Sedimentos Núcleo de corte e extração de Pore Waters sob condições anóxicas

Resumo

Um protocolo para seccionamento de testemunhos de sedimentos e extração de águas porosas sob condições anóxicas, a fim de permitir a análise de espécies sensíveis redox em sólidos e fluidos é apresentado.

Resumo

Nós demonstramos um método para seccionamento núcleos de sedimentos e extração de águas dos poros, mantendo condições livres de oxigênio. Um sistema simples, barato é construído e pode ser transportado para um espaço de trabalho temporário perto do sítio (s) de amostragem de campo para facilitar a análise rápida. Os mandris são extrudidas em um saco de luva portátil, onde são seccionados e cada secção de espessura de 1-3 cm (dependendo do diâmetro do núcleo) é selada em 50 ml de tubos de centrífuga. águas dos poros são separados por centrifugação do lado de fora do saco de luvas e, em seguida, devolvidos ao saco de luva para a separação a partir do sedimento. Estas amostras de água intersticial extraído pode ser analisado imediatamente. análises imediatas de espécies sensíveis redox, como o sulfeto, especiação de ferro, e especiação de arsénio indicam que a oxidação das águas dos poros é mínima; algumas amostras mostram aproximadamente 100% das espécies reduzidas, por exemplo, 100% de Fe (II) com o não detectável Fe (III). Ambas as amostras de água de sedimentos e de poros pode ser preservada to maintain espécies químicas para posterior análise em cima do retorno para o laboratório.

Introdução

Pesquisadores muitas vezes desejam estudar o estado redox e geomicrobiologia de um sistema água-sedimento. Este idealmente utiliza dados de ambos os sedimentos e águas dos poros, como as águas dos poros são frequentemente monitores sensíveis do sistema e são uma fonte comum, embora não a única, fonte de exposição ecológica a metais pesados ​​redox-sensíveis ¹ como o arsénio e urânio. Dados de água nos poros pode ser obtido in situ usando filtros de difusão de equilíbrio, também conhecidos como "Botucas," instalados no sedimento ^2. Peepers são mais comumente usados ​​em ambientes onde o site campo é conhecido antes de começar o trabalho de campo e onde várias visitas ao longo de um período prolongado de tempo pode ser feita para o local de campo, por exemplo Shotyk ^3. Por isso muitos contextos não permitem o uso de peepers, tais como locais acessíveis apenas por um curto período de tempo ou quando várias amostras exploratórios são obtidos para determinar onde uma investigação mais aprofundada deve ocorrer ^4.Além disso peepers não amostra de sedimento simultaneamente para amostragem de água.

Quando é desejável amostra de sedimento e água juntos, ou em locais de campo onde a instalação peeper não for possível, o método mais comum para obter sedimentos e água é retirada do núcleo de sedimentos. A obtenção de um núcleo não misturados é um precursor essencial para o processo descrito no presente trabalho ^5. Uma vez que o núcleo é obtido das águas dos poros podem ser obtidos por espremedura ⁶ ou centrifugação; ambos têm vantagens e desvantagens. Centrifugação é geralmente considerado o método mais confiável para extrair porewaters de núcleos de sedimentos, ⁷ embora cuidados devem ser tomados para evitar a oxidação dos sedimentos ou águas dos poros.

Neste método, descrevemos a extrusão do núcleo e centrifugação para extrair águas dos poros com a oxidação mínima. Os autores utilizaram o método aqui descrito numa variedade de contextos, incluindo marinho ^8, contaminado lago ^{9, e zonas húmidas 10. Os dados representativos mostrados demonstra que as condições de redução pode ser preservada. Com a excepção da centrifugação, são utilizados materiais de baixo custo, e este método pode ser aplicado a uma ampla variedade de questões de pesquisa e geoquímico geomicrobiological.}

