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

Vi tackar Robert Rosenbauer (USGS, Menlo Park) för att dela hans expertis på den flexibla guld-Titan reaktions celler, och Georg Scheeder (BGR) för sin input under den inledande fasen av inrättandet av det modifierade systemet i Hannover. Vi vill tacka många forskare (inklusive Katja Heeschen, Andreas RISSE, Jens Gröger-Trampe, Theodor Alpermann) med hjälp av setup i Hannover i många projekt som bidrog i små förbättringar längs vägen och Christian Seeger för att utveckla en gungapparat för högtrycks reaktorerna. Vi tackar Laura Castro (Complutense-universitetet i Madrid) för SEM-observationer. Och slutligen vill vi uttrycka vår tacksamhet till Nils Wölki för att ha producerat denna högkvalitativa video för artikeln. Detta arbete stöddes av EU Horizon 2020 Project BIOMOre (bidragsöverenskommelse # 642456).

1. beredning av medel och inympning av den mikrobiella kulturen
<ol><li>Förbered ett basalt salt medium för autotrofiska prokaryoter enligt publicerad teknik13. Lös upp och blanda kemikalierna nedan i destillerat vatten (mg/L):na 2så4· 10h2o (150) (NH4)2så4 (450), KCL (50), MGSO4· 7h2o (500), KH2Po4 (50) och ca (No 3) 2· 4h2O (7).</li>
	<li>Tillsätt 1 mL/L av en 1000X koncentrerad spårelement lösning som innehåller (g/L): ZnSO4· 7h2o (10), CuSO4· 5H2o (1), mnso4· H2o (0,76), COSO4· 7h2o (1), CRK (så4)2· 12h2o (0,4), H3BO3 (0,6), namoo4· 2H2o (0,5), Niso4· 6H2o (1), na 2 SeO4 (0,51), na2wo4· 2H2O (0,1), och Navo3 (0,1). Justera pH till 1,8 genom att tillsätta 5 M svavelsyra.</li>
	<li>Sterilisera mediet i en autoklav vid 121 ° c och 1,2 bar i 20 min och sterilisera järnlösning järn genom filtrering genom en 0,22 μm porstorlek spruta filter.</li>
	<li>Överför 50 mL av det steriliserade basala salt mediet till en serum flaska och tillsätt järnlösning av järn och Elementärt svavel till en slutlig koncentration på 50 mM respektive 10 g/L.</li>
	<li>Inokulera mediet med en blandad kultur som består av flera mesoacidos philic Iron-oxiderande prokaryoter14.</li>
	<li>Locket serum flaskan med steriliserade butylgummiproppar och tätning med aluminium crimps.</li>
	<li>Kraftigt bubbla odlingsmediet med N2 till band upplöst syre i 25 min. Använd två nålar, placera en djupare i flaskan huvudet, den andra en nära locket.</li>
	<li>Injicera CO2 för att få en 90% N2 och 10% Co2 atmosfär i headspace av serum flaskan. Inkubera kulturen utan omrörning vid 30 ° c i mörker.</li>
</ol>2. beredning av guld-Titan reaktions cellen och högtrycks reaktorn
<ol><li>Rengör guld-Titan reaktions cellen.<ol>
<li>Demontera reaktions cellen i de enskilda delarna för att undvika kontakt med syra med rostfria stål delar, eller exponeringen av de monterade delarna med olika termiska expansions egenskaper för att värma.</li>
		<li>Rengör ytorna som kommer i kontakt med provet under experimentet (t. ex. guld påsen, Titan huvudet, Titan provtagnings röret och Titan ventilen).<ol>
<li>Sätt guld påsen och Titan huvudet i en glasbägare.</li>
			<li>Lägg till tillräckligt med 10% HCl för att täcka alla delar.</li>
			<li>Värm syran på en värmeplatta till 50 ° c under 3 h under omrörning.</li>
			<li>Ta bort delar med PTFE pincett från Syralösningen och skölj dem med avjoniserat vatten.</li>
			<li>Skölj den inre ytan av guld påsen och Titan huvudet grundligt med 65% HNO3 och sedan med avjoniserat vatten.</li>
			<li>Skölj den inre ytan av Titan provtagnings röret och Titan ventilen med 10% HCl, följt av avjoniserat vatten, 65% HNO3, och sedan avjoniserat vatten igen.</li>
			<li>Rengör alla delar från organisk kontamination genom att skölja dem med aceton.</li>
			<li>Torka alla delar i ugnen vid 105 ° c i minst 1 h.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Värm ytorna i guld påsen, Titan huvudet och Titan provtagnings röret genom att utsätta dem för en temperatur på 450 ° c för 4 h i en muffelugn i en luft atmosfär. Anmärkning: denna procedur steriliserar ytorna och resulterar i bildandet av en passivering titandioxid skikt på alla Titan ytor. Titan delarna bör ha en gul till blå färg efter värmebehandlingen.</li>
		<li>Anneal guld cellen för att öka flexibiliteten i guldet genom att återställa små kristallisation domäner genom att tillämpa värme med en propan ficklampa. Värm guld ytan runt för att minska Kinks i guldet som kan ha bildats under den sista krympningen av guld påsen volym i ett experiment. Se till att inte värma guldet för mycket på ett ställe för att undvika dess smältning. Obs: ett rött sken av guld ytan visar tillräcklig värme.</li>
		<li>Montera guld påsen i Titan krage, och Titan provtagnings slangen i Titan huvudet med ett vridmoment på 10 Nm för körtlar.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Inspektera högtrycks reaktorn.<ol>
<li>Visuellt kontrollera reaktorn för eventuella skador, korrosion, och lösa delar. Obs: särskild uppmärksamhet bör ägnas åt tätningen och spåret där tätningen äger rum. Om en grafit packning tidigare användes för att täta reaktorn, rester av det kan fortfarande vara i spåret och bör avlägsnas med en plast stift innan nästa experiment.</li>
