إعداد العمود التجريبية لدراسة التفاعلات الكيميائية الأرضية الأحيائية اللاهوائية بين هيدروكسيدات الحديد (أوكسي)، والعناصر النزرة، والبكتيريا

الهدف العام من هذا الإعداد التجريبي هو دراسة مصير المعادن النزرة في ظل ظروف تقليل الكبريتات و / أو الحديد الناجمة عن الأنشطة الميكروبية. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال الكيمياء الجيولوجية الحيوية مثل التفاعلات بين الدورات البيوجيوكيميائية الرئيسية مثل الزئبق والزرنيخ. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنه بسبب التدفق المستمر للمياه ، يتم فصل ديناميكيات التفاعلات البيوجيوكيميائية وقابلية العناصر النزرة ويمكن الوصول إليها من خلال منافذ أخذ العينات.

وهكذا ، يمكن أن توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة لمصير الزئبق والزرنيخ كما هو موضح هنا ينتهي بأكاسيد الحديد. يمكن أيضا تطبيقه على العناصر النزرة الأخرى أو الركائز الحاملة. عرض الإجراء سوف حفيظة تريس ، فنية من مختبرنا.

لبدء هذا الإجراء ، أضف 500 مل من الماء عالي النقاء إلى مفاعل زجاجي مجهز بقضيب تحريك مغناطيسي. أضف 50 جراما من سداسي هيدرات كلوريد الحديد (III) أثناء التحريك. أضف يدويا حوالي 50 مل من محلول 10 مولي من هيدروكسيد الصوديوم لبدء ترسيب الفيريهدريت.

بعد ذلك ، اضبط الرقم الهيدروجيني على ستة واستمر في التقليب لمدة ساعة واحدة حتى يستقر. بالنسبة للهيدروكسيدات والأوكسي هيدروكسيدات المسننة بالزرنيخ ، قم بإعداد 100 مل من ثالث أكسيد الزرنيخ بتركيز 10 جرام لكل لتر. ثم أضف 70 مل من هذا المحلول إلى محلول أكسيد الحديد.

استمر في التقليب لمدة ثلاث ساعات. بعد ذلك ، جهاز الطرد المركزي عند 2 ، 000 غرام لمدة 20 دقيقة. قم بإزالة المادة الطافية وأعد تعليق الحبيبات ب 50 مل من الماء عالي النقاء.

كرر إعادة تعليق الطرد المركزي مرتين إضافيتين. استرجع وخزن الهيدروكسيدات الرطبة وأوكسي هيدروكسيدات كما هو موضح في بروتوكول النص. احتفظ بأربعة جرامات من هلام السيليكا في 40 مل من هيدروكسيد البوتاسيوم بنسبة 7٪ على صفيحة ساخنة مع التحريك بشريط تحريك مغناطيسي حتى يذوب.

أضف 60 مل من الماء عالي النقاء. قم بتبريد المحلول على الثلج إلى حوالي 20 درجة مئوية لتجنب وضع الجل بسرعة كبيرة. قم بمعايرة خليط هلام السيليكا بحمض الفوسفوريك بنسبة 20٪ إلى درجة الحموضة 7.5.

بعد ذلك ، امزج بسرعة هلام السيليكا السائل مع 320 جراما من الرمل المعقم الممزوج مسبقا ب 18.3 جراما من أكاسيد الحديد المسننة بالزئبق أو الزرنيخ قبل أن يتصلب. باستخدام ملعقة ، قم بتفتيت الخليط المتبلور. لبدء إعداد الأعمدة الزجاجية ، قم بتوصيل السترات المائية بنظام تبريد المياه.

اضبط النظام للحفاظ على متوسط درجة حرارة 20 درجة مئوية. قطع أطوال أنابيب PTFE بقطر داخلي يبلغ ثلاثة ملليمترات مع التأكد من وجود طول كاف لمدخل ومخرج العمود. ثم أضف طبقة من الصوف الصخري الرطب إلى العمود من الأعلى.

أضف 320 جراما من الرمل المعقم. أضف الطبقة النهائية المكونة من الرمل المعقم المختلط مسبقا وأكاسيد الحديد غير المتبلورة المائية المسننة المثبتة في مصفوفة هلام السيليكا. بعد ذلك ، قم بتوصيل التدفق بالأنابيب التمعجية.

قم بتوصيل الطرف الآخر من الأنبوب التمعجي بإمدادات وسط المياه. قم بتوصيل تدفق تصاعدي من الماء المعقم فائق النقاء الذي يتدفق باستمرار بواسطة غاز النيتروجين بسرعة منخفضة تبلغ حوالي ملليلترين في الساعة. بعد ذلك ، قم بتغطية العمود بورق الألمنيوم لحجب الضوء.

بعد أسبوعين ، لوحظ راسب أسود اللون عند الواجهة بين طبقتي الرمل. تغزو هذه المنطقة السوداء تدريجيا المناطق العلوية من هيدروكسيد الحديد وأوكسي هيدروكسيد مع تحول الطبقة العليا بأكملها إلى اللون الأسود بنهاية التجربة. بعد 35 يوما من التشغيل المستمر ، تنخفض مستويات الكبريتات المقاسة تليها زيادة عابرة في إجمالي الحديد المذاب.

من اليوم 60 فصاعدا ، يلاحظ أن إجمالي الزرنيخ المذاب يرتفع بشكل كبير. في اليوم 54 ، يتم تحديد المعلمات الفيزيائية والكيميائية. بينما يظل الرقم الهيدروجيني قريبا من الرقم الهيدروجيني سبعة على طول العمود ، فإن جهد الأكسدة والاختزال يتغير بشكل كبير مع اقتراب القيم من سالب 200 مللي فولت في المنطقة المستنفدة للحديد حيث يحدث تقليل الكبريتات ويقترب من سالب مللي فولت في الأعلى حيث يحدث تقليل الحديد البكتيري والكيميائي.

تصل تركيزات الكبريتات الذائبة إلى حوالي 20 ملليغرام لكل لتر في الطبقات السفلية وتنخفض إلى أقل من ملليغرام واحد لكل لتر في المنطقة الغنية بالحديد. تنخفض الكبريتات أيضا بشكل حاد عند الواجهة بين المناطق المحرومة من الحديد والمناطق الغنية بالحديد مما يشير إلى ذروة نشاط تقليل الكبريتات. وفي الوقت نفسه ، يتم اكتشاف الزرنيخ في المنطقة العليا بينما ترى أنواع الثيوأرسينات بالقرب من الواجهة وتكون ثيوكبريتات في الطبقة السفلية المحرومة من الحديد.

تشير ملامح التركيز هذه إلى ذروة نشاط تقليل الكبريتات عند السطح البيني بين الطبقات المحرومة من الحديد والطبقات الغنية بالحديد. باتباع هذا الإجراء ، يمكن إجراء طرق أخرى مثل الفحص المجهري الإلكتروني أو التحليل الطيفي رامان أو فحوصات النشاط من أجل الإجابة على أسئلة إضافية مثل المعادن الجديدة التي تتشكل أو المجتمعات البكتيرية التي تطورت. لا تنس أن العمل مع الزئبق والزرنيخ يمكن أن يكون خطيرا للغاية ويجب استخدام الاحتياطات مثل هذه القفازات وأغطية الدخان أثناء تنفيذ هذا الإجراء.