Name: Pomiary specjacji i biodostępności plutonu środowiskowego z wykorzystaniem dyfuzji w cienkich warstwach (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 22 s
Description: Poznaj metodę DGT do pomiaru specjacji plutonu w środowisku wodnym. Badanie ocenia biodostępność Pu(IV) i Pu(V) oraz wpływ materii organicznej na zachowanie tego pierwiastka w źródle krasowym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została sfinansowana przez Szwajcarską Narodową Fundację Nauki (grant nr 200021-140230) oraz przez Szwajcarskie Federalne Biuro Zdrowia Publicznego (PF i PS). Dziękujemy Szwajcarskiemu Federalnemu Urzędowi Zdrowia Publicznego za wsparcie finansowe dla ogólnodostępnej publikacji tego artykułu.

<ol><li>Kaplan, D. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+oxidation+states+on+plutonium+mobility+during+long-term+transport+through+an+unsaturated+subsurface+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Influence of oxidation states on plutonium mobility during long-term transport through an unsaturated subsurface environment.</a> Environ. Sci. Technol. 38 (19), 5053-5058 (2004).</li>
<li>Taylor, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Environmental+plutonium+-+Creation+of+the+universe+to+twenty-first+century+mankind%5BTitle%5D)+AND+%22Plutonium+in+the+Environment%22%5BJournal%5D)">Environmental plutonium - Creation of the universe to twenty-first century mankind.</a> Plutonium in the Environment. 1, 1-14 (2001).</li>
<li>Maher, K., Bargar, J. R., Brown, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Environmental+Speciation+of+Actinides%5BTitle%5D)+AND+%22Inorganic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Environmental Speciation of Actinides.</a> Inorganic Chemistry. 52 (7), 3510-3532 (2013).</li>
<li>Kurosaki, H., Kaplan, D. I., Clark, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+environmental+curium+on+plutonium+migration+and+isotopic+signatures%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Impact of environmental curium on plutonium migration and isotopic signatures.</a> Environ. Sci. Technol. 48 (23), 13985-13991 (2014).</li>
<li>Orlandini, K. A., Penrose, W. R., Nelson, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pu%28V%29+as+the+stable+form+of+oxidized+plutonium+in+natural-waters%5BTitle%5D)+AND+%22Marine+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Pu(V) as the stable form of oxidized plutonium in natural-waters.</a> Marine Chemistry. 18 (1), 49-57 (1986).</li>
<li>Kaplan, D. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eleven-year+field+study+of+Pu+migration+from+Pu+III%2C+IV%2C+and+VI+sources%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Eleven-year field study of Pu migration from Pu III, IV, and VI sources.</a> Environ. Sci. Technol. 40 (2), 443-448 (2006).</li>
<li>Morgenstern, A., Choppin, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+the+oxidation+of+Pu%28IV%29+by+manganese+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22Radiochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Kinetics of the oxidation of Pu(IV) by manganese dioxide.</a> Radiochim. Acta. 90 (2), 69-74 (2002).</li>
<li>Davison, W., Zhang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+speciation+measurements+of+trace+components+in+natural-waters+using+thin-film+gels%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">In-situ speciation measurements of trace components in natural-waters using thin-film gels.</a> Nature. 367 (6463), 546-548 (1994).</li>
<li>Zhang, H., Davison, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusional+characteristics+of+hydrogels+used+in+DGT+and+DET+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Diffusional characteristics of hydrogels used in DGT and DET techniques.</a> Anal. Chim. Acta. 398 (2-3), 329-340 (1999).</li>
<li>Cusnir, R., Steinmann, P., Bochud, F., Froidevaux, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+DGT+Technique+for+Plutonium+Bioavailability+Measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">A DGT Technique for Plutonium Bioavailability Measurements.</a> Environ. Sci. Technol. 48 (18), 10829-10834 (2014).</li>
<li>Froidevaux, P., Steinmann, P., Pourcelot, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-Term+and+Long-Range+Migration+of+Radioactive+Fallout+in+a+Karst+System%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Long-Term and Long-Range Migration of Radioactive Fallout in a Karst System.</a> Environ. Sci. Technol. 44 (22), 8479-8484 (2010).</li>
<li>Bajo, S., Eikenberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+a+stable+tracer+solution+of+plutonium+%28IV%29%5BTitle%5D)+AND+%22Radiochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Preparation of a stable tracer solution of plutonium (IV).</a> Radiochim. Acta. 91 (9), 495-497 (2003).</li>
