Methodenartikel

Experimentelle Spalte Setup für das Studium der anaerober biogeochemischer Interaktionen zwischen Eisen (Oxy) Hydroxide, Spurenelemente und Bakterien

DOI:

10.3791/56240

⸱

19. Dezember 2017

 ,  ,  , 
1Environmental Biogeochemistry and Water Quality Unit, BRGM, 2Risks and Risk Prevention Division, BRGM, 3Egg Safety & Quality Research

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Schicksal und Speziation von Arsen und Quecksilber in Aquiferen sind eng verwandt, Physio-chemischen Bedingungen und mikrobielle Aktivität. Hier präsentieren wir Ihnen eine original experimentelle Spalte-Setup, die imitiert eines Aquifers und ermöglicht ein besseres Verständnis der Spurenelement Biogeochemie unter anoxischen Bedingungen. Zwei Beispiele sind dargestellt, geochemischen und mikrobiologischen Ansätze kombinieren.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Schicksal und Speziation von Spurenelementen (VES), Arsen (As) und Quecksilber (Hg), im Grundwasserleiter sind eng verwandt, Physio-chemischen Bedingungen, z. B. Redoxpotential (Eh) und pH-Wert, sondern auch mikrobielle Aktivitäten, die eine direkte oder indirekte Rolle spielen können, auf Artbildung und/oder Mobilität. In der Tat können einige Bakterien direkt oxidieren As(III), As(V) oder As(V), As(III) reduzieren. Ebenso sind Bakterien in Hg Radfahren, entweder durch die Methylierung, bilden das Nervengift Monomethyl Quecksilber, oder durch seine Reduktion auf elementare Hg ° stark engagiert. Die Schicksale der beiden als und Hg sind auch eng miteinander verbunden, Boden oder Aquifer Zusammensetzung; in der Tat als und Hg binden kann organische Verbindungen oder (oxy) Hydroxide, die ihre Mobilität beeinflussen werden. Im Gegenzug können bakterielle Aktivitäten wie Eisen (oxy) Hydroxid Reduktion oder organische Mineralisierung indirekt beeinflussen als und Hg-Sequestrierung. Das Vorhandensein von Sulfat/Sulfid kann diese besondere Elemente durch die Bildung von komplexen wie Thio-Arsenates mit als oder metacinnabar mit Hg auch stark beeinflussen.

Infolgedessen wurden viele wichtige Fragen auf das Schicksal und Speziation von angesprochen als und Hg in der Umwelt und wie ihre Toxizität zu begrenzen. Jedoch aufgrund ihrer Reaktivität gegenüber Aquifer Komponenten ist es schwierig, klar zu distanzieren, die biogeochemischen Prozesse, die auftreten und deren unterschiedlichen Auswirkungen auf das Schicksal dieser TE.

Zu diesem Zweck entwickelten wir ein Original, experimentell, erschöpft Spalte Setup, das einen Aquifer mit als - oder Hg-Eisen-Oxid reiche Gebiete im Vergleich zu Eisen imitiert Bereichen, ermöglicht ein besseres Verständnis der TE Biogeochemie unter anoxischen Bedingungen. Das folgende Protokoll gibt Schritt für Schritt Anleitung für den Aufbau der Spalte entweder als oder Hg sowie ein Beispiel mit wie unter Eisen und Sulfat reduzierenden Bedingungen.

Einleitung

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Verstehen und Vorhersagen zu Spurenelement (TE) Mobilität und Biogeochemie in der Umgebung ist unerlässlich, um zu überwachen, entwickeln und anwenden geeigneter Management-Entscheidungen für Altlasten. Dies gilt insbesondere im Falle von toxischen TEs wie Arsen (As) und Quecksilber (Hg). Das Schicksal und Speziation von diesen TEs im Boden oder Grundwasser sind eng verwandt, physikalisch-chemischen Bedingungen, wie Eh und pH-Wert, sondern auch mikrobielle Aktivitäten, die entweder eine direkte Rolle auf Speziation oder eine indirekte Rolle auf Mobilität spielen können.

In der Tat können einige Bakterien direkt oxidieren As(III), As(V) oder As(V), As(III) reduzieren. Dies wirkt sich wie Toxizität, da As(III) die giftigsten Form ist so, und Mobilität, da As(III) ist mobiler als As(V), die ohne weiteres auf Eisen (oxy) Hydroxide oder organische Substanz1,2adsorbieren kann. Ebenso sind Bakterien stark beteiligt Quecksilber Radfahren, entweder durch die Methylierung, hauptsächlich von Sulfat und Eisen reduziert Bakterien3,4, bilden das Nervengift Monomethyl Quecksilber (leicht Probestellen in der Nahrungskette) oder durch seine Reduktion auf flüchtige elementare Hg (Hg °)5.

