在薄膜扩散梯度(DGT)的技术提出了钚形态研究。这个协议描述扩散实验探测浦(IV)和普(Ⅴ)中的有机物存在下的行为。部署在岩溶泉DGTs让普的生物利用度的评估。
钚在水生生态系统的生物吸收是特别关注的,因为它是一个α粒子发射体长半衰期这有可能导致生物和人类的接触。在薄膜技术的扩散梯度在这里介绍了现场测量浦生物利用度和物种形成。对于实验室实验用Pu和新开发的协议构造的扩散池中使得能够模拟莆的各种化学组合物的模型的解决方案的环境行为。的氧化态为普(IV)和浦(五)在本协议中所描述的调整是为了研究钚的复杂的氧化还原化学环境中是必不可少的。该技术的校准,并在实验室的实验中获得的结果使得能够开发一种特定DGT设备用于原位莆在淡水测量。基于加速器的质谱测量浦积累通过在岩溶泉DGTs允许确定矿物淡水环境浦的生物利用度。该协议使用DGT装置浦测量中的应用有着巨大的潜力,以改善我们的形态和浦的水生生态系统的生物传递的理解。
钚是一种人工放射性核素在环境中存在如下原子弹试验和核事故对全球沉降的结果。钚的氧化还原化学反应有其在环境水生系统1迁移和生物地球化学循环具有重要意义。钚具有复杂的化学和可以在四个氧化态(III,IV,V,VI)同时存在。因此,钚在自然水域的氧化还原物质的分布是,以局部化学环境2,3-极为敏感。钚的氧化态也取决于源的来源 – 这种说法是最相关的污染环境和处理场所处置。减少钚种(+ III和IV +)的主要是发现在缺氧的环境和全球后果起源和库存废污水,而高氧化态(+ V和+六)可以在其他锕系元素的衰变产物发现而在好氧环境4。
流动性和钚的环境行为可以预测到从氧化还原形态某种程度。钚在+Ⅲ和+ IV氧化态存在主要在固相和增加容量能够吸附到无机胶体和天然存在的有机物质(NOM)的分子。钚在+Ⅲ和+ IV氧化态被认为是少的移动。钚(+ V和+ VI + V是最有可能的)5更多可溶性氧化形式可能会导致更高的生物传递到水生生物,由于较高的流动性。然而,在NOM的存在,特别是腐殖酸,普(V)正在减少17,移动分区几个数量级,有利于沉淀。尽管普(V)至普的减少率(IV)的幅度4〜5级比逆反应速度更快,浦(四)在氧化条件马再活化另外,Y发生1。修订与浦(Ⅳ),进行自然氧化条件对矿物沉积物最近的实验数据表明,可溶性莆在水相中的浓度随时间增加1.6。作者浦(IV)的氧化吸附和形成更多的可溶普(V)和普(六)种解释。浦氧化(IV),也可能是由于自然遇到的锰氧化物的7出现。这些意见是对的生物利用度建模和废物处置和污染场地环境风险评估很重要。
研究生物利用度和钚的形态是在实验室和现场条件下一项艰巨的任务。低环境浓度,氧化还原物质的可变性,并与天然胶体的相互作用使得难以模拟钚的生物地球化学行为。在薄膜(DGT)扩散梯度的技术的基础上的自由和不稳定污染物种类通过聚丙烯酰胺(PAM)的凝胶中的扩散被广泛用于微量元素8的环境测量。甲DGT取样表示由一个粘结相的三层装置(为广大的微量金属是包含在PAM凝胶CHELEX树脂),扩散凝胶层(不同厚度的PAM凝胶)和过滤膜保护凝胶和拿着组装在一起。聚丙烯酰胺凝胶的薄膜,由水85%,使自由和不稳定复杂物种比钚势必大型NOM分子或天然胶体粒子扩散更迅速。甲设置旨在研究在实验室条件下的PAM薄凝胶薄膜钚扩散被称为扩散单元9。
甲扩散池是在两个分开的隔室是通过一个给定的表面的开口相互连接的两隔室容器中。开场, 即两个腔室C之间的窗口ontains给定厚度的凝胶扩散的盘。我们构建了特氟隆细胞用两份100ml隔间和圆形扩散窗口1.7厘米的直径。一个车厢是可移动的,便于组装。 A 0.5厘米宽的沟刻扩散窗口周围的固定隔间用来放置扩散露盘。凹槽深度应该是类似的PAM凝胶厚度供使用。我们选择了0.39毫米PAM凝胶的工作,因此槽深度在我们的扩散池为0.39毫米。扩散池的详细图象是在图1。
当最初包含钚的溶液放入一个隔室(A)中,漫射莆物种将建立的浓度梯度在凝胶中,并会开始积累在第二隔室(B)中,最初包含相同的化学组成的不普溶液。浦物种在隔室A的初始浓度被定义使得其remai纳秒恒定或变化很小(1%-2%最多)整个扩散实验。绘制扩散莆的量与时间的关系提供了一种分析莆物种盛行于不同模拟的环境条件下的流动性的装置。扩散在薄膜提供了在浦流动性和形态研究一个有价值的替代,可以在野外条件下10成功应用。人们可通过一个被动采样,与PAM扩散凝胶和CHELEX树脂作为结合相,其用于累积扩散莆物种制更换扩散池中。这样的取样器可以暴露在野外条件-浦在树脂积累的量将指示形态和Pu的相应的应用环境10中的生物利用度。
在这项工作中,我们使用了扩散室与NOM在实验室条件下,调查浦(IV)和普(V)的物种和它们的相互作用的流动性。福rthermore,我们采用105 平方厘米的表面的大型被动DGT采样研究普的生物利用度的岩溶泉瑞士侏罗山脉(Venoge河),其中浦的显著的成分是水生苔藓细胞内部分一个以前的工作11。由于钚存在于原始的环境的非常低的水平,基于加速器的质谱(AMS)的可在苏黎世技术被用于测量钚的同位素。
