Name: (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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-19T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 52 s
Description: 学ぶ 実験的列を用いた微量元素の生物地球化学的挙動。硫酸塩・鉄還元条件下でのヒ素と水銀の動態を微生物活性と関連付けて解析し、含水層における環境管理への知見を提供する。

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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。

1. 実験準備
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 準備 Hg とスパイクの非晶質酸化鉄
<ol>
	<li>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 &#62; 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 &#60; 2。</li>
	<li>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。<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>Hg を制御 (オキシ) 水酸化物の内容として
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
4. 列をセットアップします。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>列を垂直方向に接続します。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>光から保護するためにアルミ箔の列をカバーします。</li>
</ol>
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56240/56240fig1v2.jpg"> 
図 1:スケッチと列の設定の写真。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56240/56240fig1v2large.jpg" target="_blank">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</a>。

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</ol>

著者が明らかに何もありません。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>ガラス柱</td><td>Beaucaverre, France</td><td>特定のリクエスト</td><td>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。</td></tr><tr><td>セプタム PTFE /シリコン直径 20 mm</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>508608</td><td></td></tr><tr><td>PTFE チューブ ID 3 mm</td><td>VWR</td><td>228-0745</td><td></td></tr><tr><td>蠕動ポンプ</td><td>Dominique Dutsher SAS</td><td>66493</td><td></td></tr><tr><td>蠕動ポンプ チューブ LMT 55</td><td>VWR</td><td>224-2250</td><td>Tygon&reg;LMT 55&nbsp;</td></tr><tr><td>Fontainbleau砂D50 = 209 &micro;m</td><td>SIBELCO, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>N2 for bubbling</td><td>Air Liquide, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gamma irradiation</td><td>Ionisos, Dagneux, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Automatic Mercury Analyzer (AMA 254)</td><td>Courtage Analyses, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Varian SpectrAA 300 Zeeman</td><td>Agilent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>会社</td><td>カタログ番号</td><td>コメント</td></tr><tr><td>Chemicals</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>HNO3 スープラプール</td><td>VWR</td><td>1.00441.1000</td><td>メーカー:メルク</td></tr><tr><td>HCL 30% スープラプール</td><td>VWR</td><td>1.00318.1000</td><td>メーカー:メルク</td></tr><tr><td>Hg(NO3)2</td><td>Merck</td><td>516953</td><td></td></tr><tr><td>As2O3</td><td>Merck</td><td>202673</td><td></td></tr><tr><td>FeCl3-6H2O</td><td>メルク</td><td>207926</td><td></td></tr><tr><td>シリカゲル</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>336815-500G</td><td></td></tr></tbody></table>

(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

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron (Oxy)Hydroxides, Trace Elements, and Bacteria

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。

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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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。

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as ...

この実験系の全体的な目的は、微生物活性によって誘発される硫酸塩還元および／または鉄還元条件下における微量金属の挙動を研究することです。この手法は、水銀やヒ素などの主要な生物地球化学的サイクルの相互作用など、生物地球化学分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。本手法の主な利点は、水が連続的に流れるため、生物地球化学反応のダイナミクスと微量元素の反応性が分離され、サンプリングポートを通じて解析可能であることです。このように、本手法を用いることで、本研究で示した鉄酸化物への吸着に見られるような、水銀やヒ素の挙動に関する知見を得ることができます。また、この手法は他の微量元素や担体基質にも適用可能です。ここからは、当研究室の技術員であるHafida Trisが手順を実演します。この手順を開始するには、マグネチックスターラーを備えたガラス製リアクターに500 millilitersの超純水を加えます。攪拌しながら50 gramsの塩化鉄(III)六水和物を加えます。フェリハイドライトの沈殿を開始させるため、10-molarの水酸化ナトリウム溶液を約50 milliliters手動で加えます。次に、pHを6に調整し、安定させるためにさらに1時間攪拌を続けます。ヒ素を添加した水酸化物およびオキシ水酸化物については、10 g/Lの濃度の三酸化ヒ素溶液を100 mL調製します。その後、この溶液70 mLを酸化鉄溶液に加えます。そのまま3時間撹拌を続けます。その後、2,000 Gで20分間遠心分離を行います。上清を除去し、ペレットを50 millilitersの超純水で再懸濁します。遠心分離と再懸濁をさらに2回繰り返します。テキストプロトコルに従い、水和水酸化物およびオキシ水酸化物を回収して保存します。4 gのシリカゲルを40 mLの7%水酸化カリウムに入れ、マグネティックスターラーで撹拌しながらホットプレートで溶解するまで加熱します。超純水を60 milliliters加えます。ゲルの凝固が早すぎるのを防ぐため、氷上で溶液を約20 degrees Celsiusまで冷却します。シリカゲルの混合液に20% リン酸を滴下し、pH 7.5に調整します。次に、液体シリカゲルが凝固する前に、水銀またはヒ素を添加した酸化鉄18.3 gをあらかじめ混合しておいた滅菌砂320 gと迅速に混合します。スパチュラを使用して、ゲル化した混合物を砕きます。ガラスカラムの設置を開始するために、ウォータージャケットを水冷システムに接続します。システムを平均温度20 °Cに維持するように設定します。内径3 mmのPTFEチューブを、カラムの入口と出口に十分な長さがあるように切断します。次に、カラムの上部から湿らせたロックウールの層を加えます。滅菌済み砂を320 grams加えます。最後に、あらかじめ混合しておいた滅菌済み砂と、シリカゲルマトリックスに固定したスパイク済み水和無定形酸化鉄の層を加えます。次に、流入路をペリスタルティックチューブに接続します。ペリスタティックチューブのもう一方の端を水媒体供給源に接続します。超純水滅菌水を、窒素ガスで約2 mL/hの低速で連続的にバブリングさせながら、上昇流で供給します。その後、遮光のためカラムをアルミホイルで覆います。2週間後、2層の砂の界面に黒色の沈殿が観察されます。この黒色の領域は、上部の水酸化鉄およびオキシ水酸化鉄が濃縮された領域へと徐々に浸食し、実験終了までには上層全体が黒色になります。35日間の連続運転後、硫酸塩の測定値が減少し、続いて全溶解鉄の一時的な増加が認められます。60日目以降、全溶解ヒ素量の大幅な上昇が見られます。54日目に、物理的および化学的パラメータのプロファイリングを行いました。pHはカラム全体を通してpH 7付近に留まっていますが、酸化還元電位は大きく変化しており、硫酸還元が起こっている鉄枯渇帯では-200 mVに近づき、細菌および化学的な鉄還元が起こっている上部では負の値（mV）に近づいています。溶存硫酸塩濃度は、底層で約 20 milligrams per liter に達し、鉄富化帯では 1 milligram per liter 未満に減少します。また、硫酸塩は鉄欠乏帯と鉄富化帯の界面において急激に減少しており、これは硫酸塩還元活性のピークを示しています。一方で、上層ではヒ素が検出され、界面に近い領域ではチオヒ酸種が、底部の鉄欠乏層ではチオ硫酸塩が確認されます。これらの濃度プロファイルは、鉄欠乏層と鉄富化層の界面において硫酸還元活性がピークに達することを示しています。本手順に続き、走査電子顕微鏡、ラマン分光法、または活性アッセイなどの他の手法を実施することで、どのような新鉱物が形成されたか、あるいはどのような細菌コミュニティが発達したかといった追加の疑問を明らかにすることができます。水銀やヒ素を取り扱う操作は極めて危険であるため、本手順の実施にあたっては、手袋やドラフトチャンバーなどの予防措置を講じることを忘れないでください。

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