<li>Saito, A., Roberts, R. A., Choppin, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+solutions+of+tracer+level+plutonium+%28V%29%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Preparation of solutions of tracer level plutonium (V).</a> Anal. Chem. 57 (1), 390-391 (1985).</li>
<li>Bajo, S., Eikenberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrodeposition+of+actinides+for+alpha-spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Radioanalytical+and+Nuclear+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Electrodeposition of actinides for alpha-spectrometry.</a> Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 242 (3), 745-751 (1999).</li>
<li>Dai, X. X., Christl, M., Kramer-Tremblay, S., Synal, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-trace+determination+of+plutonium+in+urine+samples+using+a+compact+accelerator+mass+spectrometry+system+operating+at+300+kV%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Analytical+Atomic+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Ultra-trace determination of plutonium in urine samples using a compact accelerator mass spectrometry system operating at 300 kV.</a> Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 27 (1), 126-130 (2012).</li>
<li>Christl, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ETH+Zurich+AMS+facilities%3A+Performance+parameters+and+reference+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nuclear+Instruments+and+Methods+in+Physics+Research+B%22%5BJournal%5D)">The ETH Zurich AMS facilities: Performance parameters and reference materials.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 294, 29-38 (2013).</li>
<li>Blinova, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Redox+interactions+of+Pu%28V%29+in+solutions+containing+different+humic+substances%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Alloys+and+Compounds%22%5BJournal%5D)">Redox interactions of Pu(V) in solutions containing different humic substances.</a> Journal of Alloys and Compounds. 444, 486-490 (2007).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opisana tutaj metodologia DGT dla eksperymentów z Pu z wykorzystaniem komory dyfuzyjnej stanowi niezawodne podejście do różnorodnych badań nad formami redoks Pu oraz ich oddziaływaniami z cząsteczkami organicznymi, cząstkami koloidalnymi i symulowanymi systemami środowiskowymi. Dalsze zastosowania techniki DGT w pomiarach środowiskowych Pu przyczynią się do zrozumienia biodostępności i losów tego radionuklidu w ekosystemach wodnych.
Laboratoryjne eksperymenty dyfuzyjne
Aby przeprowadzić pomyślny eksperyment dyfuzyjny, pozwalający na wyciągnięcie istotnych wniosków na temat mobilności i oddziaływań Pu w konkretnym środowisku chemicznym, należy zapewnić ściśle określone i kontrolowane warunki. Dostosowanie stopni utlenienia Pu przed eksperymentem jest niezbędne w celu uproszczenia interpretacji danych, a także symulacji różnych zachowań biogeochemicznych form redoks Pu. Podatność form Pu na zmiany pH sprawia, że buforowanie roztworów jest koniecznością. Szczególną uwagę należy zwrócić na cechy i konfigurację komory dyfuzyjnej: zastosowanie niesorbującego materiału polimerowego z Teflonu zapobiega adsorpcji na ściankach komory i umożliwia stworzenie szczelnego układu, co zapobiega utracie Pu z dyfundujących roztworów podczas eksperymentu.
Wstępne stężenie Pu wprowadzane do komory A, a także odstępy między pobraniami próbek i objętość każdej próbki pobieranej podczas eksperymentu dyfuzyjnego zależą od metod analitycznych dostępnych w laboratorium. Do oznaczenia stężenia Pu w próbkach z komory dyfuzyjnej można wykorzystać dowolną dostępną metodę analityczną, jednak wybór ten jest ściśle powiązany z początkową aktywnością Pu przyjętą do eksperymentu. 10 Bq 239Pu zalecane w niniejszym protokole (co daje 100-140 mBq ml-1 lub ~2×10-13 mol ml-1) są wystarczające, aby zapewnić odpowiednią czułość pomiarów metodą spektrometrii alfa i zazwyczaj nie stwarzają szczególnych problemów w kontekście przepisów ochrony radiologicznej. Początkowe stężenie Pu można zmniejszyć, jeśli dostępne są inne, bardziej czułe techniki analityczne do oznaczania Pu (np. spektrometria mas). Odstęp między pobraniami próbek można dobrać dla każdego eksperymentu dyfuzyjnego w zależności od początkowego stężenia Pu oraz oczekiwanej szybkości dyfuzji przez żel PAM. Pomimo że alikwoty z eksperymentów dyfuzyjnych nie zawierają radionuklidów innych niż Pu, obecność soli mineralnych i buforu MOPS może zakłócać procedurę analityczną, obniżając sprawność i precyzję analizy ilościowej. Dlatego zaleca się przeprowadzenie chemicznego rozdziału Pu z tych próbek.
Komora dyfuzyjna zapewnia najlepsze podejście do badania dyfuzji w żelu PAM, ponieważ żel jest bezpośrednio wystawiony na działanie dobrze wymieszanego roztworu. W związku z tym wpływ dyfuzyjnej warstwy przyściennej (DBL) na powierzchni żelu uznaje się za pomijalny. Podczas eksperymentu dyfuzyjnego niezbędne jest dokładne mieszanie roztworów, co pozwala na zminimalizowanie efektów DBL. Jednocześnie należy postępować ostrożnie, aby nie uszkodzić żelu PAM.
