De techniek van diffusieve gradiënten in dunne films (DGT) voorgesteld voor speciatie plutonium. Dit protocol beschrijft diffusie experimenten sonderen het gedrag van Pu (IV) en Pu (V) in aanwezigheid van organisch materiaal. DGTs ingezet in een karstic voorjaar laat de beoordeling van de biologische beschikbaarheid van Pu.
De biologische opname van plutonium (Pu) in aquatische ecosystemen is van bijzonder belang omdat het een alfa-deeltjeszender met lange halfwaardetijd die potentieel kunnen bijdragen aan de blootstelling van levende organismen en mensen. De diffusie gradiënten in dunne films techniek wordt hier ingevoerd voor in-situ metingen van Pu biobeschikbaarheid en soortvorming. Een diffusiecel geconstrueerd laboratoriumexperimenten met Pu en de nieuw ontwikkelde protocol maakt het mogelijk om het milieu gedrag van Pu model in oplossingen van verschillende chemische samenstelling te simuleren. Aanpassing van de oxidatietoestanden Pu (IV) en Pu (V) beschreven in dit protocol is essentieel om de complexe redox chemie van plutonium in het milieu te onderzoeken. De kalibrering van deze techniek en de resultaten in het laboratorium resultaten stellen een specifiek DGT inrichting te ontwikkelen voor in-situ Pu metingen in zoet water. -Versneller op basis van massaspectrometrie metingenvan Pu opgebouwd door DGTs in een karstbron mogen bepalen van de biologische beschikbaarheid van Pu in een minerale zoetwater omgeving. Toepassing van dit protocol voor Pu metingen met behulp van DGT-apparaten heeft een groot potentieel om ons begrip van de soortvorming en de biologische overdracht van Pu in aquatische ecosystemen te verbeteren.
Plutonium een kunstmatig radionuclide in het milieu als gevolg van de globale neerslag na atoombom tests en nucleaire ongelukken. De redox chemie van plutonium heeft belangrijke gevolgen voor de migratie en biogeochemische cycli in milieu aquatische systemen 1. Plutonium heeft een complexe chemie en kunnen bestaan in vier oxidatietoestanden (III, IV, V, VI) tegelijkertijd. Daarom is de verdeling van de redox-stof plutonium in natuurlijk water is zeer gevoelig voor lokale chemische milieu 2,3. De oxidatietoestand van plutonium hangt ook af van de oorsprong van de bron – deze verklaring wordt vooral relevant voor verontreinigde omgevingen stortplaatsen. Verminderde plutonium soorten (+ III en IV +) zijn voornamelijk te vinden in zuurstofloze omgevingen en zijn afkomstig uit de wereldwijde gevolgen en gevulde afval afvalwater, terwijl hogere oxidatietoestanden (+ V en + VI) kan worden gevonden onder verval producten van andere actinidenen oxische omgevingen 4.
De mobiliteit en milieu gedrag van plutonium te voorspellen enigszins af van de redox soortvorming. Plutonium + III en IV + oxidatie staten bestaat voornamelijk in vaste fase en heeft een grotere capaciteit te sorberen anorganische colloïden en natuurlijk voorkomende organisch materiaal (NOM) moleculen. Plutonium + III + IV oxidatietoestanden geacht minder mobiel. Meer oplosbare geoxideerde vormen van plutonium (+ V en VI +, + V zijnde waarschijnlijk) 5 kunnen mogelijk bijdragen aan een hogere biologische transfer naar waterorganismen door hogere mobiliteit. Niettemin, in aanwezigheid van NOM, vooral humuszuur, Pu (V) wordt gereduceerd 17, verschuiven van de afscherming verschillende ordes van grootte ten behoeve van neerslag. Ondanks het feit dat de afnamesnelheid van Pu (V) aan Pu (IV) is 4 tot 5 ordes van grootte sneller dan de omgekeerde reactie, remobilisatie Pu (IV) onder oxiderende omstandigheden may vinden ook plaats 1. Recente experimentele data minerale sedimenten gewijzigd Pu (IV) en onderworpen aan natuurlijke oxiderende condities hebben aangetoond dat de concentratie van oplosbare Pu in waterfase toegenomen tijd 1,6. De auteurs verklaren door oxidatieve desorptie van Pu (IV) en de vorming van meer oplosbaar Pu (V) en Pu (VI) species. Oxidatie van Pu (IV) kunnen ook optreden als gevolg van nature aangetroffen mangaanoxide 7. Deze waarnemingen zijn belangrijk voor de biologische modellering en milieurisicobeoordeling van afvalverwerking en verontreinigde locaties.
