Der foreslås en teknik, diffusive gradienter i tynde film (DGT) for speciering undersøgelser af plutonium. Denne protokol beskriver diffusionsforsøg sondering adfærd Pu (IV) og Pu (V) i nærvær af organisk stof. DGTs indsat i en karstic foråret tillader vurdering af biotilgængeligheden af Pu.
Den biologiske optagelse af plutonium (Pu) i akvatiske økosystemer er særlig bekymring, da det er en alfa-partikel emitter med lang halveringstid, som potentielt kan bidrage til eksponering af biota og mennesker. Den diffusive gradienter i tynde film teknik introduceres her for in-situ målinger af Pu biotilgængelighed og artsdannelse. En diffusionscelle konstrueret til laboratorieforsøg med Pu og den nyudviklede protokol gør det muligt at simulere den miljømæssige adfærd Pu i model opløsninger af forskellige kemiske sammensætninger. Justering af oxidationstrin til Pu (IV) og Pu (V) beskrevet i denne protokol er afgørende for at undersøge komplekse redox kemi plutonium i miljøet. Kalibreringen af denne teknik, og de opnåede resultater i laboratorieforsøg gøre det muligt at udvikle en specifik DGT enhed til in-situ Pu målinger i ferskvand. Accelerator-baseret massespektrometri målingerPu akkumuleret ved DGTs i en karst foråret tilladt bestemmelse af biotilgængelighed Pu i et mineral ferskvand miljø. Anvendelse af denne protokol for Pu målinger med DGT-enheder har et stort potentiale til at forbedre vores forståelse af artsdannelse og den biologiske overførsel af Pu i akvatiske økosystemer.
Plutonium er en kunstig radionuklid stede i miljøet som følge af den globale nedfald efter testene nukleare bombe og atomulykker. Redox kemi plutonium har vigtige implikationer for sin migration og biogeokemiske kredsløb i miljømæssige akvatiske systemer 1. Plutonium en kompleks kemi og kan eksistere i fire oxidationstrin (III, IV, V, VI) på samme tid. Derfor er fordelingen af redox arter af plutonium i naturlige vandområder er meget følsom over for den lokale kemiske miljø 2,3. Oxidationstrin af plutonium afhænger også af oprindelsen af kilden – denne erklæring er primært relevant for forurenede miljøer og lossepladser. Reduceret plutonium arter (+ III og + IV) findes overvejende i anoxiske miljøer og stammer fra den globale nedfald og tilførslerne affald spildevand, mens højere oxidationstrin (+ V og + VI) kan findes blandt nedbrydningsprodukter af andre aktiniderog iltede miljøer 4.
Mobiliteten og den miljømæssige adfærd plutonium kan forudsiges i nogen grad fra redox artsdannelse. Plutonium i + III, og + IV oxidationstrin findes overvejende i fast fase og har øget evne til at sorbere til uorganiske kolloider og naturligt forekommende organisk stof (NOM) molekyler. Plutonium i + III + IV og oxidationstrin anses for at være mindre mobile. Mere opløselige oxiderede former af plutonium (+ V og VI +, + V er mest sandsynligt) 5 kan potentielt bidrage til en højere biologisk overførsel til vandorganismer grund af højere mobilitet. Ikke desto mindre, i tilstedeværelse af NOM, især humussyre, Pu (V) reduceres 17, skiftende opdelingen flere størrelsesordener til fordel for nedbør. Trods det faktum, at reduktionen på Pu (V) til Pu (IV) er 4 til 5 størrelsesordener hurtigere end den omvendte reaktion, remobilisering af Pu (IV) under oxiderende betingelser may også finde sted 1. De seneste eksperimentelle data om mineralske sedimenter ændres med Pu (IV) og udsat for naturlige oxiderende forhold har vist, at koncentrationen af opløseligt Pu i vandig fase steg over tid 1,6. Forfatterne forklare det ved oxidativ desorption af Pu (IV) og dannelse af mere opløselige Pu (V) og Pu (VI) arter. Oxidation af Pu (IV) kan også forekomme på grund af naturligt støder manganoxider 7. Disse observationer er vigtige for biotilgængelighed modellering og vurdering af bortskaffelse af affald og forurenede grunde miljørisiko.
