Sedimentos Core y Secciones Extracción de Pore aguas bajo condiciones anóxicas

Resumen

Se presenta un protocolo para seccionar núcleos de sedimentos y extraer aguas de poros en condiciones anóxicas con el fin de permitir el análisis de especies sensibles redox tanto en sólidos como en fluidos.

Resumen

Se demuestra un método para seccionar los núcleos de sedimentos y la extracción de agua intersticial, manteniendo condiciones libres de oxígeno. Un sistema simple, de bajo costo se construye y se puede transportar a un espacio de trabajo temporal cerca de sitio (s) de muestreo de campo para facilitar un análisis rápido. Cores se extruyen en una bolsa de guante portátil, en el que se seccionaron y cada sección de espesor de 1-3 cm (dependiendo del diámetro del núcleo) se sella en 50 ml tubos de centrífuga. aguas de poros se separan con centrifugación exterior de la bolsa de guante y luego volvieron a la bolsa de guantes para la separación del sedimento. Estas muestras de agua extraída de los poros pueden ser analizadas inmediatamente. análisis inmediatos de las especies sensibles redox, tales como el sulfuro, la especiación de hierro, y la especiación de arsénico indican que la oxidación de las aguas de poros es mínimo; algunas muestras muestran aproximadamente 100% de las especies reducidas, por ejemplo, 100% de Fe (II) sin Fe detectable (III). Ambas muestras de agua y sedimentos de los poros pueden ser conservados a mainner especies químicas para su análisis posterior a su regreso al laboratorio.

Introducción

Los investigadores a menudo desean estudiar el estado redox y geomicrobiología de un sistema de agua-sedimento. Esta idealmente utiliza los datos de ambos sedimentos y aguas de poros, como las aguas de poros son a menudo monitores sensibles del sistema y son una fuente común, aunque no la única fuente, de la exposición a metales pesados ​​ecológico sensibles a redox ¹ como el arsénico y uranio. Datos de agua de los poros se pueden obtener in situ utilizando filtros de difusión de equilibrio, también conocidos como "peepers", instalados en el sedimento ^2. Mirones se utilizan más comúnmente en entornos en los que el sitio de campo se conoce antes de comenzar el trabajo de campo y en múltiples visitas a lo largo de un período prolongado de tiempo puede hacer que el sitio en el campo, por ejemplo Shotyk ^3. Por lo tanto muchos contextos no permiten el uso de mirones, como los sitios accesibles sólo por un corto tiempo o en que se obtengan múltiples muestras de exploración para determinar dónde debe producirse una mayor investigación ^4.Además mirones no muestra de sedimento al mismo tiempo para el muestreo del agua.

Cuando es deseable muestra de sedimento y el agua, o en los sitios de campo donde la instalación peeper no es factible, el método más común para obtener sedimentos y el agua es de extracción de muestras de sedimentos. La obtención de un núcleo sin mezclar es un precursor esencial para el procedimiento descrito en este trabajo ^5. Una vez que se obtiene un núcleo de aguas de poros pueden obtenerse apretando ⁶ o centrifugación; ambos tienen ventajas y desventajas. La centrifugación es generalmente considerado el método más fiable para la extracción de núcleos de sedimentos porewaters, ^7, aunque se debe tener cuidado para evitar la oxidación de los sedimentos o el agua intersticial.

En este método se describe la extrusión del núcleo y la centrifugación para extraer las aguas de poros con oxidación mínima. Los autores han utilizado el método descrito en el presente documento en una variedad de contextos, incluyendo marina ^8, lago contaminado ^{9, y 10 humedales. Los datos representativos se muestran demuestra que condiciones reductoras pueden ser preservados. Con la excepción de la centrífuga, los materiales utilizados son de bajo costo, y este método pueden aplicarse a una amplia variedad de preguntas de investigación geoquímicas y geomicrobiological.}