Badania biodostępności Pu w naturalnych wodach słodkich
Wyniki uzyskane za pomocą tego protokołu wykazują, że pomiar plutonu przy użyciu urządzeń DGT stanowi efektywne narzędzie do badania biodostępności plutonu w wodach słodkich. Pomiary DGT pozwalają określić średnie w czasie stężenie form wolnych i labilnych, które są dwiema najważniejszymi formami dla pobierania biologicznego przez organizmy żywe. Ponadto, za pomocą żeli o różnej grubości można badać kinetykę oddziaływania Pu z materią organiczną. Czas niezbędny do dyfuzji kompleksów Pu-NOM przez żel pozwoli na dysocjację najbardziej labilnych kompleksów. Pomiary DGT można uzupełnić technikami ultrafiltracji, które pozwalają określić procentowy udział koloidalnych form Pu powyżej określonej wielkości (np. 8 kDa). Koloidalne formy Pu są zazwyczaj uznawane za gatunki niebiodostępne i stanowią część frakcji Pu, której nie można zmierzyć za pomocą DGT.
Na tym etapie urządzenia DGT zostały rozmieszczone wyłącznie w słodkiej wodzie z wywierzyska krasowego w szwajcarskich górach Jura. Niskie stężenia środowiskowe Pu wymagają długotrwałego rozmieszczenia urządzeń DGT, co może wiązać się z potencjalnymi wadami. Biofouling powierzchni DGT stanowi istotny problem, zwiększając grubość DBL, a tym samym ograniczając strumień Pu przez żel PAM. Faza wiążąca urządzeń DGT wystawionych na działanie wód morskich lub wód o wysokim stopniu mineralizacji może zostać szybko nasycona innymi metalami śladowymi, co prowadzi do błędnych danych dotyczących akumulacji Pu. Oznaczanie śladowych poziomów środowiskowego Pu wymaga dokładnej separacji radiochemicznej i bardzo czułych metod analitycznych. Pomiary AMS zastosowane w tym protokole nie są powszechnie dostępne, ale mogą zostać zastąpione innymi technikami spektrometrii mas. Niezbędna jest jednak rygorystyczna separacja radiochemiczna w celu wyeliminowania interferencji izobarycznej 238U-H pochodzącej z naturalnie występującego uranu.
Równanie 2 pokazuje, że rozmiar urządzenia DGT jest kluczowym parametrem, który można dostosować w celu zwiększenia ilości akumulowanego Pu w określonym czasie ekspozycji. Komercyjne paski żelowe są dostępne maksymalnie w rozmiarze 6 cm x 22 cm. Dlatego okno próbownika DGT zostało powiększone do 105 cm2 (5 cm × 21 cm), co umożliwia akumulację wystarczającej ilości form Pu w stosunkowo krótkim czasie ekspozycji. Montaż takiego próbnika DGT wymaga precyzji oraz szczególnego uwzględnienia właściwości arkusza żelu PAM podczas manipulacji. Fundamentalne znaczenie ma złożenie warstw żelu w gładką, jednorodną „kanapkę”, aby zapewnić homogeniczny strumień form Pu z objętości wody przez żel dyfuzyjny. Dobry przepływ wody przy powierzchni DGT jest również ważnym parametrem, jednak jest on w głównej mierze determinowany przez warunki przepływu w warstwie wodonośnej. Zaleca się umieszczanie urządzeń DGT do pomiarów Pu pod kątem około 45° względem kierunku przepływu wody, aby zapewnić stały dopływ wody i zminimalizować efekty DBL.
Współczynnik dyfuzji użyty w równaniu 2 musi zostać skorygowany, jeśli temperatura w badanym zbiorniku wodnym różni się od temperatury, w której współczynnik dyfuzji został wyznaczony. Wpływ temperatury na współczynniki dyfuzji opisuje równanie Stokesa-Einsteina (równanie 3): 
<img alt="Równowaga lepkości cieczy; równanie; zachowanie masy; koncepcja naukowa; słowa kluczowe badań." src="/files/ftp_upload/53188/53188eq3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 3">     (3) 
gdzie D1 i D2 to współczynniki dyfuzji (cm2 sec-1), a η1 i η2 to lepkości (mPa sec) wody odpowiednio w temperaturach T1 i T2 (K).
Obecnie nie istnieje metoda badania specjacji Pu w środowisku naturalnym, poza obliczeniami termodynamicznymi opartymi, np., na parametrach pH i potencjale redox. Parametry te są dostępne jedynie dla makroskładników, takich jak węglany oraz kationy żelaza lub manganu. W konsekwencji specjacja Pu jest wywodzona z tych mierzalnych gatunków, lecz nie stanowi „rzeczywistego” pomiaru. Uważamy, że technika dyfuzji w cienkiej warstwie żelu PAM przedstawiona w niniejszej pracy jest istotnym krokiem w rozwiązaniu problemu specjacji Pu, ponieważ umożliwia pomiar in situ gatunków wolnych i labilnych, a potencjalnie również wykazanie obecności gatunków plutonylu. Choć do tej pory przeprowadzono jedynie kilka pomiarów DGT dla Pu w środowiskach wód słodkich, uzyskane wyniki są obiecujące dla dalszych zastosowań techniki DGT w badaniach specjacji i biodostępności Pu. Wykorzystanie DGT w wodach bogatych w materię organiczną może dostarczyć istotnych informacji na temat mobilności Pu oraz jego oddziaływań w obecności cząsteczek NOM. Interesujących wyników należy spodziewać się po pomiarach DGT w zanieczyszczonych środowiskach morskich, takich jak wody przybrzeżne wokół zakładu przetwórstwa paliw jądrowych Sellafield oraz uszkodzonej elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi.

