(옥 시) 철 수 산화물, 성분, 및 박테리아 혐 기성 생물 지구 화학적 상호 작용을 공부에 대 한 실험 열 설정

요약

운명과 비소 aquifers에 수은의 speciation physio 화학에 밀접 하 게 관련 된 조건 및 미생물 활동 있습니다. 여기, 선물이 aquifer를 모방 하 고 무산 소 조건에서 추적 요소 biogeochemistry의 더 나은 이해를 원래의 실험 열 설치. 지구 화학 및 생물학적 접근을 결합 하 여 두 가지 예는 제시 된다.

초록

운명과 추적 요소 (TEs), (로) 비소 aquifers에 수은 (Hg), 등의 종 분화는 밀접 한 관계가 physio 화학 조건 pH, 산화 환 원 잠재력 (Eh) 등 뿐만 아니라 미생물 활동에 직접 또는 간접적으로 역할을 할 수 있는 종 형성 및 이동성입니다. 실제로, 일부 박테리아 또는 수 있습니다 직접 산화 As(V) As(III) As(V) As(III) 감소. 마찬가지로, 박테리아는 강하게 그것의 메 틸 화, neurotoxin monomethyl 수은 형성을 통해 또는 원소 Hg °의 감소를 통해 사이클링, Hg에 참여. 모두의 운명을 Hg는 또한 강력 하 게 연결 된 토양 이나 대수층 구성; 실제로,로 Hg 유기 화합물 또는 그들의 이동성에 영향을 미칠 것 이다 (옥 시) 수 산화물을 바인딩할 수 있습니다. 차례로 철 (옥 시) 수산화 감소 또는 유기 물질 강화 등 세균성 활동 직접 영향을 미칠 수 없습니다으로 Hg 채집. 황산/황의 존재 수 또한 강하게 thio-비 산 염으로 또는 metacinnabar Hg와 같은 단지의 형성을 통해 이러한 특정 요소에 영향을.

따라서, 많은 중요 한 질문 운명과의 종 형성에 제기 되고있다으로 Hg 환경과 그들의 독성을 제한 하는 방법에. 그러나, 대수층 구성으로 그들의 반응성으로 인해 그것은 발생 하는 생물 지구 화학적 프로세스와이 테의 운명에 그들의 다른 영향을 명확 하 게 해리 어렵다.

이렇게 하려면, 우리는 원래 개발, 실험, 열 설정 철 대로-또는 Hg-산화 철 풍부한 지역 대수층을 고갈 영역, 무산 소 조건에서 테 biogeochemistry의 더 나은 이해 가능. 다음 프로토콜 중 하나 열 설정에 대 한 단계별 지침은 제공으로 또는 Hg, 뿐만 아니라 예 철 및 황산 줄이는 조건으로.

서론

이해 하 고 예측 하 고 추적 요소 (테) 성과 biogeochemistry 환경에서 모니터링 하 고, 개발 하 고, 오염 된 사이트에 대 한 적절 한 관리 결정을 적용 하기 위해 필수적 이다. 이 특히 독성 TEs (로) 비소, 수은 (Hg) 등의 경우 적용 됩니다. Eh, pH, 등 physico-화학 조건 뿐만 아니라 종 형성 또는 이동성에 간접 역할에 어느 직접적인 역할을 재생할 수 있는 미생물 활동 운명과 토양 이나 대수층이이 TEs의 speciation 밀접 하 게 관련 됩니다.

실제로, 일부 박테리아 또는 수 있습니다 직접 산화 As(V) As(III) As(V) As(III) 감소. 이 영향을 미치는 독성로 As(III)의 가장 독성 형태 이므로, 그리고 이동성, As(III) As(V), 철 (옥 시) 수 산화물 또는 유기 물^1,2에 쉽게 흡착 수 보다 더 많은 모바일 이므로. 마찬가지로, 박테리아는 황산 및 철 박테리아^3,4, neurotoxin monomethyl 수은 (쉽게 먹이 사슬에 bioaccumulated), 형성 감소에 의해 주로 메 틸 화를 통해 사이클링, 수은에 강하게 참여 또는 휘발성 초등학교 Hg (Hg °)⁵의 감소를 통해.

두로 Hg 운명 또한 강력 하 게 유기 물질 등 화합물부터 토양 이나 대수층 구성에 연결 된 또는 철 수 산화물 (옥 시) 그들의 격리와 bioavailability 영향을 미칠 수. As(V) Hg 유기 물질에 대 한 매우 높은 선호도가지고 반면 철 수 산화물 (옥 시)⁶에 잘 드리웁니다 (옴; 주로 thiol 그룹에 대 한) 하지만 또한 콜 로이드 철 또는 망간에 옴 (옥 시) 수 산화물 환경^7,8 고갈 ^{, 9 , 10 , 11}.

