Sedimenti Nucleo sezionamento ed estrazione di Pore acque sotto anossiche condizioni

Sommario

Viene presentato un protocollo per il sezionamento di carote di sedimenti e l'estrazione di acque interstiziali in condizioni anossiche al fine di consentire l'analisi di specie sensibili al redox sia nei solidi che nei fluidi.

Abstract

Abbiamo dimostrato un metodo per il sezionamento campioni di sedimenti e l'estrazione di acque pori pur mantenendo condizioni di assenza di ossigeno. Un sistema semplice e poco costoso è costruito e può essere trasportato in uno spazio di lavoro temporaneo vicino al sito di campionamento campo (s) per facilitare l'analisi rapida. Nuclei sono estruse in una borsa a guanti portatile, dove vengono sezionati e ogni sezione di spessore 1-3 cm (a seconda del diametro del nucleo) è sigillato in 50 ml provette da centrifuga. acque Pore sono separate da centrifugazione esterno della borsa guanto e poi restituiti al sacchetto guanto per la separazione dal sedimento. Questi campioni di acqua estratta poro possono essere analizzati immediatamente. analisi immediati di specie sensibili redox, come il solfuro, speciazione ferro e arsenico speciazione indicano che l'ossidazione delle acque dei pori è minima; alcuni campioni mostrano circa il 100% delle specie ridotta, ad esempio, 100% Fe (II) senza rilevabile Fe (III). Entrambi i campioni di acqua di sedimento e pori possono essere conservati al principaletain specie chimiche per ulteriori analisi al ritorno al laboratorio.

Introduzione

Ricercatori spesso vogliono studiare lo stato redox e geomicrobiology di un sistema acqua-sedimento. Questo utilizza idealmente dati di entrambi i sedimenti e acque pori, come acque pori sono spesso monitor sensibili del sistema e sono una fonte comune, anche se non l'unica fonte, di esposizione ecologico per redox sensibili metalli pesanti ¹ come arsenico e uranio. Dati acqua interstiziale possono essere ottenuti in situ utilizzando filtri di diffusione di equilibrio, noto anche come "peepers", installati nel sedimento ^2. Peepers sono più comunemente utilizzati in ambienti in cui il sito di campo è noto prima di iniziare il lavoro sul campo e dove visite multiple per un periodo prolungato di tempo possono essere apportate al sito campo, ad esempio Shotyk ^3. Pertanto molti contesti non consentono l'utilizzo di peepers, come i siti accessibili solo per un breve periodo di tempo o in cui più campioni esplorativi sono ottenuti per determinare dove ulteriori indagini dovrebbe avvenire ^4.Inoltre peepers non campione di sedimento contemporaneamente al campionamento di acqua.

Quando è desiderabile campione di sedimento e l'acqua, o in siti campo in cui l'installazione peeper non è fattibile, il metodo più comune per ottenere sedimenti e l'acqua è carotaggio sedimenti. Ottenere un nucleo non miscelato è un precursore fondamentale per la procedura descritta in questo lavoro ^5. Una volta che un nucleo è ottenuta acque pori possono essere ottenuti mediante spremitura ⁶ o centrifugazione; entrambi hanno vantaggi e svantaggi. La centrifugazione è generalmente considerato il metodo più affidabile per l'estrazione porewaters da carote di sedimento, ^7, anche se bisogna fare attenzione per prevenire l'ossidazione dei sedimenti o acque pori.

In questo metodo descriviamo estrusione core e centrifugazione per estrarre acque pori con ossidazione minimo. Gli autori hanno utilizzato il metodo descritto in una varietà di contesti compreso marine ^8, lago contaminato ^{9, e delle zone umide 10. I dati rappresentativi riportati dimostrano che le condizioni riducenti possono essere conservati. Con l'eccezione della centrifuga, i materiali utilizzati sono economici, e questo metodo può essere applicato ad una grande varietà di domande di ricerca geochimiche e geomicrobiological.}