Pluton to sztuczny radionuklid obecny w środowisku w wyniku globalnego opadu po testach bomby atomowej i wypadkach jądrowych. Chemia redoks plutonu ma ważne implikacje dla jego migracji i obiegu biogeochemicznego w środowiskowych systemach wodnych1. Pluton ma złożoną chemię i może występować na czterech stopniach utlenienia (III, IV, V, VI) w tym samym czasie. W związku z tym rozmieszczenie form redoks plutonu w wodach naturalnych jest niezwykle wrażliwe na lokalne środowisko chemiczne2,3. Stopień utlenienia plutonu zależy również od pochodzenia źródła – stwierdzenie to ma znaczenie głównie w przypadku skażonych środowisk i składowisk odpadów. Zredukowane formy plutonu (+III i +IV) występują głównie w środowiskach beztlenowych i pochodzą z globalnego opadu i zmagazynowanych ścieków, podczas gdy wyższe stopnie utlenienia (+V i +VI) można znaleźć wśród produktów rozpadu innych aktynowców oraz w środowiskach tlenowych4.
Mobilność i zachowanie plutonu w środowisku można do pewnego stopnia przewidzieć na podstawie specjacji redoks. Pluton na stopniach utlenienia +III i +IV występuje głównie w fazie stałej i ma zwiększoną zdolność do sorbowania do nieorganicznych koloidów i naturalnie występujących cząsteczek materii organicznej (NOM). Pluton na stopniach utlenienia +III i +IV jest uważany za mniej ruchliwy. Bardziej rozpuszczalne, utlenione formy plutonu (+V i +VI, przy czym najprawdopodobniej +V)5 mogą potencjalnie przyczyniać się do większego transferu biologicznego do organizmów wodnych ze względu na większą mobilność. Niemniej jednak, w obecności NOM, zwłaszcza kwasu humusowego, Pu(V) ulega redukcji17, przesuwając podział o kilka rzędów wielkości na korzyść opadów. Pomimo faktu, że szybkość redukcji Pu(V) do Pu(IV) jest o 4 do 5 rzędów wielkości szybsza niż reakcja odwrotna, remobilizacja Pu(IV) w warunkach utleniania może również zachodzić1. Ostatnie dane doświadczalne dotyczące osadów mineralnych wzbogaconych Pu(IV) i poddanych naturalnym warunkom utleniania wykazały, że stężenie rozpuszczalnego Pu w fazie wodnej wzrastało w czasie1,6. Autorzy tłumaczą to desorpcją oksydacyjną Pu(IV) i powstawaniem bardziej rozpuszczalnych gatunków Pu(V) i Pu(VI). Utlenianie Pu(IV) może również zachodzić z powodu naturalnie występujących tlenków manganu7. Obserwacje te są ważne dla modelowania biodostępności i oceny ryzyka środowiskowego związanego z unieszkodliwianiem odpadów i zanieczyszczonymi terenami.
Badania nad biodostępnością i specjacją plutonu to trudne zadanie zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i in situ. Niskie stężenia w środowisku, zmienność gatunków redoks i interakcje z naturalnymi koloidami utrudniają symulację biogeochemicznego zachowania plutonu. Technika gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) oparta na dyfuzji wolnych i labilnych zanieczyszczeń przez żel poliakryloamidowy (PAM) jest szeroko stosowana do pomiarów środowiskowych pierwiastków śladowych8. Próbnik DGT to trójwarstwowe urządzenie zbudowane z fazy wiążącej (dla większości metali śladowych jest to żywica Chelex zawarta w żelu PAM), dyfuzyjnej warstwy żelu (żel PAM o różnej grubości) oraz membrany filtracyjnej chroniącej żel i utrzymującej zespół w całości. Cienkie warstwy żelu poliakrylamidowego, składającego się w 85% z wody, umożliwiają wolną i labilną dyfuzję złożonych form szybciej niż pluton związany z dużymi cząsteczkami NOM lub naturalnymi cząstkami koloidalnymi. Układ przeznaczony do badania dyfuzji plutonu w cienkich warstwach żelu PAM w warunkach laboratoryjnych nazywa się komorą dyfuzyjną9.
Komora dyfuzyjna to dwukomorowe naczynie, w którym dwie oddzielne komory są połączone ze sobą otworem na danej powierzchni. Otwór, czyli okno między dwiema komorami zawiera krążek żelu dyfuzyjnego o zadanej grubości. Skonstruowaliśmy ogniwo teflonowe z dwiema komorami o pojemności 100 ml i okrągłym okienkiem dyfuzyjnym o średnicy 1,7 cm. Jedna komora jest wyjmowana, co ułatwia montaż. Rowek o szerokości 0,5 cm wyrzeźbiony wokół okienka dyfuzyjnego na stałej komorze służy do umieszczenia dyfuzyjnego krążka żelowego. Głębokość rowka powinna być zbliżona do grubości żelu PAM przeznaczonego do użytku. Decydujemy się na pracę z żelem PAM o średnicy 0,39 mm, dzięki czemu głębokość rowka w naszej celi dyfuzyjnej wynosi 0,39 mm. Szczegółowy obraz komory dyfuzyjnej przedstawiono na rysunku 1.
Gdy roztwór początkowo zawierający pluton zostanie umieszczony w jednym komorze (A), dyfundujące gatunki Pu utworzą gradient stężenia w żelu i zaczną gromadzić się w drugiej komorze (B), początkowo zawierającej roztwór o tym samym składzie chemicznym bez Pu. Początkowe stężenie gatunków Pu w komorze A określa się w taki sposób, że pozostaje ono stałe lub zmienia się bardzo nieznacznie (co najwyżej o 1%-2%) przez cały czas trwania eksperymentu dyfuzyjnego. Wykreślenie ilości rozproszonego Pu w funkcji czasu zapewnia sposób analizy mobilności gatunków Pu przeważających w różnych symulowanych warunkach środowiskowych. Dyfuzja w cienkich warstwach stanowi cenną alternatywę dla badań nad ruchliwością i specjacją Pu i może być z powodzeniem stosowana w warunkach polowych10. Komórkę dyfuzyjną można zastąpić próbnikiem pasywnym, wytwarzanym z żelu dyfuzyjnego PAM i żywicy Chelex jako fazy wiązania, która służy do akumulacji dyfuzyjnych gatunków Pu. Taki próbnik może być wystawiony na działanie promieni słonecznych w warunkach polowych – ilość poliwęglanu nagromadzonego w żywicy będzie wskaźnikiem specjacji i biodostępności poliwęglanu ciepła w danym środowisku10.
W tej pracy użyliśmy komórki dyfuzyjnej do zbadania mobilności gatunków Pu(IV) i Pu(V) oraz ich interakcji z NOM w warunkach laboratoryjnych. Ponadto zastosowaliśmy duże pasywne próbniki DGT o powierzchni 105cm2 w celu zbadania biodostępności Pu w krasowym źródle w szwajcarskich górach Jura (rzeka Venoge), gdzie znaczna część Pu została znaleziona w wewnątrzkomórkowych częściach mchów wodnych w poprzedniej pracy11. Ze względu na bardzo niski poziom plutonu obecnego w tym dziewiczym środowisku, do pomiaru izotopów plutonu zastosowano techniki spektrometrii mas oparte na akceleratorach (AMS) dostępne na ETH Zurych.

