$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Zrozumienie i przewidywanie ruchliwości pierwiastków śladowych (TE) oraz biogeochemii w środowisku jest niezbędne do monitorowania, opracowywania i stosowania odpowiednich decyzji dotyczących zarządzania zanieczyszczonymi miejscami. Dotyczy to zwłaszcza toksycznych TE, takich jak arsen (As) i rtęć (Hg). Losy i specjacja tych TE w glebie lub warstwach wodonośnych są ściśle związane z warunkami fizykochemicznymi, takimi jak Eh i pH, ale także z aktywnością mikrobiologiczną, która może odgrywać bezpośrednią rolę w specjacji lub pośrednią rolę w mobilności.
Rzeczywiście, niektóre bakterie mogą bezpośrednio utleniać As(III) do As(V) lub redukować As(V) do As(III). Wpływa to na toksyczność As, ponieważ As(III) jest najbardziej toksyczną formą As, oraz na ruchliwość, ponieważ As(III) jest bardziej mobilny niż As(V), który może łatwo adsorbować się na (tle)wodorotlenkach żelaza lub materii organicznej1,2. Podobnie, bakterie są silnie zaangażowane w obieg rtęci, albo poprzez jej metylację, głównie przez bakterie redukujące siarczany i żelazo3,4, tworząc neurotoksynę monometylortęć (łatwo bioakumulowaną w łańcuchu pokarmowym), albo poprzez jej redukcję do lotnego pierwiastkowego Hg (Hg°)5.
Zarówno losy As jak i Hg są również silnie związane ze składem gleby lub warstwy wodonośnej, ponieważ związki takie jak materia organiczna czy (tle)wodorotlenki żelaza mogą wpływać na ich sekwestrację i biodostępność. As(V) dobrze adsorbuje się do (tle)wodorotlenków żelaza6, podczas gdy Hg ma bardzo wysokie powinowactwo do materii organicznej (OM; głównie do grup tiolowych), ale także do koloidalnych wodorotlenków żelaza lub manganu (oksy)wodorotlenków w środowiskach zubożonych w OM7,8,9,10,11.
Aktywność bakterii może następnie wpływać na los TE zaadsorbowanych do (tle)wodorotlenków lub materii organicznej poprzez redukcję (tle)wodorotlenków żelaza lub mineralizację materii organicznej. Bezpośrednia redukcja żelaza przez bakterie jest dominującą ścieżką redukcji żelaza w strefach zubożonych w siarkę12,13, Fe(III) jest używany jako końcowy akceptor elektronów, podczas gdy pośrednio Fe(III) może być zredukowany do Fe(II) przez siarczek utworzony przez bakteryjną redukcję siarczanów14. Co więcej, obecność siarczanu może również modyfikować specjację Hg i As poprzez tworzenie kompleksów, takich jak tio-arseniany15 z As lub metacynabar z Hg.
Tak więc, lepsze zrozumienie wpływu obiegu żelaza i siarczanów na los TE, takich jak Hg i As, mogłoby nam pomóc w lepszym zarządzaniu skażonymi miejscami i utrzymaniu jakości gleby i wody. Dane mogą również przyczynić się do wzmocnienia istniejących modeli mobilności metalowej. Mikrobiologiczna redukcja Fe(III)16,17,18 może powodować desorpcję TE. Teoretycznie pośrednia redukcja (tle)wodorotlenków żelaza przez siarczek wytwarzany w wyniku mikrobiologicznej redukcji siarczanów może również wpływać na ruchliwość TE. Jednak zakres i kinetyka tych reakcji są na ogół badane w systemach jednorodnych wsadowo lub mikrokosmosach wsadowych16,18,19,20. Wadą eksperymentów okresowych jest brak dysocjacji zachodzących zjawisk; W rzeczywistości aktywność opiera się na zasobach obecnych w partii i jest przez nie ograniczana, a daje jedynie końcowy wynik zmian w specjacji i adsorpcji. Zastosowanie podejścia kolumnowego umożliwia odnawianie dopływających mediów i monitorowanie losów TE w czasie i przestrzeni. Warunki te są bardziej realistyczne w porównaniu z warstwą wodonośną, w której rzeczywiste zjawiska są ściśle związane z warunkami ciągłej perkolacji. Co więcej, występowanie niejednorodnego (tle)wodorotlenku żelaza w osadach warstwy wodonośnej jest powszechne21,23, a przestrzenne zmiany w składzie mineralogicznym i chemicznym faz stałych z pewnością napędzają aktywność mikrobiologiczną.
Aby wyjaśnić wpływ tych niejednorodności na zjawiska geo-mikrobiologiczne i los związanego z żelazem TE, stworzyliśmy laboratorium, kolumnę z ciągłym zasilaniem reprezentującą uproszczony model warstwy wodonośnej. Kolumna jest wypełniana, aby utworzyć strefę zubożoną w żelazo przy wejściu do kolumny i strefę bogatą w żelazo u góry. Regularne porty do pobierania próbek umożliwiają nam indywidualne badanie każdej strefy, a także zjawisk związanych z interfejsem. Przykład zastosowania tego eksperymentalnego urządzenia do badania losów i specjacji Hg jest już dostępny24. W tym miejscu podajemy szczegółowy opis konfiguracji eksperymentalnej i drugi przykład jej zastosowania skoncentrowany na zachowaniu As w zanieczyszczonych warstwach wodonośnych.