Name: using flexible gold-titanium reaction cells to simulate pressure-dependent microbial activity in the context of subsurface biomining
Uploaded: 2019-10-05T14:00:00
Duration: 13 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining at JoVE.com

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).

<ol>
	<li>Johnson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomining+goes+underground.">Biomining goes underground.</a> Nature Geoscience. 8 (3), 165-166 (2015).</li><li>Bellenberg, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manipulation+of+pyrite+colonization+and+leaching+by+iron-oxidizing+Acidithiobacillus+species.">Manipulation of pyrite colonization and leaching by iron-oxidizing Acidithiobacillus species.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 99 (3), 1435-1449 (2014).</li><li>Christel, S., Fridlund, J., Watkin, E. L., Dopson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acidithiobacillus+ferrivorans+SS3+presents+little+RNA+transcript+response+related+to+cold+stress+during+growth+at+8+&#176;C+suggesting+it+is+a+eurypsychrophile.">Acidithiobacillus ferrivorans SS3 presents little RNA transcript response related to cold stress during growth at 8 &#176;C suggesting it is a eurypsychrophile.</a> Extremophiles. 20 (6), 903-913 (2016).</li><li>Dopson, M., Ossandon, F. J., Lovgren, L., Holmes, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+resistance+or+tolerance?+Acidophiles+confront+high+metal+loads+via+both+abiotic+and+biotic+mechanisms.">Metal resistance or tolerance? Acidophiles confront high metal loads via both abiotic and biotic mechanisms.</a> Frontiers in Microbiology. 5, 157 (2014).</li><li>Schippers, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomining:+metal+recovery+from+ores+with+microorganisms.">Biomining: metal recovery from ores with microorganisms.</a> Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 141, 1-47 (2014).</li><li>Shiers, D., Ralph, D., Bryan, C., Watling, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Substrate+utilisation+by+Acidianus+brierleyi,+Metallosphaera+hakonensis+and+Sulfolobus+metallicus+in+mixed+ferrous+ion+and+tetrathionate+growth+media.">Substrate utilisation by Acidianus brierleyi, Metallosphaera hakonensis and Sulfolobus metallicus in mixed ferrous ion and tetrathionate growth media.</a> Minerals Engineering. 48, 86-93 (2013).</li><li>Zhang, R., Hedrich, S., Ostertag-Henning, C., Schippers, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+elevated+pressure+on+ferric+iron+reduction+coupled+to+sulfur+oxidation+by+biomining+microorganisms.">Effect of elevated pressure on ferric iron reduction coupled to sulfur oxidation by biomining microorganisms.</a> Hydrometallurgy. 178, 215-223 (2018).</li><li>Dickson, F., Blount, C. W., Tunell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> American Journal of Science. 261 (1), 61-78 (1963).</li><li>Seyfried, W., Gordon, P., Dickson, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+reaction+cell+for+hydrothermal+solution+equipment.">A new reaction cell for hydrothermal solution equipment.</a> American Mineralogist. 64 (5-6), 646-649 (1979).</li><li>Cross, M. M., Manning, D. A., Bottrell, S. H., Worden, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermochemical+sulphate+reduction+(TSR):+experimental+determination+of+reaction+kinetics+and+implications+of+the+observed+reaction+rates+for+petroleum+reservoirs.">Thermochemical sulphate reduction (TSR): experimental determination of reaction kinetics and implications of the observed reaction rates for petroleum reservoirs.</a> Organic Geochemistry. 35 (4), 393-404 (2004).</li><li>Frerichs, J., Rakoczy, J., Ostertag-Henning, C., Kru&#776;ger, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viability+and+adaptation+potential+of+indigenous+microorganisms+from+natural+gas+field+fluids+in+high+pressure+incubations+with+supercritical+CO2.">Viability and adaptation potential of indigenous microorganisms from natural gas field fluids in high pressure incubations with supercritical CO2.</a> Environmental Science &amp; Technology. 48 (2), 1306-1314 (2014).</li><li>Heeschen, K., Risse, A., Ostertag-Henning, C., Stadler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Importance+of+co-captured+gases+in+the+underground+storage+of+CO2:+Quantification+of+mineral+alterations+in+chemical+experiments.">Importance of co-captured gases in the underground storage of CO2: Quantification of mineral alterations in chemical experiments.</a> Energy Procedia. 4, 4480-4486 (2011).</li><li>Wakeman, K., Auvinen, H., Johnson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbiological+and+geochemical+dynamics+in+simulated-heap+leaching+of+a+polymetallic+sulfide+ore.">Microbiological and geochemical dynamics in simulated-heap leaching of a polymetallic sulfide ore.</a> Biotechnology and Bioengineering. 101 (4), 739-750 (2008).</li><li>Pakostova, E., Grail, B. M., Johnson, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Indirect+oxidative+bioleaching+of+a+polymetallic+black+schist+sulfide+ore.">Indirect oxidative bioleaching of a polymetallic black schist sulfide ore.</a> Minerals Engineering. 106, 102-107 (2017).</li><li>Lovley, D. R., Phillips, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+assay+for+microbially+reducible+ferric+iron+in+aquatic+sediments.">Rapid assay for microbially reducible ferric iron in aquatic sediments.</a> Applied and Environmental Microbiology. 53 (7), 1536-1540 (1987).</li><li>Parkes, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prokaryotes+stimulate+mineral+H2+formation+for+the+deep+biosphere+and+subsequent+thermogenic+activity.">Prokaryotes stimulate mineral H2 formation for the deep biosphere and subsequent thermogenic activity.</a> Geology. 39 (3), 219-222 (2011).</li><li>McCollom, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abiotic+methane+formation+during+experimental+serpentinization+of+olivine.">Abiotic methane formation during experimental serpentinization of olivine.</a> Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 113 (49), 13965-13970 (2016).</li><li>Pester, N. J., Conrad, M. E., Knauss, K. G., DePaolo, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+D/H+isotope+fractionation+between+molecular+hydrogen+and+water.">Kinetics of D/H isotope fractionation between molecular hydrogen and water.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 242, 191-212 (2018).</li><li>Rosenbauer, R. J., Thomas, B., Bischoff, J. L., Palandri, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+sequestration+via+reaction+with+basaltic+rocks:+Geochemical+modeling+and+experimental+results.">Carbon sequestration via reaction with basaltic rocks: Geochemical modeling and experimental results.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 89, 116-133 (2012).</li><li>Knauss, K. G., Copenhaver, S. A., Braun, R. L., Burnham, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Organic Geochemistry. 27 (7-8), 477-496 (1997).</li><li>Parkes, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Culturable+prokaryotic+diversity+of+deep,+gas+hydrate+sediments:+first+use+of+a+continuous+high-pressure,+anaerobic,+enrichment+and+isolation+system+for+subseafloor+sediments+(DeepIsoBUG).">Culturable prokaryotic diversity of deep, gas hydrate sediments: first use of a continuous high-pressure, anaerobic, enrichment and isolation system for subseafloor sediments (DeepIsoBUG).</a> Environmental Microbiology. 11 (12), 3140-3153 (2009).</li></ol>

