Методическая статья

Установка экспериментальной столбца для изучения анаэробных биогеохимических взаимодействий между гидроксидов железа (Окси), микроэлементов и бактерий

DOI:

10.3791/56240

⸱

19 декабря 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Судьба и видообразования мышьяка и ртути в водоносные горизонты являются тесно связана с физико химических условий и антимикробной активностью. Здесь мы представляем оригинальные экспериментальные колонках, который имитирует водоносного горизонта и позволяет лучше понять биогеохимии элемента trace в анаэробных условиях. Представлены два примера, сочетая геохимических и микробиологических подходов.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Судьба и видообразования микроэлементов (TEs), например мышьяка (As) и ртути (Hg), в водоносных пластах тесно связаны физико химических условий, таких как окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и рН, но и микробной деятельности, которые могут играть прямую или косвенную роль в видообразования и/или мобильности. Действительно некоторые бактерии могут непосредственно окислять As(III) к As(V) или уменьшить As(V) для As(III). Бактерии также активно участвует в Велоспорт, Hg, или ее метилирование, образуя нейротоксин монометиловый Меркурий, или через его сокращения до элементарной Hg °. Судьбы как и Hg также тесно связаны с состав почвы или водоносного горизонта; действительно, как и Hg можно привязать к органических соединений или гидроксидов (Окси), которые будут влиять на их мобильность. В свою очередь, бактериальной деятельности как сокращение гидроксида железа (Окси) или минерализации органического вещества может косвенно влиять на как и улавливание Hg. Присутствие сульфата/сульфид может также сильно влияют на эти конкретные элементы путем формирования комплексов как Тио арсенаты с как или metacinnabar с Hg.

Следовательно, многие важные вопросы были подняты на судьбу и классификации как и Hg в окружающей среде и способы ограничения их токсичности. Однако из-за их реактивность к компонентам водоносного горизонта, трудно четко отделить биогеохимических процессов, которые происходят и их различное воздействие на судьбу этих TE.

Для этого мы разработали оригинальный, экспериментальный, установка столбца, который имитирует водоносного горизонта с богатые районы как - или Hg--оксида железа против Утюг истощены областей, что позволяет лучше понять те биогеохимии в анаэробных условиях. Следующий протокол дает шаг за шагом инструкции для настройки столбца, либо для как или Hg, а также пример с как под железо и сульфат, сокращение условий.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Понимание и прогнозирование мобильность микроэлемента (TE) и Биогеохимия в окружающей среде имеет важное значение для того, чтобы контролировать, разрабатывать и применять надлежащие управленческие решения для загрязненных участков. Это особенно относится к токсичных TEs например мышьяка (As) и ртути (Hg). Судьба и видообразования этих TEs в почве или водоносные горизонты тесно связаны физико химических условий, таких как Eh и рН, но и микробной деятельности, которые могут играть непосредственную роль на видообразования или косвенную роль в мобильности.

Действительно некоторые бактерии могут непосредственно окислять As(III) к As(V) или уменьшить As(V) для As(III). Это затрагивает как токсичность, так как As(III) является из наиболее токсичных форм и мобильность, поскольку As(III) более мобильными, чем As(V), который можно легко абсорбируются гидроксидов железа (Окси) или органические вещества1,2. Бактерии также активно участвует в Велоспорт, ртути, либо через ее метилирование, главным образом, сульфат железа, снижения бактерий3,4, образуя нейротоксин монометиловый ртути (легко накапливается в пищевой цепи), или через ее сокращения летучих элементарных Hg (Hg °)5.

Оба, как и судьбы Hg также тесно связаны с почвы или водоносного горизонта композиции, поскольку соединений, таких как органические вещества или гидроокиси железа (Окси) могут влиять на их поглощение и биодоступность. AS(V) адсорбирует хорошо для (Окси) гидроксидов железа6, тогда как Hg имеет очень высокое сродство для органических веществ (ом; главным образом для тиоловых групп), но также для коллоидного железа или марганца (Окси) гидроксиды в ом истощены сред7,8 , 9 , 10 , 11.

