımını açıklamaktadır. Böylece, bakır açısından zengin bir çözelti, örneğin metali daha fazla yoğunlaşmış olmak için yüzeye kolayca pompalanabilir.
Cevher-yıkama asiofilik mikroorganizmaların aktivitesiparametreleri 2,3,4,5,6çeşitli bir dizi için birçok laboratuvarda incelenmiştir. Ancak, hidrostatik koşullar (~ 100 bar) ile 1.000 m derinlikte ortam yüzeyi laboratuvar koşulları (1 bara yakın) ve yeraltı yüzeyi arasındaki farktan kaynaklanan mikrobiyal aktivite üzerindeki basınç etkileri iyi belgelenmemiştir. Bu nedenle, mikrobiyal demir azaltma üzerindeki baskının etkileri farklıdeneysel yollar 7 ile araştırılmıştır. Burada en uygun teknik ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Yüksek basınçlı reaktörler, yerin yüzeyinde meydana gelen basınç ve sıcaklıklardaki reaksiyonları incelemek için yoğun olarak kullanılmıştır. Bu tür reaktörler, mikrobiyal kültüre sahip bir sıvı örneği içerebilen bir reaktör kabından oluşur. Reaktör gemisinin üzerinde oturan reaktör kafası, güvenlik önlemleri ve izleme sensörleri (örn. sıcaklık veya basınç) için çeşitli bağlantılar ve arayüzler sunar. Yüksek basınçlı reaktörlerin çoğu paslanmaz çelikten yapılmıştır. Bu malzeme yüksek esneklik ve iyi işleme özellikleri sunar, ancak paslanmaz çelik yüzeyin korozyon direnci her uygulama için yeterli değildir. Örneğin, yüksek asidik veya yüksek oranda azaltıcı sulu çözeltiler araştırılırsa, reaktör duvarı ile ilgili bileşiklerin önemli reaksiyonları oluşabilir. Bunu önlemek için bir yolu reaktör gemi içine bir astar eklemek için, örneğin borosilikat cam dan yapılmış bir astar7. Temizlenmesi kolaydır ve otoklavlama ile sterilize edilebilir. Buna ek olarak, asidik veya sulu çözeltiler azaltarak tarafından saldırıya uğramaz. Bir astar paslanmaz çelik reaktör duvarı ile çözüm çözeltisi veya mikropların yapay reaksiyonları önlemek için yardımcı olsa da, çeşitli sorunlar kalır. İlk olarak, sülfat azaltıcı bakteriler tarafından üretilen hidrojen sülfür gibi aşındırıcı bir gaz oluşursa, bu gaz reaktör kafasının astarÜzerinde oturan açık yüzeyi ile reaksiyona bile çıkabilir. Bir diğer dezavantajı da basıncı korurken reaktörden numune çekmenin mümkün olmamasıdır.
Bu sınırlamaları aşmak için, yüksek basınçlı reaktörler içinde özel esnek reaksiyon hücreleri çeşitli uygulamalar için geliştirilmiştir. Esnek bir politetrafloroetilen (PTFE) hücre8 yüksek tuzlu salamura tuzların çözünürlük çalışmaları için tasarlanmıştır. Ancak, bu sistemin sınırlama bazı gazlar kolayca PTFE nüfuz olabilir. Buna ek olarak, bu malzeme hala nispeten düşük sıcaklık stabilitesi vardır. Böylece, sistem paslanmaz çelik yüksek basınçlı reaktör içine yerleştirilecek bir titanyum kafa9 ile esnek bir altın çanta tasarlayarak geliştirilmiştir. Altın yüzey, asidik veya azaltıcı çözeltilere ve gazlara karşı korozyona dayanıklıdır. Titanyum yüzeyi de sürekli titanyum dioksit tabakası oluşturmak için iyice pasifildiğinde son derece durağan. Bağlı bir titanyum örnekleme tüpü ile bu reaksiyon hücresinden örnekleme sırasında, altın torba hacmi küçülür. Sistemin iç basıncı, aynı su hacminin pompalanmasıyla korunur, örnekleme ile geri çekilir, reaksiyon hücresini barındıran paslanmaz çelik yüksek basınçlı reaktöre. Reaksiyon hücresi içindeki numune, deney sırasında yüksek basınçlı reaktörü 90°’den fazla sallayarak veya yatırarak hareket halinde tutulur.
Reaksiyon hücresi Şekil 1’debetimlenen parçalardan oluşur: altın torba, titanyum yaka, titanyum kafa, paslanmaz çelik yıkama, titanyum sıkıştırma cıvata halkası, paslanmaz bezleri ve yüksek basınçlı koni ve yakalı titanyum örnekleme tüpü her iki tarafta dişli bağlantıları ve titanyum vana. Altın torba 0.2 mm duvar kalınlığı, 48 mm dış çapı ve 120 mm uzunluğunda silindirik altın (Au 99.99) hücredir.