Авторам нечего раскрывать.

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.

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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Merck</td>
			<td>100013</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CaN2O6</td>
			<td>Fluka</td>
			<td>31218</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conax compression seal fittings</td>
			<td>Conax Technologies</td>
			<td>PG2-250-B-G</td>
			<td>sealant could be selected according to temperatures in experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper paste</td>
			<td>Caramba</td>
			<td>691301</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper paste</td>
			<td>CRC</td>
			<td>41520</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CoSO4x7H2O</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>10026-24-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CrKO8S2x12H2O</td>
			<td>Roth</td>
			<td>3535.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CuSO4x5H2O</td>
			<td>Riedel de Haen</td>
			<td>31293</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable cuvettes</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>z330388</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol absolute</td>
			<td>Roth</td>
			<td>9065.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FE-SEM</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>model no. JSM-6330F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferrozine</td>
			<td>Aldrich</td>
			<td>180017</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fe2(SO4)3x7H2O</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>33316</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FeSO4x7H2O</td>
			<td>Merck</td>
			<td>103965</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold cell</td>
			<td>Hereaus GmbH</td>
			<td></td>
			<td>manufactured according to dimensions supplied by customer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-pressure reactor</td>
			<td>PARR Instruments</td>
			<td>model no. 4650 Series</td>
			<td>reactors from other vendors could be used, too</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-pressure syringe pump</td>
			<td>Teledyne ISCO</td>
			<td>DM-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HCl</td>
			<td>Roth</td>
			<td>6331.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HNO3</td>
			<td>Fluka</td>
			<td>7006</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H3BO3</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>B6768</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KCl</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P9541</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KH2PO4</td>
			<td>Merck</td>
			<td>104873</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-(+)-Ascorbic acid/Vitamin C</td>
			<td>Applichem</td>
			<td>A1052</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light microscope</td>
			<td>Leica DM3000</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgSO4x7H2O</td>
			<td>Merck</td>
			<td>105886</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>(NH4)2SO4</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A4418</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaMoO4x2H2O</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>331058</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaO3Sex5H2O</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>00163</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaO3V</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>590088</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Na2SO4</td>
			<td>Merck</td>
			<td>106649</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Na2WO4x2H2O</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>72069</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NiSO4x6H2O</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>31483</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Omnifix Luer</td>
			<td>BRAUN</td>
			<td>4616057V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH meter</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Redox potential meter</td>
			<td>WTW</td>
			<td>ORP portable meter</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safe-Lock Tubes, 2 mL</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>0030120094</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serum bottle</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>33110-U</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrophotometer</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>model no. GENESYS 10S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterican Hypodermic needle</td>
			<td>BRAUN</td>
			<td>4657519</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stoppers</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>27234</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfur powder</td>
			<td>Roth</td>
			<td>9304</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thoma Chamber</td>
			<td>Hecht-Assistent</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium parts of reaction cell</td>
			<td>Titan-Halbzeug GmbH</td>
			<td>121-238</td>
			<td>manufactured by workshop at BGR according to dimensions supplied from Titanium grade 2 rods from Titan-Halbzeug GmbH</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium valve</td>
			<td>Nova Swiss Technologies</td>
			<td>ND-5002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Whatman membrane filters nylon</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>WHA7402004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ZnSO4x7H2O</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>Z4750</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using flexible gold-titanium reaction cells to simulate pressure-dependent microbial activity in the context of subsurface biomining