Protocolo

1. Preparação do Equipamento

1. Preparação do núcleo Liners
   1. Calcular a espessura da fatia do núcleo que será obtida usando Volume = πr ² x espessura; o volume final deve ser <50 ^cm3. Com um diâmetro do núcleo 10 cm, podem ser obtidas fatias de 2 cm de espessura.
      NOTA: Não é necessário que o volume seja um total de 50 ml, mas os volumes de água intersticial obtido será proporcionalmente menor.
   2. Usando uma serra de vaivém (ou similar), um forro de fatia de núcleo, ou um tubo de plástico de diâmetro idêntico, em 2 cm de anéis (ou outra espessura se utilizar um núcleo de diâmetro diferente). Obter 3-5 anéis.
   3. Limpe todo o material plástico que vai entrar em contato com sedimentos, incluindo forros principais, tampões do núcleo, anéis, máquinas de corte de núcleo, tubos de centrífuga, seringas e colheres descartáveis. (Soak materiais plásticos em HCl a 10% durante 24 horas, lavar 3x em materiais plásticos nanopura (22 mohms água), e permitir que os materiais a secar ao ar, de preferência num laminarfluir capô, antes de embalar.)
2. Preparação de Laboratório Jack
   1. Cortar um pedaço de madeira, usando uma serra de vaivém, para cobrir a 6 "x 6" tamanho da placa de topo do conector de laboratório e perfurar um orifício no centro desta madeira compensada usando uma serra de fixação a uma broca.
      NOTA: Este furo deve ser apenas ligeiramente maior do que o diâmetro das peças de extensor de PVC; para os tamanhos usados ​​aqui, o buraco deve ser de 2 ¾ ".
   2. Faça quatro pequenos buracos nas bordas desta madeira para coincidir com os furos na placa superior da tomada de laboratório, usando uma broca regular em uma broca de mão ou furadeira. Fixe a madeira compensada para a tomada de laboratório com laços zip.
      NOTA: Não deve haver "mexer" neste contraplacado.
3. Perfurar um furo no centro de um a cerca de 2 "x 1,5" de madeira compensada ligeiramente maior do que o diâmetro exterior dos forros do núcleo utilizando uma serra de orifícios. Para 10 cm forros do núcleo de diâmetro, um 10,5-11,5 cm buraco será appropriate. Esta madeira é a placa de orientação núcleo.
4. Preparação do núcleo do Extrusor (êmbolo)
   1. Obter uma rolha de laboratório de borracha que se encaixa perfeitamente dentro dos forros principais. Se nenhum estiver disponível, fazer a barba um para tamanho usando uma navalha. Não use uma pequena demais rolha.
   2. Parafuso a rolha de laboratório para uma cerca de 1'-1.5 'long, 1 "passador de diâmetro ou vassoura punho. Cobrir a cabeça do parafuso na face da rolha com fita isolante impermeável.
      NOTA: O lado maior da rolha deve estar afastado do passador.
5. Cortar uma cerca de 1,5 "comprimento de tubo de PVC em ~ 6" seções longas.
   NOTA: O diâmetro interno deve ser maior do que o passador no passo 1.4.2, mas menor do que a rolha no passo 1.4.1. Este protocolo assume usando o padrão "PVC com diâmetro externo verdadeira de 2.375" 2. Estas peças de PVC são os extensores do núcleo.
6. Montar todos os outros equipamentos necessários listados na Lista de Materiais.
   NOTA: Este should ser recolhidas no laboratório casa e trazido para o laboratório de campo.