Tüm titanyum parçaları, atölye tarafından titanyum sınıf 2 çubuklarından özel olarak üretilir. Yaka,baş, yıkama ve sıkıştırma cıvata halkasının boyutları Şekil 2’de görülmektedir. Titanyum örnekleme tüpü, dış çapı 6,25 mm ve duvar kalınlığı 1,8 mm olan titanyumkamı, iç çapı 2,65 mm olan bir tüptür. Titanyum baş ve titanyum valf içine yüksek basınçlı koni ve dişli bağlantıları titanyum-karşı-titanyum yüzeylerbir mühür sağlayan sabitlenir. Yüksek basınçlı titanyum valf, yüksek basınçta bile çok kontrollü bir açma veya örnekleme sağlamak için yavaş bir açma sapı ile donatılmıştır. Bu sistem çok sayıda çalışmada kullanılmıştır10,11,12.
Asidik çözeltiler içinde mikrobiyal reaksiyonların yüksek basınçlı deneyleri için sunulan yöntem, laboratuvar ortamında derin yeraltı jeomikrobiyolojik süreçlerini simüle etmek için güçlü bir araçtı.
Bazıları özel dikkat gerektiren çok sayıda manuel çalışma adımları söz konusur. Genel bir not olarak, esnek altın-titanyum hücre ve reaktör kafasının tek tek parçaları (bölüm 3 ve 4) montajı nda aşırı güç kullanılmamalıdır. Üreticinin teknik özellikleri (örn. maksimum basınç, sıcaklık, tork için) göz ardı edilirse, sızıntı ve/veya malzeme arızalarına neden olabilir.
Altın ve titanyum parçalarının (bölüm 2.2) temizlenmesi sadece bu deney için değil, özellikle (in-)organik reaksiyonları içeren deneyler için de vazgeçilmez bir çalışma adımıdır. Altın hücrede önceki deneylerden kalıntılar istenmeyen reaksiyonlara neden olabilir ve bu nedenle sonuçların önyargılı. Monte edilen altın-titanyum hücresi reaktör kafasına monte edildiğinde, hızlı ve hassas bir şekilde çalışmak en iyisidir, çünkü şu anda az miktarda oksijen altın hücreye girebilir. Torpido glovebox ayrılmadan önce örnekleme vanakapatılması altın hücrenin iç ortam atmosferi arasındaki değişimi en aza indirmek için iyi bir ilk önlemdir.
Reaktör sallanan cihaza yerleştirildikten sonra, sallanan hareket hızını ~170°/da kin olarak ayarlamak önemlidir. Yüksek basınçlı reaktör çok hızlı hareket ederse, kullanıldığında yerçekimsel etkiler veya tortu veya kaya örneklerinin keskin kenarları nedeniyle altın hücresinin kopması meydana gelebilir.
Bu yöntem ek araştırma alanlarında kullanılabilir. Esnek altın-titanyum reaksiyon hücresi, yüksek basınç ve sıcaklıktaki tepkileri inceleyen9 farklı bilimsel araştırmalar ve yüksek aşındırıcı sıvı lar veya gazlar için kullanılma potansiyeline sahiptir.
Mineral yüzeylerin varlığında 70 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda derin yeraltı yüzeyindeki mikroorganizmalar, yüksek basınç altında bile moleküler hidrojen veya asetat gibi organik asitlerin üretimini uyarabilir16. Bu ürünler, ve diğer bileşikler, yerinde biyoleaching süreçleri sırasında yüksek mikrobiyal aktivite neden olabilir, bu çalışmada araştırılan kükürt bileşikleri ek olarak.
Uygulamalar sulu sıvılarda gazve iyonların çözünürlüğünün belirlenmesi, hidrotermal havalandırma sistemlerinin koşullarında jeokimyasal reaksiyonlar17, izotop fraksiyonu18,CO sırasında jeokimyasal reaksiyonlar nicel 2 haciz19, kaynak kayalarda petrol ve gaz oluşumu sırasında abiyotik süreçler20, ve mikrobiyal reaksiyonlar yüzey altı21 yüksek basınçlarda bu çalışmada olduğu gibi.
The authors have nothing to disclose.
Biz Robert Rosenbauer (USGS, Menlo Park) esnek altın-titanyum reaksiyon hücreleri üzerindeki uzmanlığını paylaşan teşekkür, ve Georg Scheeder (BGR) Hannover değiştirilmiş sistemi kurma ilk aşamasında yaptığı giriş için. Biz yol boyunca küçük iyileştirmeler katkıda bulunan çok sayıda proje de Hannover ve Christian Seeger geliştirmek için katkıda bulunan çok sayıda projede Hannover kurulum kullanarak birçok bilim adamı (Katja Heeschen, Andreas Risse, Jens Gröger-Trampe, Theodor Alpermann dahil) teşekkür etmek istiyorum yüksek basınçlı reaktörler için sallanan cihaz. Laura Castro’ya (Madrid Complutense Üniversitesi) SEM gözlemleri için teşekkür ederiz. Ve son olarak, nils Wölki’ye makale için bu yüksek kaliteli videoyu ürettiği için şükranlarımızı sunmak istiyoruz. Bu çalışma Avrupa Birliği Horizon 2020 projesi BIOMOre (Hibe anlaşması # 642456) tarafından desteklenmiştir.
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 |