Undersøgelser af biotilgængelighed og artsdannelse af plutonium er en udfordrende opgave i både laboratoriet og in-situ forhold. Lave miljømæssige koncentrationer, variabiliteten af redox arter og samspillet med naturlige kolloider gør det vanskeligt at simulere biogeokemiske opførsel af plutonium. Teknikken med diffusive gradienter i tynde film (DGT) baseret påudbredelsen af frie og labile forurenende arter gennem en polyacrylamid (PAM) gel er meget brugt til miljømålinger af sporstoffer 8. En DGT sampler betegner en trelags anordning fremstillet af en bindende fase (for de fleste af spormetaller er Chelex harpiks indeholdt i PAM gel), diffusive gellag (PAM gel af varierende tykkelse) og en filtermembran beskytte gelen og at holde samlingen sammen. Tynde film af polyacrylamidgel, der består af 85% vand, mulighed for fri og labile kompleks arter at diffundere hurtigere end plutonium bundet til store NOM molekyler eller naturlige kolloide partikler. En set-up formål at studere plutonium diffusion i tynde PAM gel film under laboratorieforhold kaldes en diffusionscelle 9.
En diffusionscelle er en to-kammer beholder, hvor to separate rum er indbyrdes forbundet med en åbning i en given overflade. Åbningen, dvs. vinduet mellem de to kamre contains en skive af diffusion gel af en given tykkelse. Vi konstruerede en Teflon celle med to 100 ml rum og en cirkulær diffusion vindue 1,7 cm i diameter. Et rum er aftagelige, lette samlingen. En 0,5 cm bred rille skåret omkring diffusion vinduet på den faste rum tjener til at placere den diffusive gel disken. Rilledybden bør svare til PAM geltykkelsen beregnet til anvendelse. Vi vælger at arbejde med en 0,39 mm PAM gel, således rillen dybde i vores diffusionscelle er 0,39 mm. Et detaljeret billede af diffusionscelle er angivet i figur 1.
Når en opløsning, der indledningsvist indeholder plutonium anbringes i et rum (A), vil diffundere Pu arter etablere en koncentrationsgradient i gelen og vil begynde at ophobe sig i det andet rum (B), der oprindeligt indeholdt en opløsning af samme kemiske sammensætning uden Pu . Den oprindelige koncentration af Pu arter i rummet A er defineret således, at det remains konstante eller ændringer meget lidt (med 1% -2% på de fleste) i hele diffusion eksperiment. Plotte mængden af spredt Pu versus tid tilvejebringer et middel til at analysere mobilitet Pu arter, der hersker i de forskellige simulerede miljøforhold. Diffusion i tynde film giver et værdifuldt alternativ til undersøgelser af Pu mobilitet og artsdannelse og held kan anvendes i markforhold 10. Man kan erstatte diffusionscellen ved en passiv sampler, fremstillet med PAM diffusive gel og Chelex harpiks som den bindende fase, der tjener til at akkumulere diffunderende Pu arter. En sådan sampler kan eksponeres i felten – mængden af Pu akkumuleret i harpiksen vil være indikativ for artsdannelse og biotilgængeligheden af Pu i de respektive miljø 10.
I dette arbejde, vi brugte en diffusionscelle at undersøge mobilitet Pu (IV) og Pu (V) arter og deres samspil med NOM i laboratorieforhold. Furthermore, vi anvendte store passive DGT samplere med et areal på 105 cm2 for at studere biotilgængeligheden af Pu i en karstic foråret af den schweiziske Jura-bjergene (Venoge-floden), hvor en væsentlig del af Pu blev fundet i de intracellulære dele af akvatiske mosser i en tidligere arbejde 11. På grund af det meget lave plutonium til stede i denne uberørt miljø blev speeder-baserede massespektrometri (AMS) teknikker til rådighed på ETH Zürich bruges til at måle plutoniumisotoper.