这里所描述的实验中,使用普扩散细胞的DGT的方法提供了在浦氧化还原物种及其与有机分子,胶体粒子和模拟环境系统相互作用的各种研究一个可靠的方法。 DGTs为浦环境测量的进一步应用,将有助于我们的生物利用度的认识,这种放射性核素的水生生态系统的命运。
实验室扩散实验
为了进行成功的扩散实验上莆流动性和关于特定的化学环境中有意义的结论的相互作用,以及定义和可控的条件必须被提供。进行实验之前,莆氧化态的调整是必要的,以简化的数据解释以及模拟莆氧化还原物质的各种生物地球化学的行为。浦物种对灵敏度pH值的变化使得缓冲的解决方案是必须的。应特别注意吸引到扩散池的特性和设置:使用非吸水特氟隆聚合物材料避免吸附在孔壁上,并允许一个健壮防漏组件,防止莆损失从实验期间扩散的解决方案。
初始莆浓度被引入到所述的贮存舱,以及采样间隔和扩散实验期间拍摄各样品的体积依赖于在实验室中可用的分析方法。任何可用的分析方法可用于确定莆浓度从扩散细胞的样品中,但是这种选择紧紧结合莆的取供实验的初始活性。 239莆10贝的建议,在此协议(得到100-140 MBQ毫升-1或〜2×10 -13摩尔毫升-1)足以提供足够的灵敏度为measurem经济需求测试的α-法,一般不会造成特别的问题,为辐射防护规定。浦的初始浓度可以降低,如果其他更敏感,分析技术可用于莆测定(例如,质谱)。采样间隔可被选择为每个扩散实验,这取决于莆初始浓度,并扩散通过PAM凝胶预期速率。尽管这一事实从扩散实验的等分试样不含有放射性核素比普其他,矿物盐和的MOPS缓冲液的存在下可与分析程序干扰,降低了效率和定量分析的精度。因此最好是对这些样品进行莆的化学分离。
扩散细胞为研究扩散在PAM凝胶由于凝胶直接暴露于充分搅拌溶液的最佳方法。漫射博这样的效果undary层(DBL)在凝胶表面被认为是可忽略不计。解的过程中的扩散实验良好的搅拌是必要的,从而允许最小化的DBL影响。在同一时间,应以不破坏凝胶的PAM仔细进行。
普生物利用度的天然淡水的研究
结果通过该协议显示,测量钚DGT设备为研究钚的生物利用度淡水的有效工具产生的。 DGT测量产生自由和不稳定物质时间平均浓度,为生物吸收的两个最重要的形式由活的生物体。另外,普与有机物质相互作用的动力学可以使用不同厚度的凝胶进行调查。对于普NOM物种所需的时间通过凝胶扩散将允许最不稳定的复合物解离。 DGT测量可以补充bÝ超滤技术,其产生莆胶体物质的百分比给定的大小(例如,8 kDa)的上方。浦胶体物质通常被认为非生物可利用的物质,并且是普分数无法衡量使用电信局的一部分。
在这一点上,电信总局设备部署仅在瑞士侏罗山区的岩溶泉的淡水。浦的低环境浓度需要一个长期的部署DGT器件,它可以遇到的潜在缺点。电信局表面的生物结垢表示显著缺点,增加了DBL厚度,从而通过PAM凝胶限制性莆的通量。在海水或高矿化水露DGTs的结合阶段,可以迅速饱和与其他微量金属,歪曲了普积累的数据。浦环境痕量级的测定需要一个全面的放射化学分离和非常敏感的分析方法。 AMS测量在这个协议中施加s为未广泛使用,但可以由其他质谱技术来替换。然而,严格的放射化学分离是必要的,从天然存在的铀消除等压干扰238 UH。
公式2表明,该DGT装置的尺寸是可以被调谐,以增加在给定的部署时间的积累莆量的基本参数。商业胶条仅适用于6厘米×22厘米的最大表面。因此,此时DGT采样的窗口已增加至105厘米2(5厘米×21厘米),使得能够积累莆物种够相对短的部署时间。这样的DGT采样器的组装需要精确和特殊考虑PAM凝胶片性能的同时操作。这是至关重要组装凝胶层成光滑面均匀的“三明治”,以提供一个homoge浦物种从大体积的水通过扩散凝胶neous通量。良好的水流在DGT表面也是一个重要的参数,但它主要是由流动条件在含水层确定。它建议以放置DGT设备为莆测量在约45°向水的流动方向,以提供稳定的水供应和最小化DBL的影响。
如果在水的研究体的温度为在该扩散系数被确定的温度不同的方程2中所用的扩散系数必须予以纠正。扩散系数的温度影响由下式给出斯托克斯 – 爱因斯坦方程(方程3):
(3)
其中D 1和D 2是扩散系数(厘米2秒 -1)中,η1和η2是瓦特粘度(毫帕秒)亚特在温度Ť1和分别Ť2(K)。
目前,还没有方法来调查莆形态在原始环境,除了基于,例如,pH值,氧化还原参数热力学计算。这些参数仅用于宏组件,如碳酸盐,铁或锰的阳离子。因此,普形态从这些可测量物质衍生的但不表示一个“真实”测量。在这里,我们认为,在这个文件中提出的扩散薄PAM凝胶膜技术是在浦形态问题的解决迈出的重要一步,因为它允许在测量现场自由和不稳定物质,可能的话,证明钚酰种。虽然环境浦的淡水只有少数DGT测量已开展至今,得到的结果是令人鼓舞的DGT技术浦形态和生物利用度研究中的进一步应用。在富含有机质的水域DGTs的部署将有可能产生在NOM分子的存在对浦的移动性和互动的重要信息。有趣的结果应在污染海洋环境,比如周围的塞拉菲尔德核后处理厂的近海和受损的福岛第一核电站电信局测量,可以预期的。