Sowohl als und Hg Schicksale sind auch eng miteinander verbunden, Boden oder Aquifer Zusammensetzung, da Verbindungen wie organische Substanz oder Eisen (oxy) Hydroxide können Einfluss auf ihre Sequestrierung und Bioverfügbarkeit. As(V) absorbiert gut auf Eisen (oxy) Hydroxide6, während Hg eine sehr hohe Affinität für organische Angelegenheit hat (OM; hauptsächlich für Thiol-Gruppen), aber auch für kolloidales Eisen oder Mangan (oxy) Hydroxide in OM erschöpft Umgebungen7,8 , 9 , 10 , 11.

Bakterielle Aktivitäten beeinflussen dann das Schicksal des TEs (oxy) Hydroxide oder organischer Substanz durch die Reduzierung von Eisen (oxy) Hydroxide oder die Mineralisierung der organischen Substanz adsorbiert. Reduzierung der direkten Eisen durch Bakterien ist, dass die dominante Bahn für Eisen Rückgang der Schwefel erschöpft Zonen12,13, Fe(III) als ein terminal Elektronen-Akzeptor eingesetzt, während indirekt, Fe(III) zu Fe(II) durch Schwefelwasserstoff reduziert werden kann durch eine bakterielle Sulfat-Reduktion14gebildet. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Sulfat Hg auch ändern und als Artbildung durch die Bildung von komplexen wie Thio-Arsenates15 mit als oder metacinnabar mit Hg.

So könnte ein besseres Verständnis der Auswirkungen der Eisen- und Sulfat Radfahren auf das Schicksal des TE, wie Hg und As, helfen, uns besser verwalten Altlasten und Boden-und Wasserqualität. Daten könnten dazu beitragen, für die Stärkung bestehender Metall-Mobilität-Modelle. Mikrobielle Fe (III)-Reduzierung16,17,18 kann dazu führen, dass die Desorption des TE. Theoretisch könnte die indirekte Reduktion von Eisen (oxy) Hydroxide von Sulfid produziert durch die mikrobielle Reduktion von Sulfat auch TE Mobilität auswirken. Jedoch sind das Ausmaß und die Kinetik der diese Reaktionen in der Regel in Batch homogene Systeme oder Batch Mikrokosmen16,18,19,20studiert. Der Nachteil von Batch-Experimenten ist das Fehlen der Dissoziation der auftretenden Phänomene; in der Tat, Tätigkeit basiert auf und begrenzt durch die Ressourcen in die Partie und einzige gibt ein endgültiges Ergebnis der Verschiebungen in Speziation und Adsorption. Mit einer Spalte Ansatz ermöglicht die Erneuerung der einströmenden Medien und die Überwachung des Schicksals der TE über Zeit und Raum. Diese Bedingungen sind realistischer, im Vergleich zu einem Grundwasserleiter, wo reale Phänomene eng mit kontinuierlichen Versickerung Bedingungen verknüpft sind. Darüber hinaus heterogenen Eisen (oxy) Hydroxid vorkommen in den Aquifer Sedimenten ist gemeinsame21,23, und die räumlichen Veränderungen in der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung der festen Phasen fährt sicherlich mikrobielle Aktivitäten .

Um den Einfluss dieser Heterogenitäten auf Geo-mikrobielle Phänomene und das Schicksal der Eisen-assoziierten TE zu erhellen, entwickelten wir eine Labor, eine kontinuierlich zugeführt Spalte für ein vereinfachtes Modell Aquifer. Die Spalte wird gefüllt, um ein Eisen-abgereicherte Zone am Eingang Spalte und eine eisenreiche Zone an der Spitze zu erstellen. Regelmäßige Stichproben Häfen ermöglichen uns jede Zone einzeln zu untersuchen sowie Schnittstelle verbundenen Phänomene. Ein Beispiel für die Anwendung dieser experimentellen Vorrichtung für das Studium der Hg Schicksal und Artbildung ist bereits24. Hier geben wir eine detaillierte Beschreibung des experimentellen Aufbaus und ein zweites Beispiel für seine Anwendung konzentrierte sich auf das Verhalten wie in kontaminierten Aquiferen.

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Protokoll

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(1) experimentelle Vorbereitung

  1. Acid-wash alle Materialien (Glas, Polytetrafluorethylen (CF)) in Kontakt mit Proben (5 Tage 20 % Salpetersäure (Druckaufschluss3) V/V) gefolgt von 5 Tagen in Salzsäure (HCl) 10 % V/V). Mehrmals mit hochreinem Wasser abspülen und Trocknen unter eine laminare Strömung Haube vor dem Gebrauch.
  2. Schutzhandschuhe aus Polyethylen (o.ä.) und einem Abzug für alle Schritte, die mit Chemikalien.

