Experimentele kolominstelling voor het bestuderen van anaërobe biogeochemische interacties tussen ijzer (Oxy) hydroxiden, sporenelementen en bacteriën

Het algemene doel van deze experimentele opstelling is om het lot van spoormetalen te bestuderen onder sulfaat- en/of ijzerreducerende omstandigheden geïnduceerd door microbiële activiteiten. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in het biogeochemische veld, zoals interacties tussen belangrijke biogeochemische cycli zoals kwik en arseen. Het grote voordeel van deze techniek is dat door de continue waterstroom, de dynamica van de biogeochemische reacties en de labiliteit van spoorelementen worden gedissocieerd en toegankelijk via de bemonsteringspoorten.

En dus kan deze methode inzicht bieden in het lot van kwik en arseen, zoals hier gedemonstreerd met als eindproduct ijzeroxiden. Het kan ook worden toegepast op andere spoorelementen of dragers. De procedure wordt gedemonstreerd door Hafida Tris, een technicus uit ons laboratorium.

Om deze procedure te beginnen, voeg 500 milliliter ultrapuur water toe aan een glazen reactor uitgerust met een magnetische roerstaaf. Voeg 50 gram ijzer(III)chloride hexahydraat toe terwijl geroerd wordt. Voeg handmatig ongeveer 50 milliliter van een 10-molar oplossing van natriumhydroxide toe om de precipitatie van ferrihydriet te beginnen.

Stel vervolgens de pH in op zes en blijf een uur roeren om te stabiliseren. Voor arseen-verrijkte hydroxiden en oxyhydroxiden, bereid 100 milliliter arseentrioxide voor met een concentratie van 10 gram per liter. Voeg vervolgens 70 milliliter van deze oplossing toe aan de ijzeroxide-oplossing.

Roer gedurende drie uur door. Centrifugeer daarna gedurende 20 minuten bij 2.000 G. Verwijder het supernatant en schud het pellet opnieuw op met 50 milliliter ultrapuur water.

Herhaal de centrifugatie en resuspendering nog twee keer. Herstel en bewaar de vochtige hydroxiden en oxyhydroxiden zoals beschreven in het tekstprotocol. Bewaar vier gram silicagel in 40 milliliter 7% kaliumhydroxide op een hot plate en roer met een magnetische roerstaaf totdat het is opgelost.

Voeg 60 milliliter ultrapuur water toe. Koel de oplossing op ijs tot ongeveer 20 graden Celsius om te voorkomen dat de gel te snel stelt. Titreer het silicagelmengsel met 20% fosforzuur tot een pH van 7,5.

Meng vervolgens snel de vloeibare silicagel met 320 gram steriel zand dat eerder is gemengd met 18,3 gram kwik- of arseenverrijkte ijzeroxiden voordat het stolt. Gebruik een spatel om het geleerde mengsel te breken. Om de glazen kolommen op te zetten, verbind de watermantels met een waterkoelsysteem.

Stel het systeem in om een gemiddelde temperatuur van 20 graden Celsius te handhaven. Snijd stukken PTFE-slang met een binnendiameter van drie millimeter en zorg ervoor dat er voldoende lengte is voor de inlaat en uitlaat van de kolom. Voeg vervolgens een laag vochtige steenwol toe aan de kolom vanaf de bovenkant.

Voeg 320 gram steriel zand toe. Voeg de laatste laag toe die bestaat uit het eerder gemengde steriele zand en verrijkte gehydrateerde amorfe ijzeroxiden vastgezet in de silicagelmatrix. Verbind vervolgens de instroom met peristaltiekbuis.

Verbind het andere uiteinde van de peristaltiekbuis met de watermediumvoorraad. Verbind een stijgende stroom ultrapuur steriele water die continu wordt doorlopen door stikstofgas op een lage snelheid van ongeveer twee milliliter per uur. Bedek vervolgens de kolom met aluminiumfolie om het licht te blokkeren.

Na twee weken wordt een zwartgekleurd precipitaat waargenomen op de grens tussen de twee zandlagen. Deze zwarte zone drong progressief door in de bovenste ijzerhydroxide en oxyhydroxide-verrijkte zones, waarbij de hele bovenste laag aan het einde van het experiment zwart is geworden. Na 35 dagen van continu draaien, nemen de gemeten niveaus van sulfaat af, gevolgd door een tijdelijke toename van het volledig opgelost ijzer.

Vanaf dag 60 stijgt het totale opgeloste arseen significant. Op dag 54 worden de fysische en chemische parameters geprofileerd. Terwijl de pH dicht bij pH zeven blijft langs de kolom, verandert het redoxpotentieel aanzienlijk met waarden die naderen negatieve 200 millivolt in de ijzerverarmde zone waar sulfaatreductie optreedt en naderen negatieve millivolt aan de bovenkant waar bacteriële en chemische ijzerreductie optreedt.

Gedissolveerde sulfaatconcentraties bereiken ongeveer 20 milligram per liter in de onderste lagen en dalen tot minder dan één milligram per liter in de ijzerrijke zone. Sulfaat neemt ook scherp af op de grens tussen ijzerarme en ijzerrijke zones, wat wijst op een piek in sulfaatreductieactiviteit. Ondertussen wordt arseen gedetecteerd in de bovenste zone, terwijl thioarsenaat soorten dichter bij de grens worden gezien en thiosulfaat in de onderste ijzerarme laag.

Deze concentratieprofielen wijzen op een piek in sulfaatreductieactiviteit op de grens tussen ijzerarme en ijzerrijke lagen. Na deze procedure kunnen andere methoden zoals scanning elektronenmicroscopie, Raman spectroscopie of activiteitsassays worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals welke nieuwe mineralen zijn gevormd of welke bacteriële gemeenschappen zich hebben ontwikkeld. Vergeet niet dat werken met kwik en arseen extreem gevaarlijk kan zijn en dat voorzorgsmaatregelen zoals handschoenen en afzuigingskapjes moeten worden gebruikt bij het uitvoeren van deze procedure.