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.

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig1.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig2.jpg"> Рисунок 2: Размерные чертежи титановых деталей, отданных из стержней титанового класса 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig3.jpg"> Рисунок 3: Изменения концентраций железа в клетке реакции золото-титана с культурой окисления железа. Клетки культивировались анаэробно при 30 градусах Цельсия. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig4.jpg"> Рисунок 4: Морфология культуры окисления железа, выращенной в 1 баре и 100 бар. Клетки культивировались анаэробно при 30 градусах Цельсия. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining at JoVE.com

Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining

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.

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

Laboratory studies investigating subsurface microbial processes, such as metal leaching in deep ore deposits (biomining), share common and challenging ...

Биоминирование описывает применяемый биолеашинг для извлечения медных и других металлов давления из горных пород путем растворения сульфидов металла с помощью ацидофильных бактерий. Например, медь coopashefa руды могут быть извлечены с этой бактерией путем растворения сульфидов. И медь сульфат богатый раствор затем генерируется, из которого медь может быть легко извлечены.На месте биоминирования является добыча металлов с помощью бактерий без необходимости раскопок и горнодобывающей деятельности под землей или в открытом яме. Вместо этого, богатый железом кислый раствор закачивается в скальное образование, металлические сульфиды растворяются, а богатый металлом раствор откачивается обратно на поверхность, из которой затем можно извлечь металлы. В данном эксперименте есть реакторная ячейка высокого давления, которая имитирует условия при глубоком образовании.Бактерии изучаются и их деятельность, связанная с сокращением железа в сочетании с окисление соединений серы, и, в частности, мы заинтересованы в том, чтобы увидеть, насколько активны клетки находятся под высоким давлением, и как их темпы меняются под давлением. Для экспериментов можно использовать реактор высокого давления, как по изображено здесь, и может имитировать условия давления до 350 бар. Дно реактора высокого давления состоит из реакторного сосуда, который может содержать образец жидкости с микробной культурой.Головная часть реактора предлагает широкий спектр соединений для мер безопасности и датчиков мониторинга. Например, температура или давление внутри реактора. Большинство реакторов высокого давления изготовлены из нержавеющей стали.Этот материал предлагает высокую устойчивость и хорошие свойства обработки. Однако для некоторых применений, таких как эксперименты с кислыми или высоко уменьшающимися аквозными растворами, коррозионная устойчивость поверхности из нержавеющей стали может оказаться недостаточной. Один из способов избежать этого заключается в том, чтобы вставить лайнер в реактор судна.Здесь лайнер сделан из тефлона. Теффлон имеет высокую коррозионную устойчивость, но он поставляется с более высоким риском загрязнения, так как он не может быть стерилизован автоклавом и железные лица могут осаждаться на его поверхности. Другим материалом вкладыша, который может быть использован, является кварцевое стекло.Это легко чистить, может быть стерилизована путем автоклавирования, и в меньшей степени зависит от кислых или сокращения aqueous решения Даже если лайнер материал может помочь предотвратить нежелательные реакции образца с стеной реактора из нержавеющей стали, некоторые проблемы остаются. Если образуется коррозионный газ, например сероводород, этот газ может вреагировать с обнаруженной поверхностью головки реактора, сидящей над лайнером. Другим недостатком является то, что невозможно вывести образец из реактора без изменения давления.Чтобы преодолеть эти ограничения, мы использовали специальную реакционной ячейку, гибкий золотой мешок с титановой головой. Золотая поверхность устойчива к коррозии к кислым или уменьшая растворам и газам. Титановая поверхность также очень инертна.Когда формировать непрерывный слой диоксида титана, здесь видно темно-синим цветом. Во время отбора проб, золотой мешок сокращается в объеме. Объем золотого мешка не должен быть уменьшен более чем на 50%, чтобы предотвратить образование резких изломов и краев.Части показаны здесь отдельные части внутренней установки эксперимента золотой мешок. Можно увидеть, снизу вверх, гибкий золотой мешок реакционной ячейки, титановой системы уплотнения, состоящий из титановой головки, шайба, и сжатие смелое кольцо, и выборки трубки и клапана для доступа к реакции ячейки во время работы режима. Теперь мы перемасым образец в клеток реакции золотого титана.Во-первых, откройте и откройте пустую камеру, и загрузите весь входящий материал на подвижный лоток. Закройте и закройте переднюю крышку. После эвакуации анти-камеры, носить перчатки пары и получить ближе всего к внутренней крышке.