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Articolo metodologico

Installazione colonna sperimentale per lo studio anaerobici biogeochimici interazioni tra batteri, oligoelementi e idrossidi di ferro (ossi)

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DOI:

10.3791/56240

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19 dicembre 2017

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

In questo articolo

Sommario

Destino e speciazione dell'arsenico e mercurio nelle falde acquifere sono condizioni strettamente correlate al fisico-chimiche e l'attività microbica. Qui, presentiamo un'installazione sperimentale colonna originale che imita una falda acquifera e consente una migliore comprensione dell'oligoelemento biogeochimica in condizioni anossiche. Due esempi sono presentati, la combinazione di approcci geochimici e microbiologici.

Abstract

Destino e speciazione di elementi in traccia (TEs), come l'arsenico (As) e mercurio (Hg), nelle falde acquifere sono strettamente correlati alle condizioni fisico-chimiche, come potenziale redox (Eh) e pH, ma anche per le attività microbica che possono giocare un ruolo diretto o indiretto su speciazione e/o mobilità. Infatti, alcuni batteri direttamente possono ossidare fosfatici di pentavalente o ridurre pentavalente per fosfatici. Allo stesso modo, i batteri sono fortemente coinvolti in Hg, escursioni in bicicletta, attraverso la metilazione, formando il mercurio monometil neurotossina, o attraverso la sua riduzione a elementare Hg °. I destini di entrambi come e Hg sono anche fortemente legate alla composizione del terreno o dell'acquifero; Infatti, come e Hg possono essere associati a composti organici o idrossidi (oxy), che influenzeranno la loro mobilità. A sua volta, attività batterica, come riduzione di idrossido di ferro (ossi) o mineralizzazione della sostanza organica può influenzare indirettamente il come e il sequestro della Hg. La presenza di solfato/solfuro può influire anche fortemente questi particolari elementi attraverso la formazione di complessi quali thio-arseniati con come o metacinnabar con Hg.

Di conseguenza, sono state sollevate molte domande importanti sul destino e speciazione di come e Hg nell'ambiente e come limitare la loro tossicità. Tuttavia, dovuto la loro reattività verso componenti dell'acquifero, è difficile dissociare chiaramente i processi biogeochimici che si verificano e loro impatti diversi sulla sorte di questi TE.

A tale scopo, abbiamo sviluppato un originale, sperimentale, installazione di colonna che imita una falda acquifera con aree ricche come - o Hg-ossido di ferro contro ferro vuotato aree, consentendo una migliore comprensione della biogeochimica TE in condizioni di anossia. Il seguente protocollo dà le istruzioni passo passo per l'allestimento di colonna sia per come o Hg, come pure un esempio con come sotto il ferro ed il solfato in condizioni riducenti.

Introduzione

Comprensione e previsione dell'oligoelemento (TE) mobilità e biogeochimica nell'ambiente è essenziale al fine di monitorare, sviluppare e applicare le decisioni di gestione appropriato per siti inquinati. Questo vale soprattutto nel caso di TEs tossici come arsenico (As) e il mercurio (Hg). Il destino e la speciazione di questi TEs nel suolo o falde acquifere sono strettamente correlati alle condizioni fisico-chimiche, quali Eh e pH, ma anche per le attività microbica che possono giocare un ruolo sia diretto sulla speciazione o un ruolo indiretto sulla mobilità.

Infatti, alcuni batteri direttamente possono ossidare fosfatici di pentavalente o ridurre pentavalente per fosfatici. Questo problema riguarda come tossicità, poiché fosfatici è la forma più tossica di come e la mobilità, poiché fosfatici è più mobile di pentavalente, che facilmente possono adsorbire (oxy) idrossidi del ferro o materia organica1,2. Allo stesso modo, i batteri sono fortemente coinvolti in mercurio, escursioni in bicicletta, sia attraverso la metilazione, principalmente da solfato e ferro riducendo batteri3,4, formando il mercurio di monometil neurotossina (prontamente bioaccumulato nella catena alimentare), o attraverso la sua riduzione a volatile elementare Hg (Hg °)5.