Protocollo

1. Preparazione di apparecchiature

1. Preparazione di Core Liner
   1. Calcolare lo spessore della fetta di base che verrà ottenuto utilizzando Volume = πr ² x spessore; il volume finale deve essere <50 cm ^3. Con un diametro del nucleo 10 centimetri, fette spesse 2 cm possono essere ottenuti.
      NOTA: Non è necessario che il volume necessario un pieno 50 ml, ma i volumi porewater ottenuto sarà proporzionalmente più piccole.
   2. Utilizzando un seghetto (o simile) slice uno di linea di base, o un tubo di plastica di diametro identico, in 2 cm anelli (o altro spessore se si utilizza un nucleo diverso diametro). Ottenere 3-5 anelli.
   3. Pulire tutto il materiale di plastica che verranno a contatto con i sedimenti, tra cui le fodere di base, le protezioni di base, anelli, affettatrici core, provette da centrifuga, siringhe, e cucchiai monouso. (Impregna materie plastiche a 10% HCl per 24 ore, risciacquare materie plastiche 3x in Nanopure (22 MW acqua), e che materiali di aria secca, preferibilmente in una laminareflusso cappuccio, prima del confezionamento.)
2. Preparazione del Laboratorio Jack
   1. Tagliare un pezzo di compensato, con un seghetto, per coprire il 6 "x 6" dimensioni della piastra superiore del martinetto laboratorio e praticare un foro al centro di questa compensato utilizzando un foro per sega ad un trapano.
      NOTA: Questo buco dovrebbe essere solo leggermente più grande del diametro di pezzi diluenti PVC; per le dimensioni utilizzate qui, il foro dovrebbe essere 2 ¾ ".
   2. Praticare quattro piccoli fori nei bordi di questo compensato per abbinare i fori sulla piastra superiore della presa laboratorio utilizzando una punta da trapano regolare su un trapano a mano o trapano. Fissare il compensato alla presa laboratorio con fascette.
      NOTA: Non ci dovrebbero essere "wiggle" in questa compensato.
3. Praticare un foro al centro di circa 2 'x 1,5' compensato leggermente maggiore del diametro esterno dei rivestimenti di base utilizzando una sega a tazza. Per 10 cm fodere nucleo di diametro, un foro di 10,5-11,5 cm sarà appropriaTE. Questo legno è la piastra guida di base.
4. Preparazione del Nucleo estrusore (Pistone)
   1. Ottenere un tappo di gomma di laboratorio che si adatta perfettamente all'interno delle fodere principali. Se nessuno è disponibile, radere uno a misura con un rasoio. Non utilizzare un troppo-piccolo tappo.
   2. Avvitare il tappo di laboratorio per un circa 1'-1.5 'lungo, 1 "di diametro tassello o scopa manico. Coprire la testa della vite sulla faccia del tappo con nastro isolante impermeabile.
      NOTA: Il lato maggiore del tappo deve essere rivolto lontano dal tassello.
5. Tagliare un 1,5 'durata circa di tubo in PVC in ~ 6 "lunghi tratti.
   NOTA: Il diametro interno deve essere maggiore del grano nel passaggio 1.4.2, ma più piccola del tappo nel passaggio 1.4.1. Questo protocollo assume usando standard "PVC con un vero diametro esterno di 2,375" 2. Questi pezzi di PVC sono gli estensori di base.
6. Montare tutte le altre attrezzature necessarie elencati nella Lista dei materiali.
   NOTA: Questo should essere raccolti in laboratorio casa e portato al laboratorio di campo.

