ويقترح تقنية تدرجات ناشر في الأغشية الرقيقة (DGT) للدراسات أنواع جديدة من البلوتونيوم. يصف هذا البروتوكول التجارب نشر يحقق في سلوك بو (IV) وبو (V) في وجود المواد العضوية. DGTs نشرها في الربيع الكارستية تسمح تقييم التوافر البيولوجي للبو.
امتصاص البيولوجي من البلوتونيوم (بو) في النظم الإيكولوجية المائية يثير القلق بصفة خاصة نظرا لأنه هو باعث ألفا الجسيمات مع نصف العمر الطويل الذي يمكن أن يساهم إلى تعرض الكائنات الحية والبشر. هو عرض التدرجات ناشر في تقنية الأغشية الرقيقة هنا لفي الموقع قياسات بو التوافر البيولوجي وأنواع جديدة. خلية نشر شيدت لتجارب معملية مع بو والبروتوكول وضعت حديثا تجعل من الممكن لمحاكاة السلوك البيئي للبو في الحلول النموذجية من مختلف التراكيب الكيميائية. تعديل التأكسد إلى بو (IV) وبو (V) وصفها في هذا البروتوكول هو ضروري من أجل التحقيق في الكيمياء الأكسدة معقدة من البلوتونيوم في البيئة. معايرة هذه التقنية والنتائج التي تم الحصول عليها في التجارب المعملية تمكن لتطوير جهاز DGT محدد لفي الموقع قياسات بو في المياه العذبة. قياسات مطياف الكتلة القائم على دواسة البنزينبو التي تراكمت DGTs في الربيع الكارستية يسمح تحديد التوافر الحيوي من البلوتونيوم في بيئة المياه العذبة المعدنية. تطبيق هذا البروتوكول لقياسات بو باستخدام أجهزة DGT لديها امكانات كبيرة لتحسين فهمنا لأنواع جديدة ونقل البيولوجي من البلوتونيوم في النظم الإيكولوجية المائية.
البلوتونيوم هو الحاضر النويدات المشعة الاصطناعية في البيئة نتيجة لتداعيات العالمي في أعقاب اختبارات القنبلة النووية والحوادث النووية. كيمياء الأكسدة من البلوتونيوم آثار هامة للهجرة والدراجات البيولوجية الكيميائية في النظم المائية البيئية 1. البلوتونيوم لديه الكيمياء المعقدة ويمكن أن توجد في أربع ولايات الأكسدة (III، IV، V، VI) في نفس الوقت. ولذلك، فإن توزيع الأنواع الأكسدة من البلوتونيوم في المياه الطبيعية حساس للغاية البيئة الكيميائية المحلية 2،3. الدولة أكسدة البلوتونيوم يعتمد أيضا على أصل المصدر – هذا البيان يكتسي أهمية معظمها لبيئات ملوثة ومواقع التخلص منها. أنواع البلوتونيوم انخفاض (+ III و+ IV) تم العثور على الغالب في بيئات الأكسجين وتنشأ من تداعيات العالمي ومخزنة النفايات السائلة النفايات، في حين التأكسد أعلى (+ V و+ VI) يمكن العثور بين المنتجات اضمحلال الأكتينات أخرىوفي بيئات ناقصة الأكسدة 4.