DGT metode beskrevet her til forsøg med Pu hjælp af en diffusionscelle giver en pålidelig metode til forskellige undersøgelser af Pu redox arter og deres interaktioner med organiske molekyler, kolloide partikler og simulerede miljø-systemer. Yderligere anvendelser af DGTs til miljømålinger af Pu vil bidrage til vores forståelse af biotilgængelighed og skæbne denne radionuklid i akvatiske økosystemer.
Laboratory diffusionsforsøg
For at udføre en succesfuld diffusion eksperiment med meningsfulde konklusioner om Pu mobilitet og interaktioner med hensyn til en specifik kemisk miljø, veldefinerede og kontrollerbare betingelser skal gives. Tilpasningen af Pu oxidationstrin før eksperimentere er vigtigt at forenkle fortolkningen data samt at simulere forskellige biogeokemiske adfærd af Pu redox arter. Følsomheden af Pu arterpH-variationer gør buffering løsningerne et must. Bør drages særlig vægt på diffusionscellen funktioner og opsætning: brugen af ikke-sorberende Teflon-polymer materiale undgår adsorption på cellevæggene og muliggør en robust vandtæt samling, forhindre tab af Pu fra diffundere løsninger under eksperimentet.
Den oprindelige Pu fusion skal indføres i et rum, samt prøvetagning interval og mængden af hver prøve taget under diffusion eksperiment afhænger af den analytiske metode til rådighed i laboratoriet. Alle tilgængelige analysemetode kan anvendes til bestemmelse af Pu-koncentrationen i prøverne fra diffusionscellen, men dette valg er tæt bundet til den oprindelige aktivitet af Pu taget til eksperimentet. 10 Bq af 239 Pu som anbefalet i denne protokol (hvilket giver 100-140 MBq ml -1 eller ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) er tilstrækkelige til at give nok følsomhed til measuremenser med alfa-spektrometri og generelt ikke udgør særlige problemer for regler om strålingsbeskyttelse. Den oprindelige koncentration af Pu kan reduceres, hvis andre og mere følsomme, analytiske teknikker er tilgængelige til bestemmelse Pu (f.eks massespektrometri). Kan vælges samplinginterval for hver diffusion eksperiment afhængigt Pu oprindelige koncentration, og det forventede diffusionshastigheden gennem PAM gel. På trods af det faktum, at aliquoter fra diffusionsforsøg ikke indeholde andre stoffer end Pu radionuklider, kan tilstedeværelsen af mineralske salte og MOPS-buffer forstyrrer analyseprocedure, hvilket reducerer effektiviteten og nøjagtigheden af kvantitativ analyse. Det er derfor at foretrække at udføre en kemisk behandling af Pu på disse prøver.
Diffusionscellen giver den bedste metode til at studere diffusion i PAM gel, da gelen udsættes direkte for en godt omrørt opløsning. Således virkningerne af den diffusive boundary lag (DBL) ved geloverfladen er ubetydelige. God omrøring af opløsningerne under en diffusion eksperiment er afgørende, gør det muligt for minimering af DBL virkninger. På samme tid, bør man gå forsigtigt for ikke at forstyrre PAM gel.
Undersøgelser af Pu biotilgængelighed i naturlige ferske vande
De produceres af denne protokol, viser, at måling plutonium med DGT-enheder giver et effektivt værktøj til at studere biotilgængeligheden af plutonium i ferskvand resultater. DGT-målinger giver tid-gennemsnitlige koncentration af frie og labile arter, de to vigtigste former for biologisk optagelse af levende organismer. Desuden kan kinetikken i samspillet mellem Pu med organisk stof undersøges ved hjælp af geler af forskellig tykkelse. Den nødvendige tid til Pu-NOM arter at diffundere gennem gelen vil give mulighed for de mest labile komplekser til dissocierer. DGT-målinger kan suppleres by ultrafiltreringsteknikker, der giver procentdelen af Pu kolloide arter over en given størrelse (fx 8 kDa). Pu kolloide arter er normalt betragtes som ikke-biotilgængelige arter og er en del af Pu fraktionen ikke kan måles ved hjælp af DGT.