		<li>Applicera kopparsulfidpasta på tryckbultarna i högtrycks reaktor huvudet. Se till att fettet fördelas över hela tråden.</li>
		<li>Kontrollera skruven-passande kompressions tätning för längden på den återstående grafit packning.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. fyllning och montering av guld-Titan reaktions cell under anoxiska förhållanden
<ol><li>Lägg i handskfacket.<ol>
<li>Förbered odlingsmediet i serum flaskorna enligt avsnitt 1.</li>
		<li>Linda de delar av goldtitanium reaktions cellen som senare kommer att vara i kontakt med provet i aluminiumfolie för att minimera eventuella föroreningar.</li>
		<li>Öppna och lås upp förrum i handskfacket, Fyll på allt inkommande material på det rörliga magasinet och Stäng och lås den främre luckan.</li>
		<li>Evakuera förrum 3x och översvämma den med hög renhet kväve.</li>
		<li>Bär ett par handskar och få så nära som möjligt till den inre luckan. Lås upp och öppna det inre höljet för att ta bort det inkommande materialet från det flyttbara facket.</li>
		<li>Stäng och lås den inre luckan.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fyll guld cellen.<ol>
<li>Packa upp den rena guld påsen och stå upp med en glasbägare, till exempel. Öppna serum flaskan som innehåller 100 mL bakteriekultur och Elementärt svavel.</li>
		<li>Skaka försiktigt serum flaskan och överför bakteriekulturen till guld påsen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montera reaktions cellen.<ol>
<li>Sätt i Titan huvudet med den bifogade Titan provtagnings röret i Titan krage innesluter den övre kanten av guld påsen. Obs: se till att tätningsytan på den koniska nedre delen av Titan huvudet passar smidigt genom att vrida den 90 ° fram och tillbaka.</li>
		<li>Skjut brickan och kompressions bulten ringen över Titan provtagnings röret på Titan huvudet. Obs: Vrid kompressions ringen i Titan kragen med 30 ° för att rikta in flänsarna på Titan kragen och framstötbultringen.</li>
		<li>Fäst de sex insexskruvarna i samma utsträckning för att säkerställa en jämn tryckfördelning av Titan huvudet på den översta kanten av guld påsen i Titan kragen (dvs. tätningsytan av reaktions cellen). Anmärkning: fäst insexskruvarna i kompressions bulten ringen tills hand-tight så att vridmomentet för de motsatta skruvarna ökas först (crisscrossing) innan du fortsätter medurs.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montera provtagnings ventilen på ovansidan av Titan röret. Fäst anslutningen hand-tight och se till att stänga ventilen.</li>
	<li>Ta bort alla delar från handskfacket.</li>
</ol>4. montering av högtrycks reaktorn med reaktions cellen
<ol><li>Montera reaktions cellen i reaktor huvudet. Anmärkning: installationen av högtrycks reaktorn kommer med en mycket kort exponering av den öppna änden av provtagnings röret till den omgivande atmosfären, eftersom provtagnings ventilen måste avlägsnas för att vägleda röret genom skruv tätningen i reaktor huvudet. För installationen bör reaktor huvudet redan placeras i en bänk vise. En 45 ° vinkel möjliggör enklare hantering. Kompressions tätningen (placerad i det centrala läget av reaktor huvudets Gage-blockenhet), som håller provtagnings röret på plats, måste vara öppet.<ol>
<li>Ta bort Titan provtagnings ventilen, skruven och halsbandet ovanpå provtagnings röret.</li>
		<li>Vägleda röret med reaktions cellen fäst genom det centrala hålet i reaktor huvudet tills ca 5 cm av röret passera. Skjut den stora skruven över röret och fäst den lilla kragen. Obs: nu reaktionen cell sammansättningen inte kan glida tillbaka genom reaktorn huvudet och båda händerna är fria att installera provtagnings ventilen.</li>
		<li>Sätt tillbaka Titan ventilen.</li>
		<li>Dra åt kompressions tätningen.</li>
		<li>Ta bort reaktor huvudet från bänken vise för att installera det på reaktorkärlet.</li>
	</ol></li>
	<li>Förbered för att täta reaktorn.<ol>
<li>Sätt grafittätning på spåret av reaktorkärlet.</li>
		<li>Placera försiktigt reaktor huvudet med den bifogade reaktions cellen på reaktorkärlet. Anmärkning: reaktor huvudet, inklusive termoelement, måste placeras försiktigt på reaktorkärlet för att inte skada guld påsen eller termoelement.</li>
	</ol></li>
	<li>Fyll reaktorkärlet med en blandning av avjoniserat och kranvatten (ungefär i förhållandet 1:1).</li>
	<li>Försegla reaktorn.<ol>
<li>Kontrollera kragen för att säkerställa att de nedre ändarna av kompressions bultar inte sticker ut från sina trådar. Annars kommer tryckkärlet inte att installeras korrekt.</li>
		<li>Lyft kragen och placera den runt de utskjutande kanterna på reaktorns headvessel gränssnitt. Försiktigt flytta kragen på det kommer att resultera i en ordentlig passform. Stäng fästlåsen som håller kragen på plats.</li>
		<li>Fäst kompressions skruvarna efter ett korsmönster och öka vridmomentet i måttliga steg tills det slutliga värde som rekommenderas av tillverkaren uppnås. Obs: olika högtrycksreaktorsystem kan ha olika moment värden.</li>
		<li>Skruva slutligen fast kompressions skruvarna medurs.</li>