Sia come e destini di Hg sono anche fortemente legati alla composizione del terreno o dell'acquifero, dal composti come materia organica o idrossidi (oxy) del ferro possono influenzare loro sequestro e biodisponibilità. Pentavalente assorbe bene al ferro (oxy) idrossidi6, considerando che Hg ha un'affinità molto elevata per materia organica (OM; principalmente per gruppi tiolici) ma anche per ferro colloidale o manganese (oxy) idrossidi in OM impoverito ambienti7,8 , 9 , 10 , 11.

Attività batteriche possono quindi influenzare il destino di TEs adsorbito da idrossidi (ossi) o materia organica attraverso la riduzione degli idrossidi (oxy) del ferro o la mineralizzazione della sostanza organica. Riduzione di ferro diretto da batteri è che pathway dominante per la riduzione del ferro in zolfo impoverito zone12,13, Fe (III) viene utilizzato come un accettore terminale di elettroni, considerando che indirettamente, Fe (III) può essere ridotto a Fe (II) solfuro formata da una riduzione di batteri solfato14. Inoltre, la presenza di solfato può anche modificare Hg e come speciazione attraverso la formazione di complessi quali thio-arseniati15 con come o metacinnabar con Hg.

Così, una migliore comprensione dell'impatto di ferro e solfato di ciclismo sul destino di TE, come Hg e come, potrebbe aiutarci a meglio gestire siti contaminati e mantenere la qualità del suolo e dell'acqua. Dati potrebbero anche contribuire a rafforzare i modelli esistenti di metallo-mobilità. Microbico Fe (III)-riduzione16,17,18 può causare il desorbimento di TE. Teoricamente, la riduzione indiretta di idrossidi (oxy) del ferro dal solfuro prodotto tramite la riduzione microbica del solfato potrebbe incidere anche mobilità TE. Tuttavia, la portata e la cinetica di queste reazioni sono generalmente studiati in sistemi omogenei batch o batch microcosmi16,18,19,20. L'inconveniente di esperimenti di batch è la mancanza di dissociazione dei fenomeni naturali; Infatti, attività si basa su e limitata dalle risorse presenti nel batch e sola dà un risultato finale degli spostamenti nella speciazione e adsorbimento. Utilizzando un approccio di colonna consente il rinnovamento della presenza del flusso multimediale e il controllo del destino di TE nel tempo e nello spazio. Queste condizioni sono più realistiche rispetto ad una falda acquifera, dove fenomeni reali sono strettamente legati alle condizioni di percolazione continuo. Inoltre, presenza di idrossido di eterogenei ferroso (oxy) nei sedimenti dell'acquifero è comune21,23, e i cambiamenti spaziali nella composizione chimica e mineralogica delle fasi solide spinge certamente attività microbica .

Per delucidare l'influenza di queste eterogeneita ' sui fenomeni geo-microbica e il destino di TE ferro-collegata, abbiamo sviluppato un laboratorio, una colonna continuamente-Federazione che rappresenta un acquifero di modello semplificato. La colonna viene riempita per creare un fuso di ferro-vuotate all'ingresso colonna e una zona ricca di ferro nella parte superiore. Campionamento regolare porte consentono noi per studiare individualmente ogni zona così come fenomeni di interfaccia-collegata. Un esempio dell'applicazione di questo dispositivo sperimentale per lo studio del destino di Hg e speciazione è già disponibile24. Qui vi diamo una descrizione dettagliata dell'apparato sperimentale e un secondo esempio della sua applicazione incentrata sul comportamento di come in acquiferi contaminati.

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Protocollo

1. preparazione sperimentale

  1. Acid-Wash tutti i materiali (vetro, politetrafluoroetilene (PTFE)) a contatto con campioni (5 giorni in acido nitrico (HNO3) 20% v/v) seguiti da 5 giorni in acido cloridrico (HCl) 10% v/v). Risciacquare più volte con acqua ultrapura e asciugare sotto un priore di cappa a flusso laminare da utilizzare.
  2. Utilizzare guanti in polietilene (o simile) e una cappa aspirante per tutti i passaggi che coinvolgono sostanze chimiche.