يمكن التنبؤ التنقل والسلوك البيئي من البلوتونيوم إلى حد ما من أنواع جديدة الأكسدة. البلوتونيوم في + الثالث والرابع + التأكسد موجودة في الغالب في المرحلة الصلبة وزاد القدرة على فاكهة الغبيراء للالغرويات غير العضوية والتي تحدث بشكل طبيعي المواد العضوية (NOM) الجزيئات. ويعتبر البلوتونيوم في + الثالث والرابع + التأكسد أن تكون أقل المحمول. يمكن أشكال أكسدة أكثر قابلية للذوبان من البلوتونيوم (+ V و+ VI، V + يجري على الأرجح) 5 يحتمل أن تساهم في نقل البيولوجي العالي للأحياء المائية بسبب التنقل العالي. ومع ذلك، في وجود NOM، وخاصة حمض الدبالية، بو (V) يجري تخفيض 17، تحويل التقسيم عدة أوامر من حجم لصالح هطول الأمطار. على الرغم من أن نسبة التخفيض بو (V) لبو (IV) هو 4-5 أوامر من حجم أسرع من رد فعل عكسي، إعادة تحشد بو (IV) في ظل ظروف المؤكسدة أماهذ أيضا أن تأخذ المكان 1. وقد أظهرت البيانات التجريبية الأخيرة على الرواسب المعدنية المعدلة مع بو (IV) وتعرض لظروف المؤكسدة الطبيعية أن تركيز للذوبان بو في المرحلة المائية ازدادت بمرور الزمن 1،6. يفسر الباحثون ذلك عن طريق الامتزاز الأكسدة بو (IV) وتشكيل أكثر قابلية للذوبان بو (V) وبو (VI) الأنواع. أكسدة بو (IV) قد تحدث أيضا بسبب أكاسيد المنجنيز واجه طبيعي 7. هذه الملاحظات مهمة لتقديم النماذج التوافر البيولوجي وتقييم المخاطر البيئية للتخلص من النفايات والمواقع الملوثة.
دراسات على التوافر البيولوجي وأنواع جديدة من البلوتونيوم هي مهمة صعبة في كل من المختبر وفي الموقع الشروط. تركيزات منخفضة البيئية، وتنوع الأنواع الأكسدة والاختزال والتفاعلات مع الغرويات الطبيعية تجعل من الصعب محاكاة سلوك البيولوجية الكيميائية من البلوتونيوم. تقنية تدرجات ناشر في الأغشية الرقيقة (DGT) على أساسيستخدم بشكل واسع انتشار الأنواع الملوثة حرة وعطوب من خلال بولي أكريلاميد (PAM) هلام للمقاييس البيئية من العناصر النزرة 8. تمثل العينات DGT جهاز ثلاث طبقات مصنوعة من مرحلة ملزمة (بالنسبة لغالبية المعادن النزرة هو الراتنج Chelex الواردة في هلام PAM)، طبقة الجل ناشر (هلام PAM متفاوتة السماكة) وغشاء فلتر حماية جل و عقد التجمع معا. أفلام رقيقة من الجل بولي أكريلاميد، التي تتألف من 85٪ من المياه، وتمكين الأنواع المعقدة حرة وعطوب لنزع فتيل بسرعة أكبر من البلوتونيوم بد أن جزيئات NOM كبيرة أو الجسيمات الغروية الطبيعية. ويطلق على انشاء تهدف إلى دراسة نشرها البلوتونيوم في أفلام هلام PAM رقيقة في ظروف المختبر خلية نشر 9.
خلية نشرها هي سفينة يومين المقصورة حيث مترابطة اثنين من مقصورات منفصلة قبل افتتاح سطح معين. افتتاح، أي نافذة بين مجلسين جontains قرص من هلام نشر سمك معين. اقمنا خلية تفلون مع اثنين من مقصورات 100 مل ونافذة نشر دائري 1.7 سم وقطرها. واحد المقصورة هي قابلة للإزالة، وتسهيل التجمع. A 0.5 سم أخدود واسعة منحوتة حول النافذة نشر على مقصورة ثابتة يعمل على وضع القرص هلام ناشر. يجب أن يكون عمق الأخدود مشابه لسمك هلام PAM المعدة للاستخدام. نختار للعمل مع 0.39 ملم هلام PAM، مما عمق الأخدود في الخلية نشرها لدينا هو 0.39 ملم. وتعطى صورة مفصلة للخلية نشر في الشكل 1.
