Artículo de método

Configuración de columna experimental para el estudio de anaerobias biogeoquímicas interacciones entre bacterias, elementos traza e hidróxidos del hierro (Oxy)

DOI:

10.3791/56240

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19 de diciembre de 2017

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

En este artículo

Resumen

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Suerte y especiación de arsénico y mercurio en los acuíferos son condiciones estrechamente relacionadas a physio-chemical y actividad microbiana. Aquí, presentamos una configuración columna experimental original que imita a un acuífero y permite una mejor comprensión de Biogeoquímica de elementos traza en condiciones anóxicas. Se presentan dos ejemplos, combinar métodos geoquímicos y microbiológicos.

Resumen

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Suerte y especiación de elementos traza (TEs), como arsénico (As) y mercurio (Hg), en los acuíferos están estrechamente relacionados a las condiciones fisio-químicos, como pH, potencial redox (Eh) sino también a las actividades microbianas que pueden desempeñar un papel directo o indirecto en especiación y movilidad. De hecho, algunas bacterias pueden oxidar el as (III) a as (v) directamente o reducir el as (v) a as (III). Además, las bacterias están fuertemente involucradas en Hg ciclismo, ya sea a través de su metilación, formando el mercurio monometílico de neurotoxinas, o su reducción a elemental Hg º. Los destinos de ambos como y Hg son también fuertemente ligada a la composición del suelo o los acuíferos; de hecho, como y Hg puede unirse a compuestos orgánicos o hidróxidos (oxy), que influirán en su movilidad. A su vez, indirectamente pueden influir en actividades bacterianas tales como reducción de hidróxido de hierro (oxy) o mineralización de materia orgánica como y Hg. La presencia de sulfato/sulfuro también puede afectar a estos elementos a través de la formación de complejos como thio-arsenatos con como o metacinnabar con Hg.

En consecuencia, se han planteado muchas preguntas importantes sobre el destino y especiación de como y Hg en el ambiente y cómo limitar su toxicidad. Sin embargo, debido a su reactividad hacia componentes del acuífero, es difícil disociar claramente los procesos biogeoquímicos que se producen y sus efectos diferentes sobre el destino de estos TE.

Para ello, hemos desarrollado un original, experimental, configuración de columna que imita un acuífero con zonas ricas como - o Hg-óxido de hierro versus hierro agotado áreas, permitiendo una mejor comprensión de Biogeoquímica de TE en condiciones anóxicas. El siguiente protocolo da instrucciones paso a paso para la configuración de columna para como o Hg, así como un ejemplo con como hierro y sulfato reducción de condiciones.

Introducción

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Entender y predecir la movilidad de elementos traza (TE) y la biogeoquímica en el medio ambiente es esencial para controlar, desarrollar y aplicar las decisiones de gestión adecuadas para sitios contaminados. Esto se aplica especialmente en el caso de TEs tóxicos como arsénico (As) y mercurio (Hg). La suerte y la especiación de estos TEs en el suelo o acuíferos están estrechamente relacionados a condiciones fisicoquímicas, tales como Eh y pH, sino también a las actividades microbianas que pueden jugar un papel ya sea directo en la especiación o un papel indirecto en la movilidad.

De hecho, algunas bacterias pueden oxidar el as (III) a as (v) directamente o reducir el as (v) a as (III). Esto afecta a como toxicidad, ya que el as (III) es la forma más tóxica de y la movilidad, ya que el as (III) es más móvil que el as (v), que puede absorber fácilmente (oxi) hidróxidos de hierro o materia orgánica1,2. Además, las bacterias están fuertemente involucradas en mercurio ciclismo, ya sea a través de su metilación, principalmente por sulfato y hierro reduciendo bacterias3,4, formando el mercurio monometílico de neurotoxina (fácilmente bioacumulativos en la cadena alimentaria), o a través de su reducción a volátiles elementales hectogramo (Hg °)5.

