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

El objetivo general de esta configuración experimental es estudiar el destino de los metales traza en condiciones reductoras de sulfato y/o hierro inducidas por actividades microbianas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la biogeoquímica, como las interacciones entre ciclos biogeoquímicos clave como el mercurio y el arsénico. La principal ventaja de esta técnica es que, debido al flujo continuo de agua, la dinámica de las reacciones biogeoquímicas y la labilidad de los oligoelementos están disociadas y son accesibles a través de los puertos de muestreo.

Y así, este método puede proporcionar información sobre el destino del mercurio y el arsénico, como se demuestra aquí hasta llegar a los óxidos de hierro. También se puede aplicar a otros oligoelementos o sustratos portadores. La demostración del procedimiento correrá a cargo de Hafida Tris, una técnica de nuestro laboratorio.

Para comenzar este procedimiento, agregue 500 mililitros de agua ultrapura a un reactor de vidrio equipado con una barra de agitación magnética. Agregue 50 gramos de cloruro de hierro (III) hexahidratado mientras revuelve. Agregue manualmente aproximadamente 50 mililitros de una solución de 10 molares de hidróxido de sodio para comenzar la precipitación de ferrihidrita.

A continuación, ajuste el pH a seis y continúe revolviendo durante una hora para estabilizar. Para hidróxidos y oxihidróxidos con arsénico, prepare 100 mililitros de trióxido de arsénico a una concentración de 10 gramos por litro. Luego, agregue 70 mililitros de esta solución a la solución de óxido de hierro.

Continúe revolviendo durante tres horas. Después de esto, centrifugar a 2.000 G durante 20 minutos. Retire el sobrenadante y vuelva a suspender el pellet con 50 mililitros de agua ultrapura.

Repita la centrifugación y la resuspensión dos veces más. Recupere y almacene los hidróxidos húmedos y oxihidróxidos como se describe en el protocolo de texto. Mantenga cuatro gramos de gel de sílice en 40 mililitros de hidróxido de potasio al 7% en una placa caliente agitando con una barra magnética hasta que se disuelva.

Agrega 60 mililitros de agua ultrapura. Enfríe la solución en hielo a unos 20 grados centígrados para evitar que el gel se fije demasiado rápido. Titule la mezcla de gel de sílice con ácido fosfórico al 20% a pH 7,5.

Luego, mezcle rápidamente el gel de sílice líquido con 320 gramos de arena estéril previamente mezclada con 18,3 gramos de óxidos de hierro con mercurio o arsénico antes de que se solidifique. Con una espátula, rompe la mezcla gelificada. Para comenzar a configurar las columnas de vidrio, conecte las camisas de agua a un sistema de enfriamiento por agua.

Configure el sistema para mantener una temperatura promedio de 20 grados centígrados. Corte longitudes de tubería de PTFE con un diámetro interior de tres milímetros, asegurándose de que haya suficiente longitud para la entrada y salida de la columna. A continuación, añade una capa de lana de roca húmeda a la columna desde la parte superior.

Agrega 320 gramos de arena estéril. Añadir la capa final formada por la arena estéril previamente mezclada y los óxidos de hierro amorfo hidratados pinchados fijados en la matriz de gel de sílice. A continuación, conecte el flujo de entrada a la tubería peristáltica.

Conecte el otro extremo de la tubería peristáltica al suministro de agua y medio. Conecte un flujo ascendente de agua estéril ultrapura burbujeada continuamente por gas nitrógeno a baja velocidad de aproximadamente dos mililitros por hora. Después de esto, cubra la columna con papel de aluminio para bloquear la luz.

Después de dos semanas, se observa un precipitado de color negro en la interfaz entre las dos capas de arena. Esta zona negra invade progresivamente las zonas superiores enriquecidas con hidróxido de hierro y oxihidróxido, y toda la capa superior se vuelve negra al final del experimento. Después de 35 días de funcionamiento continuo, los niveles medidos de sulfato disminuyen, seguidos de un aumento transitorio en el hierro disuelto total.

A partir del día 60, se observa que el total de arsénico disuelto aumenta significativamente. En el día 54 se perfilan los parámetros físicos y químicos. Mientras que el pH permanece cerca de pH siete a lo largo de la columna, el potencial redox cambia significativamente con valores cercanos a los 200 milivoltios negativos en la zona empobrecida en hierro, donde se produce la reducción de sulfato, y cerca de los milivoltios negativos en la parte superior, donde se produce la reducción bacteriana y química del hierro.

Las concentraciones de sulfato disuelto alcanzan aproximadamente 20 miligramos por litro en las capas inferiores y disminuyen a menos de un miligramo por litro en la zona rica en hierro. El sulfato también disminuye bruscamente en la interfaz entre las zonas privadas de hierro y las ricas en hierro, lo que indica un pico de actividad de reducción de sulfato. Mientras tanto, el arsénico se detecta en la zona superior, mientras que las especies de tioarseniato se observan más cerca de la interfaz y el tiosulfato se encuentra en la capa inferior privada de hierro.

Estos perfiles de concentración indican un pico de actividad de reducción de sulfato en la interfaz entre las capas privadas de hierro y ricas en hierro. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como la microscopía electrónica de barrido, la espectroscopia Raman o los ensayos de actividad para responder a preguntas adicionales, como qué nuevos minerales se forman o qué comunidades bacterianas se han desarrollado. No olvide que trabajar con mercurio y arsénico puede ser extremadamente peligroso y se deben tomar precauciones como guantes y campanas extractoras mientras se realiza este procedimiento.