2. Configurando a Estação Field Laboratory

1. Configurando a Glove Bag
   1. Prender a placa de orientação do núcleo para a superfície de trabalho (bancada, a superfície de laboratório, etc.). Assegurar que o furo para o revestimento do núcleo está sobre a superfície de trabalho, mas é aberta.
   2. Coloque o saco luva descartável sobre a placa de orientação do núcleo, e rodar o tubo do tubo de entrada do saco de luva para o regulador do tanque de N _2. Certifique-se de que o tanque é preso com segurança usando a braçadeira de bancada de cilindros.
   3. Tape a tubulação para o saco de luvas para selar este ponto de entrada por circundando o saco em torno do exterior do tubo com fita isolante. Certifique-se que cerca de 8 "de tubo se estende para o interior do saco de luvas Deslize a abraçadeira de tubo no tubo dentro do saco de luva;. Sair desta braçadeira aberta.
   4. Cortar um "X" no fundo do saco sobre a luvaburaco na placa de orientação núcleo usando um cortador de caixa ou navalha. Este x deve ser menor do que o diâmetro do núcleo de revestimento.
   5. Carregar o saco de luva com os itens encontrados na Tabela 1.
2. Configurando o Core
   1. Coloque o macaco de laboratório no chão debaixo da área de trabalho onde o saco de luvas é aposta. Coloque o núcleo através do corte "X" na parte inferior do saco de luvas no passo 2.1.4, mantendo-o na posição vertical.
      NOTA: cerca de 4-6 "do núcleo deve estender-se acima da placa de núcleo de estabilização.
   2. Manter o núcleo estável para permitir pesquisador 2 para realizar os passos 2.2.3 através de 2.2.6.
   3. Tape o núcleo para o saco luva de plástico em torno do "X", usando bastante boa vedação fita isolante.
   4. Inserir a pega do dispositivo de extrusão do núcleo em um "diâmetro, ~ 6" 2 longo de PVC espaçador, seguido por um tempo de acoplamento ~ 3 ", seguido por um outro espaçador. Continue este padrão até que o PVC inteiramente cobertasa maçaneta; pode estender-se uma curta distância para além da extremidade da pega. Coloque a extrusão do núcleo (com espaçadores de PVC e acoplamentos) por baixo da parte inferior do núcleo.
   5. Apoiar o núcleo de extrusão com a tomada de laboratório de modo a que o extrusor pode suportar o núcleo. Neste tempo, manter o conector tão baixo quanto possível, e usar espaçadores do núcleo sempre que possível.
   6. Use um cortador de caixa para cortar cuidadosamente em volta da tampa central inferior. Este corte deve resultar em um anel de tampa de núcleo ser deixado do lado de fora do revestimento do núcleo e uma parte circular plana da tampa de núcleo no lugar contra os materiais do núcleo.
   7. Coloque as mãos no saco de luva (pesquisador 1). Manter o núcleo estável de modo que não se move mais acima da placa de estabilização do núcleo enquanto pesquisador 2 começa a girar o jaque laboratório lentamente para elevar o núcleo. A extrusora núcleo deve entrar no forro do núcleo e começar a empurrar para cima o sedimento como um pop empurrão.
   8. Wiggle lado do núcleo da extrusora para o outro ligeiramente, se neEDED para inseri-lo no forro do núcleo (pesquisador 2). Esteja preparado para uma ligeira pop quando ele entra.
   9. Continue a elevar o núcleo até ao topo do material tubular é em ou perto do topo do revestimento do núcleo (investigadores 1 e 2). Note-se que a tampa de núcleo deve permanecer no topo do núcleo durante o procedimento.
3. Selando a Glove Bag
   1. Verifique que todos os suprimentos necessários estão no saco de luvas; ligar o medidor de oxigênio portátil.
   2. Aberto todos os tubos de centrífuga, garrafas de água e outros itens que contêm presos ar. Se o núcleo tem headspace acima da água parada, abra a tampa superior para limpar este espaço superior.
   3. Ligue o regulador de modo que o fluxo de azoto através do tubo para dentro do saco de luvas é, a uma taxa moderada. Geralmente uma pressão de ~ 15 psi no último estágio do regulador com todas as válvulas abertas é apropriado.
      NOTA: Este deve ser rápido o suficiente para se sentir como uma forte brisa na pele, mas não tão forte que espalha saco de luvas suplonas.
   4. Aponte o nitrogênio em todas as áreas do saco de luva, e empurre o nitrogênio para fora da abertura principal para o melhor de sua capacidade. Desligue o azoto.
   5. Purgar o saco luva de três vezes, repetindo as etapas 2.3.6 através 2.3.9 três vezes.
      NOTA: Uma pessoa pode fazer isso, mas pode ser mais fácil para duas pessoas para que se possa manter as suas mãos nas luvas que são uma parte do saco de luva.
   6. Selar a principal abertura do saco luva envolvendo 1-2 cordas elásticas em torno dele várias vezes. Ligue o azoto a um fluxo semelhante como em 2.3.3. mãos lugar pesquisador 1 nos luvas embutidas do saco de luvas.
   7. Mover o tubo de azoto a partir de uma área do saco para o outro para encher o saco de luvas com atmosfera de azoto. Apontar o tubo em qualquer fendas tais como tubo de centrífuga aberto, acima da água em uma garrafa de esguicho, etc.
   8. Desligue o azoto, fechando a braçadeira de tubulação. Note-se que isto pode ser realizado sem remover researcher mãos 1s do saco de luvas.
   9. Abra a parte frontal do saco de luvas e usando pesquisadora corpo 1 do, empurrar tanto gás para fora do saco quanto possível.
      NOTA: O saco deve ser plana em torno das fontes de dentro dele neste momento.
   10. Encha o saco luva para uma pressão confortável e desligar o azoto utilizando a braçadeira de tubulação. Alguma tentativa e erro pode ser necessária para encontrar uma pressão confortável, como muito cheio e é difícil para mover os braços, enquanto muito vazia e é difícil ver e manipular objetos. Abra a braçadeira de tubo de nitrogênio por curtos períodos para encher o saco se ele parece ter um vazamento lento ou está ficando mais vazias por qualquer motivo. Abrir a frente do saco para deixar sair pequenas quantidades de azoto, se ele torna-se desconfortavelmente cheio.
   11. Verifique o nível de oxigênio dissolvido no medidor de oxigênio portátil. Ele deve estar abaixo de 1%.
   12. Coloque as luvas de saco luva em luvas descartáveis. Estes irão melhorar a destreza. Mudá-los sempre que eles get sujo ou rasgado; descartar no recipiente de resíduos in-bag.