Protocolo

1. Preparación del Equipo

1. Preparación del núcleo de Liners
   1. Calcular el espesor de la rebanada central que se obtendrá utilizando Volumen = πr ² x grosor; el volumen final debe ser <50 cm ^3. Con un diámetro de núcleo de 10 cm, rodajas de 2 cm de espesor se pueden obtener.
      NOTA: No es necesario tener el volumen sea un total de 50 ml, pero el volumen de poros obtenida será proporcionalmente menor.
   2. Usando una sierra de vaivén (o similar) rebanada un revestimiento de núcleo, o un tubo de plástico de diámetro idéntico, en 2 cm anillos (u otro espesor si se utiliza un núcleo de diámetro diferente). Obtener 3-5 anillos.
   3. Limpiar todo el material plástico que va a entrar en contacto con el sedimento, incluidos los buques de la base, las tapas centrales, anillos, rebanadoras centrales, tubos de centrífuga, jeringas y cucharas desechables. (Soak materiales plásticos en 10% de HCl durante 24 horas, enjuague materiales plásticos 3 veces en nanopura (22 agua mO), y permitir que los materiales se sequen al aire, preferiblemente en un laminarcampana de flujo, antes de su envasado.)
2. Preparación de Laboratorio Jack
   1. Corte un pedazo de madera contrachapada, utilizando una sierra de vaivén, para cubrir el 6 "x 6" tamaño de la placa superior del elevador de laboratorio y perfore un agujero en el centro de esta madera contrachapada utilizando una broca hueca apego a un taladro.
      NOTA: Este agujero debe ser sólo un poco más grande que el diámetro del extensor piezas de PVC; para los tamaños utilizados aquí, el agujero debe ser de 2 ¾ ".
   2. Taladro de cuatro agujeros pequeños en los bordes de esta madera contrachapada para que coincida con los orificios de la placa superior del elevador de laboratorio utilizando una broca regular en un taladro de mano o taladro de columna. Sujetar la madera contrachapada a la toma de laboratorio con bandas de sujeción.
      NOTA: No debe haber "maniobra" en esta madera contrachapada.
3. Perforar un agujero en el centro de una de aproximadamente 2 '1,5 x' contrachapado ligeramente mayor que el diámetro exterior de los revestimientos de núcleo utilizando una sierra de perforación. Por 10 cm de diámetro de núcleo forros, un agujero 10,5-11,5 cm será apropiaciónte. Esta madera es la placa de guía central.
4. Preparación del núcleo de la extrusora (émbolo)
   1. Obtener un tapón de goma de laboratorio que se ajusta perfectamente dentro de los forros principales. Si no hay ninguno disponible, afeitarse uno a medida con una navaja de afeitar. No utilice un demasiado pequeño tapón.
   2. Atornillar el tapón de laboratorio a un mango de aproximadamente 1 '1.5' de largo, 1 "espiga de diámetro o una escoba. Cubrir la cabeza del tornillo en la cara del tapón con cinta aislante resistente al agua.
      NOTA: El lado más grande del tapón debe quedar fuera de la espiga.
5. Cortar un 1,5 'longitud aproximadamente de tubo de PVC en ~ 6 "secciones largas.
   NOTA: El diámetro interior debe ser mayor que la espiga en el paso 1.4.2, pero más pequeño que el tapón en el paso 1.4.1. Este protocolo supone el uso estándar "de PVC con un diámetro exterior de 2,375 verdad" 2. Estas piezas de PVC son los extensores de núcleo.
6. Del montaje de todos los otros equipos necesarios que figuran en la Lista de materiales.
   NOTA: Este shOuld ser recogidos en el laboratorio de su casa y llevado al laboratorio de campo.