På dette tidspunkt blev de DGT enheder udløses kun i ferskvand af en karst foråret de schweiziske Jura-bjergene. Lave koncentrationer af Pu miljømæssige kræver en langsigtet implementering af DGT-enheder, som kan støde potentielle ulemper. Biologisk begroning af DGT overfladen udgør en væsentlig ulempe, øge DBL tykkelse og dermed begrænse strømmen af Pu gennem PAM gel. Bindende fase af DGTs eksponeret i havvand eller vand i høj mineralisering kan hurtigt mættet med andre spormetaller, fortegne dataene for ophobning af Pu. Bestemmelse af spor af miljø- Pu kræver en grundig radiokemisk separation og meget følsomme analysemetoder. AMS målings anvendes i denne protokol er ikke bredt tilgængelige, men kan erstattes af andre massespektrometri teknikker. Men er det nødvendigt med en streng radiokemisk adskillelse at eliminere isobarisk interferens 238 UH fra naturligt forekommende uran.
Ligning 2 viser, at størrelsen af DGT enheden er en væsentlig parameter, der kan indstilles til at øge mængden af opsamlet Pu i en given implementering tid. Kommercielle gel strips er kun tilgængelige med en maksimal overflade på 6 cm x 22 cm. Derfor har vinduet af DGT sampler blevet øget til 105 cm2 (5 cm x 21 cm), der gør det muligt at akkumulere nok af Pu arter i relativt korte opstartsfase. Samlingen af en sådan DGT sampler kræver præcision og særlig hensyntagen af PAM gel arkegenskaber mens manipulere. Det er af fundamental betydning at samle gel lag i en glatte uniform "sandwich" med henblik på at give en homogegennemstrømnings- flux af Pu arter fra størstedelen af vandet gennem diffusive gel. God vandstrøm ved DGT overflade er også en vigtig parameter, men det er for det meste bestemt af strømningsforholdene i grundvandsmagasinet. Det anbefales at placere DGT anordninger til Pu målinger ved ca. 45 ° i den retning af vandstrømmen for at tilvejebringe en stabil vandforsyning og minimere virkningerne af DBL.
Diffusionskoefficient anvendes i ligning 2 skal korrigeres, hvis temperaturen på det studerede vandmasse er forskellig fra den temperatur, ved hvilken diffusionskoefficienten blev bestemt. Temperaturpåvirkninger på diffusionskoefficienter er givet ved Stokes-Einstein (ligning 3):
(3)
hvor D 1 og D 2 er diffusionskoefficienter (cm 2 sek -1), η 1 og η 2 er viskositeter (MPA SEC) af water ved temperaturer T 1 og T 2 (K) hhv.
I øjeblikket er der ingen metode til at undersøge Pu artsdannelse i uberørt miljø, bortset fra termodynamiske beregninger baseret på, f.eks, pH og redox parametre. Disse parametre er kun tilgængelige for makro-komponenter, såsom carbonater, jern eller mangan kationer. Således er Pu artsdannelse stammer fra disse målbare arter, men udgør ikke en "rigtig" måling. Her mener vi, at diffusion i tynde PAM gel film teknik som præsenteres i dette papir er et vigtigt skridt i løsningen af Pu artsdannelse problem, fordi det giver mulighed for at måle på stedet fri og labile arter og eventuelt dokumenterer plutonyl arter. Selv om kun et par DGT målinger af den miljømæssige Pu i ferskvand er blevet gennemført hidtil, er de opnåede resultater opmuntrende for yderligere anvendelser af DGT teknik til Pu speciering og biotilgængelighedsundersøgelser.Implementering af DGTs i organiske-rige farvande vil potentielt give vigtige oplysninger om Pu mobilitet og interaktioner i tilstedeværelse af NOM molekyler. Interessante resultater bør forventes fra DGT målinger i kontaminerede marine miljøer, såsom de kystnære farvande omkring Sellafield nukleare oparbejdningsanlæg og beskadigede Fukushima Daiichi atomkraftværk.
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 |