	</ol></li>
	<li>Installera högtrycks reaktorn i Gung anordningen. Obs: installationen av högtrycks reaktorn i Gung anordningen beskrivs för en skräddarsydd modell som tillverkats vid Federal Institute for geosciences and Natural Resources i Hannover, Tyskland. Därför är den beskrivna installationen en allmän riktlinje för enheter med jämförbar design.<ol>
<li>Montera reaktorn försiktigt i Gung anordningen. Obs: det är bäst att hålla högtrycks reaktorn av Gage block församling delar (t. ex., manometer eller provtagningsrör skruvar) samtidigt sänka den i Gung anordningen.</li>
		<li>Fixera reaktorn med två klämmor över ett par långa skruvar.</li>
		<li>Placera brickor på varje skruv och dra åt klämmorna med skruv muttrar.</li>
		<li>Anslut manöverenheterna för termoelementet, tryckgivaren och värmeelement. Obs: det är viktigt att se till att alla ledningar är tillräckligt långa för den gungande rörelsen och förhindra kontakt med de uppvärmda ytorna.</li>
		<li>Skjut värmeelement över reaktorkärlet och dra åt dess skruv lås. Obs: vattnet för att pressa systemet tas från en reservoar med en högtryckspump. Det överförs genom rostfrittstål kapillärer i högtrycks reaktorn. Anmärkning: gungning av högtrycks reaktorn garanterar en grundlig blandning av reaktions cellens innehåll (dvs. gasen, vätskan och alla fasta faser i den). En långsam gunga hastighet är viktigt att förhindra skador på guld påsen genom att snabbt flytta fasta ämnen eller genom deformation på grund av gravitationens effekter på det flexibla guldet vid förhöjda temperaturer. Det gungande systemet kan rotera med nära 180 °.</li>
	</ol></li>
</ol>5. Starta experimentet
<ol><li>Kontrollera om temperatur-och tryck gränserna i övervakningsprogrammet är inställda på önskade värden. Anmärkning: i detta experiment sattes de till 70 ° c och 25 MPa.</li>
	<li>Utför en läckagekontroll.<ol>
<li>Anslut tryckröret, ett rostfrittstål kapillär, till reaktor huvudet.</li>
		<li>Höj trycket till mål trycket med distinkta intervaller samtidigt som du kontinuerligt söker efter läckage.</li>
		<li>Håll tryckkonstanten tills pumpens flödeshastighet är nästan noll. Obs: Akta dig för att compressible, upplöst luft i vatten är synlig under en lång tid i subtila flödes avläsningar.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Starta uppvärmningen efter en lyckad läckagekontroll.<ol>
<li>Starta loggning av tryck sättnings pumparna.</li>
		<li>Justera Ställ punkten för uppvärmningen till önskat värde och starta uppvärmningen med programvaran.</li>
		<li>Kontrollera regelbundet alla parametrar och systemstatus.</li>
		<li>Dra åt tryckröret efter att ha nått måltemperaturen.</li>
		<li>Starta Gung anordningen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. provtagning av högtrycks reaktorn i driftläge
<ol><li>För att ta ett prov, bifoga en 5 mL spruta till luer lock-kontakten på provtagnings ventilen på toppen av högtrycks reaktorn.</li>
	<li>Öppna ventilen försiktigt och låt vätske provet pressa in sprutan genom trycket inuti högtrycks reaktorn. Stäng ventilen efter provvolymen når 1 mL. Ta loss sprutan.</li>
	<li>Överför proverna i sprutan omedelbart till en 2 mL tub i ett draghuv för bearbetning.</li>
</ol>7. Analys av vätske prov
Anmärkning: endast stegen för den mindre vanliga fotometriska ferrozine-analysen (dvs. avsnitt 7,1) beskrivs här i detalj och nämns i videon, eftersom de andra stegen är standard Operations procedurer i mikrobiologi.
<ol><li>Använd en ferrozinanalys för att fotometriskt bestämma koncentrationen av upplöst järnjärn (FE2 +(AQ)) och totalt järn (FEtot)15.<ol>
<li>Förbered en serie järnhaltiga järn standardlösningar genom att lösa kända mängder av FeSO4· 7 H2O i vatten.</li>
		<li>Blanda 50 μL av dessa standardnivåer med 1 mL av en 1 M ferrozinlösning. Anmärkning: reaktionen av ferrozine med upplöst järn järn bildar ett lila komplex. Intensiteten av färgen korrelerar till järn järnkoncentrationen.</li>
		<li>Upprätta en kalibreringskurva mellan järn-ferrozine-koncentrationens järn koncentration och absorbans.</li>
		<li>Beräkna koncentrationen av järnjärn i ett prov från två parallella mätningar enligt den fastställda standardkurvan.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Analysera pH-värdet och oxidations-/reduktions potentialen (ORP) med digitala pH/redoxmätare med semimicro pH-elektroder, respektive en silverkloridelektrod.</li>
	<li>Räkna Planktoniska celler direkt med hjälp av ett lätt Mikroskop med en Thoma kammare.</li>
	<li>Undersök cellmorfologin genom att skanna elektronmikroskopi (SEM).<ol>
<li>Filtrera Planktoniska celler som odlas under olika förhållanden genom ett filter med 0,1 − 0,2 μm porstorlek.</li>
		<li>Dehydrera prover med aceton och förvara dem över natten vid 4 ° c i 90% aceton.</li>
		<li>Torka proverna med kritisk punkt torkning och belägga dem med grafit eller guld.</li>
		<li>Undersök prover med ett fält avgas söknings elektronmikroskop (FE-SEM) vid 10 kV.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<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>

