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

Das übergeordnete Ziel dieses Versuchsaufbaus ist es, den Verbleib von Spurenmetallen unter sulfat- und/oder eisenreduzierenden Bedingungen zu untersuchen, die durch mikrobielle Aktivitäten induziert werden. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Biogeochemie zu beantworten, wie z. B. Wechselwirkungen zwischen wichtigen biogeochemischen Kreisläufen wie Quecksilber und Arsen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass aufgrund des kontinuierlichen Wasserflusses die Dynamik der biogeochemischen Reaktionen und die Labilität der Spurenelemente dissoziiert und durch die Probenahmeöffnungen zugänglich sind.

Und so kann diese Methode Aufschluss über das Schicksal von Quecksilber und Arsen geben, wie hier gezeigt, bis hin zu Eisenoxiden. Es kann auch auf andere Spurenelemente oder Trägersubstrate aufgetragen werden. Die Demonstration des Verfahrens wird von Hafida Tris, einer Technikerin aus unserem Labor, durchgeführt.

Um diesen Vorgang zu starten, geben Sie 500 Milliliter Reinstwasser in einen Glasreaktor, der mit einem magnetischen Rührstab ausgestattet ist. Fügen Sie unter Rühren 50 Gramm Eisen(III)chlorid-Hexahydrat hinzu. Geben Sie manuell etwa 50 Milliliter einer 10-molaren Lösung von Natriumhydroxid hinzu, um mit der Ausfällung von Ferrihydrit zu beginnen.

Stellen Sie dann den pH-Wert auf sechs ein und rühren Sie eine Stunde lang weiter, um sich zu stabilisieren. Für mit Arsen versetzte Hydroxide und Oxyhydroxide bereiten Sie 100 Milliliter Arsentrioxid in einer Konzentration von 10 Gramm pro Liter vor. Geben Sie dann 70 Milliliter dieser Lösung in die Eisenoxidlösung.

Rühren Sie drei Stunden lang weiter. Danach 20 Minuten lang bei 2.000 g zentrifugieren. Entfernen Sie den Überstand und resuspendieren Sie das Pellet mit 50 Millilitern Reinstwasser.

Die Zentrifugation und Resuspension wird noch zwei weitere Male wiederholt. Die feuchten Hydroxide und Oxyhydroxide werden zurückgewonnen und gelagert, wie im Textprotokoll beschrieben. Bewahren Sie vier Gramm Kieselgel in 40 Millilitern 7%igem Kaliumhydroxid auf einer Heizplatte auf und rühren Sie mit einem magnetischen Rührstab um, bis es sich aufgelöst hat.

Fügen Sie 60 Milliliter Reinstwasser hinzu. Kühlen Sie die Lösung auf Eis auf etwa 20 Grad Celsius ab, um ein zu schnelles Abbinden des Gels zu vermeiden. Titrieren Sie das Kieselgelgemisch mit Phosphorsäure 20 % auf pH 7,5.

Mischen Sie dann das flüssige Kieselgel schnell mit 320 Gramm sterilem Sand, der zuvor mit 18,3 Gramm mit Quecksilber oder Arsen versetzten Eisenoxiden gemischt wurde, bevor es sich verfestigt. Brechen Sie die gelierte Mischung mit einem Spatel auf. Um mit dem Aufbau der Glassäulen zu beginnen, schließen Sie die Wassermäntel an ein Wasserkühlsystem an.

Stellen Sie das System so ein, dass es eine Durchschnittstemperatur von 20 Grad Celsius aufrechterhält. Schneiden Sie PTFE-Schläuche mit einem Innendurchmesser von drei Millimetern ab, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Länge für den Ein- und Auslass der Säule vorhanden ist. Gib dann eine Schicht feuchte Steinwolle von oben auf die Säule.

Fügen Sie 320 Gramm sterilen Sand hinzu. Die letzte Schicht bestehend aus dem zuvor gemischten sterilen Sand und den in der Kieselgelmatrix fixierten hydratisierten amorphen Eisenoxiden wird hinzugefügt. Verbinden Sie als Nächstes den Zufluss mit dem Schlauch.

Verbinden Sie das andere Ende des Schlauchs mit der Wassermediumzufuhr. Schließen Sie einen aufsteigenden Strom von hochreinem sterilem Wasser an, der kontinuierlich mit Stickstoffgas und einer niedrigen Geschwindigkeit von etwa zwei Millilitern pro Stunde gefüllt ist. Decken Sie danach die Säule mit Alufolie ab, um das Licht abzuschirmen.

Nach zwei Wochen wird ein schwarz gefärbter Niederschlag an der Grenzfläche zwischen den beiden Sandschichten beobachtet. Diese schwarze Zone dringt nach und nach in die oberen Eisenhydroxid- und oxyhydroxidangereicherten Zonen ein, wobei die gesamte obere Schicht am Ende des Experiments schwarz wird. Nach 35 Tagen ununterbrochenem Betrieb nehmen die gemessenen Sulfatgehalte ab, gefolgt von einem vorübergehenden Anstieg des gesamten gelösten Eisens.

Ab dem 60. Tag steigt der gesamte gelöste Arsen deutlich an. An Tag 54 werden die physikalischen und chemischen Parameter profiliert. Während der pH-Wert entlang der Säule nahe dem pH-Wert von sieben bleibt, ändert sich das Redoxpotenzial erheblich, wobei die Werte in der eisenarmen Zone, in der die Sulfatreduktion stattfindet, bei minus 200 Millivolt liegen, und bei der Spitze, wo eine bakterielle und chemische Eisenreduktion stattfindet, bei negativen Millivolt liegen.

Die Konzentrationen an gelöstem Sulfat erreichen in den unteren Schichten etwa 20 Milligramm pro Liter und sinken in der eisenreichen Zone auf unter ein Milligramm pro Liter. Sulfat nimmt auch an der Grenzfläche zwischen eisenarmen und eisenreichen Zonen stark ab, was auf einen Höhepunkt der Sulfatreduktionsaktivität hinweist. In der oberen Zone wird Arsen nachgewiesen, während Thioarsenatspezies näher an der Grenzfläche und Thiosulfat in der unteren eisenarmen Schicht zu sehen sind.

Diese Konzentrationsprofile deuten auf einen Höhepunkt der Sulfatreduktionsaktivität an der Grenzfläche zwischen eisenarmen und eisenreichen Schichten hin. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie, Raman-Spektroskopie oder Aktivitätsassays durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, z. B. welche neuen Mineralien gebildet werden oder welche Bakteriengemeinschaften sich gebildet haben. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Quecksilber und Arsen äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens Vorsichtsmaßnahmen wie Handschuhe und Abzüge getroffen werden sollten.