2. Configuración de la estación de Laboratorio Campo

1. La creación de la bolsa de guantes
   1. Sujetar la placa de guía de núcleo a la superficie de trabajo (encimera, superficie de laboratorio, etc.). Asegúrese de que el orificio para el revestimiento de base es sobre la superficie de trabajo, sino que está abierta.
   2. Coloque la bolsa de guante desechable sobre la placa de guía de núcleo, y ejecutar el tubo de la entrada tubo de la bolsa de guante para el regulador del tanque de N _2. Asegúrese de que el tanque se sujeta firmemente con la abrazadera de banco de cilindros.
   3. Tape el tubo de la bolsa de guantes para sellar este punto de entrada rodeando la bolsa alrededor del exterior del tubo con cinta aislante. Asegúrese de que cerca de 8 "de tubo se extiende hacia el interior de la bolsa de guantes Deslice la abrazadera de la tubería en el tubo interior de la bolsa de guantes;. Abandonan esta pinza abierta.
   4. Cortar una "X" en la parte inferior de la bolsa de guante sobre laagujero en la placa de guía núcleo usando un cortador de caja o navaja de afeitar. Este x debe ser más pequeño que el diámetro de línea base.
   5. Cargar la bolsa con guantes con los artículos que se encuentran en la Tabla 1.
2. Configuración del Core
   1. Coloque el gato de laboratorio en el suelo debajo del área de trabajo donde se fija la bolsa de guantes. Coloque el núcleo a través del corte "X" en la parte inferior de la bolsa de guante en el paso 2.1.4, manteniéndolo en una posición vertical.
      NOTA: Acerca de 4-6 "de la central debe extenderse por encima de la placa de estabilización de la base.
   2. Mantenga el núcleo estable para permitir que el investigador realice los pasos 2 a 2.2.3 a 2.2.6.
   3. Tape el núcleo de la bolsa de guantes de plástico alrededor de la "X", con un montón de buena cinta aislante de sellado.
   4. Insertar el mango de la máquina de extrusión en un núcleo "de diámetro, ~ 6" 2 espaciador largo PVC, seguido de un acoplamiento de largo ~ 3 ", seguido de otro espaciador. Continuar este patrón hasta que el PVC enteramente cubiertasel mango; se puede extender una distancia corta más allá del final del mango. Coloque la extrusora núcleo (con espaciadores de PVC y acoplamientos) debajo de la parte inferior del núcleo.
   5. Apoyar la extrusora núcleo con el elevador de laboratorio a fin de que la extrusora puede soportar el núcleo. En este momento, mantenga el gato lo más bajo posible y utilizar separadores centrales siempre que sea posible.
   6. Utilice un cúter para cortar cuidadosamente alrededor de la tapa inferior del núcleo. Este corte debe resultar en un anillo de caperuza de núcleo se dejó alrededor del exterior del revestimiento de núcleo y una porción circular plana de la caperuza de núcleo en su lugar contra los materiales del núcleo.
   7. Inserte las manos en la bolsa de guante (Investigador 1). Mantenga el núcleo estable de modo que no se mueve aún más por encima de la placa de estabilización de la base, mientras que el investigador 2 comienza a girar el elevador de laboratorio lentamente para elevar el núcleo. La extrusora núcleo debe entrar en el revestimiento del núcleo y comenzar a empujar hacia arriba los sedimentos como un empuje pop.
   8. Mueve el lado del núcleo extrusora a lado ligeramente si needed para insertarlo en el revestimiento del núcleo (2 investigador). Esté preparado para un ligero estallido cuando entra.
   9. Continuar para elevar el núcleo hasta la parte superior del material con núcleo se encuentra en o cerca de la parte superior del revestimiento de núcleo (investigadores 1 y 2). Tenga en cuenta que la caperuza de núcleo debe permanecer en la cima del núcleo durante este procedimiento.
3. El sellado de la bolsa de guantes
   1. Asegúrese de que todos los suministros necesarios se encuentran en la bolsa de guantes; encender el medidor portátil de oxígeno.
   2. Abrir todas tubos de centrífuga, botellas de agua, y otros artículos que contienen aire atrapado. Si el núcleo tiene espacio de cabeza por encima del agua estancada, abra la tapa superior para purgar este espacio de cabeza.
   3. Encienda el regulador de manera que el flujo de nitrógeno a través del tubo en la bolsa de guante es a una velocidad moderada. En general una presión de ~ 15 psi en la última etapa del regulador con todas las válvulas abiertas es apropiado.
      NOTA: Este debe ser lo suficientemente rápido como para sentirse como una fuerte brisa en la piel, pero no tan fuerte que se dispersa la bolsa de guantes supcapas.
   4. Señalar con el nitrógeno en todos los ámbitos de la bolsa de guantes, y empuje el nitrógeno fuera de la abertura principal para la mejor habilidad de cada uno. Apagar el nitrógeno.
   5. Purgar la bolsa de guantes tres veces repitiendo los pasos 2.3.6 a través de 2.3.9 tres veces.
      NOTA: Una persona puede lograr esto, pero puede ser más fácil para dos personas para que se pueda mantener sus manos en los guantes que son una parte de la bolsa de guantes.
   6. Sellar la abertura principal de la bolsa de guantes envolviendo 1-2 cuerdas elásticas alrededor de él varias veces. Encienda el nitrógeno a un flujo similar a la 2.3.3. manos a cabo investigador números 1 de los guantes incorporados en la bolsa de guante.
   7. Mover el tubo de nitrógeno de un área de la bolsa a otra para llenar la bolsa con guantes con nitrógeno. Oriente el tubo en cualquier grieta tal como tubo de centrífuga abierto, por encima del agua en una botella con atomizador, etc.
   8. Apague el nitrógeno al cerrar la pinza de la línea. Tenga en cuenta que esto se puede lograr sin la eliminación de researcher las manos del 1 de la bolsa de guantes.
   9. Abra la parte frontal de la bolsa de guante y usando el cuerpo del investigador 1, empujar tanto gas fuera de la bolsa como sea posible.
      NOTA: La bolsa debe ser plana en torno a los suministros dentro de él en este momento.
   10. Llene la bolsa con guantes a una presión cómoda y apagar el nitrógeno utilizando la pinza de la línea. Algunos ensayos y errores pueden ser necesarios para encontrar una presión cómoda, como demasiado lleno y es difícil de mover los brazos de uno, mientras que demasiado vacío y es difícil de ver y manipular objetos. Abra la abrazadera del tubo de nitrógeno durante períodos cortos para volver a llenar la bolsa si parece tener una fuga lenta o está recibiendo más vacía por cualquier motivo. Abra la parte frontal de la bolsa para dejar salir pequeñas cantidades de nitrógeno si llega a ser incómodamente lleno.
   11. Comprobar el nivel de oxígeno disuelto en el medidor portátil de oxígeno. Debe estar por debajo de 1%.
   12. Inserte los guantes de bolsas de guantes en guantes desechables. Estos serán mejorar la destreza. Cambiarlos cada vez que get sucio o rasgado; desechar en el contenedor de residuos en bolsa.