Författarna har inget att avslöja.

Den presenterade metoden för experiment med högt tryck av mikrobiella reaktioner inom sura lösningar var ett kraftfullt verktyg för att simulera djupa geomicrobiological processer under ytan i laboratoriemiljö.
Det finns många manuella arbetsmoment inblandade, av vilka vissa kräver särskild uppmärksamhet. Som en allmän anmärkning skall ingen överdriven kraft användas vid montering av de enskilda delarna av den flexibla guld-Titan cellen och reaktor huvudet (avsnitten 3 och 4). Om tillverkarens specifikationer (t. ex. för maximalt tryck, temperatur, vridmoment) ignoreras, kan läckage och/eller materialfel uppstå.
Rengöring av guld och Titan delar (avsnitt 2,2) är ett oumbärligt arbete steg, inte bara för detta experiment, men särskilt för experiment med (i-) organiska reaktioner. Rester från tidigare experiment i guld cellen kan orsaka oönskade reaktioner och därmed polarisering av resultat. När den sammansatta guld-Titan cellen är installerad i reaktor huvudet, är det bäst att arbeta snabbt och exakt, eftersom det vid denna tid små mängder syre kan komma in i guld cellen. Stänga provtagnings ventilen innan du lämnar glovebox är en bra första åtgärd för att minimera utbytet mellan den omgivande atmosfären med det inre av guld cellen.
När reaktorn är placerad i Gung anordningen, är det viktigt att ställa in den gungande rörelsehastigheten till ~ 170 °/min. Om högtrycks reaktorn rör sig för fort, kan bristning av guld cellen hända på grund av gravitationseffekter eller vassa kanter av sediment eller stenprover när de används.
Denna metod kan användas i ytterligare forskningsområden. Den flexibla reaktions cellen i guld-Titan har potential att användas för en mängd olika vetenskapliga undersökningar9 studera reaktioner vid förhöjt tryck och temperatur och i starkt korrosiva vätskor eller gaser.
Mikroorganismer i den djupa under ytan vid temperaturer över 70 ° c i närvaro av mineraliska ytor kan stimulera produktionen av molekylärt väte eller organiska syror som acetat även under förhöjt tryck16. Dessa produkter, och andra föreningar, kan framkalla förhöjd mikrobiell aktivitet under in situ bioprocesser, utöver de svavelföreningar som undersökts i denna studie.
Tillämpningar omfattar bestämning av löslighet av gaser och joner i vattenhaltiga vätskor, geokemiska reaktioner vid förhållanden i hydrotermiska ventilationssystem17, kvantifiering av isotop fraktionering18, geokemiska reaktioner vid samtidig 2 upptagning19, abiotiska processer under bildandet av olja och gas i käll stenar20, och mikrobiella reaktioner vid förhöjt tryck i under ytan21 som i den aktuella studien.