2. bereiten Sie Hg und als versetzt amorphen Eisenoxide

  1. Bereiten Sie ca. 20 g Ferryhydrate (Fe(OH)3): lösen Sie 50 g FeCl3-6 H2O in 500 mL Reinstwasser (Widerstand > 18 MΩ cm-1) unter Rühren in einem Glas-Reaktor mit einem Edelstahl-Laufrad oder magnetischen Rührer. Anfänglichen pH ist < 2.
  2. Manuell hinzufügen einer Lösung aus 10 M NaOH Ferryhydrate ausgefällt.
    Hinweis: Ca. 50 mL müssen alle Eisen (oxy) Hydroxide ausgefällt. Stellen Sie den pH-Wert auf 6 und pflegen Sie Agitation für 1 h bis zu stabilisieren.
    1. Für Hg-versetzt (oxy) Hydroxide: bereiten Sie 10 mL HgNO3 bei 10 g L-1 und 350 µL (oxy) Hydroxid-Projektmappe hinzufügen.
      Hinweis: Dies wird einen endgültigen Hg Inhalt in den nassen (oxy) Hydroxide von ~ 4 µg g-1 (oxy) Hydroxide Ausbeute.
    2. Für als versetzt (oxy) Hydroxide: bereiten Sie 100 mL als2O325 bei 10 g L-1 und 70 mL der Eisenoxid Projektmappe hinzufügen. Dies ergibt einen endgültigen As(III) Inhalt von ~ 70 mg/g (oxy) Hydroxiden.
  3. Unter Rühren mit einem Edelstahl-Laufrad oder Magnetrührer für 3 h zu verlassen und dann Zentrifuge für 20 min bei 2.000 x g. Überstand zu entfernen und wieder auszusetzen (oxy) Hydroxide in 500 mL Reinstwasser. Wiederholen Sie die Zentrifugation und spülen Schritte zweimal. Die Feuchte (oxy) Hydroxide (Feststoffe haben einen Feuchtigkeitsgehalt von 85-90 % WT) zu erholen und bei 4 ° C bis zur Verwendung aufbewahren.
  4. Sterilisieren Sie feucht Hg oder Eisenoxide als gespickt von Gamma-Strahlung mit einer minimalen absorbierten Strahlungsdosis 25 kGy.
  5. Hg zu kontrollieren und als (oxy) Hydroxide Inhalt
    1. Hg-Inhalt der Pellet-26zu bestimmen.
      Hinweis: Wir fanden 3,90 ± 0,08 µg Hg g-1 solide. So wurde der Gesamtbetrag von Quecksilber hinzugefügt, um jede Spalte in den 18,3 g Eisenoxide 71,4 ± 1.51 µg.
    2. Bestimmen Sie, wie Inhalte im Pellet. Verwenden Sie heiße Säure Mineralisierung (8 mL 5 N HCL für 4 h bei 50 ° C) und analysieren von Atomic Adsorption Spektrometrie (AAS).
      Hinweis: Wir fanden 70 mg als g-1 fest. So war die Gesamtmenge der als hinzugefügt, um die Spalte in den 18,3 g Eisenoxide ~1.3 g.

3. bereiten Sie Silica-Gel und Sand Matrix

Hinweis: Eine lose Silica-Gel-Matrix wurde verwendet, um feine Eisenoxide, die Migration aus dem Sand/Eisenoxid-Gemisch unter den Wasserfluss zu stoppen. Die endgültige Gelmatrix war 6 % Silica-Gel, um keinen Block bilden, sondern nur locker die Oxide zu aggregieren.

  1. Bereiten Sie eine 10 %-Silica-Gel-Mischung durch Erhitzen 4 g von Kieselgel in 40 mL einer Lösung von 7 % KOH auf einer Herdplatte unter Rühren mit einer magnetischen Stir Bar bis aufgelöst.
  2. Fügen Sie 60 mL Reinstwasser dann abkühlen der Lösung auf ~ 20 ° C. Titrieren Sie schnell mit verdünnter Phosphorsäure (20 %) auf pH 7,5. Dann mischen Sie schnell die flüssigen Silica-Gel mit 320 g sterile Sand und die zuvor hinzugefügte 18,3 g Hg versetzt oder als versetzt Eisenoxide bevor es erstarrt.
  3. Die "jellified" Mischung durch Mischen mit einem Spatel brechen Sie auf und halten Sie vor der Verwendung steril in Schritt 4.