<table><tbody><tr><td>239Pu znacznik</td><td>CEA</td><td></td><td>Źródło PU239-ELSC10</td></tr><tr><td>242Pu Znacznik</td><td>LNSIRR</td><td></td><td>Źródło Pu242 N&deg; 790 z Laboratorium Krajowych Standardów Promieniowania Jonizującego Rosji</td></tr><tr><td>Zlewki</td><td></td><td></td><td></td>25 ml</tr><tr><td>Pipeta</td><td>Socorex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Jednorazowe plastikowe pipety</td><td>Semadeni</td><td></td><td></td></tr><tr><td>20 ml Plastikowa fiolka scyntylacyjna</td><td>Semadeni</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Folia</td><td></td><td></td><td></td>aluminiowa</tr><tr><td>Pęseta</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>z gorącą płytą</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Żywica aktynowymienna - TEVA - B</td><td>Triskem</td><td>TE-B50-A</td><td></td></tr><tr><td>Żywica aktynowymienna - TEVA - Wkłady R</td><td>Triskem</td><td>TE-R10-S</td><td></td></tr><tr><td>1 ml Końcówki do pipet</td><td>Socorex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PAM żelowy pasek 6 i razy; 21 cm</td><td>DGT Research Ltd</td><td></td><td>o grubości 0,39 mm i 0,78 mm / www.dgtresearch.com</td></tr><tr><td>Pasek żelowy Chelex 6 razy; 21 cm</td><td>DGT Research Ltd</td><td></td><td>Grubość 0,40 mm / www.dgtresearch.com</td></tr><tr><td>Komórka</td><td></td><td></td> dyfuzyjna <td>Fabrykowane / własny warsztat</td></tr>&<tr><td>Oslash; Stempel</td><td></td><td></td> 27 mm <td>Produkowane / warsztat własny</td></tr><tr><td>Taca</td><td></td><td></td><td></td>z tworzywa sztucznego</tr><tr><td>Konfiguracja</td><td></td><td></td> DGT <td>Fabrykowane / warsztat własny</td></tr><tr><td>Filtr membranowy</td><td>PALL Corporation</td><td></td><td>HT-450 Tuffryn Polysulfone Membranowy filtr tarczowy 0,45 i mu; m / 145 &mu; m grubości</td></tr><tr><td>Kwas azotowy&nbsp;</td><td>Carlo Erba</td><td>408025</td><td></td></tr><tr><td>Kwas siarkowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>84720</td><td></td></tr><tr><td>Kwas hydrokwarowy</td><td>Carlo Erba</td><td>403981</td><td></td></tr><tr><td>Kwas jodowodorowy</td><td>Merck</td><td>100341</td><td></td></tr><tr><td>Nadmanganian potasu</td><td>Merck</td><td>105082</td><td></td></tr><tr><td>Wodorosiarczan sodu</td><td>Merck</td><td>106352</td><td></td></tr><tr><td>Siarczan</td> <td>soduMerck</td><td>106647</td><td></td></tr><tr><td>Azotan sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>31440</td><td></td></tr><tr><td>Azotyn sodu</td><td>Fluka</td><td>71759</td><td></td></tr><tr><td>Octan sodu</td><td>Merck</td><td>106281</td><td></td></tr><tr><td>Szczawian amonu</td><td>Fluka</td><td>9900</td><td></td></tr><tr><td>Kwas bis-(2-etyloheksylo)fosforowy (HDEHP)</td><td>Merck</td><td>177092</td><td></td></tr><tr><td>2-tenoilotrifluoroaceton ( TTA)</td><td>Fluka</td><td>88300</td><td></td></tr><tr><td>Bufor MOPS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M9381</td><td>MOPS Sól sodowa</td></tr><tr><td>Cykloheksan</td><td>Carlo Erba</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kwas</td><td></td><td></td> humusowy <td>Ekstrahowany z bogatej w substancje organiczne gleby doliny alpejskiej, liofilizowany, MW 5-40 kDa</td></tr><tr><td>NH4OH</td><td>Carlo Erba</td><td>419943</td><td></td></tr><tr><td>FeCl3&middot; H2O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44944</td><td></td></tr></tbody></table>