Разблокировьте и откройте внутреннюю крышку, чтобы удалить входящий материал из подвижного лотка. Разверните чистый золотой мешок и закрепив его стенд. Откройте бутылку сыворотки, которая содержит 100 мл бактериальной культуры и элементарной серы.Аккуратно встряхните бутылку сыворотки и перенесите бактериальную культуру в золотой мешок. Вставьте титановую головку со сборкой трубки в титановую крышку на золотой мешок. Затем сдвиньте шайбу и сжатое смелое кольцо над титановой трубкой отбора проб.Закрепите шесть винтов вяза в той же степени, чтобы обеспечить равномерное распределение давления титановой шляпы на верхнем краю золотого мешка в титановой крышке. Это уплотнительная поверхность клетки реакции золотого титана. Переутомляйте клапан отбора проб в верхней части титановой трубки.Затяните руку соединения плотно. Затем, убедитесь, что закрыть клапан. Теперь основной элемент реактора высокого давления полностью собран и может быть установлен в реакторной шляпе.Теперь может состояться установка реактора высокого давления. Это происходит с очень коротким воздействием открытого конца трубки отбора проб в окружающую атмосферу, так как клапан отбора проб должен быть удален, чтобы получить трубку через винт уплотнения в головке реактора. Прекратите удаление клапана отбора проб и винтов из трубки для отбора проб.Руководство трубки через голову реактора, слайд большой винт над трубкой, и закрепить небольшой крышкой. Теперь сборка реакционной ячейки не может скользить назад через головку реактора, и обе руки могут свободно повторно установить клапан отбора проб. Удалите головную голову реактора со скамейки порока, чтобы установить его на реакторный сосуд.Головка реактора, включая тепловую пару, должна быть тщательно помещена на реакторное судно, чтобы не повредить золотой мешок или тепловую пару. Наконец, надежная крышка, оснащенная разделенным кольцом и компрессионными болтами, фиксируется вокруг головки реактора и сосуда, чтобы надлежащим образом запечатать систему. Реактор высокого давления тщательно установлен в устройстве-качалке, чтобы избежать потенциальных повреждений, особенно синяков пальцев.Реактор высокого давления фиксируется двумя зажимами, сдвинуть на пару винтов. Шайбы и винт орехи держать зажимы на месте. Подключите блоки управления для тепловой пары и датчик давления.Важно обеспечить достаточную длину проводов для движения качания, предотвращая при этом его содержание для нагрева его поверхностей. Наконец, сдвиньте нагревательный элемент над реактором судна, и затяните его винт-замок. Вода для давления системы выносяется из резервуара насосом высокого давления.Он передается через капилляры из нержавеющей стали в реактор высокого давления. Раскачивание реактора высокого давления гарантирует тщательное смешивание реакционной ячейки. Например, газа, жидкости и/или твердых фаз в нем.Более медленная скорость качания важна для предотвращения повреждения золотого мешка быстро движущихся твердых веществ, или образованием из-за гравитационного воздействия на гибкое золото при повышенных температурах. Наша система способна вращаться по зелено-желтому углом по индикатору, который близок к 180 градусам. Экспериментальные параметры одновременно регистрируются программным обеспечением.Чтобы взять образец, 5 миллилитров шприц крепится к интерфейсу маленького замка клапана отбора проб в верхней части реактора высокого давления. Откройте клапан осторожно. Образец жидкости автоматически заталкивается в шприц из-за чрезмерного давления внутри реакционной ячейки.Закройте клапан после того, как объем образца достигнет одного миллилитра. Отсоедини шприц. Образец в шприце немедленно передается в двухми миллилитровую трубку для дальнейшей обработки.Определение микробного сокращения железа феррика до железа в реакционной клетке достигается с помощью фотометрического анализа. Серия железа стандартных решений, содержащих фиолетовый цвет концентрации зависимого железа комплекса и индикатора, железо ферроцен, служит в качестве калибровочного агента. Результаты эксперимента реактора высокого давления со специальной золотой титановой реакционной клеткой показывают, что бактерии окисляют серу и железо феррика железом и оказывают значительное влияние на давление.На рисунке показано увеличение концентраций железа в течение 22 дней для эксперимента, выполненного при давлении одного бара и 100 бар. Приблизительно, 31 и 13 миллимоле железа были обнаружены в анализах в одном баре и 100 бар, соответственно. Это ясно показывает, что микробные клетки были активны даже на 100 бар, но что их феррик железа снижение активности было значительно ниже при высоком давлении.Сканирование изображения электронного микроскопа показывает, что клетки в форме стержня растут в эксперименте при низком и высоком давлении. Гибкая клетка реакции золотого титана, разработанная Сейфридом и его коллегами в 1979 году, может быть использована для различных научных исследований, и все они, включая реакции с коррозионными газами и жидкостями. Одним из применений может быть определение теплолюбия утюгов и газов при высоком давлении и температурах.Другой может быть определение реакций происходит в период формирования нефти и газов. И третий, как и в исследовании здесь, может быть изучение микробных реакций при повышенном давлении и температурах.