2. preparare Hg e come gli ossidi di ferro amorfo a spillo

  1. Preparare circa 20 g di ferryhydrate (Nota3): sciogliere 50 g di FeCl3-6 H2O in 500 mL di acqua ultra-pura (resistività > 18 MΩ cm-1) sotto agitazione in un reattore di vetro con una girante in acciaio inox o magnetico agitatore. PH iniziale è < 2.
  2. Aggiungere manualmente una soluzione di NaOH 10 M a precipitare ferryhydrate.
    Nota: Circa 50 mL è necessario per far precipitare tutto gli idrossidi di ferro (oxy). Regolare il pH a 6 e mantenere agitazione per 1 h stabilizzare.
    1. Per Hg-spillo idrossidi (oxy): preparare 10 mL di HgNO3 alle 10 g L-1 e aggiungere 350 µ l per la soluzione di idrossido (oxy).
      Nota: Questo consente di ottenere un contenuto di Hg finale nei bagnato (oxy) idrossidi di idrossidi (oxy) di ~ 4 µ g g-1 .
    2. Per spillo come idrossidi (oxy): preparare 100 mL di2O325 alle 10 g L-1 e aggiungere 70 mL per la soluzione di ossido di ferro. Questo consente di ottenere un contenuto finale fosfatici di ~ 70 mg/g idrossidi (oxy).
  3. Lasciare sotto agitazione con una girante in acciaio inox o agitatore magnetico per 3 h e poi Centrifugare per 20 min x 2.000 g. rimuovere il surnatante e risospendere gli idrossidi (oxy) in 500 mL di acqua ultra-pura. Ripetere la centrifugazione e fasi di risciacquo due volte. Recuperare gli idrossidi (oxy) umidi (solidi hanno un contenuto di umidità del 85-90% in peso) e conservare a 4 ° C fino all'utilizzo.
  4. Sterilizzare Hg umido o ossidi di ferro a spillo come radiazione gamma, con una dose di radiazione assorbita minima di 25 kGy.
  5. Hg di controllo e come contenuto di idrossidi (ossi)
    1. Determinare il contenuto di Hg del pellet26.
      Nota: Abbiamo trovato 3,90 ± 0.08 µ g Hg g-1 solido. Così, la quantità totale di mercurio aggiunto a ogni colonna nel 18,3 g di ossidi di ferro era 71,4 ± 1,51 µ g.
    2. Determinare come contenuto nel pellet. Utilizzare caldo mineralizzazione acida (8 mL di HCL N 5 per 4 h a 50 ° C) e analisi di spettrometria di assorbimento atomico (AAS).
      Nota: Abbiamo trovato 70 mg come g-1 solido. Così, la quantità totale di come aggiunto alla colonna nel 18,3 g di ossidi di ferro era ~1.3 g.

3. preparare il Gel di silice e matrice di sabbia

Nota: Una matrice di gel di silice sciolto è stata usata per fermare gli ossidi di ferro bene la migrazione dalla miscela sabbia/ossido di ferro sotto il flusso dell'acqua. La matrice di gel finale era 6% gel di silice per non formare un blocco, ma solo per aggregare senza bloccare gli ossidi.

  1. Preparare una miscela di gel di silice 10% di riscaldamento 4 g di gel di silice in 40 mL di una soluzione di 7% KOH su un piatto caldo, mescolando con un ancoretta magnetica fino a completa dissoluzione.
  2. Aggiungere 60 mL di acqua ultra-pura quindi raffreddare la soluzione a ~ 20 ° C. Rapidamente titolare con acido fosforico diluito (20%) a pH 7,5. Poi rapidamente mescolare il gel di silice liquido con 320g di sabbia sterile e il precedentemente aggiunto 18,3 g di Hg-spillo o a spillo come ossidi di ferro, prima si solidifica.
  3. Suddividere la miscela "gelificata" mescolando con una spatola e mantenere sterile prima dell'uso nel passaggio 4.