Under det senaste decenniet har insatserna för att minimera gruvbrytningen på miljön ökat. Öppna grop som bryter för den rå materiella extraktionen av malm (e.g., koppar-rika sulfidmalm), påverkar det surrounding landskapet vid utgrävnings aktiviteterna och vid de stora resterande volymerna av förloradt vaggar och återstår av bearbetad malm efter extraktionen av dyrbart metaller som koppar. Utvinna koppar direkt från malm i underlaget skulle avsevärt minska dessa effekter. Tekniken för in situ biomining är en lovande kandidat för denna process1. Denna publikation beskriver användningen av stimulerad mikrobiell aktivitet för att extrahera ädelmetaller från malm till en vattenlösning i under ytan. Således kan en koppar-rik lösning lätt pumpas tillbaka till ytan för att ytterligare koncentrera metallen, till exempel.
Aktiviteten av malm-lakning sur mikroorganismer har studerats i många laboratorier för ett varierat utbud av parametrar2,3,4,5,6. Emellertid, Tryckeffekter på den mikrobiella aktiviteten till följd av skillnaden mellan omgivande ytan Lab villkor (nära 1 bar) och under ytan på ett djup av 1 000 m med hydrostatiska förhållanden (~ 100 bar), är inte väldokumenterade. Därför har effekterna av trycket på mikrobiell järn reduktion undersökts genom olika experimentella avenyer7. Här beskrivs den mest lämpade tekniken i detalj.
Högtrycks reaktorer har använts i stor utsträckning för att studera reaktioner vid tryck och temperaturer som inträffar i jordens under yta. Sådana reaktorer består av ett Reaktorkärl i botten som kan innehålla ett vätske prov med en mikrobiell kultur. Sitter ovanpå reaktorkärlet, reaktorn huvudet erbjuder ett varierat utbud av anslutningar och gränssnitt för säkerhetsåtgärder och övervakning sensorer (t. ex., temperatur eller tryck). De flesta högtrycks reaktorer är tillverkade i rostfrittstål. Detta material erbjuder hög motståndskraft och goda bearbetningsegenskaper, men korrosionsbeständigheten hos ytan av rostfrittstål är inte tillräcklig för varje applicering. Till exempel, om mycket sura eller mycket reducerande vattenlösningar undersöks, kan betydande reaktioner av föreningar av intresse med reaktor väggen uppstå. Ett sätt att undvika detta är att sätta in en liner i reaktorkärlet, till exempel en liner tillverkad av borosilikatglas7. Den är lätt att rengöra och kan steriliseras genom autoklavering. Dessutom är det inte attackeras av sura eller minska vattenlösningar. Även om en liner kan bidra till att förhindra konstgjorda reaktioner av lösningen eller mikrober i lösningen med rostfrittstål reaktor väggen, kvarstår flera problem. För en, om en frätande gas bildas, såsom vätesulfid produceras av sulfat-reducerande bakterier, denna gas kan reagera med den avtäckta ytan av reaktorn huvudet sitter ovanför liner. En annan nackdel är att det inte är möjligt att dra tillbaka ett prov från reaktorn samtidigt som trycket bibehålls.
För att övervinna dessa begränsningar har specialiserade flexibla reaktions celler i högtrycks reaktorerna utvecklats för en mängd olika tillämpningar. En flexibel polytetrafluoretylen (PTFE) cell8 utformades för löslighets studier av salter i mycket saltlösning brines. Men begränsningen av detta system är att vissa gaser lätt kan tränga igenom PTFE. Dessutom har detta material fortfarande en relativt låg temperatur stabilitet. Således förbättrades systemet genom att designa en flexibel guld påse med ett Titan huvud9 att placeras inuti rostfrittstål högtrycks reaktor. Guld ytan är korrosionsbeständig mot sura eller reducerande lösningar och gaser. Titan ytan är också mycket inert vid passiverat grundligt för att bilda ett kontinuerligt titandioxidskikt. Vid provtagning från denna reaktions cell genom ett anslutet Titan provtagningsrör krymper guld påsen i volym. Systemets inre tryck bibehålls genom att pumpa samma volym vatten, vilket tas ut genom provtagning, i den rostfria högtrycks reaktorn som rymmer reaktions cellen. Provet inuti reaktions cellen hålls i rörelse genom att man skakar eller lutar högtrycks reaktorn med mer än 90 ° under experimentet.
Reaktions cellen består av de delar som avbildas i figur 1: guld påsen, Titan krage, Titan huvud, rostfri bricka, Titan kompressions bultring, Titan provtagningsrör med rostfria körtlar och kragar för högtryck koned och gängade anslutningarna på båda sidor och Titan ventilen. Guld påsen är en cylindrisk guld (AU 99,99) cell med en väggtjocklek av 0,2 mm, en ytterdiameter på 48 mm, och en längd av 120 mm.
Alla Titan delar är skräddarsydda av workshopen från Titan grade 2 stavar. Dimensionerna på kragen, huvud, bricka och kompressions bult ringen är synliga i figur 2. Titan provtagnings röret är en kapillär av Titan med en ytterdiameter på 6,25 mm och en väggtjocklek på 1,8 mm, vilket resulterar i en innerdiameter på 2,65 mm. Den är fixerad i Titan huvudet och Titan ventilen genom högtrycks konade och gängade anslutningar som säkerställer en tätning av Titan-mot-Titan ytor. Högtrycks Titan ventilen är utrustad med en långsam öppnings stam för att möjliggöra mycket kontrollerad öppning eller provtagning även vid högt tryck. Detta system användes i talrika studier10,11,12.