Бактериальной деятельности затем может повлиять на судьбу TEs адсорбированные гидроксиды (Окси) или органические вещества через сокращение (Окси) гидроксидов железа или минерализации органического вещества. Железо прямого сокращения бактериями является доминантным путем железа в серы истощены зоны12,13, Fe(III), используется в качестве терминала электрон акцептора, тогда как косвенно, Fe(III) может быть уменьшен до Fe(II) сульфид сформированный снижение бактериальной сульфат14. Кроме того, присутствие сульфата можно также изменить Hg и видообразования путем формирования комплексов как Тио арсенаты15 с как или metacinnabar с Hg.

Таким образом лучшего понимания влияния железа и сульфат Велоспорт на судьбу TE, например Hg и как, может помочь нам лучше управлять загрязненных участков и поддержания качества почвы и воды. Данные могут также способствовать укреплению существующих моделей метал мобильность. Микробные Fe (III)-снижение16,17,18 может вызвать десорбции TE. Теоретически косвенные сокращение гидроксидов железа (Окси), сульфидные, подготовленные микробная сокращение сульфат также может повлиять на TE мобильности. Однако масштабы и кинетики этих реакций как правило учился в партии однородных систем или пакетного микромира16,18,19,20. Недостатком пакетного экспериментов является отсутствие диссоциации происходящих явлений; действительно деятельность основана на и ограничивается объемом ресурсов в пакете и только дает конечный результат изменений в классификации и адсорбции. Использование столбца подход позволяет обновление приточных СМИ и мониторинг судьба TE во времени и пространстве. Эти условия являются более реалистичными, когда по сравнению с водоносного горизонта, где реальные явления тесно связаны с непрерывной перколяции условий. Кроме того гетерогенных железа (Окси) гидроксид вхождение в отложениях водоносного горизонта является общим21,23, и пространственных изменений в химический и минералогический состав твердой фазы конечно диски микробной деятельности .

Для выяснения влияния этих неоднородностей на гео микробные явлений и судьба железа связанные TE, мы разработали лаборатории, непрерывно кормили столбца, представляющего упрощенную модель водоносного горизонта. Этот столбец заполняется создать железо истощены зоны в столбец входа и богатые железом зоны в верхней. Регулярных выборочных порты позволяют нам учиться индивидуально каждой зоны, а также явлений, связанных с интерфейсом. Пример применения этой экспериментальной устройства для изучения Hg судьба и видообразования уже доступны24. Здесь мы даем подробное описание экспериментальной установки и второй пример его применения, сосредоточены на поведение как в загрязненных водоносных горизонтов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Экспериментальная подготовка

  1. Acid-Wash все материалы (стекло, политетрафторэтилен (PFTE)) в контакте с образцы (5 дней в азотной кислоты (3HNO) 20% v/v) следуют 5 дней в соляной кислоты (HCl) 10% v/v). Промыть несколько раз с ультра-чистой водой и высушить под капот ламинарного потока до использования.
  2. Использовать перчатки полиэтиленовые (или аналогичный) и зонт для всех шагов, связанных с химическими веществами.

2. Подготовьте Hg и как шипами аморфного оксиды железа

  1. Подготовка примерно 20 г ferryhydrate (Fe(OH)3): растворяют 50 г FeCl3-6 H2O в 500 мл ультра-чистой воды (удельное сопротивление > 18 MΩ см-1) под агитации в стеклянный реактор с рабочим колесом из нержавеющей стали или магнитные гребка. Начальное значение pH-< 2.
  2. Вручную добавьте решение 10 M NaOH в осадок ferryhydrate.
    Примечание: Для всех (Окси) гидроксидов железа потребуется примерно 50 мл. Отрегулируйте пэ-аш до 6 и поддерживать агитации за 1 ч до стабилизации.
    1. Для Hg шипами (Окси) гидроксиды: подготовка 10 мл HgNO3 в 10 g L-1 и 350 мкл раствора гидроксида (Окси).
      Примечание: Это даст окончательное содержание Hg в мокрой (Окси) гидроксидов гидроксидов ~ 4 мкг g-1 (Окси).
    2. Для как с шипами (Окси) гидроксиды: подготовить 100 мл2O325 на 10 g L-1 и добавить 70 мл в раствор окиси железа. Это даст окончательное содержание As(III) ~ 70 мг/г (Окси) гидроксидов.
  3. Оставить по агитации с рабочим колесом из нержавеющей стали или магнитной мешалкой для 3 h и затем центрифуги для 20 минут, 2000 x g. удалить супернатант и вновь приостановить (Окси) гидроксиды в 500 мл ультра-чистой воды. Повторите центрифугирования и полоскания шаги дважды. Восстановить влажный (Окси) гидроксиды (твердые вещества имеют содержание влаги 85-90% веса) и хранить при 4 ° C до использования.
  4. Стерилизация гамма-излучения, с минимальным излучения поглощается дозой 25 КГР влажный Hg или шипами как оксиды железа.
  5. Управление Hg и как содержимое (Окси) гидроксидов
    1. Определите содержание Hg Пелле26.
      Примечание: Мы нашли 3.90 ± 0,08 мкг Hg g-1 сплошной. Таким образом общее количество ртути, добавлены для каждого столбца в 18,3 г оксиды железа был 71,4 ± 1,51 мкг.
    2. Определите, как содержимое в гранулы. Использование горячих кислых минерализации (8 мл 5 N HCL за 4 ч при температуре 50 ° C) и анализировать, спектрометрия атомной адсорбции (ААС).
      Примечание: Мы нашли 70 мг как g-1 сплошной. Таким образом общее количество как добавленный столбец в 18,3 г оксиды железа был ~1.3 g.

