Name: Configuración de columna experimental para el estudio de anaerobias biogeoquímicas interacciones entre bacterias, elementos traza e hidróxidos del hierro (Oxy) (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-19T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 52 s
Description: Aprende a configurar columnas experimentales para estudiar la biogeoquímica anaerobia de arsénico y mercurio en acuíferos. Este método permite analizar la dinámica de elementos traza bajo condiciones reductoras de hierro y sulfato.

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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.

1. experimental Preparación
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Uso de guantes de polietileno (o similar) y una campana de humos para todos los pasos que involucran sustancias químicas.</li>
</ol>
2. preparar Hg y como óxidos de hierro amorfos de tacon
<ol>
	<li>Preparar aproximadamente 20 g de ferryhydrate (derivados3): disolver 50 g de FECLAS3-6 H2O en 500 mL de agua ultra pura (resistividad &#62; 18 MΩ cm-1) en agitación en un reactor de vidrio con una hélice de acero inoxidable o magnético agitador. El pH inicial es &#60; 2.</li>
	<li>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.<ol>
		<li>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 .</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>Esterilizar Hg húmedo o tacon como óxidos de hierro por la radiación gamma, con una dosis de radiación absorbida mínima de 25 kGy.</li>
	<li>Control de Hg y como contenido (oxi) hidróxidos
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Dividir la mezcla de "etanol" mezclando con una espátula y mantener estéril antes del uso en el paso 4.</li>
</ol>
4. configuración de la columna
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Esterilizar todos los materiales (vidrio, tubería) en autoclave (1 h a 110 ° C).</li>
	<li>Fije la columna verticalmente.</li>
	<li>Conectarse la chaqueta de agua de un agua de refrigeración para mantener una temperatura promedio de 20 ° C.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Una columna vertical y conecte el flujo ascendente de continuamente N2 burbujas de agua ultrapura estéril a baja velocidad (~ 2 mL h-1).</li>
	<li>Cubre la columna con papel de aluminio para proteger de la luz.</li>
</ol>
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56240/56240fig1v2.jpg"> 
Figura 1: Dibujo y Foto de la configuración de columna. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56240/56240fig1v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Columnas de vidrio</td><td>Beaucaverre, Francia</td> Las columnas de <td>pedido específico</td><td>se 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.</td></tr><tr><td>Septos PTFE/silicona diámetro 20 mm</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>508608</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de PTFE ID 3 mm</td><td>VWR</td><td>228-0745</td><td></td></tr><tr><td>Bomba peristáltica</td><td>Dominique Dutsher SAS</td><td>66493</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de bomba peristáltica LMT 55</td><td>VWR</td><td>224-2250</td><td>Tygon&reg; LMT 55&nbsp;</td></tr><tr><td>Arena de Fontainbleau D50=209 &micro; m</td><td>SIBELCO, Francia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>N2 para burbujeo</td><td>Air Liquide, Francia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Irradiación gamma</td><td>Ionisos, Dagneux, Francia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Analizador automático de mercurio (AMA 254)</td><td>Análisis de corte, Francia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Varian SpectrAA 300 Zeeman</td><td>Agilent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Name </td><td>Company</td><td>Número de catálogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Chemicals</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>HNO3 Supra pur</td><td>VWR</td><td>1.00441.1000</td><td>Fabricante: Merck</td></tr><tr><td>HCL 30% Supra pur</td><td>VWR</td><td>1.00318.1000</td><td>Fabricante: Merck</td></tr><tr><td>Hg(NO3)2</td><td>Merck</td><td>516953</td><td></td></tr><tr><td>As2O3</td><td>Merck</td><td>202673</td><td></td></tr><tr><td>FeCl3-6H2O</td><td>Merck</td><td>207926</td><td></td></tr><tr><td>gel de sílice</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>336815-500G</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron (Oxy)Hydroxides, Trace Elements, and Bacteria

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.

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...

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.

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

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as ...

