方法論記事

(オキシ) 鉄の水酸化物、微量元素、細菌の嫌気性生物地球化学的相互作用を研究するため実験的列の設定

DOI：

10.3791/56240

⸱

2017年12月19日

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

この記事について

サマリー

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運命とヒ素および水銀の帯水層の生理化学的に密接に関連する条件と微生物活性が。帯水層を模倣して無酸素状態の中微量元素の生物地球化学のより良い理解をしたりできるように元の実験的列の設定を紹介します。地球化学的および微生物学的アプローチを組み合わせる 2 つの例が掲載されています。

要約

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運命とヒ素 (As) と水銀 (Hg)、帯水層などの微量元素 (TEs) の種分化が密接に関連して pH, 酸化還元電位 (Eh) などの生理化学的条件、直接的または間接的な役割を果たすことができる微生物の活動にも種分化および/または移動します。確かに、いくつかの細菌が酸化ヒ素ヒ素 (v) を直接、またはヒ素、ヒ素 (v) を削減できます。同様に、細菌は神経毒モノメチル水銀を形成、そのメチル化または元素水銀 ° その削減を通じて、サイクリング、Hg に強く関わっています。として両方の運命と Hg も強く土壌または帯水層構成にリンクされます実際には、Hg は有機化合物または彼らの機動性に影響する (酸素) の水酸化物にバインドできます。ターンでは、鉄鉱 (オキシ) 水酸化還元など有機物の無機化細菌の活動は、直接影響ないとして、Hg 隔離。硫酸硫化水素の存在はこれらの特定の要素または Hg と metacinnabar とチオ アルセニウムなど複合体の形成も強く影響を与えます。

その結果、多くの重要な質問は、運命との種分化に提起されているとしておよび水銀環境とその毒性を制限する方法。ただし、帯水層のコンポーネントへの反応のために発生する生物地球化学的プロセスと異なるこれらのテの運命を明確に分離することは困難です。

そう、私たちはオリジナルを開発した、エリア、無酸素条件下で TE を生物地球化学のより良い理解を有効にするを模倣する帯水層として- または Hg-酸化鉄鉄対リッチ領域と列の設定が枯渇した実験的な。次のプロトコル与える列の組み立てのためのステップバイ ステップのインストラクションのいずれかとしての例と同様、またはの Hg、鉄と硫酸塩還元条件下にあるようです。

概要

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理解と微量元素 (TE) の移動と生物地球化学環境の予測を監視、開発、汚染サイトの適切な経営判断を適用するために不可欠です。これは特にヒ素 (As) と水銀 (Hg) などの有毒な TEs の場合適用されます。運命と土壌や帯水層にこれらの TEs の種分化は Eh ・ pH などの物理化学的条件における微生物活動の種分化や移動に関する間接的な役割のどちらか直接役割を果たすことにも密接に関連します。

確かに、いくつかの細菌が酸化ヒ素ヒ素 (v) を直接、またはヒ素、ヒ素 (v) を削減できます。これはヒ素の最も有害な形態であるので、毒性として影響を与える、およびモビリティ、ヒ素、ヒ素 (v)、鉄 (オキシ) 水酸化物または有機物1,2に容易に吸着することができますよりも携帯から。同様に、細菌は硫酸塩および鉄細菌3,4、神経毒モノメチル水銀 (容易に食物連鎖で bioaccumulated) の形成を減らすことによって主にサイクリング、そのメチル化を通じて水銀に強く関与しています。または揮発性小 Hg (水銀 °)5にその削減を通じた。

両方として Hg 運命が有機物などの化合物から、土壌や帯水層の組成にリンクされても強くや鉄 (オキシ) 水酸化物の隔離とバイオアベイラビリティに影響を与えます。Hg は有機物の親和性が非常に高いに対し、ヒ素 (v) は鉄水酸化物 (オキシ)6によく吸着 (OM; 主にチオール基) もコロイド鉄やマンガンの OM の (酸素) 水酸化物劣化環境7,8が、,9,10,11。