2. Mettere in funzione la Laboratorio Campo

1. Impostazione del Bag Glove
   1. Fissare la piastra di base linee guida per il piano di lavoro (piano di lavoro, la superficie di laboratorio, etc.). Assicurarsi che il foro per il rivestimento di base è sulla superficie di lavoro, ma è aperto.
   2. Posizionare il sacchetto guanto a gettare sopra la piastra di guida nucleo, ed eseguire il tubo dall'entrata tubo del sacchetto guanto al regolatore della vasca N _2. Assicurarsi che il serbatoio è fissato in modo sicuro utilizzando il morsetto da banco cilindro.
   3. Nastro il tubo al sacchetto guanto per sigillare il punto di ingresso circondando il sacchetto intorno l'esterno del tubo con nastro isolante. Assicurarsi che circa 8 "di tubo si estende verso l'interno della borsa portaoggetti Spostare il morsetto del tubo sul tubo all'interno del sacchetto guanto;. Lasciare questo morsetto aperto.
   4. Tagliare una "X" nella parte inferiore del sacchetto guanto sullaforo nella piastra di nocciolo guida usando un taglierino o rasoio. Questo x dovrebbe essere minore del diametro del nucleo liner.
   5. Caricare il sacchetto guanto con gli oggetti trovati in Tabella 1.
2. Impostazione del Nucleo
   1. Posizionare la presa di laboratorio sul pavimento sotto l'area di lavoro in cui è applicata la borsa portaoggetti. Posizionare il nucleo attraverso il taglio "X" nella parte inferiore del sacchetto guanto passo 2.1.4, mantenendolo in posizione verticale.
      NOTA: Circa 4-6 "del nucleo dovrebbe estendersi sopra la piastra di stabilizzazione nucleo.
   2. Tenere il nucleo stabile per consentire ricercatore 2 per eseguire passaggi 2.2.3 tramite 2.2.6.
   3. Tape il nucleo al sacchetto guanto di plastica intorno al "X", con abbondante buon nastro isolante di tenuta.
   4. Inserire la maniglia dell'estrusore nucleo in un "diametro ~ 6" 2 PVC spacer lunga, seguita da una lunga accoppiamento ~ 3 ", seguito da un altro distanziale. Continuare questo modello fino PVC interamente copertinela maniglia; può estendere una breve distanza oltre l'estremità del manico. Inserire l'estrusore nucleo (con distanziali PVC e raccordi) sotto il fondo del nucleo.
   5. Sostenere l'estrusore principale con la presa di laboratorio in modo che l'estrusore in grado di supportare il nucleo. In questo momento, mantenere la presa il più basso possibile e usare distanziali centrali, ove possibile.
   6. Usare un taglierino per tagliare con attenzione intorno al tappo del nucleo di fondo. Questo taglio dovrebbe tradursi in un anello di protezione nucleo essendo lasciato intorno alla parte esterna del liner nucleo ed una porzione circolare piana del tappo nucleo in posizione contro i materiali di base.
   7. Inserire le mani nella borsa portaoggetti (ricercatore 1). Tenere il nucleo stabile in modo che non si muova ulteriormente sopra il supporto di stabilizzazione core, mentre ricercatore 2 comincia a girare il jack laboratorio lentamente sollevare il nucleo. L'estrusore core dovrebbe entrare nel rivestimento di base e cominciare a spingere verso l'alto i sedimenti come un pop spinta.
   8. Muovere il lato nucleo estrusore a parte un po 'se neEDED per inserirlo nella camicia nucleo (ricercatore 2). Essere preparati per un leggero pop quando entra.
   9. Continuare a sollevare il nucleo fino alla parte superiore del materiale animato è pari o vicino alla parte superiore del rivestimento di base (ricercatori 1 e 2). Si noti che il tappo core dovrebbe rimanere in cima al nucleo durante questa procedura.
3. Tenuta Bag Glove
   1. Doppia verificare che tutte le forniture necessarie sono nel sacchetto guanto; accendere lo strumento portatile di ossigeno.
   2. Aprire tutte le provette da centrifuga, bottiglie d'acqua e altri oggetti che contengono intrappolati aria. Se il nucleo ha spazio di testa sopra l'acqua in piedi, aprire il tappo superiore per eliminare questo spazio di testa.
   3. Accendere il regolatore in modo che il flusso di azoto attraverso il tubo nel sacco guanto è a una velocità moderata. In generale una pressione di ~ 15 psi nell'ultima fase regolatore con tutte le valvole aperte è appropriato.
      NOTA: Questo dovrebbe essere abbastanza veloce per sentirsi come un forte vento sulla pelle, ma non così forte che disperde borsa portaoggetti supstrati.
   4. Puntare l'azoto in tutte le aree del sacchetto di guanto, e spingere l'azoto l'apertura principale al meglio delle proprie capacità. Spegnere l'azoto.
   5. Eliminare la sacca portaoggetti tre volte ripetendo i punti 2.3.6 tramite 2.3.9 tre volte.
      NOTA: Una persona può ottenere questo risultato, ma può essere più facile per due persone in modo che si possa mantenere le sue mani nei guanti che fanno parte della borsa guanto.
   6. Sigillare l'apertura principale della borsa guanto avvolgendo 1-2 corde elastiche intorno più volte. Accendere l'azoto ad un flusso simile come in 2.3.3. Luogo ricercatore 1 di mani in guanti built-in della borsa guanto.
   7. Spostare il tubo di azoto da una zona del sacco ad un altro per riempire il sacchetto guanto con azoto. Punto il tubo in eventuali fessure come provetta aperto, sopra l'acqua in una spruzzetta, etc.
   8. Spegnere l'azoto chiudendo il morsetto del tubo. Si noti che questo può essere realizzato senza rimuovere researcher 1 le mani dal sacchetto guanto.
   9. Aprire la parte anteriore del sacchetto guanto e con il corpo ricercatore 1 di spingere tanto gas dal sacchetto possibile.
      NOTA: La borsa deve essere piatta intorno alle forniture al suo interno, a questo punto.
   10. Riempire la borsa guanto ad una pressione confortevole e spegnere l'azoto utilizzando il morsetto del tubo. Alcuni tentativi ed errori può essere richiesto di trovare una pressione confortevole, come troppo pieno ed è difficile muoversi fra le braccia, mentre troppo vuoto ed è difficile da vedere e manipolare oggetti. Aprire il morsetto del tubo di azoto per brevi periodi per riempire la borsa se sembra avere una perdita lenta o è sempre più vuoto, per qualsiasi motivo. Aprire la parte anteriore del sacchetto per far uscire piccole quantità di azoto se diventa scomodo completa.
   11. Controllare il livello di ossigeno disciolto nel misuratore portatile di ossigeno. Dovrebbe essere inferiore a 1%.
   12. Inserire i guanti sacco guanto in guanti monouso. Questi miglioreranno destrezza. cambiarli ogni volta che get o sporco; gettare nel contenitore dei rifiuti in-bag.