3. seccionar el Core

NOTA: esta parte del procedimiento es mucho más fácil de lograr con dos investigadores.

1. Eliminar el agua estancada usando una jeringa. filtro de jeringa de esta agua y el lugar en 50 ml tubos de centrífuga.
2. Eliminar una sección de núcleo
   1. Colocar un anillo de corte central por encima de la parte superior del revestimiento del núcleo. Elevar el núcleo hacia arriba (sección 3.3) hasta la parte superior de los sedimentos es en la parte superior del anillo.
   2. Insertar la máquina de cortar de núcleo entre la parte superior de la camisa del núcleo y el anillo. La sección de sedimentos está sentado encima de la máquina de cortar núcleo.
   3. Mover el sedimento a un tubo de 50 ml utilizando las cucharas desechables. Se tapa el tubo bien, una vez que esté lleno.
   4. Enjuague la máquina de cortar núcleo y el anillo de corte central con el agua nanopura; rociar los residuos sucia en el contenedor de residuos dentro de la bolsa con guantes. cucharas desechables también pueden ser enjuagados,o descartado, en función del número necesario. Se seca la máquina de cortar núcleo y el anillo central de seccionamiento con toallas de papel.
   5. Repita el paso 3.2 hasta que no queda más material del núcleo.
3. El aumento de la Core
   1. A lo largo de 3,2 que es necesario elevar el núcleo. Para ello, en pequeños incrementos utilizando el elevador de laboratorio. Realice los siguientes tres pasos una vez que el elevador de laboratorio está totalmente extendido.
   2. Mantenga el núcleo en su lugar en la bolsa de guantes (Investigador 1).
   3. Bajar el gato de laboratorio a su posición más baja, cuando está totalmente comprimido (investigador 2). Asegúrese de que el núcleo se mantiene en su lugar con las manos investigador de 1 dentro de la bolsa de guantes y las manos del investigador 2 de soporte desde abajo.
   4. Llenar el espacio entre el extremo inferior de la extrusora núcleo y el jack con espaciadores y accesorios de PVC. Asegúrese de que el núcleo está firmemente apoyada por el extensor de la central antes de soltar la parte superior del núcleo.