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the Swiss National Science Foundation (grant n° 200021-140230) and by the Swiss Federal Office of Public Health (PF and PS). We thank the Swiss Federal Office of Public Health for providing financial support for the open-access publication of this paper.
239Pu tracer | CEA | Source PU239-ELSC10 | |
242Pu tracer | LNSIRR | Source Pu242 N° 790 from Laboratory for National Standards of Ionizing Radiation of Russia | |
25 ml Beakers | |||
Pipette | Socorex | ||
Disposable plastic pipettes | Semadeni | ||
20 ml Plastic scintillation vial | Semadeni | ||
Aluminium foil | |||
Hot plate | |||
Tweezers | |||
Actinide exchange resin – TEVA – B | Triskem | TE-B50-A | |
Actinide exchange resin – TEVA – R cartridges | Triskem | TE-R10-S | |
1 ml Pipette tips | Socorex | ||
PAM gel strip 6×21 cm | DGT Research Ltd | 0.39 mm and 0.78 mm thickness / www.dgtresearch.com | |
Chelex gel strip 6×21 cm | DGT Research Ltd | 0.40 mm thickness / www.dgtresearch.com | |
Diffusion cell | Fabricated / in-house workshop | ||
Ø 27 mm Punch | Fabricated / in-house workshop | ||
Plastic tray | |||
DGT set-up | Fabricated / in-house workshop | ||
Membrane filter | PALL Corporation | HT-450 Tuffryn Polysulfone Membrane Disc Filter 0.45 μm / 145 μm thickness | |
Nitric acid | Carlo Erba | 408025 | |
Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 84720 | |
Hydrocloric acid | Carlo Erba | 403981 | |
Hydriodic acid | Merck | 100341 | |
Potassium permanganate | Merck | 105082 | |
Sodium hydrogen sulfate | Merck | 106352 | |
Sodium sulfate | Merck | 106647 | |
Sodium nitrate | Sigma-Aldrich | 31440 | |
Sodium nitrite | Fluka | 71759 | |
Sodium acetate | Merck | 106281 | |
Ammonium oxalate | Fluka | 9900 | |
Bis-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid (HEDHP) | Merck | 177092 | |
2-thenoyltrifluoroacetone (TTA) | Fluka | 88300 | |
MOPS buffer | Sigma-Aldrich | M9381 | MOPS sodium salt |
Cyclohexane | Carlo Erba | ||
Humic acid | Extracted from an organic-rich soil of an Alpine Valley, freeze-dried, MW 5-40 kDa | ||
NH4OH | Carlo Erba | 419943 | |
FeCl3·H2O | Sigma-Aldrich | 44944 |