3. Seccionamento o Core

NOTA: esta parte do procedimento é muito mais facilmente realizado com dois pesquisadores.

1. Remover a água parada utilizando uma seringa. filtro de seringa esta água e coloque em 50 ml tubos de centrífuga.
2. Remover uma seção do núcleo
   1. Coloque um anel de corte de base acima do topo do núcleo de revestimento. Elevar-se o núcleo (Secção 3.3) até ao topo do sedimento é, na parte superior do anel.
   2. Inserir o fatiador de núcleo entre a parte superior do revestimento do núcleo e o anel. A secção de sedimentos está agora sentado em cima do cortador de núcleo.
   3. Mover o sedimento para um tubo de 50 ml utilizando as colheres descartáveis. Tampe o tubo bem, uma vez que está cheio.
   4. Lavar o cortador de núcleo e anel de corte de núcleo com a água nanopura; esguichar resíduos suja para dentro do recipiente de resíduos dentro do saco luva. colheres descartáveis ​​pode também ser lavado,ou descartadas, dependendo do número necessário. Seque o cortador de núcleo e núcleo de anel de corte com toalhas de papel.
   5. Repita o passo 3.2 até que não haja mais material do núcleo permanece.
3. Levantando o Core
   1. Ao longo de 3,2 que é necessário para elevar o núcleo. Faça isso em pequenos incrementos usando o jack de laboratório. Execute os seguintes três passos uma vez que a tomada de laboratório está totalmente estendido.
   2. Manter o núcleo no lugar no saco luva (pesquisador 1).
   3. Abaixe o jack de laboratório para sua configuração mais baixa, quando ela está totalmente comprimida (pesquisador 2). Certifique-se de que o núcleo é mantido no lugar com as mãos pesquisador 1s dentro do saco de luvas e as mãos pesquisador 2 do suporte de baixo.
   4. Preencher o espaço entre a extremidade inferior do dispositivo de extrusão do núcleo e do jaque com espaçadores de PVC e acessórios. Certifique-se de que o núcleo está firmemente apoiada pelo extensor do núcleo antes de deixar ir do topo do núcleo.