4. Excontratantes Porewaters

1. Abra la bolsa de guantes y retire el bastidor de tubos de centrífuga.
2. Limpiar la bolsa de guantes según sea necesario mediante la eliminación de cualquier suciedad, líquidos o la condensación con la aniquilación de la parte interior con toallas de papel, agua, etc. contenedor de residuos vacía.
3. Volver a sellar la bolsa con guantes sin apretar con cuerdas elásticas.
4. Pesar tubos de centrífuga que ahora contienen sedimentos seccionadas (si se desea).
5. Envolver la parte superior de los tubos de centrífuga con cinta aislante para sellar la unión tapa / tubo.
6. Equilibrar los tubos de centrifugación pesando ellas después de grabar. Añadir o quitar la cinta eléctrica para obtener los pesos de 0,5 g.
   NOTA: Por lo general, los tubos de la parte superior del núcleo será más ligero que los de la parte inferior.
7. Colocar los tubos en la centrífuga y se centrifuga a la máxima aceleración (se recomienda 1.100 xg) durante 20 min.
   Nota: Las tasas más altas de centrifugación permitirán una mayor separación de porewaters.
8. Retire la cinta eléctrica de la centrifutubos ge ya sea por pelando o por cortar con una navaja antes de devolver los tubos a la bolsa de guantes. De nuevo los tubos de centrífuga de acumular después de la centrifugación y volver a la bolsa de guantes.
9. Añadir otro conjunto de tubos de centrífuga, jeringas y filtros de jeringa a la bolsa de guante. Estos nuevos tubos sostendrán porewaters y pueden ser pre-marcado.
10. Purgar la bolsa de guantes de nuevo como en el paso 2.3.5. Si la bolsa de guantes solamente se abre brevemente para quitar los tubos, y no fue limpiada, será aceptable para purgarlo sólo dos veces. Si se está utilizando un monitor de oxígeno, asegúrese de que la atmósfera en la bolsa de guantes es <1% de _O2. No se olvide de abrir los tubos de centrífuga que acaba de agregar los afinará.
11. Introduzca las manos en los guantes en la bolsa de guantes; como antes, cubrir con guantes desechables.
12. Abra un tubo. Quitar los porewaters desde arriba el sedimento usando una jeringa, a continuación, unir un filtro de jeringa a la punta de la jeringa. Si porewaters y sedimentos están bien separados, porewatERS se puede verter directamente en una jeringa con el cañón quitado y un filtro de jeringa en la punta.
13. Empuje el agua a través del filtro de jeringa en el tubo de centrífuga apropiada.
    NOTA: Se necesitará alguna fuerza; más de un filtro de jeringa por muestra puede ser requerida.
14. Vuelva a colocar las tapas en el tubo de centrífuga que contenía el sedimento y el tubo que contiene porewaters.
15. Repetir los pasos a través de 4,13 4,15 para cada muestra.
16. bolsa de guante abierto y extraer muestras. Ambos tubos de sedimentos y de poros pueden ser re-pesaron.
17. Analizar porewaters de inmediato si se desea. Los análisis pueden incluir (pero no se limitan a) la cromatografía de iones para iones principales ^11, ferrozina para la especiación de hierro ^12, la especiación de arsénico por voltametría ^13, y la especiación sulfuro ^14.
18. Congelar porewaters y sedimentos en el cargador seco (aproximadamente -80 ° C) para preservar la especiación para el análisis posterior si es apropiado para los análisis planificados. es may también ser apropiado para mantener las muestras se enfríen en recipientes herméticos o en bolsas de aluminio purgados con nitrógeno.
19. Vuelva a utilizar la bolsa con guantes para un segundo núcleo (a partir de 2.2.2) si se desea. Después de dos núcleos, la bolsa de guante por lo general tiene que ser cambiado.

