研究铁（氧）氢氧化物、微量元素与细菌之间厌氧生物地球化学相互作用的实验柱装置设置

本实验设计的总体目标是研究在微生物活动诱导的硫酸盐和/或铁还原条件下，痕量金属的归趋。该方法有助于回答生物地球化学领域中的一些关键问题，例如汞和砷等重要生物地球化学循环之间的相互作用。该技术的主要优势在于，由于持续的水流，生物地球化学反应的动力学过程以及痕量元素的活性得以分离，并可通过取样口进行监测和分析。

因此，该方法可以揭示汞和砷的归趋，如本实验所示，它们最终结合到铁氧化物上。该方法也可应用于其他痕量元素或载体基质。本实验操作将由本实验室的技术员Hafida Tris进行演示。

开始此操作时，将 500 毫升超纯水加入装有磁力搅拌子的玻璃反应器中。在搅拌的同时，加入 50 克六水合三氯化铁。手动加入约 50 毫升 10 摩尔的氢氧化钠溶液，以启动水合氧化铁的沉淀。

接下来，将pH值调节至6，并继续搅拌1小时以达到稳定。对于加标砷的氢氧化物和羟基氧化物，配制100毫升浓度为10克/升的三氧化二砷溶液，然后向氧化铁溶液中加入70毫升该溶液。

继续搅拌三小时。之后，在2,000 G条件下离心20分钟。弃去上清液，并用50毫升超纯水重悬沉淀。

重复离心和重悬操作两次。按照文本方案中所述方法回收并储存湿润的氢氧化物和羟基氧化物。将四克硅胶置于40毫升7%氢氧化钾溶液中，放在加热板上，用磁力搅拌子搅拌至完全溶解。

加入60毫升超纯水。将溶液置于冰上冷却至约20摄氏度，以避免凝胶过快固化。用20%磷酸将硅胶混合物滴定至pH 7.5。

然后，在液体硅胶凝固之前，迅速将其与320克无菌沙子混合，该沙子事先已与18.3克掺汞或掺砷的铁氧化物混合。使用刮刀将凝胶状混合物打碎。开始组装玻璃柱时，将水套连接至水冷系统。

将系统设置为维持平均 20 摄氏度的温度。使用内径为三毫米的聚四氟乙烯（PTFE）管，截取适当长度，确保其足以连接色谱柱的入口和出口。然后，从柱子顶部加入一层湿润的岩棉。

加入320克无菌沙。加入最上层，该层由先前混合的无菌沙和固定在硅胶基质中的加标水合无定形氧化铁组成。接着，将进液管连接至蠕动泵管路。

将蠕动管的另一端连接至水培养基供应装置。连接持续通入氮气的超纯无菌水，以低流速（约每小时2毫升）进行上行流动。此后，用铝箔包裹柱体以避光。

两周后，在两层沙子的界面处观察到黑色沉淀物。该黑色区域逐渐侵入上层富含氢氧化铁和羟基氧化铁的区域，到实验结束时，整个上层均变为黑色。连续运行35天后，硫酸盐浓度显著降低，随后总溶解铁含量出现短暂上升。

从第60天开始，总溶解砷含量显著上升。在第54天，对物理和化学参数进行了表征。尽管沿反应柱的pH值始终接近7，但氧化还原电位变化显著，在铁耗尽的区域（发生硫酸盐还原）接近负200毫伏，而在顶部区域（发生细菌和化学铁还原）接近负毫伏。

在底层，溶解态硫酸盐浓度约为每升20毫克，并在富铁区域降低至每升1毫克以下。在缺铁区与富铁区的界面处，硫酸盐浓度也急剧下降，表明此处硫酸盐还原活性达到峰值。与此同时，砷在上层区域被检出，而硫代砷酸盐物种则更接近界面，硫代硫酸盐则存在于底部的缺铁层中。

这些浓度分布表明，在缺铁层与富铁层的界面处，硫酸盐还原活性达到峰值。在完成该操作步骤后，可进一步采用其他方法，如扫描电子显微镜、拉曼光谱或活性测定，以回答更多问题，例如生成了哪些新矿物，或形成了哪些细菌群落。请注意，汞和砷的操作具有极高危险性，进行该实验时应采取必要的防护措施，例如佩戴手套并在通风橱中操作。