4. Exadjudicantes Porewaters

1. Abra o saco de luva e retire o suporte de tubos de centrífuga.
2. Limpar o saco de luvas quando necessário, removendo qualquer tipo de solo, líquido ou condensação limpando o interior com toalhas de papel, água, etc. recipiente de resíduos vazio.
3. Selar a bolsa luva frouxamente com cordas elásticas.
4. Pesar tubos de centrífuga, que agora contêm seccionados de sedimentos (se desejado).
5. Enrole as partes superiores dos tubos de centrífuga com fita isolante para vedar a junção tampa / tubo.
6. Equilibrar os tubos para centrifugação, pesando-los depois de gravar. Adicionar ou remover fita isolante para obter pesos dentro de 0,5 g.
   NOTA: De um modo geral, os tubos a partir do topo do núcleo será mais leve do que as da parte inferior.
7. Colocar os tubos de centrifugação e centrifugar a aceleração máxima (1.100 xg é recomendado) para 20 min.
   Nota: As taxas de centrifugação mais altas irão permitir uma maior separação de porewaters.
8. Retire a fita elétrica da centrifutubos GE quer por unpeeling ou por corte com uma navalha antes de retornar os tubos para o saco de luvas. Retorno tubos de centrífuga de cremalheira após centrifugação e retornar para o saco de luvas.
9. Adicionar outro conjunto de tubos de centrífuga, seringas e filtros de seringa para o saco de luva. Estes novos tubos irá realizar porewaters e pode ser pré-rotulados.
10. Purgar o saco de luvas novamente como no passo 2.3.5. Se o saco luva só foi aberto brevemente para remover os tubos, e não foi feita, será aceitável para limpá-lo apenas duas vezes. Se um monitor de oxigénio está a ser utilizado, assegurar que a atmosfera no saco de luva é <1% de O _2. Não se esqueça de abrir os tubos de centrifugação recém-adicionados e eliminá-los.
11. Introduza as mãos para as luvas no saco de luvas; como antes, cubra com luvas descartáveis.
12. Abra um tubo. Remover os porewaters de cima do sedimento utilizando uma seringa, em seguida, ligar um filtro de seringa com a ponta da seringa. Se porewaters e sedimentos são bem separados, porewatERS pode ser vazado directamente para uma seringa com o cano removido e um filtro de seringa na ponta.
13. Empurrar a água através do filtro de seringa no tubo de centrífuga apropriada.
    Nota: Alguns força será necessária; mais do que um filtro de seringa por exemplo pode ser necessária.
14. Substitua as tampas sobre o tubo de centrífuga contendo sedimentos e o tubo que contém porewaters.
15. Repita os passos de 4.13 por meio de 4.15 para cada amostra.
16. Abra o saco de luva e remover amostras. Ambos os tubos de sedimentos e água intersticial pode ser re-pesado.
17. Analisar porewaters imediatamente se desejar. As análises podem incluir (mas não estão limitados a) cromatografia de íons para grandes iões ^11, ferrozina para a especiação de ferro ^12, especiação de arsénio por voltametria ^13, e especiação sulfeto de ^14.
18. Congelar porewaters e sedimentos no shipper seco (aproximadamente -80 ° C) para preservar a especiação para análises posteriores, se necessário para as análises previstas. ele may também ser apropriada para manter as amostras esfriar em recipientes hermeticamente fechados ou em nitrogênio purgado sacos de alumínio.
19. Re-utilizar o saco de luvas para um segundo núcleo (a partir de 2.2.2) se desejado. Depois de dois núcleos, o saco de luva geralmente precisa de ser mudado.

Resultados

O tipo de resultados obtidos depende de análises realizadas e sobre a configuração geoquímica a partir do qual foi obtido o núcleo. O oxigénio dissolvido pode ser medido nas porewaters extraídos, mas, em muitas configurações esta será zero abaixo dos primeiros poucos centímetros do núcleo. As análises que habitualmente fornecem informações mais significativas incluem a especiação de ferro (Fe II / Fe III) ^12, especiação de arsênio (As III / Como V) ^13, e sulfeto de ...