Resultados

El tipo de resultados obtenidos depende de análisis realizados y de la configuración de geoquímica del que se obtuvo el núcleo. El oxígeno disuelto se puede medir en los porewaters extraídos, pero en muchos entornos esta será cero por debajo de los primeros cm del núcleo. Los análisis que generalmente proporcionan información más significativa incluyen la especiación de hierro (Fe II / III Fe) ^12, la especiación de arsénico (As III / Como V) ^{13, 14} y sulf...

Discusión

La técnica descrita en este documento es flexible que se puede ajustar para una amplia gama de ubicaciones, tamaños básicos, espesor de la sección central, etc. Hay tres componentes esenciales para este sistema.

En primer lugar, preparar un sistema central de extrusión de las dimensiones adecuadas para que se analizó el núcleo. Las instrucciones que aquí se dan suponiendo un "núcleo de aproximadamente 30; mucho núcleos más largos pueden requerir más piezas de extensor de PVC y ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Bolsa(s) de guantes desechablesSigma-Aldrich		Z106089-1EA	Una de cada dos núcleos a procesar suele ser suficiente.
Tanque N2	Praxair		A menudo, las empresas de suministro de gas pueden entregarlos directamente en el laboratorio de campo.
Regulador de gas nitrógeno	VWR	55850-478	O similar
Varios pies de tubo que se ajustan al regulador	VWR	89403-862	O similar Equipo
seguridad para asegurar el tanque	VWR	60142-006
Abrazadera de tubo ajustable	VWR	62849-112
Impermeable, buena sellado Cinta aislante	Scotch	Super 33+	Wide disponible
2-4 cuerdas elásticas cortas			Ampliamente disponible
Botellas de agua nanopura	VWR	16650-082	Cualquier botella similar está bien; empaque un suministro adicional de agua nanopura para rellenarlas.
Gran cantidad de toallas de papel y toallitas Kimwipes Tubos de
centrífuga de 50 ml	VWR	21008-951	Limpieza con ácido como se describe en el protocolo. Se necesitan al menos 2/sección central.
Varios permanentes en rotuladores.			Ampliamente disponible
Varias hojas de afeitar rectas y cortadores de cajas.
Centrífuga	Beckman-Coulter	Allegra X-22	El rotor más rápido permite una mayor separación.
Rotor para alojar tubos de 50 ml	Beckman-Coulter	SX-4250
Jeringas de plástico de 50 ml sin punta de goma negra en el cilindro	VWR	66064-764	Ácido limpio como se describe en el protocolo. Se necesita al menos 1/sección central, más 1 para el agua suprayacente.
Filtros de jeringa compatibles con soluciones acuosas.	VWR	28143-310	Ya sea 0,45 μ m o 0,20   μ Se pueden utilizar tamaños de poro M. Planifique cinco filtros por sección central procesada.
Cucharas de plástico (desechables).			Ampliamente disponible; Ácido limpio como se describe en el protocolo.
Varias cajas de guantes desechables.			Ampliamente disponible
Vasos de plástico grandes u otros contenedores de residuos para colocar en la bolsa de guantes.	VWR	13890-148
Balanza de laboratorio	VWR	10205-008	Una balanza disponible estará bien; no se requiere alta precisión
Transportador seco, precargado con nitrógeno líquido	VWR	82005-416	Solo es necesario si las muestras se devuelven al laboratorio doméstico para análisis sensibles.
Cuadernos de laboratorio			agua puede ser útil
Revestimientos de núcleo	Marca de agua	77280	Disponible en Forrestry Proveedores
Tapas de núcleo	Ben Meadows	218105
Cortadoras de núcleo	McMaster Carr	8707K111	Córtalo en 9 cuadrados de 3 x 3
espaciadores de PVC	McMaster Carr	48925K96	Córtalo en trozos cortos
Acoplamientos de PVC	McMaster Carr	4880K76	Se necesitan aproximadamente 12
clavijas Ampliamente			disponible
Tapón de laboratorio	VWR	59580-400	Compruebe que el tamaño sea correcto para que encaje perfectamente dentro de los revestimientos del núcleo Madera
contrachapada para la placa de guía del núcleo y la parte superior del gato			Ampliamente disponible
Conector de laboratorio	VWR	89260-826
Abrazaderas Monitor de
oxígeno portátil	Instrumentos RKI	OX-07