細菌の活動し、TEs (オキシ) 水酸化物または鉄 (オキシ) 水酸化物の削減や有機物の無機化有機物吸着の運命に影響を与えます。直接鉄還元細菌によっては鉄硫黄低減のための支配的な経路枯渇ゾーン12,13, fe (iii) 直接、fe (iii) 減のない鉄 (ii) に硫化物に対し端末電子アクセプターとして使用されています。細菌の硫酸塩減少14によって形成されます。さらに、硫酸の存在も Hg できますチオ アルセニウム15でまたは metacinnabar Hg など複合体の形成によって種分化として。

したがって、鉄と硫酸テ、Hg などとの運命上のサイクリングの影響のより良い理解より汚染されたサイトを管理し、土壌や水質を維持する私たちを助けることができます。データは既存の金属移動モデルの強化にも貢献できます。微生物 Fe (III)-削減16,17,18テの脱離を引き起こすことができます。理論的には、硫酸の微生物還元によって生成される硫化による鉄 (オキシ) 水酸化物の間接還元率はまたテ移動に影響を与える可能性があります。ただし、範囲とこれらの反応の速度論一般にバッチ同質システムまたはバッチ小宇宙16,18,19,20で研究されています。バッチ実験の欠点は、解離現象; の欠如確かに、活動に基づいているが、バッチ内に存在し、唯一のリソースによって制限されます。 は種分化と吸着特性の変化の最終的な結果を与えます。流入媒体の更新との時間と空間を越えたテの運命の監視が可能列のアプローチを使用しています。これらの条件は、現実の事象が連続パーコレーションの条件にリンクされて密接に、帯水層と比較した場合より現実的です。さらに、帯水層堆積物中の異種鉄 (オキシ) 水酸化物の発生は共通21,23, と固相の鉱物・化学組成の空間変化は確かに微生物の活動をドライブ.

ジオ微生物現象に関するこれらの不均質性の影響と鉄のテの運命を解明、研究室、簡易モデルの帯水層を表す連続供給の列を開発しました。列は、列入口、上部に鉄分豊富なゾーンに鉄枯渇の地帯を作成するされます。通常のサンプリング ポートは、インターフェイス関連の現象と同様に、各ゾーンを個別に研究することを有効にします。この実験装置 Hg 運命と種分化の研究のためのアプリケーションの例は既に利用可能な24です。ここで実験のセットアップと汚染された帯水層とヒ素の挙動に焦点を当て、アプリケーションの 2 番目の例の詳細な説明を与えます。

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プロトコル

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1. 実験準備

  1. すべて (ガラス、ポリテトラフルオロ エチレン (PFTE)) と接触する物質サンプル (20% 硝酸 (HNO3) v/v の 5 日) 塩酸 (HCl) 10 %v/v で 5 日間続いての Acid-wash)。超純水で数回を洗い、使用する層流フードの前の下で乾燥します。
  2. ポリエチレン手袋を使用 (または類似の) とヒューム フードの化学物質を含むすべてのステップ。