3. Подготовьте силикагеля и песка матрица

Примечание: Свободные силикагель матрица была используется для остановки тонкой оксиды железа, мигрирующих из смеси песка/железа оксид под поток воды. Окончательный гелевой матрицы было 6% силикагель так не сформировать блок, но только для того, чтобы свободно агрегировать оксидов.

  1. Приготовить смесь силикагель 10% путем нагрева 4 g силикагеля в 40 мл раствора 7% Кох на горячей плите, перемешивания с баром магнитные размешать до растворения.
  2. Добавьте 60 мл ультра-чистой воды, а затем охладить решение ~ 20 ° C. Быстро Титруйте с разбавленной фосфорной кислоты до pH 7.5 (20%). Затем быстро смесь жидких силикагель с 320 g стерильные песка и ранее добавленный 18,3 г Hg шипами или шипами как оксиды железа, прежде чем он твердеет.
  3. Разбить «желированных» смеси путем смешивания с помощью шпателя и хранить стерильные перед использованием в шаге 4.

4. Настройка столбца

  1. Используйте столбцы стекла с водяной рубашкой охлаждения системы (внутренний объем = 400 мл, высота = 30 см, диаметр 3,5 см) и пять кремнезема септы набор регулярно (каждые 5 см), вдоль столбцов, чтобы позволить вам попробовать все вдоль колонны.
  2. Вырежьте трубки ПТФЭ (PTFE int Ø 3 мм) для обеспечения достаточной длины на столбец входным и выходным. Соединить перистальтические трубы, который в свою очередь подключен к подачу воды/средний приток.
  3. Стерилизация автоклавированием (1 ч при 110 ° C) все материалы (стекло, трубы).
  4. Прикрепите колонки вертикально.
  5. Подключение воды куртка для системы водяного охлаждения для поддержания средняя температура 20 ° c.
  6. Заполните столбец сверху следующим образом:
    -Слой влажной ватой, чтобы избежать твердых потери;
    -320 g стерильные песка (песок Фонтенбло, D50 = 209 мкм);
    -320 g стерильные песок, смешанный с 18,3 г гидратированных аморфного оксиды железа, шипами с Hg или как (см. шаг 1) и фиксированной в матрице силикагель 6% (см. шаг 2).
  7. Прикрепить колонки вертикально и подключить восходящий поток непрерывно N2 кипела сверхчистого стерильную воду при низкой скорости (~ 2 мл h-1).
  8. Обложка столбец с алюминиевой фольги для защиты от света.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Рисунок и фото установки колонки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Пример 1. Влияние снижения железа как мобильность и видообразования

Как столбец непосредственно прививанным с грунтовых вод от сайта, представляя как концентрация выше, чем пить стандартов (Bracieux, Луара et Шер, Франция). Грунтовые воды в стерильные бутылки и хранятся на 5 ° C до использования. Столбец был подан от дна с этой водой, содержащей природные эндогенного микробной сообщества на низкой скорости поток...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Установка экспериментальной столбца оказался удобным лабораторный прибор для изучения анаэробных биогеохимических процессов в условиях непрерывной. Непрерывного столбца системы позволяют работать в условиях ближе тем реальные водоносных горизонтов, чем навозной жижи пакетной системы или микромира. Непрерывные системы могут имитировать движения подземных вод через отложения водоносного горизонта.