<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

Laboratoriestudier som undersöker mikrobiella processer under ytan, såsom metall urlakning i djupa malmfyndigheter (biomining), delar gemensamma och utmanande hinder, inklusive de speciella miljöförhållanden som måste replikeras, t. ex. och i vissa fall sura lösningar. Den förstnämnda kräver en experimentell inställning som lämpar sig för trycksättning upp till 100 bar, medan den senare krav en vätskebehållare med hög kemisk resistens mot korrosion och oönskade kemiska reaktioner med container väggen. För att uppfylla dessa villkor för en ansökan inom området för in situ biomining, en speciell flexibel guld-Titan reaktion cell i en gungande högtrycks reaktor användes i denna studie. Det beskrivna systemet tillät simulering av in situ-biomining genom svavel driven mikrobiell järn reduktion i en anoxisk, tryckstyrd, mycket kemiskt inert experimentell miljö. Den flexibla reaktions cellen i guld-Titan rymmer upp till 100 mL provlösning, som kan provtas vid en given tidpunkt medan systemet bibehåller önskat tryck. Experiment kan utföras på tidsskalor som sträcker sig från timmar till månader. Att montera högtrycks reaktor systemet är ganska tidskrävande. Ändå, när komplexa och utmanande (mikrobiologiska) processer som förekommer i jordens djupa under ytan i kemiskt aggressiva vätskor måste undersökas i laboratoriet, fördelarna med detta system överväger nackdelarna. Resultaten fann att även vid högt tryck det mikrobiella konsortiet är aktiv, men till betydligt lägre metabolismpriser.

Resultaten av högtrycks reaktor experimentet med den speciella Gold-Titanium-reaktionscellen visar att den mikrobiella blandade kulturen hos sur philes oxiderade svavel och reducerade järnjärn till järn (figur 3).
Vid både 1 bar eller 100 bar tryckförhållanden, hade kulturerna en fördröjning fas när odlas i guld-Titan reaktions cellen. Efter denna period skedde en snabb ökning av järn järnhalten från ca 9 mM till 31 mM i den odlade kulturen vid 1 bar. Under inkubationstiden på 22 dagar upptäcktes ~ 31 mM och 13 mM järnjärn i analyserna vid 1 bar respektive 100 bar. Detta visar tydligt att de mikrobiella cellerna var aktiva på 100 bar, men deras järnreducerande järns aktivitet var signifikant lägre vid förhöjt tryck. Abiotisk kontroll experiment som utförs i Hungate rör och serum flaskor visade inte järn minskning järnet på 1 bar och 100 bar.
Bilderna på scanningelektronmikroskopi (figur 4) visar stavformade celler som odlas i experiment vid låga och höga tryck. Ingen signifikant förändring i cellmorfologin observerades vid 1 bar kontra 100 bar. Emellertid, celltillväxt var uppenbarligen hämmas av förhöjt tryck, som cell nummer var 1,3 x 108 celler/ml vid 1 bar i jämförelse med 4,5 x 107 celler/ml vid 100 bar7. Dessa data är jämförbara med testerna utförda i Hungate Tubes7. Således hade den flexibla guld-Titan reaktions cellen själv ingen effekt på celltillväxt och var lämplig för mikrobiell tillväxt tester.
Resultaten visar att bio mikroorganismer är aktiva även vid ett högt tryck på 100 bar, som är mycket relevant för in situ biomining eftersom sådana förhållanden förekommer i djupa malmfyndigheter på ett djup under 1 000 m7.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig1.jpg"> Figur 1: översikt över reaktions cells delarna. Från botten till toppen: guld påsen, Titan krage, Titan huvud, bricka, Titan kompression bult ring, Titan provtagning röret med rostfritt körtlar och kragar för högtryck koned och gängade anslutningar på båda sidor, och Titan ventilen med en adapter för anslutning av en Luer-Låsspruta. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig1large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig2.jpg"> Figur 2: dimensions ritningar av Titan delar bearbetade från stavar av Titan grade 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig3.jpg"> Figur 3: förändringar av järnjärnskoncentrationerna i den guld-Titan reaktions cellen med järn-oxiderande kulturen. Celler odlades anaerobt vid 30 ° c. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60140/60140fig4.jpg"> Figur 4: morfologi av järn-oxiderande kultur odlas på 1 bar och 100 bar. Celler odlades anaerobt vid 30 ° c. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60140/60140fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</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

Detta protokoll beskriver mikrobiella experiment under förhöjt tryck för att studera in situ biomining processer. Den experimentella metoden sysselsätter en gungande högtrycks reaktor utrustad med en guld-Titan reaktion cell som innehåller en mikrobiell kultur i ett surt, järnrikt medium.