Ambos como sinos de Hg son también fuertemente ligadas a la composición del suelo o acuíferos, desde compuestos como materia orgánica y (oxi) hidróxidos del hierro pueden influir en su biodisponibilidad y secuestro. As (v) se adsorbe bien a (oxi) hidróxidos de hierro6, mientras que el Hg tiene una muy alta afinidad por la materia orgánica (OM, principalmente para grupos tiol) pero también para hierro coloidal o manganeso (oxi) hidróxidos OM agotan ambientes7,8 , 9 , 10 , 11.

Actividades bacterianas entonces pueden influir sobre el destino de TEs adsorbido (oxi) hidróxidos o materia orgánica a través de la reducción de (oxi) hidróxidos de hierro o la mineralización de la materia orgánica. Reducción directa de hierro por las bacterias es que la ruta dominante para la reducción de hierro en sulfuro agotadas zonas12,13, fe (III) se utiliza como aceptor terminal de electrones, mientras que indirectamente, fe (III) puede reducirse a fe (II) sulfuro de formado por una reducción bacteriana sulfato del14. Por otra parte, la presencia de sulfato puede también modificar Hg y como especiación a través de la formación de complejos como thio-arseniatos15 con como o metacinnabar con Hg.

Por lo tanto, una mejor comprensión del impacto de hierro y sulfato de ciclismo sobre el destino de TE, como Hg y como podría ayudarnos a mejorar la gestión de sitios contaminados y mantener la calidad del suelo y el agua. Datos también podrían contribuir a reforzar los modelos existentes de metal-movilidad. Microbiana Fe (III)-reducción16,17,18 puede producir la desorción de TE. Teóricamente, la reducción indirecta de (oxi) hidróxidos del hierro de sulfuro producido por la reducción microbiana de sulfato también podría impactar la movilidad TE. Sin embargo, la extensión y la cinética de estas reacciones se estudian generalmente en sistemas homogéneos por lotes o batch microcosmos16,18,19,20. La desventaja de los experimentos por lotes es la falta de disociación de los fenómenos que ocurren; de hecho, actividad se basa en y limitados por los recursos presentes en el lote y sólo da un resultado final de los cambios en la especiación y adsorción. Utilizando un enfoque de la columna permite la renovación del influjo de los medios de comunicación y la supervisión del destino de TE sobre tiempo y espacio. Estas condiciones son más realistas en comparación con un acuífero, donde fenómenos reales están estrechamente ligados a las condiciones de percolación continua. Por otra parte, ocurrencia de hidróxido de hierro heterogéneos (oxy) en los sedimentos del acuífero es común21,23, y los cambios espaciales en la composición mineralógica y química de las fases sólidas ciertamente conduce actividades microbianas .

Para aclarar la influencia de estas heterogeneidades en los fenómenos geo-microbiana y el destino de TE de hierro asociados, hemos desarrollado un laboratorio, una columna alimentan continuamente representando un acuífero modelo simplificado. La columna se llena para crear una zona de disminución de hierro en la entrada de la columna y una zona de ricos en hierro en la parte superior. Puertos de muestreo regular permiten estudiar individualmente cada zona como fenómenos asociados de interfaz. Un ejemplo de la aplicación de este dispositivo experimental para el estudio del destino de Hg y la especiación ya está disponible las24. Aquí le damos una descripción detallada de la instalación experimental y un segundo ejemplo de su aplicación que se centró en el comportamiento de como en acuíferos contaminados.

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Protocolo

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1. experimental Preparación

  1. Acid-Wash todos los materiales (vidrio, politetrafluoroetileno (PTFE)) en contacto con las muestras (5 días en ácido nítrico (HNO3) de 20% v/v) seguidos de 5 días en ácido clorhídrico (HCl) 10% v/v). Enjuague varias veces con agua ultra pura y seca en un flujo laminar capucha antes.
  2. Uso de guantes de polietileno (o similar) y una campana de humos para todos los pasos que involucran sustancias químicas.