عندما يتم وضع محلول يحتوي على البداية البلوتونيوم في حجرة واحدة (A)، نشرها الأنواع بو ستنشئ التدرج تركيز في هلام وسوف تبدأ في التراكم في المقصورة الثانية (B)، الذي يحتوي في البداية حل من نفس التركيب الكيميائي دون بو . يتم تعريف التركيز الأولي من الأنواع بو في مقصورة A بحيث remaiنانوثانية ثابتة أو تغييرات صغيرة جدا (بنسبة 1٪ -2٪ على الأكثر) في كافة مراحل التجربة نشرها. بالتآمر كمية تنتشر بو مقابل الوقت يوفر وسيلة لتحليل التنقل من الأنواع بو السائدة في الظروف البيئية محاكاة مختلفة. نشر في الأغشية الرقيقة ويوفر بديلا قيما لإجراء دراسات عن بو التنقل وأنواع جديدة ويمكن تطبيقها بنجاح في الظروف الميدانية 10. يمكن للمرء أن تحل محل الخلايا نشرها من قبل العينات السالبة، وتصنيعها مع حزب الأصالة والمعاصرة جل ناشر والراتنج Chelex كمرحلة ملزمة، والذي يعمل على تراكم نشرها الأنواع بو. يمكن أن يتعرض له مثل هذه العينات في الظروف الميدانية – وكمية من البلوتونيوم المتراكمة في الراتنج أن تدل على أنواع جديدة والتوافر البيولوجي للبو في البيئة منها 10.
في هذا العمل، كنا خلية نشر للتحقيق في التنقل من البلوتونيوم (IV) وبو (V) الأنواع وتفاعلاتها مع NOM في ظروف المختبر. فوrthermore، طبقنا العينات DGT سلبية كبيرة من سطح 105 سم 2 لدراسة التوافر الحيوي من البلوتونيوم في الربيع الكارستية من جورا السويسرية جبال (Venoge نهر) حيث تم العثور على جزء كبير من البلوتونيوم في أجزاء الخلايا من الطحالب المائية في العمل السابق 11. بسبب مستوى منخفض جدا من البلوتونيوم الموجود في هذه البيئة البكر، كانت تستخدم الطيف الكتلي (AMS) التقنيات المعتمدة مسرع المتاحة في ETH زيورخ لقياس النظائر البلوتونيوم.
منهجية DGT هو موضح هنا للتجارب مع بو باستخدام خلية نشرها توفر نهج يمكن الاعتماد عليها لدراسات مختلفة عن الأنواع الأكسدة بو وتفاعلها مع الجزيئات العضوية، والجسيمات الغروية والنظم البيئية المحاكاة. سوف تطبيقات أخرى DGTs للمقاييس البيئية بو تسهم في فهمنا للالتوافر البيولوجي ومصير هذه النويدات المشعة في النظم الإيكولوجية المائية.
تجارب نشر المختبر
من أجل إجراء تجربة ناجحة مع نشر استنتاجات ذات مغزى على بو التنقل والتفاعل فيما يتعلق بيئة كيميائية محددة، واضحة المعالم ويجب توفير الظروف يمكن السيطرة عليها. تعديل بو التأكسد السابقة لهذه التجربة أمر ضروري لتبسيط تفسير البيانات وكذلك لمحاكاة السلوكيات مختلف الأنواع البيولوجية الكيميائية الأكسدة بو. حساسية الأنواع بو لتغيرات درجة الحموضة يجعل التخزين المؤقت الحلول لا بد منه. ينبغي لفت الانتباه بشكل خاص إلى ميزات خلية نشرها وإعداد: استخدام مادة البوليمر غير sorbing تفلون يتجنب الامتزاز على جدران الخلايا ويسمح للجمعية مانعة للتسرب قوي، ومنع فقدان بو من نشرها الحلول خلال التجربة.