pomiary specjacji i biodostępności plutonu środowiskowego z wykorzystaniem dyfuzji w cienkich warstwach

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Biologiczna absorpcja plutonu (Pu) w ekosystemach wodnych jest szczególnie niepokojąca, ponieważ jest to emiter cząsteczek alfa o długim okresie połowicznego rozpadu, który może potencjalnie przyczynić się do narażenia fauny i flory oraz ludzi. Technika gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach została tutaj wprowadzona do pomiarów in situ biodostępności i specjacji Pu. Komórka dyfuzyjna skonstruowana do eksperymentów laboratoryjnych z Pu oraz nowo opracowany protokół umożliwiają symulację zachowania Pu w środowisku w roztworach modelowych o różnym składzie chemicznym. Dostosowanie stopni utlenienia do Pu(IV) i Pu(V) opisanych w tym protokole jest niezbędne w celu zbadania złożonej chemii redoks plutonu w środowisku. Kalibracja tej techniki oraz wyniki uzyskane w eksperymentach laboratoryjnych pozwalają na opracowanie specyficznego urządzenia DGT do pomiarów Pu in situ w wodach słodkich. Oparte na akceleratorze pomiary spektrometrii mas Pu zgromadzonego przez DGT w źródle krasowym pozwoliły na określenie biodostępności Pu w mineralnym środowisku słodkowodnym. Zastosowanie tego protokołu do pomiarów Pu za pomocą urządzeń DGT ma duży potencjał, aby poprawić naszą wiedzę na temat specjacji i biologicznego transferu Pu w ekosystemach wodnych.

Eksperymenty dyfuzyjne
Wykres aktywności 239Pu dyfundującego do komory B komórki dyfuzyjnej w funkcji czasu stanowi wizualną reprezentację strumienia gatunków 239Pu dyfundujących przez żel PAM. Współczynniki dyfuzji obliczone z tych wykresów zgodnie z równaniem 1 stanowią dodatkowy sposób porównania mobilności różnych gatunków redoks 239Pu w różnych środowiskach chemicznych (Rysunek 2). Rysunek 5 ilustruje doświadczenia dyfuzyjne odpowiednio dla Pu(IV) oraz mieszanych gatunków Pu(IV)-Pu(V), przeprowadzone w buforze MOPS oraz w obecności 20 ppm HA. Porównanie tych wykresów wykazuje, że Pu(V) jest znacznie bardziej mobilne niż Pu(IV). Jest to szczególnie widoczne w przypadku Pu(IV) i Pu(V), gdy HA (MW 5-40 kDa w naszych doświadczeniach, scharakteryzowane w SI przez Cusnir et al.)10 jest dodawane jako cząsteczki kompleksujące. Roztwór źródłowy Pu(V) przygotowany zgodnie z protokołem opisanym w niniejszej pracy zawiera przeważnie gatunki Pu(V). Ekstrakcja z fazy ciekłej przy użyciu HDEHP po zakończeniu eksperymentu dyfuzyjnego w roztworze buforowanym MOPS wykazała obecność 80% ± 10% Pu(V). Wydajność chemiczna tej ekstrakcji wynosi 80%. Roztwór z Pu(V) w obecności 20 ppm HA był równoważony przez 24 h, a frakcja Pu(V) w tym roztworze modelowym wynosiła 35% ± 10%.
Badania nad biodostępnością Pu w naturalnych wodach słodkich
Kilka urządzeń DGT wykonanych w naszym laboratorium zostało z powodzeniem wystawionych na okres od dwóch do trzech tygodni w krasowym źródle w szwajcarskich górach Jura. Jest to źródło mineralne z pH wody w zakresie 6,5-7,5, przewodnością powyżej 400 µS cm-1 i nasycone tlenem. Eksperymenty te wykazały dobrą przydatność i odporność zestawów żelowych, bez śladów biofoulingu, co prawdopodobnie wynikało również z niskiej temperatury źródła (7 °C). DGT odzyskane po ekspozycji były dobrze zachowane, z nienaruszonymi warstwami żelu, zachowując pierwotną formę i wygląd wizualny. Ilość Pu skumulowana przez DGT została przeanalizowana metodą AMS. AMS zapewnia znaczne zalety w porównaniu z innymi technikami analitycznymi: charakteryzuje się wysoką czułością (aż do poziomów sub-fg) i wymaga znacznie mniejszej początkowej ilości próbki niż techniki spektrometrii alfa lub ICP-MS. Dodatkowo interferencje izobaryczne cząsteczkowe, takie jak wodorek uranu (238U-H) lub inne cząsteczki, są skutecznie tłumione podczas pomiaru AMS i nie zakłócają detekcji 239Pu. Z przyczyn technicznych (najprawdopodobniej z powodu kontaminacji 239Pu podczas separacji chemicznych) nie mogliśmy wykorzystać danych dla 239Pu przy pierwszych zastosowaniach DGT w terenie. Niemniej jednak wyniki dla 240Pu były nieobciążone. Zatem obliczyliśmy zawartość 239Pu na podstawie zmierzonego 240Pu, przyjmując 0,18 jako stosunek atomowy 240Pu/239Pu dla plutonu pochodzącego z opadów. Wyniki podsumowano w Tabeli 1.
