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

L'obiettivo generale di questa configurazione sperimentale è studiare il destino dei metalli in tracce in condizioni di riduzione del solfato e/o del ferro indotte da attività microbiche. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della biogeochimica, come le interazioni tra i principali cicli biogeochimici come il mercurio e l'arsenico. Il vantaggio principale di questa tecnica è che, a causa del flusso continuo dell'acqua, la dinamica delle reazioni biogeochimiche e la labilità degli elementi in traccia sono dissociate e accessibili attraverso le porte di campionamento.

E così, questo metodo può fornire informazioni sul destino del mercurio e dell'arsenico, come dimostrato qui per finire con gli ossidi di ferro. Può anche essere applicato ad altri oligoelementi o substrati di supporto. A dimostrare la procedura sarà Hafida Tris, un tecnico del nostro laboratorio.

Per iniziare questa procedura, aggiungere 500 millilitri di acqua ultrapura a un reattore di vetro dotato di un'ancoretta magnetica. Aggiungere 50 grammi di cloruro di ferro (III) esaidrato mescolando. Aggiungere manualmente circa 50 millilitri di una soluzione 10 molari di idrossido di sodio per iniziare la precipitazione della ferriidrite.

Quindi, regolare il pH a sei e continuare a mescolare per un'ora per stabilizzare. Per gli idrossidi e ossidrossidi addizionati di arsenico, preparare 100 millilitri di triossido di arsenico a una concentrazione di 10 grammi per litro. Quindi, aggiungere 70 millilitri di questa soluzione alla soluzione di ossido di ferro.

Continuate a mescolare per tre ore. Dopodiché, centrifugare a 2.000 G per 20 minuti. Rimuovere il surnatante e risospendere il pellet con 50 millilitri di acqua ultrapura.

Ripetere la centrifugazione e la risospensione altre due volte. Recuperare e conservare gli idrossidi umidi e gli ossidrossidi come indicato nel protocollo di testo. Conservare quattro grammi di gel di silice in 40 millilitri di idrossido di potassio al 7% su una piastra calda, mescolando con un'ancoretta magnetica fino a quando non si sarà sciolto.

Aggiungere 60 millilitri di acqua ultrapura. Raffreddare la soluzione con ghiaccio a circa 20 gradi Celsius per evitare che il gel si fissi troppo rapidamente. Titolare la miscela di gel di silice con acido fosforico al 20% a pH 7,5.

Quindi, mescola rapidamente il gel di silice liquido con 320 grammi di sabbia sterile precedentemente miscelata con 18,3 grammi di ossidi di ferro addizionati di mercurio o arsenico prima che si solidifichi. Con l'aiuto di una spatola, rompere la miscela gelificata. Per iniziare a configurare le colonne di vetro, collegare le camicie d'acqua a un sistema di raffreddamento ad acqua.

Impostare il sistema in modo che mantenga una temperatura media di 20 gradi Celsius. Tagliare lunghezze di tubi in PTFE con un diametro interno di tre millimetri assicurandosi che ci sia una lunghezza sufficiente per l'ingresso e l'uscita della colonna. Quindi, aggiungi uno strato di lana di roccia umida alla colonna dall'alto.

Aggiungere 320 grammi di sabbia sterile. Aggiungere lo strato finale costituito dalla sabbia sterile precedentemente miscelata e dagli ossidi di ferro amorfi idrati fissati nella matrice di gel di silice. Quindi, collegare l'afflusso al tubo peristaltico.

Collegare l'altra estremità del tubo peristaltico all'alimentazione del fluido idrico. Collegare un flusso ascendente di acqua sterile ultrapura continuamente gorgogliata da azoto gassoso a bassa velocità di circa due millilitri all'ora. Dopodiché, copri la colonna con un foglio di alluminio per bloccare la luce.

Dopo due settimane, si osserva un precipitato di colore nero all'interfaccia tra i due strati di sabbia. Questa zona nera invade progressivamente le zone superiori arricchite di idrossido di ferro e ossiidrossido, con l'intero strato superiore che diventa nero entro la fine dell'esperimento. Dopo 35 giorni di funzionamento continuo, i livelli misurati di solfato diminuiscono seguiti da un aumento transitorio del ferro totale disciolto.

Dal giorno 60 in poi, l'arsenico totale disciolto aumenta in modo significativo. Il giorno 54 vengono profilati i parametri fisici e chimici. Mentre il pH rimane vicino a pH sette lungo la colonna, il potenziale redox cambia in modo significativo con valori che si avvicinano a -200 millivolt nella zona impoverita di ferro dove si verifica la riduzione del solfato e si avvicinano a millivolt negativi nella parte superiore dove si verifica la riduzione batterica e chimica del ferro.

Le concentrazioni di solfato disciolto raggiungono circa 20 milligrammi per litro negli strati inferiori e diminuiscono a meno di un milligrammo per litro nella zona ricca di ferro. Il solfato diminuisce anche bruscamente all'interfaccia tra le zone prive di ferro e quelle ricche di ferro, indicando un picco di attività di riduzione del solfato. Nel frattempo, l'arsenico viene rilevato nella zona superiore, mentre le specie di tioarseniato sono visibili più vicino all'interfaccia e il tiosolfato si trova nello strato inferiore privo di ferro.

Questi profili di concentrazione indicano un picco di attività di riduzione del solfato all'interfaccia tra strati privi di ferro e ricchi di ferro. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come la microscopia elettronica a scansione, la spettroscopia Raman o i saggi di attività per rispondere a ulteriori domande, come ad esempio quali nuovi minerali si sono formati o quali comunità batteriche si sono sviluppate. Non dimenticare che lavorare con mercurio e arsenico può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario utilizzare precauzioni come guanti e cappe aspiranti.