2. 準備 Hg とスパイクの非晶質酸化鉄

  1. Ferryhydrate (Fe(OH)3) の約 20 g を準備: した FeCl3-6 H2O 超純水 500 mL に 50 g を溶解 (抵抗 > 18 MΩ cm-1) ガラス炉用ステンレス鋼の羽根車または磁気攪拌法攪拌。初期 pH は < 2。
  2. Ferryhydrate の沈殿物に 10 M の水酸化ナトリウムの解決策を手動で追加します。
    注: 約 50 mL は、すべて鉄 (オキシ) 水酸化物を沈殿させる必要があります。6 pH を調整し、安定させるために 1 時間撹拌を維持します。
    1. Hg スパイク (オキシ) 水酸化物の: 10 g L-1で HgNO3の 10 mL を準備し、(オキシ) 水酸化ソリューションに 350 μ L を追加。
      注: これは ~ 4 μ g-1 (オキシ) 水酸化物の湿式 (オキシ) 水酸化物の最終的な Hg コンテンツになります。
    2. としてスパイク (オキシ) 水酸化物の:2O325 10 g L-1として 100 mL を準備し、鉄酸化物のソリューションに 70 mL を追加。(オキシ) 水酸化物 ~ 70 mg/g の最終的なヒ素内容が得られます。
  3. 3 h のステンレス製インペラやマグネチックスターラーで撹拌下で残すと 2,000 x g. で 20 分間遠心し、上清を除去し、再超純水 500 ml (酸素) の水酸化物を中断します。遠心分離との手順を 2 回すすぎを繰り返します。湿気のある (オキシ) 水酸化物の (固体重量 85-90% の含水率がある) を回復し、使用するまで 4 ° C で保存します。
  4. 湿気の多い Hg または酸化鉄としてスパイクを 25 kGy の最小吸収線量でのガンマ放射線で滅菌します。
  5. Hg を制御 (オキシ) 水酸化物の内容として
    1. 水銀ペレット26の内容を決定します。
      注: 3.90 ± 0.08 μ g Hg g-1見つけた我々 で固体。したがって、水銀酸化鉄の 18.3 g の各列に追加の総額は 71.4 ± 1.51 μ g だった。
    2. 餌の内容を決定します。高温酸性鉱化作用 (50 ° C で 4 時間 5 N 塩酸 8 mL) を使用し、原子吸着分析 (AAS) によってを分析します。
      注意: 分かった 70 mg g-1として固体。したがって、鉄酸化物の 18.3 g の列に追加として総額 ~1.3 g であった。

3. 準備シリカゲル砂の行列と

注: 緩いシリカゲル マトリックスは、罰金の鉄酸化物が水の流れの下で砂/鉄酸化物の混合物からの移行を停止する使用されました。最終的なゲルのマトリックスは、6% のケイ酸ゲルのブロックを形成しないように、緩く酸化物を集計するだけだった。

  1. 7% の溶液の 40 mL のシリカゲルの 4 g を加熱することによって 10% シリカゲル混合物を準備溶解するまで電磁攪拌棒で攪拌しながらホット プレート上の島。
  2. 超純水の 60 mL を追加し、~ 20 ° c. に解決策をクールすぐに希釈したリン酸 (20%) pH 7.5 に滴定しなさい。すぐに液体ケイ酸ゲルを混ぜる無菌砂と Hg スパイクまたはスパイクとしての鉄酸化物の以前に追加した 18.3 g 320 g それが固化する前に。
  3. ヘラで混合することによって"jellified"の混合物を分割し、手順 4 で使用する前に無菌を保ちます。

4. 列をセットアップします。

  1. ガラス列を使用して、システムを冷却水のジャケット (内部ボリューム = 400 mL、高さ 30 cm、直径 3.5 cm) 5 シリカ隔壁定期的に設定 (すべての 5 cm) を使用すると、すべての列に沿ってサンプル列に沿って。
  2. 列の入口と出口で十分な長さを確保するため PTFE チューブ (PTFE int Ø 3 mm) をカットします。流入を蠕動チューブ、水/媒体供給に接続された順番に接続します。
  3. オートクレーブ (110 ° C で 1 h) によってすべての材料 (ガラス管) を殺菌しなさい。
  4. 列を垂直方向に接続します。
  5. 20 ° C の平均温度を維持するためにシステムを冷却水にウォーター ジャケットを接続します。
  6. 上から列をとおり入力します。
    -固体の損失を避けるために湿った岩綿の層
    -滅菌砂 320 g (フォンテーヌ ブローの砂、D50 = 209 μ m);
    -18.3 g 無菌砂 320 g 水和スパイク Hg またはとして非晶質酸化鉄 (手順 1 を参照してください) 6% シリカのゲルのマトリックスで固定 (手順 2 を参照してください)。
  7. 列を縦に付けるし、継続的に N2の優勢の流れを接続低速度で無菌純水をバブル (~ 2 mL h-1)。
  8. 光から保護するためにアルミ箔の列をカバーします。