Studies over de biologische beschikbaarheid en soortvorming plutonium is een uitdagende taak, zowel in het laboratorium en in-situ-omstandigheden. Lage milieuconcentraties, de variabiliteit van de redox-stof en de interactie met natuurlijke colloïden bemoeilijken het biogeochemisch gedrag van plutonium te simuleren. De techniek van diffusieve gradiënten in dunne films (DGT) op basis vande diffusie van vrije en labiele verontreinigende soorten door een polyacrylamide (PAM) gel wordt veel gebruikt voor omgevingsmetingen van sporenelementen 8. Een DGT sampler geeft een drielaags inrichting bestaande uit een bindende fase (voor het merendeel van sporenmetalen is Chelex-hars in de PAM gel) diffusieve gellaag (PAM gel variërende dikte) en een filter membraan beschermt de gel en die de vergadering bijeen. Dunne films van polyacrylamide gel, bestaande uit 85% water, mogelijk vrije en labiel complex species sneller diffunderen dan plutonium gebonden aan grote NOM moleculen of natuurlijke colloïdale deeltjes. A set-up plutonium diffusie in gel PAM dunne films in laboratoriumomstandigheden studie wordt een diffusiecel 9.
Een diffusiecel Twee compartimenten verblijf waar twee aparte compartimenten zijn verbonden door een opening van een bepaald oppervlak. De opening, dat wil zeggen, het venster tussen de twee kamers contains een schijf van diffusie gel van een bepaalde dikte. Wij construeerden een Teflon cel met twee compartimenten 100 ml en een rond venster diffusie 1,7 cm in diameter. Één compartiment is afneembaar, de montage te vergemakkelijken. Een 0,5 cm brede gleuf gesneden rond de diffusie venster op de vaste compartiment dient voor het diffusieve gelstrook plaatsen. De groefdiepte dient Soortgelijke PAM gel dikte bestemd voor gebruik. We kiezen om te werken met een 0,39 mm PAM gel, waardoor de groefdiepte in onze diffusiecel is 0,39 mm. Een gedetailleerd beeld van de diffusie cel wordt gegeven in figuur 1.
Wanneer een oplossing eerst plutoniumhoudende wordt geplaatst in een compartiment (A), diffunderen Pu species een concentratiegradiënt te vestigen in de gel en zal beginnen te accumuleren in het tweede compartiment (B), aanvankelijk een oplossing van dezelfde chemische samenstelling zonder Pu bevattende . De initiële concentratie van Pu soorten in compartiment A is zodanig gedefinieerd dat het Remains constante of weinig verandert (met 1% -2% bedraagt) gedurende het diffusie-experiment. Uitzetten van de hoeveelheid gediffundeerd Pu versus tijd verschaft een middel om de mobiliteit van Pu species die in de verschillende gesimuleerde omgevingsomstandigheden analyseren. Diffusie in dunne films een waardevol alternatief voor studies over Pu mobiliteit en soortvorming en kan met succes in veldomstandigheden 10 worden toegepast. Men kan de diffusie cel te vervangen door een passieve sampler, vervaardigd met PAM diffusieve gel en Chelex hars als bindende fase, die dient om diffunderende Pu species accumuleren. Een dergelijke monsternemer kan worden blootgesteld veldomstandigheden – de hoeveelheid Pu opgebouwd in de hars indicatief voor de speciatie en biobeschikbaarheid van Pu in zijn eigen omgeving 10 zijn.
In dit werk, gebruikten we een diffusiecel de mobiliteit van Pu (IV) en Pu (V) species en hun interacties met NOM onder laboratoriumomstandigheden onderzoeken. Furthermore, we toegepast grote passieve DGT samplers van een oppervlak van 105 cm 2 om de biologische beschikbaarheid van Pu studeren in een karstic voorjaar van de Zwitserse Jura (Venoge River) waar een aanzienlijk deel van Pu werd gevonden in de intracellulaire delen van aquatische mossen in een eerdere werk 11. Door de zeer lage plutonium aanwezig in dit ongerepte omgeving werden versneller gebaseerd massaspectrometrie (AMS) technieken bij ETH Zurich gebruikt plutoniumisotopen meten.
De hier beschreven experimenten met Pu met een diffusiecel DGT methodologie biedt een betrouwbare benadering van verschillende studies Pu redox soorten en hun interacties met organische moleculen, colloïdale deeltjes en gesimuleerde milieusystemen. Verdere toepassingen van DGTs voor milieu-metingen van Pu zal bijdragen aan ons begrip van de biologische beschikbaarheid en het lot van deze radionucliden in aquatische ecosystemen.
