Article de méthode

Installation de colonne expérimental pour l’étude anaérobies biogéochimiques entre les hydroxydes de fer (Oxy), oligo-éléments et les bactéries

DOI :

10.3791/56240

⸱

19 décembre 2017

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

Dans cet article

Résumé

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Sort et la spéciation de l’arsenic et de mercure dans les aquifères sont des conditions étroitement liées à la physio-chimique et l’activité microbienne. Nous présentons ici une installation expérimentale de colonne originale qui imite une nappe et permet une meilleure compréhension de la biogéochimie des éléments traces dans des conditions anoxiques. Deux exemples sont présentés, en combinant des approches géochimiques et microbiologiques.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sort et la spéciation des éléments traces (TEs), comme l’arsenic (As) et le mercure (Hg), dans les aquifères sont étroitement liées aux conditions physio-chimiques, tels que le potentiel d’oxydoréduction (Eh) et pH, mais aussi à des activités microbiennes qui peuvent jouer un rôle direct ou indirect sur spéciation et/ou mobilité. En effet, certaines bactéries peuvent directement s’oxyder As (III) à l’As (v) ou As (v) à As (III) de réduire. De même, les bactéries sont fortement impliqués dans Hg cyclisme, soit par le biais de sa méthylation, formant le mercure monométhylique de neurotoxine, ou sa réduction élémentaire Hg °. Les destins des deux comme et Hg sont également étroitement liées à la composition du sol ou aquifère ; en effet, comme et Hg peut lier à des composés organiques ou hydroxydes (oxy), qui aura une influence sur leur mobilité. À son tour, activités bactériennes telles que la réduction de l’hydroxyde de fer (oxy) ou de la minéralisation de la matière organique peuvent influencer indirectement comme et la séquestration du Hg. La présence de sulfate/sulfure peut influer aussi fortement ces éléments particuliers par le biais de la formation de complexes comme les thio-arséniates avec comme ou metacinnabar avec Hg.

Par conséquent, plusieurs questions importantes ont été soulevées sur le devenir et la spéciation de l’As et le mercure dans l’environnement et la façon de limiter leur toxicité. Toutefois, en raison de leur réactivité vis-à-vis des composantes de l’aquifère, il est difficile de dissocier clairement les processus biogéochimiques et leurs différents impacts sur le sort de ces TE.

Pour ce faire, nous avons développé un original, expérimental, installation de colonne qui imite un aquifère avec zones riches comme - ou Hg-oxyde de fer contre fer appauvri zones, ce qui permet une meilleure compréhension de la biogéochimie de TE en conditions anoxiques. Le protocole suivant donne des instructions étape par étape pour la mise en place de colonne soit comme ou Hg, ainsi qu’un exemple avec comme sous fer et sulfate de conditions réductrices.

Introduction

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Compréhension et la prédiction de la mobilité des éléments traces (TE) et la biogéochimie dans l’environnement sont indispensable pour contrôler, développer et appliquer des décisions de gestion appropriés pour les sites pollués. Ceci s’applique en particulier dans le cas de TEs toxiques comme l’arsenic (As) et le mercure (Hg). Le destin et la spéciation des ces TEs dans le sol ou les aquifères sont étroitement liées aux conditions physico-chimiques, tels que Eh et pH, mais aussi aux activités microbiennes qui peuvent jouer un rôle soit direct sur spéciation ou un rôle indirect sur la mobilité.

En effet, certaines bactéries peuvent directement s’oxyder As (III) à l’As (v) ou As (v) à As (III) de réduire. Ceci affecte toxicité, puisque l’As (III) est la forme la plus toxique d’aussi et la mobilité, As (III) étant plus mobile que l’As (v), qui peuvent être facilement adsorbés (oxy) hydroxydes de fer ou de la matière organique1,2. De même, les bactéries sont fortement impliqués dans mercure, randonnée à vélo, soit par le biais de sa méthylation, principalement de sulfate et fer réduisant les bactéries3,4, formant le mercure monométhylique de neurotoxine (facilement bioaccumulé dans la chaîne alimentaire), ou par l’intermédiaire de sa réduction à volatiles élémentaire Hg (Hg °)5.