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図 1:スケッチと列の設定の写真。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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結果

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例 1。モビリティと種分化としての鉄減少の影響

列の提示として濃度が飲酒の基準よりも高いサイトから地下水を接種した直接 as (ブラシュー、ロワール エ シェール、フランス)。地下水が滅菌ボトルにサンプリングして使用するまで 5 ° C で保存します。低流量で自然内因性微生物群集を含むこの水と底から列が与えられた (2 mL h-1) 砂に細菌の付着を容易にするため。温度は最初に微生物の成長を支持するために 25 ° C で修正され、減少し, 連続実験、帯水層の温度は 14 ° C、54 日後。17 日を 0 日目から、最初の接種の段階、硫酸、乳酸、酵母抽出後 (それぞれ 370 mg L-1、830 mg L-1、および 250 mg L-1) が硫酸不斉をアクティブに供給水に導入されました。

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ディスカッション

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実験的列の設定は、連続条件で嫌気性の生物地球化学的プロセスの研究に便利な実験室デバイスことが分かった。連続列システム スラリー バッチ システムや小宇宙よりも実際の帯水層の人に近い状態で使用できるようにします。連続的なシステムは、地下水帯水層堆積物中での動きをシミュレートできます。

プロトコルの中で最も重要なステップは、テ ・鉄 (オキシ) 水酸化物とシリカゲルと均一なテクスチャを取得するためにすぐに作成する必要があります、砂との混合物に準備中です。自然システムの適切なモデルを表現するために慎重に設計するこの一般的なの重要なステップを超える汚染物質-スパイク (オキシ) 水酸化物の準備をしている17を検討しました。

列は、こうして生理化学および生物学的パラメーターのプロファイルにアクセスできるように、さまざまなレベルでサンプリングできるように考案されました。したがって、システムは、その場で不正のメータをシミュレートするいくつかの層を含めることができます。ここでは...

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開示事項

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著者が明らかに何もありません。

謝辞

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この作業は、共同 BRGM、Conseil 一般デュ ロワレ県とカルノーの研究所からのポスドク助成金によって賄われていた。ヴァル ・ ド ・ ロワール地方中心でピボット プロジェクトの金融支援も感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ガラス柱Beaucaverre, France特定のリクエストコラムは、冷却ジャケットと5つのサンプリングポートを備えたメインコラムコアと、メインコラム本体にフィットし、シリコンジョイントとネジで所定の位置に保持される上部と下部のピースの3つの別々のピースで構成されていました(RIN F 40x38 &SVL 42)。注:この設計は、同社と直接話し合ったものです。地元のガラス工を探すことをお勧めします。
セプタム PTFE /シリコン直径 20 mmSigma-Aldrich508608
PTFE チューブ ID 3 mmVWR228-0745
蠕動ポンプDominique Dutsher SAS66493
蠕動ポンプ チューブ LMT 55VWR224-2250Tygon®LMT 55 
Fontainbleau砂D50 = 209 µmSIBELCO, France
N2 for bubblingAir Liquide, France
Gamma irradiationIonisos, Dagneux, France
Automatic Mercury Analyzer (AMA 254)Courtage Analyses, France
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Name会社カタログ番号コメント
Chemicals
HNO3 スープラプールVWR1.00441.1000メーカー:メルク
HCL 30% スープラプールVWR1.00318.1000メーカー:メルク
Hg(NO3)2Merck516953
As2O3Merck202673
FeCl3-6H2Oメルク207926
シリカゲルSigma-Aldrich336815-500G

参考文献

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