세균성 활동 TEs (옥 시) 수 산화물 또는 철 (옥 시) 수 산화물의 감소 또는 유기 물질의 강화 작용을 통해 유기 물 흡착의 운명을 영향을 미칠 다음 수 있습니다. 박테리아에 의해 직접 철 감소는 유황에 철 감소를 위한 지배적인 통로 고갈 영역^12,13, 반면에 직접, Fe(III) 감소 될 수 있다 하지 Fe(II) 황 화물에 의해 터미널 전자 수락자로 사용 되 고 Fe(III) ¹⁴황산 염 세균 감소 의해 형성. 또한, 황산의 존재 또한 Hg 수정할 수 있습니다 그리고 thio-비 산 염¹⁵ 또는 metacinnabar Hg와 같은 단지의 형성을 통해 종 형성.

따라서, 철과 테과로, Hg 등의 운명에 사이클링의 영향의 더 나은 이해는 더 오염 된 사이트를 관리 하 고 토양 및 수 질 유지를 도울 수 있었다. 데이터 또한 기존 금속-이동성 모델 강화에 기여할 수 있습니다. 미생물 Fe (III)-감소^16,,1718 테의 탈 착을 일으킬 수 있습니다. 이론적으로, 철 황산 염의 미생물 감소에 의해 생성 하는 황 화물에 의해 (옥 시) 수 산화물의 간접 감소 수 또한 테 이동성에 영향을. 그러나, 범위와 이러한 반응의 속도 론 일반적으로 동종 시스템 일괄 처리 또는 일괄 microcosms^16,18,,1920공부는. 일괄 처리 실험의 단점은 발생 현상;의 분리의 부족 실제로, 활동에 기반 하 고 리소스를 일괄 처리에만 의해 제한 speciation에 흡착 교대의 최종 결과 제공 합니다. 열 접근을 사용 하 여 inflowing 미디어의 갱신과 테의 운명의 시간 및 공간 모니터링 수 있습니다. 이 조건은 실제 현상 연속 여과 조건에 밀접 하 게 연결 되는 대수층에 비해 보다 현실적인입니다. 또한, 대수층 앙금에 이종 철 (옥 시) 수산화 발생 일반적인^21,23, 이며 단단한 단계의 광물 및 화학 조성의 공간 변화 확실히 드라이브 미생물 활동 .

명료 하 게 지리적 미생물 현상에이 heterogeneities의 영향 및 철 관련 테의 운명, 우리 실험실, 단순화 된 모델 대수층을 대표 하는 지속적으로 먹이 열 개발. 열은 열 입구 및 상단에는 철 분이 풍부한 영역에서 철 고갈 영역을 만드는 채워집니다. 정기적인 샘플링 포트 인터페이스 관련 현상 뿐만 아니라 각 영역을 개별적으로 연구를 사용 합니다. Hg 운명과 종 형성의 연구에 대 한이 실험 장치에의 응용 프로그램의 예로 이미 사용할 수²⁴. 여기 우리는 실험 설치 및 오염된 대수층에서의 행동에 초점을 맞추고 그 응용 프로그램의 두 번째 예제에 대 한 자세한 설명을 제공 합니다.

프로토콜

1. 실험 준비

1. 염 산 (HCl) 10 %v / v에서 5 일 다음 샘플 (5 일 20% 질소 산 (HNO₃) v/v에서) 접촉 모든 재료 (유리, 소계 (PFTE)) Acid-wash). 매우 순수한 물으로 여러 번 헹 구 고 사용 하는 층 류 후드 사전에서 건조.
2. 폴 리 에틸렌 장갑을 사용 (또는 비슷한)와 화학 물질을 포함 하는 모든 단계에 대 한 증기 두건.