2. preparar Hg y como óxidos de hierro amorfos de tacon

  1. Preparar aproximadamente 20 g de ferryhydrate (derivados3): disolver 50 g de FECLAS3-6 H2O en 500 mL de agua ultra pura (resistividad > 18 MΩ cm-1) en agitación en un reactor de vidrio con una hélice de acero inoxidable o magnético agitador. El pH inicial es < 2.
  2. Agregar manualmente una solución de 10 M NaOH para ferryhydrate.
    Nota: Se requerirá aproximadamente 50 mL para precipitar todos los hidróxidos del hierro (oxy). Ajustar el pH a 6 y mantener la agitación durante 1 hora estabilizar.
    1. Para tacon de Hg (oxi) hidróxidos: preparar 10 mL de HgNO3 a 10 g L-1 y añadir 350 μl de la solución de hidróxido (oxy).
      Nota: Esto le produce un contenido final de Hg en el húmedo (oxi) hidróxidos de hidróxidos (oxy) de ~ 4 μg g-1 .
    2. De tacon como (oxi) hidróxidos: preparar 100 mL de2O325 10 g L-1 y agregar 70 mL de la solución de óxido de hierro. Esto producirá un contenido de as (III) final de ~ 70 mg/g (oxi) hidróxidos.
  3. Dejar en agitación con impulsor de acero inoxidable o agitador magnético durante 3 horas y luego centrifugar por 20 min a 2.000 x g. quitar el sobrenadante y resuspender los hidróxidos (oxy) en 500 mL de agua ultra pura. Repetir la centrifugación y lavado pasos dos veces. Recuperar los hidróxidos (oxy) húmedos (sólidos tienen un contenido de humedad de 85-90% peso) y almacenar a 4 ° C hasta su uso.
  4. Esterilizar Hg húmedo o tacon como óxidos de hierro por la radiación gamma, con una dosis de radiación absorbida mínima de 25 kGy.
  5. Control de Hg y como contenido (oxi) hidróxidos
    1. Determinar el contenido de Hg de la pelotilla26.
      Nota: Encontramos 3.90 ± 0.08 μg g Hg-1 sólido. Así, la cantidad total de mercurio añadido a cada columna de los 18,3 g de óxidos de hierro fue 71,4 ± 1,51 μg.
    2. Determinar como contenidos en el sedimento. Uso caliente mineralización ácida (8 mL de 5 N HCL durante 4 horas a 50 ° C) y análisis por espectrometría de absorción atómica (AAS).
      Nota: Encontramos 70 mg como g-1 sólido. Así, la cantidad total de que añadido a la columna de los 18,3 g de óxidos de hierro fue ~1.3 g.

3. preparar el Gel de sílice y arena de matriz

Nota: Una matriz de gel de silicona suelta fue utilizada para detener el óxidos de hierro finas de la mezcla de arena/hierro óxido bajo el flujo de agua. La matriz de gel final fue 6% gel de silicona para que no se forme un bloque pero al agregar libremente los óxidos.

  1. Preparar una mezcla de gel de sílice 10% calentando 4 g de gel de sílice en 40 mL de una solución del 7% de KOH sobre una placa caliente, revolviendo con una barra de agitación magnética hasta que se disuelva.
  2. Añadir 60 mL de agua ultra pura y luego enfriar la solución a 20 ° C. Valorar rápidamente con el ácido fosfórico diluido (20%) a pH 7,5. Entonces rápidamente mezclar el gel líquido de silicona con 320 g de arena estéril y el previamente agregado 18,3 g Hg-aguja o tacon como de óxidos de hierro antes de que se solidifica.
  3. Dividir la mezcla de "etanol" mezclando con una espátula y mantener estéril antes del uso en el paso 4.