Använda flexibla reaktions celler i guld-Titan för att simulera tryck beroende mikrobiell aktivitet i samband med subsurface-Biomining

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

Biomining beskriver tillämpad Bioleaching för utvinning av koppar och andra tryckmetaller från bergarter genom att lösa upp metallsulfider med hjälp av sura bakterier. Till exempel är koppar coopashefa malm kan utvinnas med denna bakterie genom att lösa sulfiderna. Och kopparsulfat rik lösning genereras sedan från vilken koppar lätt kan utvinnas.In situ biomining är utvinning av metaller med hjälp av bakterier utan behov av utgrävning och gruvverksamhet under jord eller i en dagbrott. Istället pumpas en järnrik sur lösning ner i bergformationen, metallsulfider löses upp och den metallrika lösningen pumpas tillbaka till ytan från vilken metaller sedan kan utvinnas. I just det här experimentet finns en högtrycksreaktorcell som simulerar förhållandena nere i den djupa formationen.Bakterier studeras och deras verksamhet i samband med järn-minskning kopplade till oxidation av svavelföreningar, och i synnerhet vi är intresserade av att se hur aktiva cellerna är under högt tryck, och hur deras priser förändras under trycket. För experimenten kan en högtrycksreaktor, som den som avbildas här, användas och kan simulera tryckförhållanden upp till 350 barer. Botten av en högtrycksreaktor består av ett reaktorkärl, som kan innehålla ett vätskeprov med mikrobiell kultur.Reaktorhuvudet erbjuder ett varierat utbud av anslutningar för säkerhetsåtgärder och övervakningssensorer. Till exempel temperatur eller tryck inne i reaktorn. De flesta högtrycksreaktorer är tillverkade av rostfritt stål.Detta material erbjuder hög motståndskraft och goda bearbetningsegenskaper. Men för vissa tillämpningar såsom experiment med sura eller mycket reducerande vattenlösningar, korrosionsbeständigheten hos den rostfria ytan kanske inte är tillräcklig. Ett sätt att undvika detta är att sätta in en liner i reaktorkärlet.Här, en liner tillverkad av tefflon. Tefflon har en hög korrosionsbeständighet, men det kommer med en högre risk för kontaminering, eftersom det inte kan steriliseras genom autoklavering och järn ansikten kan fälla ut på dess yta. Ett annat linermaterial som kan användas är kvartsglas.Det är lätt att rengöra, kan steriliseras genom autoklavering, och påverkas mindre av sura eller minska vattenlösningar Även om liner material kan bidra till att förhindra oönskade reaktioner av ett prov med en rostfri reaktorvägg, flera problem kvarstår. Om en frätande gas bildas, till exempel vätesulfid, kan denna gas reagera med den avtäckta ytan av reaktorhuvudet som sitter ovanför linern. En annan nackdel är att det inte går att dra tillbaka prov från reaktorn utan att ändra trycket.För att övervinna dessa begränsningar använde vi en speciell reaktionscell, en flexibel guldpåse med ett titanhuvud. Guldytan är korrosionsbeständig mot sura eller reducerande lösningar och gaser. Titanytan är också mycket inert.När man ska bilda ett kontinuerligt titandioxidskikt, här synligt i mörkblått. Under provtagningen krymper guldpåsen i volym. Guldpåsens volym bör inte minskas med mer än 50 %för att förhindra att skarpa kinks och kanter bildas.Delar som visas här är de enskilda bitarna av guldpåsen experimentets interna setup. Man kan se, från botten till toppen, den flexibla guldpåsen reaktionscell, titan tätningssystem, bestående av en titan huvud, bricka, och kompression fet ring, och provtagningsröret och ventilen för att komma åt reaktionscellen under drift läge. Nu, överför vi provet i guld titan reaktionscellen.För det första, öppna och låsa upp den tomma kammaren, och ladda allt inkommande material på den rörliga brickan. Stäng och lås den främre luckan. Efter evakuering av anti-kammaren, bär handskeparet och kommer närmast det inre locket.Lås upp och öppna den inre luckan för att ta bort det ingående materialet från det rörliga facket. Packa upp den rena guldpåsen och säkra dess stativ. Öppna serumflaskan som innehåller 100mL bakteriekultur och elemental svavel.Skaka försiktigt serumflaskan och överför bakteriekulturen i guldpåsen. Sätt in titanhuvudet med ihopfogande rör i titankåpan på guldpåsen. Sedan skjut brickan och kompressions fet ring över titan provtagningsröret.Fäst de sex almskruvarna i samma utsträckning för att säkerställa en jämn tryckfördelning av titanhatten på den översta kanten av guldpåsen i titankåpan. Detta är tätningsytan på guldtitans reaktionscell. Åter installera provtagningsventilen längst upp på titanröret.Dra åt anslutningshanden tätt. Se sedan till att stänga ventilen. Nu är högtrycksreaktorns kärnstycke helt monterad och kan installeras i reaktorhatten.Nu kan installationen av högtrycksreaktorn ske. Detta kommer med en mycket kort exponering av den öppna änden av provtagningsröret till den omgivande atmosfären, eftersom provtagningsventilen måste tas bort för att få röret genom skruvtätningen i reaktorhuvudet. Sluta ta bort provtagningsventilen och skruvarna från provtagningsröret.Guide röret genom reaktorhuvudet, skjut den stora skruven över röret, och fäst den lilla luckan. Nu kan inte reaktionscellenheten glida tillbaka genom reaktorhuvudet och