Artigo de método

Instalação de coluna experimental para estudar anaeróbicas biogeoquímicas interações entre bactérias, oligoelementos e hidróxidos de ferro (oxi)

DOI:

10.3791/56240

⸱

19 de dezembro de 2017

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1Environmental Biogeochemistry and Water Quality Unit, BRGM, 2Risks and Risk Prevention Division, BRGM, 3Egg Safety & Quality Research

Neste artigo

Resumo

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Destino e especiação de arsénio e mercúrio em aquíferos são condições intimamente relacionadas a fisio-químicas e atividade microbiana. Aqui, apresentamos uma instalação experimental da coluna original que imita um aquífero e permite uma melhor compreensão do oligoelemento biogeochemistry em condições anóxica. Dois exemplos são apresentados, combinando abordagens geoquímicas e microbiológicas.

Resumo

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Destino e especiação de oligoelementos (TEs), como o arsénio (As) e mercúrio (Hg), em aquíferos estão intimamente relacionadas às condições físico-químicas, como potencial redox (Eh) e pH, mas também para atividades microbianas que podem desempenhar um papel direto ou indireto na especiação e/ou mobilidade. De fato, algumas bactérias diretamente podem oxidar a magnitude de As(V) ou reduzir As(V) de magnitude. Da mesma forma, as bactérias são fortemente envolvidas em Hg, andar de bicicleta, através de sua metilação, formando o mercúrio monometílico de neurotoxina, ou por meio de sua redução a elementar Hg °. O destino de ambos como e Hg são também fortemente ligada à composição do solo ou aquífero; com efeito, como e Hg pode vincular a compostos orgânicos ou hidróxidos (oxi), que influenciarão a sua mobilidade. Por sua vez, atividades bacterianas, tais como redução de hidróxido de ferro (oxi) ou mineralização de matéria orgânica podem indiretamente influenciar como e o sequestro de Hg. A presença de sulfato/sulfeto também fortemente pode afetar esses elementos particulares através da formação de complexos tais como thio-arseniatos com como ou metacinnabar com Hg.

Consequentemente, foram levantado questões muito importantes sobre o destino e especiação de como e Hg no ambiente e como limitar sua toxicidade. No entanto, devido à sua reatividade para componentes do aquífero, é difícil dissociar claramente os processos biogeoquímicos que ocorrem e seus impactos diferentes sobre o destino destes et.

Para isso, desenvolvemos um original, experimental, instalação de coluna que imita um aquífero com zonas ricas como - ou Hg--óxido de ferro contra ferro empobrecido áreas, permitindo uma melhor compreensão da biogeoquímica TE em condições anóxica. O protocolo seguinte dá instruções passo a passo para a configuração de coluna para como ou Hg, bem como um exemplo com como sob ferro e sulfato de reduzir condições.

Introdução

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Entendimento e prevendo a mobilidade do elemento de traço (TE) e biogeoquímica no ambiente é essencial para monitorar, desenvolver e aplicar as decisões de gestão adequadas para sítios poluídos. Isto aplica-se especialmente no caso de TEs tóxicos tais como o arsénio (As) e mercúrio (Hg). O destino e especiação destes TEs no solo ou aquíferos estão intimamente relacionadas às condições físico-químicas, tais como Eh e o pH, mas também para atividades microbianas que podem desempenhar também um papel directo na especiação ou um papel indirecto na mobilidade.

De fato, algumas bactérias diretamente podem oxidar a magnitude de As(V) ou reduzir As(V) de magnitude. Isso afeta como toxicidade, uma vez que a magnitude é a maioria das formas tóxicas de como e mobilidade, uma vez que a magnitude é mais móveis do que As(V), que facilmente pode adsorver (oxi) hidróxidos de ferro ou matéria orgânica1,2. Da mesma forma, as bactérias estão fortemente envolvidas em mercúrio, andar de bicicleta, através de sua metilação, principalmente por sulfato e ferro reduzindo bactérias3,4, formando o mercúrio monometílico de neurotoxina (prontamente bioaccumulated da cadeia alimentar), ou através de sua redução a voláteis elementares hectograma (Hg °)5.

Ambos como e destinos de Hg são também fortemente ligados à composição do solo ou aquífero, desde compostos como matéria orgânica ou hidróxidos de ferro (oxi) podem influenciar seu sequestro e biodisponibilidade. As(V) absorve bem a ferro hidróxidos (oxi)6, Considerando que Hg tem grande afinidade para a matéria orgânica (OM; principalmente para grupos tiol) mas também para ferro coloidal ou manganês (oxi) hidróxidos em OM empobrecido ambientes7,8 , 9 , 10 , 11.

Atividades bacterianas podem então influenciar o destino de TEs adsorvido de hidróxidos (oxi) ou matéria orgânica, através da redução de hidróxidos de ferro (oxi) ou a mineralização da matéria orgânica. Redução de ferro direto por bactérias é que a via dominante para a redução do ferro em enxofre empobrecido zonas12,13, III, sendo usado como um aceitador terminal de electrões, Considerando que indiretamente, III pode ser reduzido a FE por sulfeto de formada por uma redução de sulfato bacteriana14. Além disso, a presença de sulfato de sódio também pode modificar a Hg e como especiação através da formação de complexos tais como thio-arseniatos15 com como ou metacinnabar com Hg.

Assim, uma melhor compreensão do impacto de ferro e sulfato de ciclismo sobre o destino do TE, tais como Hg e como, poderia nos ajudar a melhor gerenciar sites contaminados e manter a qualidade do solo e da água. Dados também poderiam contribuir para reforçar modelos existentes de mobilidade de metal. Microbiana Fe (III)-redução16,17,18 pode causar a dessorção do TE. Teoricamente, a redução indireta de hidróxidos (oxi) de ferro pelo sulfeto produzida pela redução microbiana de sulfato também pode afetar a mobilidade TE. No entanto, a extensão e cinética destas reações são geralmente estudados sistemas homogêneos de lote ou lote microcosmos16,18,19,20. A desvantagem dos experimentos de lote é a falta de dissociação dos fenômenos naturais; com efeito, baseia-se na atividade e limitada pelos recursos presentes no lote e só dá um resultado final dos turnos na especiação e adsorção. Usar uma abordagem de coluna permite a renovação da mídia admitida e o controlo do destino do TE ao longo do tempo e do espaço. Estas condições são mais realistas quando comparado a um aquífero, onde fenômenos reais estão intimamente ligados às condições de percolação contínua. Além disso, ocorrência de hidróxido de ferro heterogêneos (oxi) em sedimentos de aquífero é comum21,23, e as alterações espaciais na composição mineralógica e química das fases sólidas certamente conduz atividades microbianas .

Para elucidar a influência dessas heterogeneidades em fenômenos geo-microbiana e o destino do ferro-associado TE, desenvolvemos um laboratório, uma coluna alimentados continuamente representando um aquífero de modelo simplificado. A coluna é preenchida para criar uma zona de depleção de ferro da entrada de coluna e uma zona rica em ferro no topo. Amostragem regular portas permitem estudar cada zona individualmente, bem como fenômenos de interface associada. Um exemplo da aplicação deste dispositivo experimental para o estudo do destino de Hg e especiação já está disponível,24. Aqui nós damos uma descrição detalhada da instalação experimental e um segundo exemplo de sua aplicação focada no comportamento de como em aquíferos contaminados.

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Protocolo

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1. preparação experimental

  1. Acid-Wash todos os materiais (vidro, politetrafluoretileno (PTFE)) em contacto com amostras (5 dias em 20% de ácido nítrico (HNO3) v/v) seguidos por 5 dias em ácido clorídrico (HCl) a 10% v/v). Enxágue várias vezes com água ultra pura e seca sob um fluxo laminar antes de capuz de usar.
  2. Usar luvas de polietileno (ou similar) e uma coifa para todas as etapas que envolvem produtos químicos.

2. prepare Hg e quanto cravado de óxidos de ferro amorfo

  1. Prepare-se aproximadamente 20 g de ferryhydrate (Fe(OH)3): dissolver 50 g de FeCl3-6 H2O em 500 mL de água ultra pura (resistividade > 18 MΩ cm-1) sob agitação em um reator de vidro com um rotor de aço inoxidável ou magnética agitador. PH inicial é < 2.
  2. Adicione manualmente uma solução de 10 M NaOH para precipitar ferryhydrate.
    Nota: Cerca de 50 mL deverão precipitar todos os hidróxidos de ferro (oxi). Ajustar o pH para 6 e manter agitação por 1h estabilizar.
    1. Para Hg-cravado hidróxidos (oxi): Prepare-se 10 mL de HgNO3 a 10 g L-1 e adicionar 350 µ l da solução de hidróxido (oxi).
      Nota: Isto irá produzir um conteúdo de Hg final nos hidróxidos (oxi) molhados de ~ 4 µ g g-1 (oxi) hidróxidos.
    2. Para hidróxidos (oxi) como cravado: preparar 100 mL de como2O325 em 10 g L-1 e adicionar 70 mL para a solução de óxido de ferro. Isto irá produzir um conteúdo de magnitude final ~ 70 mg/g hidróxidos (oxi).
  3. Deixe sob agitação com um rotor de aço inoxidável ou agitador magnético para 3h e então centrifugar por 20 min em 2.000 x g. remover o sobrenadante e ressuspender os hidróxidos (oxi) em 500 mL de água ultra pura. Repeti a centrifugação e lavagem etapas duas vezes. Recuperar os hidróxidos (oxi) úmidos (sólidos têm um teor de humidade de 85-90% de peso) e armazenar a 4 ° C até o uso.
  4. Esterilize Hg úmido ou óxidos de ferro como cravado por radiação gama, com uma dose mínima de radiação absorvida de 25 kGy.
  5. Controlar o Hg e como conteúdo de hidróxidos (oxi)
    1. Determine o conteúdo de Hg a pelota26.
      Nota: Nós encontramos 3,90 ± 0,08 µ g g Hg-1 sólido. Assim, a quantidade total de mercúrio, adicionado para cada coluna na 18,3 g de óxido de ferro foi 71,4 µ g ± 1,51.
    2. Determine como conteúdo na pelota. Use a mineralização ácida quente (8 mL de HCL de N 5 para 4 horas a 50 ° C) e analisar por espectrometria atômica de adsorção (AAS).
      Nota: Nós encontramos 70 mg como g-1 sólido. Assim, a quantidade total de como adicionado à coluna no 18,3 g de óxido de ferro foi de ~1.3 g.

3. preparar o Gel de sílica e areia Matrix

Nota: Uma matriz de gel de silicone solto foi usado para interromper os óxidos de ferro bem migrando de mistura de óxido de ferro/areia sob o fluxo de água. A matriz do gel final foi de 6% de gel de silicone para não formar um bloco, mas apenas para agregar vagamente os óxidos.

  1. Prepare uma mistura de sílica gel de 10% pelo aquecimento de 4 g de sílica-gel em 40 mL de uma solução de 7% KOH sobre uma chapa quente, mexendo com uma barra de agitação magnética até dissolver.
  2. Adicione 60 mL de água ultra pura, em seguida, esfriar a solução ~ 20 ° c. Titula-se rapidamente com ácido fosfórico diluído (20%) a pH 7,5. Então rapidamente misture o gel de silicone líquido com 320 g de areia estéril e o adicionado anteriormente 18,3 g de Hg-cravado ou cravado como óxidos de ferro antes que ela se solidifica.
  3. Separar a mistura de "uso", misturando com uma espátula e manter estéril antes do uso na etapa 4.