4. configuración de la columna

  1. Uso de columnas de vidrio con un sistema de refrigeración con camisa de agua (volumen interno = 400 mL, altura = 30 cm, diámetro 3,5 cm) y cinco silicona septa establecer periódicamente (cada 5 cm) a lo largo de las columnas para que pueda degustar a lo largo de la columna.
  2. Corte el tubo de PTFE PTFE int Ø 3 mm () para asegurarse de suficiente longitud en la columna de entrada y salida. Conecte la entrada a la tubería peristáltica, que a su vez está conectada a la fuente de agua/medio.
  3. Esterilizar todos los materiales (vidrio, tubería) en autoclave (1 h a 110 ° C).
  4. Fije la columna verticalmente.
  5. Conectarse la chaqueta de agua de un agua de refrigeración para mantener una temperatura promedio de 20 ° C.
  6. Llenar la columna de la parte superior como sigue:
    -Una capa de lana de roca húmeda para evitar la pérdida de sólidos;
    -320 g de arena estéril (arena de Fontainebleau, D50 = 209 μm);
    -320 g de arena estéril mezclado con 18,3 g hidratado óxidos de hierro amorfos tacon con Hg o como (ver paso 1) y fija en una matriz de gel de silicona de 6% (ver paso 2).
  7. Una columna vertical y conecte el flujo ascendente de continuamente N2 burbujas de agua ultrapura estéril a baja velocidad (~ 2 mL h-1).
  8. Cubre la columna con papel de aluminio para proteger de la luz.

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Figura 1: Dibujo y Foto de la configuración de columna. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Resultados

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Ejemplo 1. Impacto de la reducción del hierro de movilidad y especiación

El como columna fue inoculada directamente con agua subterránea de un sitio que presenta una concentración como superior a los estándares de consumo (Bracieux, Loira y Cher, Francia). Agua subterránea fue muestreado en botellas estériles y almacenado a 5 ° C hasta su uso. La columna fue alimentada desde el fondo con este agua la comunidad m...

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Discusión

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La configuración de columna experimental demostró para ser un dispositivo conveniente del laboratorio para el estudio de los procesos biogeoquímicos anaerobios en condiciones de continuadas. Sistemas de columna continua permiten trabajar en condiciones más cercanas a las de acuíferos reales que sistemas de hornada de la mezcla o microcosmos. Sistemas continuos pueden simular el movimiento del agua subterránea a través de sedimentos de acuíferos.

El paso más crítico dentro del protocolo está pr...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo fue financiado por BRGM, una beca postdoctoral del Conseil Général du Loiret y el Instituto Carnot. También agradecemos el apoyo financiero al proyecto de pivotes de la Région Centre - Val de Loire.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Columnas de vidrioBeaucaverre, Franciapedido específicose componían de 3 piezas separadas, el núcleo de la columna principal con la camisa de enfriamiento y los 5 puertos de muestreo (tamaño GL14 con aceituna) y una pieza superior e inferior que se ajusta al cuerpo de la columna principal y se mantiene en su lugar con una junta y un tornillo de silicona (RIN F 40x38 & SVL 42). Nota: Este diseño fue discutido directamente con la empresa. Recomendamos encontrar un vidriero local.
Septos PTFE/silicona diámetro 20 mmSigma-Aldrich508608
Tubo de PTFE ID 3 mmVWR228-0745
Bomba peristálticaDominique Dutsher SAS66493
Tubo de bomba peristáltica LMT 55VWR224-2250Tygon® LMT 55 
Arena de Fontainbleau D50=209 µ mSIBELCO, Francia
N2 para burbujeoAir Liquide, Francia
Irradiación gammaIonisos, Dagneux, Francia
Analizador automático de mercurio (AMA 254)Análisis de corte, Francia
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Name CompanyNúmero de catálogoComments
Chemicals
HNO3 Supra purVWR1.00441.1000Fabricante: Merck
HCL 30% Supra purVWR1.00318.1000Fabricante: Merck
Hg(NO3)2Merck516953
As2O3Merck202673
FeCl3-6H2OMerck207926
gel de síliceSigma-Aldrich336815-500G
Las columnas de

Referencias

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