båda händerna är fria att återinstallera provtagningsventilen. Ta bort reaktorhuvudet från bänkskyldeln för att installera det på reaktorkärlet.Reaktorhuvudet, inklusive det termiska paret, måste försiktigt placeras på reaktorkärlet, inte för att skada guldpåsen eller det termiska paret. Slutligen är den robusta kåpan, försedd med splitringen och kompressionsbultarna, fast runt reaktorhuvudet och kärlet för att på lämpligt sätt täta systemet. Högtrycksreaktorn är noggrant monterad i gunganordningen för att undvika potentiella skador, särskilt blåmärken av fingrar.Högtrycksreaktorn fixeras av två klämmor som skjuts över ett par skruvar. Brickor och skruvmuttrar håller klämmorna på plats. Anslut styrenheterna för det termiska paret och trycksensorn.Det är viktigt att säkerställa den tillräckliga längden på trådarna för gungrörelse, samtidigt som den hindrar dess innehåll att värma dess ytor. Skjut slutligen värmeelementet över reaktorkärlet, och dra åt dess skruvspärr. Vattnet för att tryckskansera systemet tas från en reservoar av en högtryckspump.Det överförs genom kapillärer av rostfritt stål in i högtrycksreaktorn. Gunga av högtrycksreaktorn garanterar grundlig blandning av reaktionscellen. Till exempel av gasen, vätska, och / eller fasta faser i den.Den långsammare gunghastigheten är viktig för att förhindra att guldpåsen skadas av snabbrörliga fasta ämnen, eller genom att bildningen på grund av gravitationseffekter på det flexibla guldet vid förhöjda temperaturer. Vårt system kan rotera omkring på den grön-och gul-märkta vinkeln på indikatorn, som är nära 180 grader. Experimentella parametrar loggas samtidigt av en programvara.För att ta ett prov är en 5 milliliter spruta fäst vid provtagningsventilens lilla låsgränssnitt högst upp i högtrycksreaktorn. Öppna ventilen försiktigt. Vätskeprovet trycks in i sprutan automatiskt av övertrycket inuti reaktionscellen.Stäng ventilen efter att provvolymen nått en milliliter. Lösgör sprutan. Provet i sprutan överförs omedelbart till ett två-milliliterrör för vidare bearbetning.Bestämning av den mikrobiella minskningen av järnjärn till järnjärn i reaktionscellen uppnås genom fotometrisk analys. En serie järn järn standardlösningar som innehåller en lila färgad koncentration beroende järn järn komplex och indikator, järn ferrocene, fungerar som ett kalibreringsmedel. Resultat av högtrycksreaktorn experiment med speciella guld titan reaktionscell visar att bakterierna oxiderar svavel och järn järn till järnjärn och att det finns en betydande effekt på trycket.I figuren visas ökningen av järnjärnkoncentrationer under perioden 22 dagar för det experiment som utförs vid tryck på en bar och 100 bar. Ungefär upptäcktes 31 och 13 millimol järn i analyserna vid en bar respektive 100 bar. Detta visar tydligt att mikrobiella celler var aktiva även på 100 bar, men att deras ferric järn minska verksamheten var betydligt lägre vid högt tryck.Bilden av svepelektronmikroskop visar att stavformade celler växer i experiment vid lågt och högt tryck. Den flexibla guld titan reaktionscell som utvecklats av Seyfried och medarbetare i 1979 har potential att användas för en mängd olika vetenskapliga undersökningar, och alla av dem inklusive reaktioner med frätande gaser och vätskor. En tillämpning skulle kunna vara bestämning av lösligheten hos järn och gaser vid höga tryck och temperaturer.En annan kan vara fastställandet av reaktioner som pågår i a under bildandet av olja och gaser. Och den tredje, som i studien här, skulle kunna undersöka mikrobiella reaktioner vid förhöjda tryck och temperaturer.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Kvantifiering av vätgaskoncentrationer i Surface och gränssnitts Lager och strömaterial genom djupprofilering med kärnreaktionen Analys

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

Dynamisk Pore skala Reservoir-tillstånd avbildning av reaktion i karbonater Använda Synchrotron Snabb Tomography

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

In vitro-odling av epikardiella celler från mus embryonala hjärta

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

Adsorption enhet baserad på en Langatate Crystal Micro för High Temperature High Pressure Gas adsorption i Zeolit ​​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

Subsurface Defekt lokalisering genom strukturerad uppvärmning med hjälp av laserprojicerad fototermisk termografi

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

Visuellt baserat karakterisering av den begynnande partikel Motion i regelbundna substrat: från laminär till Turbulent villkor

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

Pore-skala Imaging och karakterisering av kolväte reservoar Rock Vätbarheten på markytan förhållanden med hjälp av röntgen mikrotomografi

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 till CH4 prestanda under koncentrera solljuset

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

Multimodala 3D-utskrifter av fantomer för att simulera biologisk vävnad

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

Studie av en punkt-mönsterprocess på flexibla material med impact print-type hot prägling teknik

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 ...