Les deux As et destins de Hg sont également étroitement liées à la composition du sol ou aquifère, depuis composés tels que les matières organiques ou (oxy) hydroxydes de fer peuvent influencer leur séquestration et la biodisponibilité. As (v) s’adsorbe bien au fer hydroxydes (oxy)6, alors que Hg a une très forte affinité pour la matière organique (OM, principalement pour des groupements thiol) mais aussi pour fer colloïdal ou manganèse (oxy) hydroxydes dans OM appauvri environnements7,8 , 9 , 10 , 11.

Activités bactériennes peuvent alors influencer le sort de TEs adsorbé aux hydroxydes (oxy) ou de la matière organique par le biais de la réduction des hydroxydes (oxy) de fer ou la minéralisation de la matière organique. Réduction de fer directe de bactéries est que le trajet dominant de réduction fer soufre appauvri les zones12,13, Fe (III) étant utilisé comme un accepteur terminal d’électron, alors qu’indirectement, Fe (III) peut être réduit à Fe (II) de sulfure formé par une réduction de sulfate bactérienne14. En outre, la présence de sulfate peut également modifier les Hg et As spéciation par le biais de la formation de complexes comme les thio-arséniates15 avec comme ou metacinnabar avec Hg.

Ainsi, une meilleure compréhension de l’impact du fer et de sulfate de vélo sur le sort de TE, tels que Hg et As, pourrait nous aider à mieux gérer les sites contaminés et maintenir la qualité de l’eau et le sol. Données pourraient également contribuer à renforcer les modèles existants de métal-mobilité. Microbienne Fe (III)-réduction16,17,18 peut causer la désorption de TE. Théoriquement, la réduction indirecte des hydroxydes (oxy) fer de sulfure produites par la réduction microbienne du sulfate pourrait également avoir des répercussions mobilité TE. Toutefois, l’étendue et la cinétique de ces réactions sont généralement étudiés dans les lots homogènes ou lot microcosmes16,18,19,20. L’inconvénient des expériences est l’absence de dissociation des phénomènes naturels ; en effet, l’activité est basée sur et limitée par les ressources présentes dans le lot et seuls donne un résultat final des déplacements dans la spéciation et l’adsorption. En utilisant une approche de colonne permet le renouvellement des afflux de médias et la surveillance du sort de TE spatiale et temporelle. Ces conditions sont plus réalistes par rapport à un aquifère, où les phénomènes réels sont étroitement liées aux conditions de percolation continue. Par ailleurs, occurrence d’hydroxyde de fer hétérogènes (oxy) dans les sédiments de l’aquifère est commun21,23, et les changements spatiaux dans la composition minéralogique et chimique des phases solides certainement conduit les activités microbiennes .

Afin d’élucider l’influence de ces hétérogénéités sur des phénomènes géo-microbienne et le sort de TE fer-associés, nous avons développé un laboratoire, une colonne alimentés en continu représentant un aquifère modèle simplifié. La colonne est remplie pour créer une zone pauvre en fer à l’entrée de la colonne et d’une zone riche en fer dans la partie supérieure. L’échantillonnage régulier ports permettent d’étudier chaque zone individuellement ainsi que les phénomènes liés à l’interface. Un exemple de l’application de ce dispositif expérimental pour l’étude du devenir de Hg et de spéciation est déjà disponible24. Nous donnons ici une description détaillée de l’installation expérimentale et un deuxième exemple de son application axée sur le comportement de comme dans les aquifères contaminés.

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Protocole

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1. préparation expérimentale

  1. Acid-Wash tous les matériaux (verre, polytétrafluoroéthylène (PTFE)) en contact avec des échantillons (5 jours à 20 % d’acide nitrique (HNO3) v/v) suivis de 5 jours dans l’acide chlorhydrique (HCl) 10 % v/v). Rincer plusieurs fois à l’eau ultra pure et sécher sous une hotte à flux laminaire hotte à avant utilisation.
  2. Utiliser des gants en polyéthylène (ou similaire) et une hotte aspirante pour toutes les étapes impliquant des produits chimiques.