تركيز بو الأولي لإدخالها في حجرة، فضلا عن الفاصل الزمني أخذ العينات وحجم كل عينة أخذت أثناء التجربة نشر تعتمد على الطريقة التحليلية المتوفرة في المختبر. أي الطريقة التحليلية المتاحة يمكن استخدامها لتحديد تركيز بو في عينات من الخلايا نشرها، ولكن هذا الخيار هو بإحكام إلى النشاط الأولي من بو اتخاذها للتجربة. 10 بيكريل من 239 بو النحو الموصى به في هذا البروتوكول (إعطاء 100-140 مل من mbq -1 أو ~ 2 × 10 -13 مل مول -1) هي كافية لتوفير ما يكفي من حساسية لmeasuremالوالدان التي كتبها ألفا الطيفي وعموما لا تشكل مشكلة للأنظمة الحماية من الإشعاع. تركيز الأولي من البلوتونيوم يمكن تخفيض إذا هي، أكثر حساسية، والتقنيات التحليلية الأخرى المتاحة لتقرير بو (على سبيل المثال، مطياف الكتلة). يمكن تحديد الفاصل الزمني أخذ العينات لكل تجربة نشرها، اعتمادا على بو التركيز الأولي، والمعدل المتوقع للنشر من خلال هلام PAM. على الرغم من حقيقة أن قسامات من التجارب نشر لا تحتوي على العناصر المشعة الأخرى من بو، يمكن وجود الأملاح المعدنية والمخزن المؤقت MOPS تتداخل مع الإجراء التحليلي، والحد من كفاءة ودقة التحليل الكمي. ولذلك فمن الأفضل لإجراء فصل الكيميائي للبو على هذه العينات.
تقدم الخلية نشر النهج الأفضل لدراسة نشر في هلام PAM لأن ما يتعرض جل مباشرة إلى حل أثار أيضا. وهكذا، فإن آثار بو ناشرتعتبر طبقة undary (DBL) على سطح هلام تذكر. التحريك جيدا من الحلول خلال التجربة نشر أمر ضروري، والسماح للتقليل من آثار DBL. في الوقت نفسه، ينبغي للمرء المضي قدما بحذر من أجل عدم تعطيل هلام PAM.
دراسات بو التوافر البيولوجي في المياه العذبة الطبيعية
النتائج التي تنتجها هذا المعرض البروتوكول الذي يقيس البلوتونيوم مع الأجهزة DGT توفر أداة فعالة لدراسة التوافر الحيوي من البلوتونيوم في المياه العذبة. قياسات DGT العائد لمرة ومتوسط تركيز الأنواع حرة وعطوب، وهما أكثر أشكال هامة لامتصاص البيولوجي عن طريق الكائنات الحية. بالإضافة إلى ذلك، حركية التفاعل من البلوتونيوم مع المواد العضوية يمكن أن يتم التحقيق باستخدام المواد الهلامية من سماكة مختلفة. الوقت اللازم للأنواع بو NOM أن ينتشر من خلال هلام سيسمح للمجمعات الأكثر عطوب للفصل. يمكن استكمال قياسات DGT بذ تقنيات الترشيح الفائق، والتي تعطي نسبة الأنواع الغروية بو فوق حجم معين (على سبيل المثال، 8 كيلو دالتون). عادة ما تعتبر الأنواع الغروية بو كأنواع غير بيولوجيا والتي هي جزء من جزء بو لا يمكن قياسه باستخدام DGT.
عند هذه النقطة، تم نشر الأجهزة DGT فقط في المياه العذبة من الينابيع الكارستية في جبال جورا السويسرية. التركيزات البيئية المنخفضة من البلوتونيوم تتطلب نشر طويل الأجل للأجهزة DGT، التي يمكن أن تواجه السلبيات المحتملة. Biofouling من سطح DGT يمثل العائق الكبير، وزيادة سماكة DBL ومما يحد من تدفق بو من خلال هلام PAM. المرحلة ملزمة للDGTs كشفها في مياه أو مياه تمعدن عالية البحرية قد تكون متشبعة بسرعة مع المعادن النزرة الأخرى، تشويه البيانات لتراكم بو. تحديد مستويات ضئيلة من البلوتونيوم البيئي يتطلب فصل الكيمياء الإشعاعية شامل والأساليب التحليلية حساسة للغاية. قياس AMSالصورة المطبقة في هذا البروتوكول لا تتوفر على نطاق واسع، ولكن يمكن استبدالها بواسطة تقنيات مطياف الكتلة الأخرى. ومع ذلك، فصل الكيمياء الإشعاعية صارم ضروري للقضاء على إسوي الضغط تدخل 238 UH من اليورانيوم التي تحدث بشكل طبيعي.