Research

JoVE Journal

Engineering

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Количественное водорода концентрации в поверхностных и интерфейсных слоев и сыпучих материалов через профилирование по глубине с анализом ядерной реакции

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Динамический Поры масштабе пластового состояние визуализации реакции в карбонатных коллекторах с использованием синхротронного Fast томографии

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

In Vitro Culture of Epicardial Cells From Mouse Embryonic Heart

In Vitro Culture of Epicardial Cells From Mouse Embryonic Heart

Экстракорпоральное культуры эпикардиального клеток из эмбриональных сердца

During embryogenesis, the epicardial contribution to coronary vasculature development has been very well established. Cells derived from the epicardium ...

Adsorption Device Based on a Langatate Crystal Microbalance for High Temperature High Pressure Gas Adsorption in Zeolite H-ZSM-5

Адсорбция устройство, основанное на лангатата Кристалл микровесов для высоких температур газа высокого давления адсорбции в цеолите H-ZSM-5

We present a high-temperature and high-pressure gas adsorption measurement device based on a high-frequency oscillating microbalance (5 MHz langatate ...

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

Локализация дефектов при структурном нагреве с использованием лазерной прогнозируемой фототермической термографии

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Визуально на основе характеристик движения зарождающегося частиц в обычных подложек: от ламинарного турбулентных условиях

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Pore-scale Imaging and Characterization of Hydrocarbon Reservoir Rock Wettability at Subsurface Conditions Using X-ray Microtomography

Поры масштаба изображений и характеристик смачиваемости рок резервуар углеводородов в подземных условиях, с использованием рентгеновской микротомографии

In situ wettability measurements in hydrocarbon reservoir rocks have only been possible recently. The purpose of this work is to present a protocol to ...

CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

CO2 Photoreduction к CH4 Производительность под концентрацией солнечного света

We demonstrate a method for the enhancement of CO2 photoreduction. As the driving force of a photocatalytic reaction is from solar light, the basic idea ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

Мультимодальная 3D печать фантомов для имитации биологических тканей

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

Study of a Dot-patterning Process on Flexible Materials using Impact Print-Type Hot Embossing Technology

Изучение процесса узоризации точек на гибких материалах с использованием технологии горячего эмбоссирования Impact Print

Here we present our study on an impact print-type hot embossing process which can create dot patterns with various designs, widths, and depths in real ...