2. préparer Hg et As dopé les oxydes de fer amorphe

  1. Préparer environ 20 g de ferryhydrate (Fe(OH)3) : Dissoudre 50 g de FeCl3-6 H2O dans 500 mL d’eau ultra pure (résistivité > 18 MΩ cm-1) sous agitation dans un réacteur de verre avec un rotor en acier inoxydable ou magnétique agitateur. Le pH initial est < 2.
  2. Ajouter manuellement une solution de 10 M de NaOH à précipiter ferryhydrate.
    NOTE : Environ 50 mL devront à précipiter tous les hydroxydes de fer (oxy). Ajuster le pH à 6 et maintenir l’agitation pendant 1 h à se stabiliser.
    1. Pour crampons Hg (oxy) hydroxydes : préparer 10 mL d’HgNO3 à 10 g L-1 et ajouter 350 µL de la solution d’hydroxyde (oxy).
      NOTE : Ceci permettra d’obtenir une teneur finale de Hg dans les hydroxydes (oxy) humides d’hydroxydes (oxy) de-1 de g de le µg ~ 4.
    2. Pour crampons comme des hydroxydes (oxy) : préparation de 100 mL de2O325 à 10 g L-1 et ajouter 70 mL de la solution d’oxyde de fer. Cela produira un As (III) le contenu final de ~ 70 mg/g (oxy) hydroxydes.
  3. Laisser sous agitation avec une roue en acier inoxydable ou agitateur magnétique pendant 3 h et puis centrifuger pendant 20 min à 2 000 x g. éliminer le surnageant et remettre en suspension les hydroxydes (oxy) dans 500 mL d’eau ultra pure. Répétez la centrifugation et le rinçage des étapes deux fois. Récupérer les hydroxydes (oxy) humides (solides ont une teneur en humidité de 85 à 90 % en poids) et conserver à 4 ° C jusqu'à l’utilisation.
  4. Stériliser Hg humide ou enrichis comme des oxydes de fer par le rayonnement gamma, avec une dose de rayonnement absorbée minimale de 25 kGy.
  5. Contrôler les Hg et comme contenu d’hydroxydes (oxy)
    1. Déterminer le contenu Hg du pellet26.
      NOTE : Nous avons trouvé 3,90 ± 0,08 µg Hg g-1 solide. Ainsi, la quantité totale de mercure ajouté à chaque colonne dans le 18,3 g des oxydes de fer était de 71,4 ± 1.51 µg.
    2. Déterminer en tant que contenu dans le culot. Utiliser la minéralisation acide chaude (8 mL d’HCL de N 5 de 4 h à 50 ° C) et d’analyser par spectrométrie d’Adsorption atomique (SAA).
      NOTE : Nous avons trouvé 70 mg comme g-1 solide. Ainsi, le montant total du titre ajouté à la colonne dans le 18,3 g des oxydes de fer était ~1.3 g.

3. préparer le Gel de silice et matrice de sable

Remarque : Une matrice de gel de silice lâche a été utilisée pour arrêter les oxydes de fer fines la migration à partir du mélange de sable/fer oxyde sous l’écoulement de l’eau. La matrice du gel définitif était silicagel 6 % de manière à ne pas former un bloc mais juste pour agréger souplement les oxydes.

  1. Préparer un mélange de gel de silice de 10 % par 4 g de gel de silice dans 40 mL d’une solution de 7 % de chauffage KOH sur une plaque de cuisson, en remuant avec une barre magnétique remuer jusqu'à dissolution.
  2. Ajouter 60 mL d’eau ultra pure puis refroidir la solution à environ 20 ° C. Rapidement titrer avec de l’acide phosphorique dilué (20 %) à un pH de 7,5. Puis mélanger rapidement le gel de silice liquid avec 320 g de sable stérile et la g 18,3 précédemment ajouté des crampons Hg ou enrichis en oxydes de fer avant elle se solidifie.
  3. Casser le mélange « gélifié » en mélangeant avec une spatule et garder stérile avant de l’utiliser à l’étape 4.