El objetivo general de este montaje experimental es estudiar el destino de los metales traza bajo condiciones de reducción 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 fundamentales, por ejemplo, los del mercurio y el arsénico. La principal ventaja de esta técnica es que, debido al flujo continuo de agua, las dinámicas de las reacciones biogeoquímicas y la labilidad de los elementos traza se disocian y resultan accesibles mediante los puertos de muestreo.Por lo tanto, este método puede proporcionar información sobre el destino del mercurio y el arsénico, tal como se demostró aquí con respecto a los óxidos de hierro. También puede aplicarse a otros elementos traza o sustratos portadores. La procedimiento lo demostrará 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. Añada 50 gramos de cloruro férrico hexahidratado mientras agita. Agregue manualmente aproximadamente 50 mililitros de una solución 10-molar de hidróxido de sodio para iniciar la precipitación de ferrihidrita.A continuación, ajuste el pH a seis y continúe agitando durante una hora para estabilizar. Para hidróxidos y oxi-hidróxidos con arsénico añadido, 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 agitando durante tres horas. Después de esto, centrifugue a 2,000 G durante 20 minutos. Retire el sobrenadante y resuspenda el precipitado con 50 mililitros de agua ultrapura.Repita la centrifugación y la resuspensión dos veces adicionales. Recupere y almacene los hidróxidos e hidroxióxidos húmedos según se indica en el protocolo escrito. Mantenga cuatro gramos de gel de sílice en 40 mililitros de hidróxido de potasio al 7% sobre una placa calefactora agitando con una barra magnética hasta que se disuelva.Añada 60 mililitros de agua ultrapura. Enfríe la solución en hielo hasta aproximadamente 20 grados Celsius para evitar que el gel se solidifique demasiado rápido. Titule la mezcla de gel de sílice con ácido fosfórico al 20 % hasta 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 enriquecidos con mercurio o arsénico antes de que se solidifique. Con una espátula, desagregue la mezcla gelificada. Para comenzar a montar las columnas de vidrio, conecte las camisas de agua a un sistema de enfriamiento por agua.Configure el sistema para mantener una temperatura media de 20 grados Celsius. Corte longitudes de tubo de PTFE con un diámetro interno de tres milímetros, asegurándose de que haya suficiente longitud para la entrada y salida de la columna. A continuación, añada una capa de lana de roca húmeda a la columna desde la parte superior.Agregue 320 gramos de arena estéril. Añada la capa final compuesta por la mezcla previa de arena estéril y óxidos de hierro amorfos hidratados marcados, fijados en la matriz de gel de sílice. A continuación, conecte la entrada al tubo peristáltico.Conecte el otro extremo del tubo peristáltico a la fuente de medio acuoso. Conecte un flujo ascendente de agua estéril ultrapura burbujeada continuamente con gas nitrógeno a baja velocidad, 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 interfase entre las dos capas de arena. Esta zona negra invade progresivamente las zonas superiores enriquecidas en hidróxido y oxi-hidróxido de hierro, hasta que 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 del hierro total disuelto.A partir del día 60, se observa un aumento significativo del arsénico disuelto total. El día 54 se realiza el perfilado de los parámetros físicos y químicos. Mientras que el pH permanece cercano a siete a lo largo de la columna, el potencial redox cambia significativamente, con valores cercanos a -200 milivoltios en la zona agotada de hierro donde ocurre la reducción de sulfato, y cercanos a 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 interfase entre las zonas deficientes y ricas en hierro, lo que indica un pico de actividad de reducción de sulfato. Mientras tanto, se detecta arsénico en la zona superior, mientras que las especies tioarsenato se observan más cerca de la interfase y el tiosulfato se encuentra en la capa inferior pobre en hierro.Estos perfiles de concentración indican un pico de actividad de reducción de sulfato en la interfase entre las capas deficientes en hierro y las ricas en hierro. Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como microscopía electrónica de barrido, espectroscopía Raman o ensayos de actividad para responder preguntas adicionales, como qué nuevos minerales se han formado o qué comunidades bacterianas se han desarrollado. No olvide que trabajar con mercurio y arsénico puede ser extremadamente peligroso y que se deben tomar precauciones, como el uso de guantes y campanas extractoras, durante la realización de este procedimiento.

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Aislamiento de reductores de hierro oxidantes de amonio de un cultivo de enriquecimiento derivado del suelo de humedales 

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