المعادلة 2 تبين أن حجم الجهاز DGT هو المعلمة الأساسية التي يمكن ضبطها لزيادة كمية البلوتونيوم التي تراكمت خلال فترة الانتشار معين. تتوفر شرائط هلام تجارية فقط مع سطح الأقصى من 6 سم × 22 سم. ولذلك، قد زاد من نافذة العينات DGT إلى 105 سم 2 (5 سم × 21 سم)، مما يجعل من الممكن أن تتراكم ما يكفي من الأنواع بو لفترات النشر قصيرة نسبيا. تجميع هذه العينات DGT يتطلب الدقة واهتماما خاصا من خصائص ورقة هلام PAM في حين التلاعب. ومن الأهمية الأساسية لتجميع طبقات جل في زي السلس الوجه "ساندويتش" من أجل توفير homogeتدفق neous الأنواع بو من كميات كبيرة من المياه من خلال هلام ناشر. تدفق المياه الصالحة للشرب على سطح DGT هو أيضا معيارا هاما، ولكن يتحدد في الغالب بسبب ظروف التدفق في طبقة المياه الجوفية. فمن المستحسن أن تضع DGT أجهزة لقياس بو بنحو 45 درجة نحو اتجاه تدفق المياه من أجل توفير إمدادات المياه ثابت والتقليل من آثار DBL.
معامل الانتشار العاملين في المعادلة 2 يجب تصحيحه إذا كانت درجة الحرارة في الجسم درس من المياه تختلف عن درجة الحرارة التي تم تحديد معامل الانتشار. يتم إعطاء تأثيرات درجة الحرارة على معاملات نشر بواسطة ستوكس آينشتاين المعادلة (معادلة 3):
(3)
حيث D 1 و 2 D هي معاملات نشر (سم 2 ثانية -1)، η 1 و 2 η هي اللزوجة (MPA ثانية) من ثالعاطر في درجات حرارة T 1 و T 2 (K) على التوالي.
حاليا، لا توجد طريقة للتحقيق بو أنواع جديدة في البيئة البكر، باستثناء الحسابات الحرارية على أساس، على سبيل المثال، ودرجة الحموضة والمعلمات الأكسدة. لا تتوفر إلا لمكونات الكلية، مثل الكربونات والحديد أو الكاتيونات المنغنيز هذه المعايير. وهكذا، مشتق بو أنواع جديدة من هذه الأنواع قابلة للقياس ولكنها لا تمثل قياس "الحقيقي". نحن هنا أعتقد أن نشر في رقيقة تقنية فيلم هلام PAM كما وردت في هذه الورقة هو خطوة هامة في حل المشكلة أنواع جديدة بو لأنه يتيح قياس في الموقع مجانا والأنواع عطوب، وربما تثبت الأنواع plutonyl. ورغم قلة القياسات DGT من بو البيئي في المياه العذبة اتخذت حتى الآن، فإن النتائج التي تم الحصول عليها مشجعة لمزيد من التطبيقات تقنية DGT لبو أنواع جديدة والتوافر البيولوجي الدراسات.ونشر DGTs في المياه العضوية الغنية يحتمل أن تسفر عن معلومات هامة عن بو التنقل والتفاعل في وجود جزيئات NOM. ينبغي أن يتوقع نتائج مثيرة للاهتمام من القياسات DGT في البيئات البحرية الملوثة، مثل البحار الساحلية حول مصنع إعادة المعالجة النووية سيلافيلد وفوكوشيما محطة للطاقة النووية المتضررة.
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 |