4. installation de la colonne

  1. Utiliser des colonnes de verre avec une veste de l’eau, système de refroidissement (volume interne = 400 mL, hauteur = 30 cm, diamètre 3,5 cm) et cinq cloisons-silice régulièrement (tous les 5 cm) sur les colonnes pour vous permettre de déguster tout au long de la colonne.
  2. Couper le tube PTFE (PTFE int Ø 3 mm) afin d’assurer une durée suffisante à la colonne entrée et en sortie. Connectez l’entrée pour tube péristaltique, qui à son tour est relié à l’approvisionnement en eau/médium.
  3. Stériliser tous les matériaux (verre, tubes) à l’autoclave (1 h à 110 ° C).
  4. Fixer la colonne verticale.
  5. Connecter la chemise d’eau pour une eau de refroidissement pour maintenir une température moyenne de 20 ° C.
  6. Remplir la colonne du haut comme suit :
    -Une couche de laine de roche humide pour éviter la perte de solide ;
    -320 g de sable stérile (sable de Fontainebleau, D50 = 209 µm) ;
    -320 g de sable stérile mélangée à 18,3 g hydratée amorphes dopés avec Hg ou comme des oxydes de fer (voir étape 1) et fixe dans une matrice de gel de silice de 6 % (voir étape 2).
  7. Fixez la colonne verticale et de se connecter à flux ascendant continu N2 barboter l’eau ultrapure stérile à faible vitesse (~ 2 mL h-1).
  8. Couvrir la colonne avec du papier d’aluminium pour protéger de la lumière.

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Figure 1 : Croquis et photos de l’installation de la colonne. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Résultats

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Exemple 1. Impact de la réduction fer de mobilité et de la spéciation

L’As colonne était directement inoculé avec des eaux souterraines provenant d’un site présentant une concentration de As plus élevée que les critères de potabilité (Bracieux, Loire et Cher, France). Eaux souterraines a été échantillonné dans des bouteilles stériles et stockés à 5 ° C jusqu'à l’utilisation. La colonne a été alimentée par le bas...

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Discussion

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L’installation de la colonne expérimental s’est avéré un dispositif pratique de laboratoire pour étudier les processus biogéochimiques anaérobies en continu. Colonne continue systèmes permettent de travailler dans des conditions plus près à celles des aquifères réels que les systèmes de commandes de coulis bitumineux ou des microcosmes. Systèmes en continu peuvent de simuler le mouvement des eaux souterraines par les sédiments de l’aquifère.

L’étape la plus critique au sein du protocole prépar...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été cofinancé par le BRGM, une bourse postdoctorale du Conseil Général du Loiret et de l’Institut Carnot. Nous remercions également le soutien financier apporté au projet PIVOTS de la Région Centre - Val de Loire.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Lesdemande spécifiqueont été composées de 3 pièces distinctes, le noyau de la colonne principale avec la chemise de refroidissement et les 5 orifices d’échantillonnage (taille GL14 avec olive) et une pièce supérieure et inférieure qui s’adapte au corps de la colonne principale et est maintenue en place par un joint et une vis en silicone (RIN F 40x38 & SVL 42). Remarque : Cette conception a été discutée directement avec l’entreprise. Nous vous recommandons de trouver un vitrier local.
Septa PTFE/silicone diamètre 20 mmSigma-Aldrich508608
tube PTFE ID 3 mmVWR228-0745
Pompe péristaltiqueDominique Dutsher SAS66493
Tube de pompe péristaltique LMT 55VWR224-2250Tygon® ; LMT 55  ;
Sable de Fontainbleau D50=209 & micro ; mSIBELCO, France
N2 pour bouillonnementAir Liquide, France
Irradiation gammaIonisos, Dagneux, France
Analyseur automatique de mercure (AMA 254)Courtage Analyses, France
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Nom EntrepriseNuméro de catalogueComments
Chemicals
HNO3 Supra purVWR1.00441.1000Fabricant : Merck
HCL 30 % Supra purVWR1.00318.1000Fabricant : Merck
Hg(NO3)2Merck516953
As2O3Merck202673
FeCl3-6H2OMerck207926
gel de siliceSigma-Aldrich336815-500G
colonnes de

Références

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Mots-clés

Oxyhydroxydes de ferr duction des sulfatesr duction du fersp ciation de l arseniccycle du mercureflux p ristaltiquemicroscopie lectronique balayage

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