2. 준비 Hg 그리고 아군 비정 질 철 산화물

1. Ferryhydrate (Fe(OH)₃)의 약 20 g을 준비: 50g FeCl₃-6 H₂O 초 순수한 물 500 mL에 녹 (저항력 > 18 m ω c m^-1) 스테인레스 스틸 임 펠 러 또는 자기 유리 반응 기에 동요에서 활동 가입니다. 초기 pH는 < 2.
2. 수동으로 ferryhydrate를 침전 시키기 위하여 10 M NaOH 솔루션을 추가 합니다.
   참고: 약 50 mL는 모든 철 (옥 시) 수 산화물을 침전 시키기 위하여 필요 합니다. 6 pH를 조정 하 고 1 h 안정화를 위한 동요를 유지.
   1. Hg 아군 (옥 시) 수 산화물에 대 한: HgNO₃ 10 g L^-1 의 10 mL를 준비 하 고 (옥 시) 수산화 솔루션 350 µ L를 추가.
      참고:이 ~ 4 µ g g^-1 (옥 시) 수 산화물의 젖은 (옥 시) 수 산화물에서 최종 Hg 콘텐츠를 얻을 것입니다.
   2. (옥 시) 수 산화물으로 아군에 대 한: 10 g L^-1 에서₂O₃²⁵ 의 100 mL를 준비 하 고 산화 철 솔루션 70 mL을 추가. 이 수 산화물 (옥 시) ~ 70 mg/g의 마지막 As(III) 콘텐츠를 얻을 것입니다.
3. 3 h에 대 한 스테인레스 스틸 임 펠 러 또는 자력 교 아래 두고 2000 x g.에서 20 분 동안 원심 분리기 상쾌한을 제거 하 고 다시 초 순수한 물 500 ml에서 (옥 시) 수 산화물을 일시 중단. 원심 분리와 rinsing 단계를 두 번 반복 합니다. 습 한 (옥 시) 수 산화물 (고체는 85-90 %wt. 함량) 복구 사용까지 4 ° C에서 저장.
4. 25 kGy의 최소 흡수 방사선 복용량 감마 방사선에 의해 습 한 Hg 또는 철 산화물으로 아군을 소독.
5. Hg를 제어 및 수 산화물 (옥 시) 내용으로
   1. 펠 릿²⁶의 Hg 내용을 결정 합니다.
      참고: 우리는 발견 3.90 ± 0.08 µ Hg g g^-1 고체. 따라서, 철 산화물의 18.3 g에 있는 각 열에 추가 하는 수은의 총 양은 71.4 ± 1.51 µ g 이었다.
   2. 펠 릿에 내용으로 결정 합니다. 뜨거운 산 성 강화 (50 ° C에서 4 h 5 N HCL의 8 mL)을 사용 하 고 원자 흡착 분석 (AAS)에 의해 분석.
      참고: 우리는 발견 70 mg g^-1 으로 고체. 따라서, 철 산화물의 18.3 g 열에 추가 되는 것으로 서의 총 금액이 했다 ~1.3 g.

3. 실리 카 젤 준비, 매트릭스 모래

참고: 느슨한 실리 카 젤 매트릭스는 사용을 중지 물 흐름 아래 모래/철 산화물 혼합물에서 마이그레이션 좋은 철 산화물. 마지막 젤 매트릭스 6% 실리 카 젤을 블록을 형성 하지만 그냥 느슨하게는 산화물을 집계 했다.

1. 7%의 솔루션의 40 mL에 실리 카 젤의 4 g를가 열 하 여 10% 실리 카 젤 혼합물 준비 자석 저 어 바가 해산 될 때까지 교 반, 뜨거운 접시에 코.
2. 매우 순수한 물 60 mL를 추가 다음 쿨 ~ 20 ° c 솔루션 신속 하 게 적정 pH 7.5에 희석된 인산 (20%)와 함께. 다음 신속 하 게 혼합 액체 실리 카 젤 320 g 메 마른 모래와 Hg 아군 또는 아군으로 철 산화물의 이전에 추가한 18.3 g 그것 고형화 하기 전에.
3. 주걱으로 혼합 하 여 "jellified" 혼합물을 끊고 4 단계에서 사용 하기 전에 멸 균 유지.