3. Sezionamento il Core

NOTA: questa parte della procedura è molto più facilmente realizzabile con due ricercatori.

1. Rimuovere l'acqua stagnante con una siringa. Filtro per siringa questa acqua e posto in 50 ml provette da centrifuga.
2. Rimuovere una sezione Nucleo
   1. Collocare un anello nucleo sezionamento sopra la parte superiore del rivestimento di base. Sollevare il nucleo up (punto 3.3) fino all'inizio del sedimento è nella parte superiore dell'anello.
   2. Inserire l'affettatrice nucleo tra la parte superiore del rivestimento di base e l'anello. La sezione di sedimento è ora seduto in cima alla affettatrice nucleo.
   3. Spostare il sedimento in un tubo da 50 ml usando i cucchiai monouso. Chiudere la provetta saldamente una volta che è pieno.
   4. Risciacquare l'affettatrice nucleo e l'anello di sezionamento core con l'acqua Nanopure; schizzare i rifiuti sporco nel contenitore dei rifiuti all'interno del sacchetto guanto. cucchiai monouso possono anche essere risciacquati,o scartato, a seconda del numero necessario. Asciugare l'affettatrice nucleo e l'anello di sezionamento core con tovaglioli di carta.
   5. Ripetere il punto 3.2 fino a ulteriore materiale di base rimane.
3. Alzare il Core
   1. Durante 3.2 è necessario aumentare il nucleo. Fate questo in piccoli incrementi che utilizzano la presa di laboratorio. Effettuare le seguenti tre fasi, una volta la presa di laboratorio è completamente esteso.
   2. Tenere il nucleo in posizione nel sacchetto guanto (ricercatore 1).
   3. Abbassare il jack laboratorio per la sua posizione più bassa, quando è completamente compresso (ricercatore 2). Assicurarsi che il nucleo è tenuto in posizione con il ricercatore 1 di mano all'interno della borsa portaoggetti e ricercatore 2 di mani di supporto da sotto.
   4. Riempire lo spazio tra l'estremità inferiore del nucleo estrusore e la presa con distanziali e raccordi in PVC. Assicurarsi che il nucleo è supportato in modo sicuro dal extender nucleo prima di lasciare andare la parte superiore del nucleo.

4. Exaggiudicatrici Porewaters

1. Aprire la busta guanto e rimuovere il rack di provette da centrifuga.
2. Pulire la borsa portaoggetti, se necessario, eliminando qualsiasi terreno, liquido, o condensa pulendo l'interno con asciugamani di carta, acqua, ecc contenitore per rifiuti vuoto.
3. Richiudere la sacca portaoggetti liberamente con corde elastiche.
4. Pesare provette da centrifuga, che ora contengono sezionati sedimento (se lo si desidera).
5. Avvolgere le cime delle provette da centrifuga con del nastro isolante per sigillare la giunzione tappo / tubo.
6. Bilanciare le provette per centrifugazione tramite pesatura, dopo taping. Aggiungere o rimuovere del nastro isolante per ottenere pesi all'interno di 0,5 g.
   NOTA: Generalmente, tubi dalla parte superiore del nucleo sarà più leggero di quelli dal basso.
7. Inserire tubi a centrifuga e centrifugare a massima accelerazione (si raccomanda 1.100 xg) per 20 min.
   Nota: Le tariffe di centrifugazione più alti permettere una maggiore separazione dei porewaters.
8. Rimuovere nastro isolante dalla centrifutubi ge sia staccandosi o da affettare con un rasoio prima di rimettere le valvole nella borsa portaoggetti. Rientro provette da centrifuga a rack dopo la centrifugazione e tornare alla borsa portaoggetti.
9. Aggiungere un altro set di provette da centrifuga, siringhe, e filtri per siringa alla borsa portaoggetti. Questi nuovi tubi terrà porewaters e possono essere pre-etichettati.
10. Eliminare di nuovo la borsa portaoggetti come al punto 2.3.5. Se la borsa guanto è stato aperto solo brevemente per rimuovere i tubi, e non è stato pulito, sarà accettabile per eliminarlo solo due volte. Se viene utilizzato un monitor di ossigeno, assicurarsi che l'atmosfera nel sacchetto guanto è <1% O _2. Non dimenticare di aprire le provette da centrifuga appena aggiunti e spurgare.
11. Inserire le mani ai guanti nel sacchetto guanto; come prima, coprire con guanti monouso.
12. Aprire un tubo. Rimuovere le porewaters dall'alto sedimento usando una siringa, quindi collegare un filtro siringa alla punta della siringa. Se porewaters e sedimenti sono ben separati, porewatERS può essere versato direttamente in una siringa con la canna rimosso e un filtro a siringa sulla punta.
13. Spingere l'acqua attraverso il filtro siringa nella provetta da centrifuga appropriata.
    NOTA: sarà necessario esercitare una certa forza; potrebbe essere necessario più di un filtro siringa per campione.
14. Sostituire i tappi sulla provetta contenente i sedimenti e il tubo contenente porewaters.
15. Ripetere i passaggi attraverso 4.13 4.15 per ogni campione.
16. Borsa guanto Aprire e rimuovere i campioni. Entrambi i tubi di sedimenti e porewater possono essere ri-pesati.
17. Analizzare porewaters immediatamente se lo si desidera. Le analisi possono includere (ma non sono limitati a) cromatografia ionica per i principali ioni ^11, ferrozina per il ferro speciazione ^12, speciazione dell'arsenico da voltammetria ^13, e solfuro di speciazione ^14.
18. Congelare porewaters e sedimenti nel dry shipper (circa -80 ° C) per preservare speciazione per la successiva analisi, se appropriato per le analisi previste. E may essere altresì opportuno mantenere i campioni raffreddare in contenitori a chiusura ermetica o in sacchetti di alluminio di azoto eliminati.
19. Riutilizzare il sacchetto guanto per un secondo nucleo (a partire 2.2.2) se desiderato. Dopo due core, il sacchetto guanto di solito deve essere cambiato.

Risultati

Il tipo di risultati ottenuti dipende analisi eseguite e l'impostazione geochimica da cui è stato ottenuto il nucleo. ossigeno disciolto può essere misurata in porewaters estratti, ma in molte impostazioni questo sarà zero sotto i primi cm del nucleo. Le analisi che di solito forniscono informazioni più significative includono speciazione di ferro (Fe II / Fe III) ^12, speciazione arsenico (As III / Come V) ^13, e solfuro ^14. Presenza di specie ridotte qual...

Discussione

La tecnica qui descritta è una flessibile che può essere regolato per una vasta gamma di posizioni, dimensioni principali, lo spessore della sezione di base, ecc Ci sono tre componenti essenziali a questo sistema.

Innanzitutto, preparare un sistema centrale di estrusione di dimensioni adeguate per il nucleo da analizzare. Le istruzioni qui sono dati assumendo un "nucleo di circa 30; molto nuclei più lunghi possono richiedere più pezzi extender PVC e raccordi in PVC per estruder...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Borsa/e per guanti monousoSigma-Aldrich		Z106089-1EA	Di solito è sufficiente uno per due anime da lavorare.
Serbatoio N2	Praxair		Spesso le aziende di fornitura di gas possono consegnarli direttamente al laboratorio sul campo.
Regolatore di azoto gassoso	VWR	55850-478	O simile
Diversi piedi di tubo che si adatta al regolatore	VWR	89403-862	O dispositivi di
sicurezza simili per fissare il serbatoio	VWR	60142-006
Morsetto per tubi regolabile	VWR	62849-112
Impermeabile, nastro isolante di buona tenuta	Scotch	Super 33+	Ampiamente disponibile
2-4 corde			Ampiamente disponibile
Bottiglie a spruzzo di acqua nanopura	VWR	16650-082	Qualsiasi bottiglia simile va bene; metti in valigia una scorta aggiuntiva di acqua nanopura per ricaricarle.
Ampia fornitura di asciugamani di carta e salviette Kimwipe			Provette
da centrifuga da 50 ml	VWR	21008-951	Pulite con acido come descritto nel protocollo. Sono necessarie almeno 2/sezione principale.
Diversi permanenti in pennarelli.			Ampiamente disponibile
Diverse lame di rasoio a mano libera e taglierini.			Centrifuga
	Beckman-Coulter	Allegra X-22	Il rotore più veloce consente una maggiore separazione.
Rotore per alloggiare provette da 50 ml	Beckman-Coulter	SX-4250
da 50 ml senza punta in gomma nera sul fusto	VWR	66064-764	Pulito con acido come descritto nel protocollo. Almeno 1/sezione centrale necessaria, più 1 per l'acqua sovrastante.
Filtri per siringhe compatibili con soluzioni acquose.	VWR	28143-310	O 0,45 μ m o 0,20  μ m pori possono essere utilizzati. Pianifica cinque filtri per ogni sezione principale elaborata.
Cucchiai di plastica (usa e getta).			Ampiamente disponibile; Pulito con acido come descritto nel protocollo.
Diverse scatole di guanti monouso.			Ampiamente disponibile
Grandi bicchieri di plastica o altri contenitori per rifiuti da riporre nel sacchetto dei guanti.	VWR	13890-148
Bilancia da laboratorio	VWR	10205-008	Una bilancia disponibile va bene; non è richiesta un'elevata precisione
Dry shipper, precaricata con azoto liquido	VWR	82005-416	Necessaria solo se i campioni vengono restituiti al laboratorio domestico per analisi sensibili.
Quaderni da laboratorio	L'idrorepellente
Rivestimenti per anime	Filigrana	77280	Disponibile presso i fornitori Forrestry
Tappi per anime	Ben Meadows 218105
Affettatrici per anime	McMaster Carr	8707K111	Taglialo in 9 3 x 3 quadrati
Distanziatori in PVC	McMaster Carr	48925K96	Taglialo in lunghezze corte
Giunti in PVC	McMaster Carr	4880K76	Circa 12
tasselli			ampiamente disponibile
	VWR	59580-400	Verificare che la dimensione corretta si adatti perfettamente all'interno dei rivestimenti del nucleo Compensato
per la piastra di guida del nucleo e la parte superiore del martinetto			Ampiamente disponibile
Martinetto da laboratorio	VWR	89260-826
Morsetti			Ampiamente disponibile
Monitor di ossigeno portatile	RKI instruments	OX-07