Stężenia 239Pu zmierzone w próbkach wody objętościowej są zbliżone do stężeń raportowanych wcześniej dla tego poziomu wodonośnego (1-7 µBq L-1)11. Co więcej, stężenia 239Pu obliczone na podstawie pomiarów DGT są zbliżone w granicach niepewności pomiaru. Ponieważ DGT kumulują jedynie wolne i labilne formy Pu, można oszacować frakcję biodostępnego Pu w tej wodzie. Dane przedstawione w Tabeli 1 wskazują, że wszystkie formy 239Pu obecne w wodzie objętościowej występują w formie biodostępnej. Jest to interesujący wynik w świetle wcześniejszych doniesień11, które wykazały przeważną akumulację 239+240Pu w frakcji wewnątrzkomórkowej mchów wodnych rosnących w źródle w porównaniu z 241Am i 90Sr. Autorzy11 zasugerowali, że zwiększona mobilność Pu w tym naturalnym poziomie wodonośnym wynikała z tworzenia rozpuszczalnego węglanowego kompleksu Pu, prawdopodobnie w formie plutonylu Pu(V), podobnie jak w przypadku naturalnie występującego kompleksu uranylowo-węglanowego. Woda ze źródła Venoge jest wodą twardą, o wysokim stężeniu węglanów i bardzo niskiej zawartości NOM (około 1 ppm).
<img alt="Schemat układu dyfuzyjnego z mieszadłami elektrycznymi, komora z żelem PAM do analizy molekularnej." src="/files/ftp_upload/53188/53188fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Komora dyfuzyjna wykorzystana w eksperymentach nad dyfuzją Pu przez żel PAM. Grubość szczeliny 0,5 cm, głębokość szczeliny 0,39 mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53188/53188fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres i tabela danych analizy dyfuzji plutonu; wyniki w mBq, obliczenia według wzoru, eksperyment z Pu-239." src="/files/ftp_upload/53188/53188fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Zrzut ekranu arkusza Excel użytego do obliczeń współczynnika dyfuzji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53188/53188fig2large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić tę figurę w większej wersji, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Aparat do elektroforezy z opisanymi elementami, w tym płytą dolną i zestawem ramy pokrywy." src="/files/ftp_upload/53188/53188fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Urządzenie DGT o dużej powierzchni do pomiarów specjacji Pu w środowisku. Elementy urządzenia DGT — płyta dolna i rama pokrywy — przedstawione po lewej stronie, zestaw z otworami montażowymi po prawej stronie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53188/53188fig3large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Eksperyment z kołem łopatkowym; dynamika płynów; konfiguracja i analiza ruchu wody; badanie hydrodynamiczne." src="/files/ftp_upload/53188/53188fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Urządzenia próbnika DGT zamocowane w uchwycie (po lewej) umieszczone w źródle Venoge (po prawej) w celu pomiaru biodostępności Pu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53188/53188fig4large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres dyfuzji plutonu, przedstawiający Pu(V) i Pu(IV) w czasie, eksperymentalne wyniki dyfuzji." src="/files/ftp_upload/53188/53188fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Wykres dyfuzji 239Pu do komory B komory dyfuzyjnej w różnych środowiskach chemicznych. Eksperymentalne punkty danych przedstawiono odpowiednio dla 239Pu(IV) i 239Pu(V) w buforze MOPS, a także dla mieszanych form 239Pu(IV)-239Pu(V) (35% ± 10% Pu(V)) w obecności HA. Linia przedstawiona dla 239Pu(IV)-HA została obliczona przy użyciu współczynnika dyfuzji 0.50×10-6 cm2 sec-1 wyznaczonego wcześniej10. Współczynniki dyfuzji obliczone z równania 1 wynoszą: Pu(IV) w buforze MOPS — 2.29×10-6 cm2 sec-1, Pu(V) w buforze MOPS — 3.50×10-6 cm2 sec-1, Pu(IV) - Pu(V) z HA — 0.92×10-6 cm2 sec-1. Od góry do dołu: Pu(V) w buforze MOPS (czerwone otwarte koła), Pu(IV) w buforze MOPS (niebieskie otwarte trójkąty), Pu(IV) - Pu(V) w obecności 20 ppm HA (zielone otwarte kwadraty), Pu(IV) w obecności 20 ppm HA (brązowe otwarte romby). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53188/53188fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<table border="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Typ próbki</td>
			<td>Liczba pomiarów</td>
			<td>239stężenie Pu, μBq L-1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Woda wolna</td>
			<td>2</td>
			<td>1.9 ± 0.55</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DGT 0,39 mm</td>
			<td>2</td>
			<td>1.74 ± 0.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DGT 0,78 mm</td>
			<td>1</td>
			<td>1.79 ± 0.9</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1. Reprezentatywne wyniki pomiarów 239Pu metodą AMS w próbkach wody objętościowej i próbnikach DGT. 239Pu w wodzie objętościowej został współstrącony z 20 L wody za pomocą wodorotlenków żelaza, wyekstrahowany na żywicy wymiennej specyficznej dla aktynowców i zmierzony metodą AMS. Stężenia 239Pu dla pomiarów DGT obliczono z równania 2 oraz współczynnika dyfuzji dla Pu(IV). Niepewności dla k=2; u(95).

