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

Общая цель этой экспериментальной установки заключается в изучении судьбы микропримесей металлов в сульфатных и/или железовосстанавливающих условиях, вызванных микробной активностью. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области биогеохимии, такие как взаимодействие между ключевыми биогеохимическими циклами, такими как ртуть и мышьяк. Основное преимущество данной методики заключается в том, что благодаря непрерывному потоку воды динамика биогеохимических реакций и лабильность микроэлементов диссоциируются и доступны через отверстия для отбора проб.

Таким образом, этот метод может дать представление о судьбе ртути и мышьяка, как показано здесь, вплоть до оксидов железа. Его также можно наносить на другие микроэлементы или подложки-носители. Демонстрировать процедуру будет Хафида Трис, техник из нашей лаборатории.

Чтобы начать эту процедуру, добавьте 500 миллилитров сверхчистой воды в стеклянный реактор, оснащенный магнитной мешалкой. Добавьте 50 грамм гексагидрата хлорида железа (III), помешивая. Вручную добавьте примерно 50 миллилитров 10-молярного раствора гидроксида натрия, чтобы начать осаждение ферригидрита.

Затем отрегулируйте pH до шести и продолжайте помешивать в течение часа, чтобы стабилизироваться. Для гидроксидов и оксигидроксидов с шипами мышьяка приготовьте 100 миллилитров триоксида мышьяка в концентрации 10 граммов на литр. Затем добавьте 70 миллилитров этого раствора в раствор оксида железа.

Продолжайте помешивать в течение трех часов. После этого центрифугируйте при 2 000 G в течение 20 минут. Удалите надосадочную жидкость и повторно суспендируйте гранулу 50 миллилитрами сверхчистой воды.

Повторите центрифугирование и ресуспендирование еще два раза. Восстановите и храните влажные гидроксиды и оксигидроксиды, как указано в текстовом протоколе. Держите четыре грамма силикагеля в 40 миллилитрах 7% гидроксида калия на горячей плите, помешивая магнитной мешалкой до полного растворения.

Добавьте 60 миллилитров сверхчистой воды. Охладите раствор на льду примерно до 20 градусов Цельсия, чтобы избежать слишком быстрого схватывания геля. Титруйте смесь силикагеля с фосфорной кислотой от 20% до pH 7,5.

Затем быстро смешайте жидкий силикагель с 320 граммами стерильного песка, предварительно смешанного с 18,3 граммами оксидов железа с ртутью или мышьяком, прежде чем он затвердеет. С помощью шпателя разбиваем желированную смесь. Чтобы приступить к установке стеклянных колонн, подключите водяные рубашки к системе водяного охлаждения.

Установите систему на поддержание средней температуры 20 градусов по Цельсию. Отрежьте отрезки трубок из ПТФЭ с внутренним диаметром три миллиметра, убедившись, что длина колонки достаточна для входа и выхода. Затем добавьте слой влажной минеральной ваты к столбу сверху.

Добавьте 320 грамм стерильного песка. Добавьте окончательный слой, состоящий из предварительно смешанного стерильного песка и шипастых гидратированных аморфных оксидов железа, закрепленных в силикагелевой матрице. Далее подсоедините приток к перистальтической трубке.

Подсоедините другой конец перистальтической трубки к источнику подачи водяной среды. Соедините восходящий поток сверхчистой стерильной воды, непрерывно пузырчатой под действием газообразного азота с низкой скоростью около двух миллилитров в час. После этого накройте колонку алюминиевой фольгой, чтобы перекрыть свет.

Через две недели на границе между двумя слоями песка наблюдается осадок черного цвета. Эта черная зона постепенно проникает в верхние зоны, обогащенные гидроксидом железа и оксигидроксидом, при этом весь верхний слой становится черным к концу эксперимента. После 35 дней непрерывной работы измеренные уровни сульфатов снижаются с последующим временным увеличением общего растворенного железа.

Начиная с 60-го дня, общее количество растворенного мышьяка значительно увеличивается. На 54 день проводится профилирование физико-химических показателей. В то время как pH остается близким к pH 7 вдоль столба, окислительно-восстановительный потенциал значительно изменяется со значениями, приближающимися к отрицательным 200 мВ в обедненной железом зоне, где происходит восстановление сульфатов, и приближающимися к отрицательным милливольтами в верхней части, где происходит бактериальное и химическое восстановление железа.

Концентрации растворенных сульфатов достигают примерно 20 миллиграммов на литр в придонных слоях и снижаются до менее чем одного миллиграмма на литр в зоне, богатой железом. Сульфат также резко снижается на границе между зонами, лишенными и богатыми железом, что указывает на пик восстановительной активности сульфатов. Между тем, мышьяк обнаруживается в верхней зоне, в то время как тиоарсенаты видны ближе к границе раздела, а тиосульфат находится в нижнем слое, лишенном железа.

Эти профили концентраций указывают на пик активности восстановления сульфатов на границе между слоями, лишенными и богатыми железом. После этой процедуры могут быть выполнены другие методы, такие как сканирующая электронная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света или анализ активности, чтобы ответить на дополнительные вопросы, такие как какие новые минералы образуются или какие бактериальные сообщества развились. Не забывайте, что работа с ртутью и мышьяком может быть крайне опасной и во время выполнения этой процедуры следует использовать такие меры предосторожности, как перчатки и вытяжные шкафы.