Наиболее важным этапом в рамках протокола готовится смесь с силикагеля и песка, который должен быть...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа финансировалась совместно BRGM, докторантура Грант института Карно и Совет Général du Loiret. Мы также с благодарностью признаем финансовую поддержку, оказываемую центром округов - Валь-де-Луар в проект ПОВОРАЧИВАЕТСЯ.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Стеклянные колонныБокаверр, ФранцияКолонны по специальному запросусостояли из 3 отдельных частей: основного ядра колонны с охлаждающей рубашкой и 5 отверстий для отбора проб (размер GL14 с оливковым цветом), а также верхней и нижней частей, которые прилегают к основному корпусу колонны и удерживаются на месте с помощью силиконового соединения и винта (RIN F 40x38 & SVL 42). Примечание: Данный дизайн обсуждался непосредственно с компанией. Мы рекомендуем найти местного стекольщика.
Септа ПТФЭ/силикон диаметр 20 ммSigma-Aldrich508608
Трубка из ПТФЭ ID 3 ммVWR228-0745
Перистальтический насосDominique Dutsher SAS66493
Перистальтический насос трубка LMT 55VWR224-2250Tygon® LMT 55 
Песок Фонтенбло D50=209 &микро; mSIBELCO, Франция
N2 для барботированияAir Liquide, Франция
Гамма-облучениеIonisos, Dagneux, Франция
Автоматический анализатор ртути (AMA 254)Courtage Analyses, France
Varian SpectrAA 300 ZeemanAgilent
Name Company<strong>Номер в каталоге>Комментарии
>Chemicals
3 Supra purVWR1.00441.1000Производитель: Merck
HCL 30% Supra purVWR1.00318.1000Производитель: Merck
Hg(NO3)2Merck516953
As2O3Merck202673
FeCl3-6H2OMerck207926
силикагельSigma-Aldrich336815-500G
HNO