Technika gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) jest proponowana do badań specjacyjnych plutonu. Protokół ten opisuje eksperymenty dyfuzyjne badające zachowanie Pu(IV) i Pu(V) w obecności materii organicznej. DGT rozmieszczone w źródle krasowym pozwalają na ocenę biodostępności Pu.

Pomiary specjacji i biodostępności plutonu środowiskowego z wykorzystaniem dyfuzji w cienkich warstwach

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

speciation-bioavailability-measurements-environmental-plutonium-using

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Kawitacja akustyczna w cieczach poddanych działaniu ultradźwięków tworzy przejściowe ekstremalne warunki wewnątrz zapadających się pęcherzyków, które są źródłem niezwykłej reaktywności chemicznej i emisji światła, znanej jako sonoluminescencja. W obecności gazów szlachetnych powstaje plazma nierównowagowa. "Gorące" cząstki i fotony generowane przez zapadające się pęcherzyki są w stanie wzbudzić gatunki w roztworze.

Aktywacja cząsteczek, jonów i cząstek stałych za pomocą kawitacji akustycznej

In planta pomiar strumieni składników odżywczych i toksycznych jest niezbędny do badania odżywiania i toksyczności roślin. W tym miejscu omawiamy protokoły radioznacznikowe do oznaczania napływu i odpływu w nienaruszonych korzeniach roślin, używając jako przykładów strumieni potasu (K+) i amoniaku/amonu (NH3/NH4+). Omówiono zalety i ograniczenia takich technik.

Pomiar strumieni mineralnych składników odżywczych i substancji toksycznych w roślinach z radioaktywnymi znacznikami

Produkcja wody odpływowej (PBW) została potraktowana nanocząstkami tlenku miedzi (CuO-NPs) i oceniono toksyczność komórkową w hodowanych komórkach ludzkich. Celem tego protokołu było zintegrowanie rodzimej próbki środowiskowej z formatem hodowli komórkowej oceniającym zmiany toksyczności spowodowane traktowaniem CuO-NP.

Usuwanie pierwiastków śladowych przez nanocząstki tlenku miedzi z wody upustowej z odzysku uranu in situ i jej wpływ na żywotność komórek

Wymagana jest szczególna ostrożność przy użyciu "czystych technik" do prawidłowego pobierania i przetwarzania próbek wody do badań metali śladowych w środowisku wodnym. Przedstawiono protokół pobierania próbek, przetwarzania i procedur analitycznych w celu uzyskania wiarygodnych danych i wyników z monitoringu środowiskowego o wysokiej czułości dla szczegółowych badań metali śladowych.

Czyste pobieranie próbek i analiza wód rzecznych i ujść rzek do badań metali śladowych

Opisujemy procedurę wykrywania pierwiastków chemicznych obecnych in situ w komórkach ludzkich, jak również ich kwantyfikację in vitro. Metoda ta jest odpowiednia dla każdego typu komórek i jest szczególnie przydatna do ilościowych analiz chemicznych w pojedynczych komórkach po ekspozycji na nanocząstki tlenku metalu in vitro.

In Situ Wykrywanie i kwantyfikacja pojedynczych komórek nanocząstek tlenków metali za pomocą analizy mikrosondy jądrowej

Tutaj prezentujemy przenośną platformę autoRAD do szybkiej separacji radiometrycznej i oznaczania 90Sr, ważnego produktu rozszczepienia, bardzo istotnego dla odpadów jądrowych.

Zautomatyzowana separacja i wstępne zatężanie 90Sr w systemie lab-on-valve na poziomie Ppq

Protokół opisuje metodę oczyszczania i oddzielania nuklidu U i Th w próbce siarczku hydrotermalnego pod wodą za pomocą chromatografii współstrącania i ekstrakcji Fe dla datowania 230Th-U nierównowagi.

Rozdzielanie uranu i toru do datowania 230Th-U podwodnych siarczków hydrotermalnych

Analiza morfologii, składu i rozmieszczenia blaszek rozpuszczających może dostarczyć niezbędnych informacji do zrozumienia procesów geologicznych związanych z wulkanizmem i metamorfizmem. Przedstawiamy nowatorskie zastosowanie APT do charakterystyki takich blaszek i porównujemy to podejście z konwencjonalnym zastosowaniem mikroskopii elektronowej i nanotomografii opartej na FIB.

Tomografia atomowa Analiza rozpuszczonych faz mineralnych

Ten protokół przedstawia przepływ pracy dla sub-mm wizualizacji 2D wielu labilnych nieorganicznych składników odżywczych i zanieczyszczeń rozpuszczonych za pomocą gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) w połączeniu z obrazowaniem spektrometrii mas. Pobieranie próbek substancji rozpuszczonych i analiza chemiczna o wysokiej rozdzielczości są szczegółowo opisane w celu ilościowego mapowania substancji rozpuszczonych w ryzosferze roślin lądowych.

Dwuwymiarowa wizualizacja i kwantyfikacja labilnych, nieorganicznych składników odżywczych roślin i zanieczyszczeń w glebie

Zwiększona częstotliwość analiz farmakologicznych i toksykokinetycznych metali i związków na bazie metali u danio pręgowanego może być korzystna dla środowiskowych i klinicznych badań tłumaczeniowych. Ograniczenie związane z nieznaną ekspozycją na wodę zostało przezwyciężone poprzez przeprowadzenie analizy metali śladowych na strawionej tkance danio pręgowanego przy użyciu spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie.

Absorpcja dawki ekspozycji na związki na bazie platyny i rutenu u danio pręgowanego za pomocą spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie o szerszych zastosowaniach

Metoda ilościowego oznaczania mikro- i nanoplastików pochodzących z politereftalanu adypinianu butylenu w glebie za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego jest opisana tutaj. Technika ta stanowi ulepszenie istniejącej metodologii, ponieważ obejmuje kwantyfikację nanoplastików i można ją łatwo dostosować do masowego przetwarzania próbek środowiskowych.

Kwantyfikacja mikro- i nanoplastików na bazie politereftalanu adypinianu butylenu z gleby za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego protonów

Poznaj metodę DGT do pomiaru specjacji plutonu w środowisku wodnym. Badanie ocenia biodostępność Pu(IV) i Pu(V) oraz wpływ materii organicznej na zachowanie tego pierwiastka w źródle krasowym.

Pomiary specjacji i biodostępności plutonu środowiskowego z wykorzystaniem dyfuzji w cienkich warstwach

Przeglądaj więcej filmów