4. configuração da coluna

  1. Use colunas de vidro com uma jaqueta de água, sistema de arrefecimento (volume interno = 400 mL, altura = 30 cm, diâmetro 3,5 cm) e cinco sílica septos conjunto regularmente (a cada 5 cm) ao longo das colunas para permitir que a amostra ao longo de toda a coluna.
  2. Corte o tubo de PTFE (PTFE int Ø 3 mm) para garantir o comprimento suficiente para a coluna de entrada e saída. Conecte a entrada para tubulação peristáltica, que por sua vez está ligada ao fornecimento de água e médio.
  3. Esterilize todos os materiais (vidro, tubulação) em autoclave (1 h a 110 ° C).
  4. Unir a coluna verticalmente.
  5. Conectar a camisa de água a uma água de resfriamento do sistema para manter uma temperatura média de 20 ° C.
  6. Preencha a coluna da parte superior da seguinte forma:
    -Uma camada de lã de rocha úmida para evitar a perda de sólidos;
    -320 g de areia estéril (areia de Fontainebleau, D50 = 209 µm);
    -320 g de areia estéril misturada com 18,3 g hidratada amorfos óxidos de ferro cravados com Hg ou como (Veja passo 1) e fixo em uma matriz de gel de silicone de 6% (consulte a etapa 2).
  7. Anexar a coluna verticalmente e conectar o fluxo ascendente de continuamente N2 borbulhava ultrapura água estéril em velocidade baixa (~ 2 mL h-1).
  8. Cobrir a coluna com folha de alumínio para proteger da luz.

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Figura 1: Sketch e foto da instalação do coluna. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Resultados

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Exemplo 1. Impacto da redução do ferro da mobilidade e especiação

O como coluna diretamente foi inoculada com águas subterrâneas de um site que apresenta uma concentração como maior do que os critérios de potabilidade (Bracieux, Loire et Cher, França). Águas subterrâneas foi amostrada em frascos estéreis e armazenada a 5 ° C até o uso. A coluna foi alimentada de baixo com essa água contendo a comunidade microbia...

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Discussão

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A configuração de coluna experimental mostrou-se um dispositivo conveniente laboratório para estudar processos biogeoquímicos anaeróbicos em condições contínuas. Coluna contínua sistemas permitem trabalhar em condições mais próximos dos aquíferos reais do que sistemas de lote de chorume ou microcosmos. Sistemas contínuos podem simular o movimento das águas subterrâneas através de sedimentos do aquífero.

O passo mais crítico no âmbito do protocolo está preparando os hidróxidos de ferro-TE (oxi)...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi co-financiado pela BRGM, uma bolsa de pós-doutorado do Conseil Général du Loiret e o Instituto de Carnot. Reconhecemos também agradecem o apoio financeiro ao projecto pivôs pelo Région Centre - Val de Loire.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Colunas de vidroBeaucaverre, Françapedido específicoeram compostas por 3 peças separadas, o núcleo da coluna principal com a camisa de resfriamento e as 5 portas de amostragem (tamanho GL14 com azeitona) e uma peça superior e inferior que se encaixa no corpo da coluna principal e é mantida no lugar com uma junta de silicone e parafuso (RIN F 40x38 & SVL 42). Nota: Este projeto foi discutido diretamente com a empresa. Recomendamos encontrar um vidraceiro local.
Septa PTFE/silicone diâmetro 20 mmSigma-Aldrich508608
Tubulação de PTFE ID 3 mmVWR228-0745
Bomba peristálticaDominique Dutsher SAS66493
Tubulação de bomba peristáltica LMT 55VWR224-2250Tygon® LMT 55
Areia de Fontainbleau D50=209 µ mSIBELCO, França
N2 para borbulhamentoAir Liquide, França
Irradiação gamaIonisos, Dagneux, França
Analisador Automático de Mercúrio (AMA 254)Análises de corte, França
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Nome CompanyNúmero de catálogo<strong>Comentários
Chemicals
HNO3 Supra purVWR1.00441.1000Fabricante: Merck
HCL 30% Supra purVWR1.00318.1000Fabricante: Merck
Hg (NO3< / sub>) < sub>2< / sub>Merck516953
As2< / sub>O3< / sub>Merck202673
FeCl < sub>3< / sub>-6H2OMerck207926
gel de sílicaSigma-Aldrich336815-500G
As colunas de

Referências

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