4. installazione della colonna

  1. Utilizzare colonne di vetro con una camicia d'acqua sistema di raffreddamento (volume interno = 400 mL, altezza = 30 cm, diametro 3,5 cm) e cinque setti silice impostati regolarmente (ogni 5 cm) lungo le colonne per permettervi di gustare lungo tutta la colonna.
  2. Tagliare tubi in PTFE (PTFE int Ø 3 mm) per evitare di lunghezza sufficiente a colonna entrata e l'uscita. Collegare l'afflusso alla tubazione peristaltica, che a sua volta è collegata alla fornitura di acqua/medio.
  3. Sterilizzare tutti i materiali (vetro, tubi) in autoclave (1 h a 110 ° C).
  4. Fissare la colonna verticale.
  5. Connettere la giacca acqua ad acqua sistema di raffreddamento per mantenere una temperatura media di 20 ° C.
  6. Riempire la colonna dall'alto come segue:
    -Uno strato di lana di roccia umida per evitare perdita di tinta;
    -320 gr di sabbia sterile (sabbia di Fontainebleau, D50 = 209 µm);
    -320 g di sterile sabbia miscelato con 18,3 g idratato ossidi di ferro amorfi a spillo con Hg o come (Vedi punto 1) e fissa in una matrice di gel di silice del 6% (Vedi punto 2).
  7. Collegare la colonna verticalmente e flusso ascendente di continuamente N2 gorgogliare dell'acqua ultrapura sterile a bassa velocità (~ 2 mL h-1).
  8. Coprire la colonna con foglio di alluminio per proteggere dalla luce.

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Figura 1: Schizzo e foto del setup colonna. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Risultati

Esempio 1. Impatto della riduzione del ferro di come mobilità e speciazione

L'As colonna stato inoculato direttamente con acqua freatica da un sito che presenta una concentrazione di As superiore rispetto agli standard beventi (Bracieux, Loire et Cher, la Francia). Acque sotterranee è stata campionata in bottiglie sterili e conservate a 5 ° C fino all'utilizzo. La colonna è stata alimentata dal basso con questa ...

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Discussione

Il programma di installazione di colonna sperimentale si è rivelata un dispositivo comodo laboratorio per studiare processi anaerobici biogeochimici in condizioni di continue. Sistemi a colonna continua permettono di lavorare in condizioni più vicino a quelle degli acquiferi reali rispetto a sistemi di lotti di liquami o microcosmi. Sistemi continui possono simulare il movimento delle acque sotterranee attraverso sedimenti dell'acquifero.

Il punto più critico all'interno del protocollo sta pre...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato co-finanziato dalla BRGM, una borsa di studio post-dottorato presso il Conseil Général du Loiret e l'Istituto di Carnot. Riconosciamo anche con gratitudine il sostegno finanziario fornito al progetto perni di Région Centre - Val de Loire.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Colonne di vetroBeaucaverre, Franciarichiesta specificaerano composte da 3 pezzi separati, il nucleo della colonna principale con la camicia di raffreddamento e le 5 porte di campionamento (dimensione GL14 con oliva) e un pezzo superiore e inferiore che si adatta al corpo della colonna principale ed è tenuto in posizione con un giunto in silicone e una vite (RIN F 40x38 & SVL 42). Nota: questo progetto è stato discusso direttamente con l'azienda. Si consiglia di trovare un vetraio locale.
Setti in PTFE/silicone diametro 20 mmSigma-Aldrich508608
tubo in PTFE ID 3 mmVWR228-0745
Pompa peristalticaDominique Dutsher SAS66493
Tubo pompa peristaltica LMT 55VWR224-2250Tygon® LMT 55 
Sabbia di Fontainbleau D50=209 µ mSIBELCO, Francia
N2 per il gorgogliamentoAir Liquide, Francia
Irradiazione gammaIonisos, Dagneux, Francia
Analizzatore automatico di mercurio (AMA 254)Analisi di corteggiamento, Francia
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Name AziendaNumero di catalogoComments
Chemicals
HNO3 Supra purVWR1.00441.1000Produttore: Merck
HCL 30% Supra purVWR1.00318.1000Produttore: Merck
Hg(NO3)2Merck516953
As2O3Merck202673
FeCl3-6H2OMerckgel di silice 207926
Sigma-Aldrich336815-500G
Le colonne su

Riferimenti

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