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

L’objectif global de ce dispositif expérimental est d’étudier le devenir des métaux traces dans des conditions sulfatées et/ou réductrices de fer induites par les activités microbiennes. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la biogéochimie, telles que les interactions entre les principaux cycles biogéochimiques comme le mercure et l’arsenic. Le principal avantage de cette technique est qu’en raison de l’écoulement continu de l’eau, la dynamique des réactions biogéochimiques et la labilité des éléments traces sont dissociées et accessibles par les ports d’échantillonnage.

Ainsi, cette méthode peut donner un aperçu du devenir du mercure et de l’arsenic, comme démontré ici, ce qui se termine par les oxydes de fer. Il peut également être appliqué sur d’autres oligo-éléments ou substrats porteurs. Hafida Tris, une technicienne de notre laboratoire, fera la démonstration de la procédure.

Pour commencer cette procédure, ajoutez 500 millilitres d’eau ultrapure dans un réacteur en verre équipé d’une barre d’agitation magnétique. Ajouter 50 grammes de chlorure de fer(III) hexahydraté en remuant. Ajouter manuellement environ 50 millilitres d’une solution de 10 molaires d’hydroxyde de sodium pour commencer la précipitation de la ferrihydrite.

Ensuite, ajustez le pH à six et continuez à remuer pendant une heure pour vous stabiliser. Pour les hydroxydes et les oxyhydroxydes enrichis en arsenic, préparez 100 millilitres de trioxyde d’arsenic à une concentration de 10 grammes par litre. Ensuite, ajoutez 70 millilitres de cette solution à la solution d’oxyde de fer.

Continuez à remuer pendant trois heures. Après cela, centrifugez à 2 000 G pendant 20 minutes. Retirez le surnageant et remettez en suspension la pastille avec 50 millilitres d’eau ultrapure.

Répétez la centrifugation et la remise en suspension deux fois de plus. Récupérer et stocker les hydroxydes et oxyhydroxydes humides comme indiqué dans le protocole texte. Conservez quatre grammes de gel de silice dans 40 millilitres d’hydroxyde de potassium à 7 % sur une plaque chauffante en remuant avec une barre d’agitation magnétique jusqu’à ce qu’ils soient dissous.

Ajoutez 60 millilitres d’eau ultra-pure. Refroidissez la solution sur de la glace à environ 20 degrés Celsius pour éviter que le gel ne se fixe trop rapidement. Titrez le mélange de gel de silice avec de l’acide phosphorique à 20 % jusqu’à pH 7,5.

Ensuite, mélangez rapidement le gel de silice liquide avec 320 grammes de sable stérile préalablement mélangé à 18,3 grammes d’oxydes de fer enrichis au mercure ou à l’arsenic avant qu’il ne se solidifie. À l’aide d’une spatule, cassez le mélange gélifié. Pour commencer à installer les colonnes de verre, connectez les chemises d’eau à un système de refroidissement par eau.

Réglez le système pour maintenir une température moyenne de 20 degrés Celsius. Coupez des longueurs de tubes en PTFE d’un diamètre intérieur de trois millimètres en vous assurant qu’il y a une longueur suffisante pour l’entrée et la sortie de la colonne. Ensuite, ajoutez une couche de laine de roche humide à la colonne par le haut.

Ajoutez 320 grammes de sable stérile. Ajouter la couche finale composée de sable stérile préalablement mélangé et d’oxydes de fer amorphes hydratés préalablement ajoutés fixés dans la matrice de gel de silice. Ensuite, connectez l’entrée à la tubulure péristaltique.

Connectez l’autre extrémité du tube péristaltique à l’alimentation en eau. Connectez un flux ascendant d’eau stérile ultra-pure bouillonnée en continu par de l’azote gazeux à faible vitesse d’environ deux millilitres par heure. Après cela, couvrez la colonne avec du papier d’aluminium pour bloquer la lumière.

Au bout de deux semaines, un précipité de couleur noire est observé à l’interface entre les deux couches de sable. Cette zone noire envahit progressivement les zones supérieures enrichies en hydroxyde de fer et en oxyhydroxyde, toute la couche supérieure devenant noire à la fin de l’expérience. Après 35 jours de fonctionnement continu, les niveaux mesurés de sulfate diminuent suivis d’une augmentation transitoire du fer dissous total.

À partir du 60e jour, on voit que la quantité totale d’arsenic dissous augmente considérablement. Au jour 54, les paramètres physiques et chimiques sont profilés. Alors que le pH reste proche du pH sept le long de la colonne, le potentiel redox change considérablement avec des valeurs proches de moins 200 millivolts dans la zone appauvrie en fer où la réduction du sulfate se produit et près de millivolts négatifs au sommet où la réduction bactérienne et chimique du fer se produit.

Les concentrations de sulfate dissous atteignent environ 20 milligrammes par litre dans les couches inférieures et diminuent à moins d’un milligramme par litre dans la zone riche en fer. Le sulfate diminue également fortement à l’interface entre les zones privées de fer et les zones riches en fer, ce qui indique un pic d’activité de réduction du sulfate. Pendant ce temps, l’arsenic est détecté dans la zone supérieure tandis que les espèces de thioarséniate sont observées plus près de l’interface et le thiosulfate est dans la couche inférieure privée de fer.

Ces profils de concentration indiquent un pic d’activité de réduction des sulfates à l’interface entre les couches privées de fer et les couches riches en fer. Suite à cette procédure, d’autres méthodes telles que la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie Raman ou les dosages d’activité peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires telles que les nouveaux minéraux formés ou les communautés bactériennes qui se sont développées. N’oubliez pas que travailler avec du mercure et de l’arsenic peut être extrêmement dangereux et que des précautions telles que des gants et des hottes doivent être utilisées lors de cette procédure.