Discussão

A técnica aqui descrita é um flexível que pode ser ajustado para uma ampla gama de tamanhos, os locais do núcleo, a espessura da secção do núcleo, etc. Existem três componentes essenciais para o presente sistema.

Em primeiro lugar, preparar um sistema de núcleo por extrusão de as dimensões certas para o núcleo para ser analisado. Instruções aqui são dadas assumindo uma cerca de 30 "core, muito núcleos mais longos podem exigir mais peças de extensor de PVC e conexões de PVC para...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Porta-luvas descartável(is)	Sigma-Aldrich	Z106089-1EA	Um para cada dois núcleos a serem processados geralmente é suficiente.
Tanque N2	Praxair		Muitas vezes, as empresas de fornecimento de gás podem entregá-los diretamente ao laboratório de campo.
Regulador de nitrogênio	VWR	55850-478	Ou similar
Vários metros de tubulação que se encaixa no regulador	VWR	89403-862	Ou similar
Equipamento de segurança para fixar o tanque	VWR	60142-006
Braçadeira de tubulação ajustável	VWR	62849-112
Fita isolante à prova d'água, boa vedação	Scotch	Super 33+	Widely disponível
2-4 cordas elásticas curtas			Amplamente disponível
Garrafas de água nanopura	VWR	16650-082	Qualquer garrafa semelhante é boa; embale um suprimento adicional de água nanopura para reabastecê-las.
Grande fornecimento de toalhas de papel e Kimwipes			Tubos
centrífuga de 50 ml	VWR	21008-951	Limpeza ácida conforme descrito no protocolo. Pelo menos 2 / seção principal necessária.
Vários permanentes em marcadores.			Amplamente disponível
Várias lâminas de barbear e estiletes.			Centrífuga amplamente disponível
	Beckman-Coulter	Allegra X-22	O rotor mais rápido permite uma maior separação.
Rotor para acomodar tubos de 50 ml	Beckman-Coulter	SX-4250
de 50 ml sem ponta de borracha preta no corpo	VWR	66064-764	Limpeza ácida conforme descrito no protocolo. Pelo menos 1 / seção central necessária, mais 1 para água sobreposta.
Filtros de seringa compatíveis com soluções aquosas.	VWR	28143-310	Ou 0,45 μ m ou 0,20  μ Podem ser utilizados poros M. Planeje cinco filtros por seção principal processada.
Colheres de plástico (descartáveis).			Amplamente disponível; Limpeza ácida conforme descrito no protocolo.
Várias caixas de luvas descartáveis.			Copos
de plástico grandes ou outros recipientes de lixo amplamente disponíveis para colocar no porta-luvas.	VWR	13890-148
Balança de laboratório	VWR	10205-008	Uma balança disponível será suficiente; não é necessária alta precisão
Transportador seco, pré-carregado com azoto líquido	VWR	82005-416	Necessário apenas se as amostras forem devolvidas ao laboratório de origem para análises sensíveis.
Cadernos de laboratório Repelente			de água pode ser útil
Forros de núcleo	Marca d'água	77280	Disponível de fornecedores Forrestry
Tampas de núcleo	Ben Meadows	218105
Cortadores de núcleo	McMaster Carr	8707K111	Corte isso em 9 quadrados 3 x 3
espaçadores de PVC	McMaster Carr	48925K96	Corte isso em comprimentos curtos
Acoplamentos de PVC	McMaster Carr	4880K76	Aproximadamente 12 cavilhas
			Rolha de laboratório amplamente disponível
	VWR	59580-400	Verifique se o tamanho correcto se encaixa perfeitamente nos revestimentos do núcleo
Contraplacado para a placa de orientação do núcleo e topo do macaco			Macaco de laboratório amplamente disponível
	VWR	89260-826
Braçadeiras			Amplamente disponível
Monitor de oxigênio portátil	RKI instrumentos	OX-07