4. richten Sie die Spalte

  1. Verwenden Sie Glas Spalten mit einem Wassermantel Kühlsystem (Innenvolumen = 400 mL, Höhe = 30 cm, Durchmesser 3,5 cm) und fünf Kieselsäure Septen regelmäßig (alle 5 cm) entlang der Spalten, um entlang der Spalte probieren können.
  2. Schneiden Sie PTFE Schläuche (PTFE Int Ø 3 mm) um ausreichende Länge an Spalte zu- und Ablauf zu gewährleisten. Schließen Sie den Zufluss an peristaltische Schläuche, die wiederum an das Wasser/Medium angeschlossen ist.
  3. Sterilisieren Sie alle Materialien (Glas, Schlauch) durch Autoklavieren (1 h bei 110 ° C).
  4. Legen Sie die Spalte vertikal.
  5. Schließen Sie den Wassermantel an eine Wasserkühlung zur Aufrechterhaltung einer durchschnittlichen Temperatur von 20 ° C.
  6. Füllen Sie die Spalte von oben wie folgt:
    -Eine Schicht aus feuchtem Steinwolle, solide Verlust zu vermeiden;
    -320 g sterile Sand (Fontainebleau Sand, D50 = 209 µm);
    -320 g sterile Sand gemischt mit 18,3 g hydratisiert amorphen Eisenoxide gespickt mit Hg oder wie (siehe Schritt 1) und Feste in einer 6 %-Silica-Gel-Matrix (siehe Schritt 2).
  7. Spalte vertikal anbringen und anschließen Aszendenten fließen kontinuierlich N2 sprudelte sterile Reinstwasser bei niedriger Geschwindigkeit (~ 2 mL h-1).
  8. Decken Sie die Spalte mit Alufolie um vor Licht zu schützen.

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Abbildung 1: Skizze und Foto der Spalte Setup. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Ergebnisse

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Beispiel 1. Auswirkungen von Eisen Verringerung der Mobilität und Artbildung

Der As-Spalte direkt mit dem Grundwasser aus einer Website präsentiert eine As-Konzentration höher als der trinkenden Standards geimpft wurde (Bracieux, Loire et Cher, Frankreich). Grundwasser wurde abgetastet in sterile Flaschen und bis zur Verwendung bei 5 ° C gelagert. Die Spalte wurde von unten mit diesem Wasser, enthält natürliche ...

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Diskussion

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Das experimentelle Spalte Setup erwies sich als eine bequeme Laborgerät, anaerobe biogeochemische Prozesse im kontinuierlichen Bedingungen zu studieren. Kontinuierliche Spalte Systeme ermöglichen arbeiten unter Bedingungen näher, mit denen der realen Aquiferen als Gülle-Batch-Systeme oder Mikrokosmen. Kontinuierliche Systeme simuliert die Bewegung des Grundwassers durch Aquifer Sedimente.

Die wichtigste Schritt im Rahmen des Protokolls bereitet die TE-Eisen (oxy) Hydroxide und die Mischung mit...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde vom BRGM, einem Postdoc Stipendium der Conseil Général du Loiret und dem Carnot-Institute mitfinanziert. Wir anerkennen auch dankbar für das Zapfen-Projekt von der Région Centre - Val de Loire geleistete finanzielle Unterstützung.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
GlassäulenBeaucaverre, FrankreichSpezielle Anforderungssäulenbestanden aus 3 separaten Teilen, dem Hauptsäulenkern mit dem Kühlmantel und den 5 Probenahmeöffnungen (Größe GL14 mit Olive) und einem Ober- und Unterteil, das auf den Hauptsäulenkörper passt und mit einem Silikongelenk und einer Schraube (RIN F 40x38 & SVL 42). Hinweis: Dieses Design wurde direkt mit dem Unternehmen besprochen. Wir empfehlen, einen lokalen Glaser zu finden.
Septen PTFE/Silikon Durchmesser 20 mmSigma-Aldrich508608
PTFE-Schlauch ID 3 mmVWR228-0745
SchlauchpumpeDominique Dutsher SAS66493
Schlauch für Schlauchpumpe LMT 55VWR224-2250Tygon® LMT 55 
Fontainbleau Sand D50=209 &Mikro; mSIBELCO, Frankreich
N2 für sprudelndeAir Liquide, Frankreich
GammabestrahlungIonisos, Dagneux, Frankreich
Automatischer Quecksilberanalysator (AMA 254)Courtage Analyses, Frankreich
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Name Company<>Katalognummer<strong>Comments
Chemicals
sub>3 Supra purVWR1.00441.1000Hersteller: Merck
HCL 30% Supra purVWR1.00318.1000Hersteller: Merck
Hg(NO3)2Merck516953
As2O3Merck202673
FeCl3-6H2OMerck207926
KieselgelSigma-Aldrich336815-500G
HNO<

Referenzen

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Schlagwörter

EisenoxyhydroxideSulfatreduktionEisenreduktionArsen SpezierungQuecksilberkreislaufPeristaltik FlussRasterelektronenmikroskopie

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