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Oremland, R. S., Stolz, J. F. The Ecology of Arsenic. Science. 300 (5621), 939(2003).
  2. Silver, S., Phung, L. T. Genes and enzymes involved in bacterial oxidation and reduction of inorganic arsenic. Appl Environ Microbiol. 71 (2), 599-608 (2005).
  3. Compeau, G. C., Bartha, R. Sulfate-Reducing Bacteria: Principal Methylators of Mercury in Anoxic Estuarine Sediment. Appl. Environ. Microbiol. 50, (1985).
  4. Fleming, E. J., Mack, E. E., Green, P. G., Nelson, D. C. Mercury Methylation from Unexpected Sources: Molybdate-Inhibited Freshwater Sediments and an Iron-Reducing Bacterium. Appl. Environ. Microbiol. 72 (1), 457-464 (2006).
  5. Barkay, T., Miller, S., Summers, A. Bacterial mercury resistance from atoms to ecosystems. FEMS Microbiol Rev. 27 (2-3), 355-384 (2003).
  6. Dixit, S., Hering, J. G. Comparison of arsenic(V) and arsenic(III) sorption onto iron oxide minerals: Implications for arsenic mobility. Environ. Sci. Technol. 37, (2003).
  7. Andersson, H. A. The Biochemistry of Mercury in the Environnment. Nriagu, J. O. , Elsevier. Amsterdam. 79-112 (1979).
  8. Khwaja, A., Bloom, P. R., Brezonik, P. L. Binding Constants of Divalent Mercury in Soil Humic Acids and Soil Organic. Environ. Sci. Technol. 40, (2006).
  9. Neculita, C. M., Zagury, G. J., Deschenes, L. Mercury Speciation in Highly Contaminated Soils from Chlor-Alkali Plants Using Chemical Extractions. J Environ Qual. 34 (1), (2005).
  10. Schuster, E. The behaviour of mercury in the soil with special emphasis on complexation and adsorption processes - a review of the literature. Water Air Soil pollut. 56 (56), 667-680 (1991).
  11. Wallschläger, D., Desai, M. V. M., Spengler, M., Windmöller, C. C., Wilken, R. D. How humic substances dominate mercury geochemistry in contaminated floodplain soils and sediments. J. Environ. Qual. 27 (5), (1998).
  12. Lovley, D. R. Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 55 (2), 259-287 (1991).
  13. Lovley, D. R., Kashefi, K., Vargas, M., Tor, J. M., Blunt-Harris, E. L. Reduction of humic substances and Fe(III) by hyperthermophilic microorganisms. Chem. Geol. 169 (3-4), 289-298 (2000).
  14. Hansel, C. M., et al. Structural constraints of ferric (hydr)oxides on dissimilatory iron reduction and the fate of Fe(II). Geochimica Cosmochimica Acta. 68, 3217-3229 (2004).
  15. Thamdrup, B., Fossing, H., Jørgensen, B. B. Manganese, iron and sulfur cycling in a coastal marine sediment Aarhus bay, Denmark. Geochim.Cosmochim. Acta. 58 (23), 5115-5129 (1994).
  16. Planer-Friedrich, B., London, J., McCleskey, R. B., Nordstrom, D. K., Wallschläger, D. Thioarsenates in Geothermal Waters of Yellowstone National Park: Determination, Preservation, and Geochemical. Environ. Sci. Technol. 41 (15), 5245-5251 (2007).
  17. Burnol, A., et al. Decoupling of arsenic and iron release from ferrihydrite suspension under reducing conditions: a biogeochemical model. Geochem. Trans. 8 (1), 12(2007).
  18. Kocar, B. D., et al. Integrated biogeochemical and hydrologic processes driving arsenic release from shallow sediments to groundwaters of the Mekong delta. Appl. Geochem. 23 (11), (2008).
  19. Harris-Hellal, J., Grimaldi, M., Garnier-Zarli, E., Bousserrhine, N. Mercury mobilization by chemical and microbial iron oxide reduction in soils of French Guyana. Biogeochem. 103 (1), (2011).
  20. Islam, F. S., et al. Role of metal-reducing bacteria in arsenic release from Bengal delta sediments. Nature. 430, (2004).
  21. Schultz-Zunkel, C., Rinklebe, J., Bork, H. R. Trace element release patterns from three floodplain soils under simulated oxidized-reduced cycles. Ecol. Eng. 83, 485-495 (2015).
  22. Nickson, R. T., et al. Mechanisms of arsenic release to groundwater, bangladesh and West Bengal. App. Geochem. 15, 403-413 (2000).
  23. Varsanyi, I., et al. Arsenic, iron and organic matter in sediments and groundwater in the Pannonian basin, Hungary. App. Geochem. 21, 949-963 (2006).
  24. Hellal, J., et al. Mercury mobilization and speciation linked to bacterial iron oxide and sulfate reduction: A column study to mimic reactive transfer in an anoxic aquifer. J. Contam. Hydrol. 180, 56-68 (2015).
  25. Battaglia-Brunet, F., Dictor, M. C., Garrido, F., Crouzet, C., Morin, D., Dekeyser, K., Clarens, M., Baranger, P. An arsenic(III)-oxidizing bacterial population: selection, characterization, and performance in reactors. J Appl. Microbiol. 93 (2002), 656-667 (2002).
  26. Salvato, N., Pirola, C. Analysis of mercury traces by means of solid sample atomic absorption spectrometry. Microchim Acta. 123 (1), 63-71 (1996).
  27. Huguet, L. Caractérisation biogéochimique et potentiel de méthylation du mercure de biofilms en milieu tropical (retenue de Petit Saut et estuaire du Sinnamary, Guyane Française). . , Université Henry Poincaré - Nancy 1, Pages. (2009).
  28. Mamindy-Pajany, Y., et al. Arsenic in Marina Sediments from the Mediterranean Coast: Speciation in the Solid Phase and Occurrence of Thioarsenates. Soil Sed. Contam. 22, 984-1002 (2013).
  29. dos Santos Afonso, M., et al. Reductive dissolution of iron(III) (hydro)oxides by hydrogen sulfide. Langmuir. 8, 1671-1675 (1992).
  30. Postma, D., et al. Redox zonation: equilibrium constraints on the Fe(III)/SO4-reduction interface. Geochem Cosmochim. Acta. 60, 3169-3175 (1996).
  31. Kumar, N., et al. Sulfur and oxygen isotope tracing in zero valent iron based In situ remediation system for metal contaminants. Chemosphere. 90, 1366-1371 (2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи