Eksperymentalna konfiguracja kolumny do badania beztlenowych oddziaływań biogeochemicznych między wodorotlenkami (tlenu) żelaza, pierwiastkami śladowymi i bakteriami

Ogólnym celem tego układu eksperymentalnego jest zbadanie losu metali śladowych w warunkach redukcji siarczanów i/lub żelaza wywołanych aktywnością mikrobiologiczną. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie biogeochemii, takie jak interakcje między kluczowymi cyklami biogeochemicznymi, takimi jak rtęć i arsen. Główną zaletą tej techniki jest to, że ze względu na ciągły przepływ wody, dynamika reakcji biogeochemicznych i labilność pierwiastków śladowych są dysocjowane i dostępne przez porty do pobierania próbek.

Tak więc metoda ta może dostarczyć wglądu w los rtęci i arsenu, jak pokazano tutaj, kończąc na tlenkach żelaza. Może być również stosowany do innych pierwiastków śladowych lub substratów nośnikowych. Zabieg zademonstruje Hafida Tris, technik z naszego laboratorium.

Aby rozpocząć tę procedurę, dodaj 500 mililitrów ultraczystej wody do szklanego reaktora wyposażonego w mieszadło magnetyczne. Dodać 50 gramów sześciowodnego chlorku żelaza(III), mieszając. Ręcznie dodaj około 50 mililitrów 10-molowego roztworu wodorotlenku sodu, aby rozpocząć wytrącanie ferryhydrytu.

Następnie dostosuj pH do sześciu i kontynuuj mieszanie przez godzinę, aby się ustabilizowało. W przypadku wodorotlenków i tlenoworontlenków arsenu przygotuj 100 mililitrów trójtlenku arsenu w stężeniu 10 gramów na litr. Następnie dodaj 70 mililitrów tego roztworu do roztworu tlenku żelaza.

Kontynuuj mieszanie przez trzy godziny. Następnie odwirować przy 2 000 G przez 20 minut. Usunąć supernatant i ponownie zawiesić osad z 50 mililitrami ultraczystej wody.

Powtórzyć wirowanie i ponowne zawieszenie jeszcze dwa razy. Odzyskaj i przechowuj wilgotne wodorotlenki i tlenowodorotlenki zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Trzymaj cztery gramy żelu krzemionkowego w 40 mililitrach 7% wodorotlenku potasu na gorącej płycie, mieszając za pomocą mieszadła magnetycznego, aż się rozpuszczą.

Dodaj 60 mililitrów ultraczystej wody. Schłodzić roztwór na lodzie do około 20 stopni Celsjusza, aby uniknąć zbyt szybkiego zastygnięcia żelu. Miareczkować mieszaninę żelu krzemionkowego kwasem fosforowym w 20% do pH 7,5.

Następnie szybko wymieszaj płynny żel krzemionkowy z 320 gramami sterylnego piasku uprzednio zmieszanego z 18,3 gramami tlenków żelaza wzbogaconych rtęcią lub arsenem, zanim zastygnie. Za pomocą szpatułki rozbij zżelowaną mieszaninę. Aby rozpocząć ustawianie szklanych kolumn, podłącz płaszcze wodne do systemu chłodzenia wodnego.

Ustaw system tak, aby utrzymywał średnią temperaturę 20 stopni Celsjusza. Przytnij odcinki rurek PTFE o średnicy wewnętrznej trzech milimetrów, upewniając się, że jest wystarczająca długość dla wlotu i wylotu kolumny. Następnie dodaj warstwę wilgotnej wełny mineralnej do kolumny od góry.

Dodaj 320 gramów sterylnego piasku. Dodać ostatnią warstwę składającą się z uprzednio zmieszanego sterylnego piasku i wzbogaconych uwodnionych amorficznych tlenków żelaza utrwalonych w matrycy żelu krzemionkowego. Następnie podłącz dopływ do rurki perystaltycznej.

Podłącz drugi koniec rurki perystaltycznej do źródła medium wodnego. Podłącz wznoszący się przepływ ultraczystej sterylnej wody stale bąbelkującej azotem z niską prędkością około dwóch mililitrów na godzinę. Następnie przykryj kolumnę folią aluminiową, aby zablokować światło.

Po dwóch tygodniach na styku dwóch warstw piasku obserwuje się osad. Ta strefa stopniowo atakuje górne strefy wzbogacone wodorotlenkiem żelaza i tlenowowodorotlenkiem, przy czym cała górna warstwa staje się pod koniec eksperymentu. Po 35 dniach ciągłej pracy zmierzone poziomy siarczanów zmniejszają się, po czym następuje przejściowy wzrost całkowitego rozpuszczonego żelaza.

Począwszy od 60 dnia, obserwuje się, że całkowity rozpuszczony arsen znacznie wzrośnie. W 54 dniu parametry fizykochemiczne są profilowane. Podczas gdy pH pozostaje bliskie pH 7 wzdłuż kolumny, potencjał redoks zmienia się znacznie przy wartościach zbliżających się do minus 200 miliwoltów w strefie zubożonej w żelazo, w której zachodzi redukcja siarczanów, i zbliżających się do ujemnych miliwoltów na górze, gdzie zachodzi bakteryjna i chemiczna redukcja żelaza.

Stężenia rozpuszczonych siarczanów osiągają około 20 miligramów na litr w dolnych warstwach i spadają do poniżej jednego miligrama na litr w strefie bogatej w żelazo. Siarczan również gwałtownie spada na granicy faz między strefami pozbawionymi żelaza i bogatymi w żelazo, co wskazuje na szczyt aktywności redukującej siarczany. Tymczasem arsen jest wykrywany w górnej strefie, podczas gdy gatunki tioarsenianu są widoczne bliżej granicy faz, a tiosiarczan znajduje się w dolnej warstwie pozbawionej żelaza.

Te profile stężeń wskazują na szczyt aktywności redukcyjnej siarczanów na granicy faz między warstwami pozbawionymi żelaza i bogatymi w żelazo. Po tej procedurze można wykonać inne metody, takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa, spektroskopia Ramana lub testy aktywności, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak to, jakie nowe minerały powstają lub jakie społeczności bakteryjne się rozwinęły. Nie zapominaj, że praca z rtęcią i arszenikiem może być bardzo niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy stosować środki ostrożności, takie jak rękawice i wyciągi.