4. 열 설정

1. 유리 열을 사용 하 여 시스템을 냉각 물 재킷 (내부 볼륨 400 mL, 높이 = = 30 cm, 지름 3.5 c m)와 5 개의 실리 카 septa 정기적으로 설정 (모든 5 cm) 열 따라 샘플 수를 열 따라.
2. PTFE 튜브 (PTFE int Ø 3 m m) 열 입구와 출구에 충분 한 길이가 되도록 잘라. 유입 물/매체 공급에 차례로 연결 되어 연동 튜브에 연결 합니다.
3. 압력가 마로 소독 (1 h 110 ° C에서)에 의해 모든 물질 (유리, 튜브)를 소독.
4. 수직으로 열을 연결 합니다.
5. 물 20 ° C의 평균 온도 유지 하기 위해 시스템을 냉각 물 재킷에 연결
6. 위에서 열을 다음과 같이 채웁니다.
   -; 고체 손실을 방지 하기 위해 젖은 바위 모직의 레이어
   -메 마른 모래 320 g (퐁텐블로 모래, D₅₀ = 209 µ m);
   -메 마른 모래 섞인 18.3 g 320 g 수산화 Hg 또는 아군 비정 질 철 산화물 (1 단계 참조) 및 6% 실리 카 젤 매트릭스에 고정 (2 단계 참조).
7. 수직으로 열을 연결 하 고 지속적으로 N₂ 의 상승 흐름을 연결 부풀어 낮은 속도로 불 임 초순 (~ 2 mL h^-1).
8. 커버 알루미늄 호 일로 빛 으로부터 보호 하기 위해 열.

그림 1: 스케치 및 열 설정의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

결과

예 1입니다. 이동성 및 종 형성의 철 감소의 영향

열 지 하 수 마시는 표준 보다 높은 As 농도 제시 하는 사이트에서 직접 주사 했다 (브라 시외, 루아르 외 쉐어, 프랑스). 지 하 수 살 균 병에서 고 사용까지 5 ° C에 저장. 열 아래쪽에서 낮은 유량에서 자연 생 미생물 지역 사회를 포함 하는이 물 먹 였다 (2 mL h^-1) 모래에 세균성 부착을 촉진 하기 위하여. 온도 처음 25 ° C에서 미생물 성장을 부탁 하기 위해 고정 되었고 감소는 대수층의 온도 14 ° C를 연속 실험의 54 일 후. 매일 0 17에서에서 초기 접종 단계, 황산, 젖 산, 그리고 효 모 추출 후 (각각 370 mg L^-1, 830mg L^-1, 250 m g L^-1) ...

토론

실험적인 열 설정 편리한 실험실 장치 연속 조건에서 혐 기성 생물 지구 화학적 과정 공부를 입증 했다. 연속 열 시스템 가까이 슬러리 일괄 처리 시스템 또는 microcosms 보다 실제 aquifers의 조건에서 작업을 허용 합니다. 연속 시스템 대수층 앙금을 통해 지 하 수의 움직임을 시뮬레이션할 수 있습니다.

프로토콜 내에서 가장 중요 한 단계는 테 철 (옥 시) 수 산화물 및 실리 카 젤과 동종 짜임새를 얻기 위하여 신속 하 게 만들어야 하는 모래 혼합물 준비. 이 일반적인 중요 한 단계 넘어 오염 아군 (옥 시) 수 산화물의 준비 되는 자연 시스템의 적합 한 모델을 대표 하기 위하여 신중 하 게 설계 하는¹⁷를 공부 했다.

열 따라서 physio-화학 및 생물 학적 매개 변수의 프로 파일에 액세스를 제공 하는 서로 다른 수준에서 샘플링 수 있도록 고안 되었습니다. 따라서, 시스템...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
유리 컬럼	Beaucaverre, France	특정 요청	컬럼은 3개의 개별 부품, 냉각 재킷이 있는 메인 컬럼 코어와 5개의 샘플링 포트(올리브가 있는 GL14 크기)와 메인 컬럼 본체에 맞고 실리콘 조인트 및 나사(RIN F 40x38 & SVL 42). 참고: 이 디자인은 회사와 직접 논의되었습니다. 현지 유리를 찾는 것이 좋습니다.
셉타 PTFE/실리콘 직경 20 mm	시그마-알드리치	508608
PTFE 튜빙 ID 3	mm VWR	228-0745
연동 펌프	Dominique Dutsher SAS	66493
연동 펌프 튜빙 LMT 55	VWR	224-2250	Tygon® LMT 55
Fontainbleau 모래 D50 = 209 µ m	SIBELCO, 프랑스
N2 거품	액체, 프랑스
감마	조사 Ionisos, Dagneux, 프랑스
자동 수은 분석기(AMA 254)	법정 분석, 프랑스
Varian SpectrAA 300 Zeeman	Agilent
Name	Company	카탈로그 번호	코멘트
>Chemicals
HNO3 Supra pur	VWR	1.00441.1000	제조사: Merck
HCL 30% Supra pur	VWR	1.00318.1000	제조사: Merck
Hg(NO3)2	Merck	516953
As2O3	Merck	202673
FeCl3-6H2O	Merck	207926
실리카 겔	Sigma-Aldrich	336815-500G