Laboratorium diffusie experimenten
Om een succesvolle diffusie experiment met zinvolle conclusies over Pu mobiliteit en interacties met betrekking tot een specifieke chemische omgeving presteren, goed gedefinieerde en controleerbare voorwaarden moet worden verstrekt. De aanpassing van Pu oxidatietoestanden vóór experiment is essentieel voor de interpretatie van gegevens te vereenvoudigen en te simuleren verschillende biochemische gedrag van Pu redox-stof. De gevoeligheid van Pu soortenpH variaties maakt het bufferen van de oplossingen een must. Moet bijzondere aandacht worden besteed aan de diffusiecel functies en setup: het gebruik van niet-sorberende Teflon polymeer materiaal voorkomt adsorptie aan de celwanden en laat een robuuste lekvrije montage, het voorkomen van verlies van Pu van het verspreiden van oplossingen tijdens het experiment.
De aanvankelijke Pu concentratie worden ingebracht in het compartiment A, en de sampling interval en het volume van elk monster genomen tijdens de diffusie experiment afhankelijk van de analysemethode in het laboratorium. Elke beschikbare analytische methode kan worden gebruikt voor de bepaling van Pu-concentratie in de monsters uit de diffusiecel, maar deze keuze is stevig gebonden aan de oorspronkelijke activiteit van Pu genomen voor het experiment. 10 Bq van 239 Pu, zoals aanbevolen in dit protocol (het geven van 100-140 mBq ml -1 of ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) zijn voldoende om genoeg gevoeligheid voor measurem biedenenten door alfa-spectrometrie en in het algemeen geen bijzondere problemen voor de bescherming tegen straling regelgeving vormen. De beginconcentratie van Pu kan worden verminderd indien andere, meer gevoelige analytische technieken beschikbaar voor Pu bepalen (bijvoorbeeld massaspectrometrie). Sampling interval kan worden geselecteerd voor elk experiment diffusie, afhankelijk Pu beginconcentratie en de verwachte snelheid van diffusie door het gel PAM. Ondanks het feit dat de aliquots van diffusie experimenten geen uitzondering Pu radionucliden bevatten, kan de aanwezigheid van minerale zouten en de MOPS buffer verstoren analysemethode, waardoor de efficiëntie en nauwkeurigheid van de kwantitatieve analyse. Het verdient daarom de voorkeur een chemische scheiding van Pu voeren op deze monsters.
De diffusiecel geeft de beste benadering voor diffusie studeren in de PAM gel omdat de gel direct wordt blootgesteld aan een goed geroerde oplossing. Dus de effecten van de diffusieve boundary laag (DBL) bij de gel oppervlak worden verwaarloosbaar geacht. Goed roeren van de oplossing gedurende een diffusie experiment noodzakelijk, waardoor het minimaliseren van de effecten DBL. Op hetzelfde moment, moet men zorgvuldig te werk gaan om de PAM gel niet verstoren.
Studies van Pu biobeschikbaarheid in natuurlijk zoet water
De door dit protocol blijkt dat het meten van plutonium met DGT-apparaten biedt een efficiënt instrument om de biologische beschikbaarheid van plutonium studeren in zoetwater resultaten. DGT metingen opbrengst tijdsgemiddelde concentratie vrije en gevoelige moleculen, de twee belangrijkste vormen voor biologische opname door levende organismen. Bovendien kan de kinetiek van de interactie van Pu met organische stoffen worden onderzocht met behulp van gels van verschillende dikte. De tijd die nodig Pu-NOM species diffunderen door de gel zal de meest labiele complexen dissociëren. DGT metingen kunnen worden aangevuld by ultrafiltratie technieken, waar het percentage Pu colloïdale soorten opleveren boven een bepaalde grootte (bijvoorbeeld 8 kDa). Pu colloïdale soorten worden gewoonlijk beschouwd als niet-biologisch beschikbaar species en zijn onderdeel van het Pu breuk niet meetbaar middels DGT.
Op dit punt werden de DGT apparaten ingezet alleen in zoet water van een karstbron van de Zwitserse Jura. Lage milieuconcentraties van Pu vereisen een langdurige inzet van DGT inrichtingen, die mogelijke nadelen ondervinden. Biofouling van de DGT oppervlak een aanzienlijk nadeel, waardoor de DBL dikte en daarmee de flux van Pu beperken door PAM gel. Bindende fase van de DGTs blootgesteld in mariene wateren of wateren van hoge mineralisatie kan snel worden verzadigd met andere spoormetalen, verkeerde voorstelling van de gegevens voor de accumulatie van Pu. Bepaling van sporen niveaus van milieu Pu vereist een gedegen radiochemische scheiding en zeer gevoelige analytische methoden. AMS metings toegepast in dit protocol zijn niet algemeen beschikbaar, maar kan worden vervangen door andere massaspectrometrie technieken. Echter, een strikte scheiding radiochemische name de isobare interferentie 238 UH elimineren van natuurlijk voorkomende uranium.
Vergelijking 2 laat zien dat de omvang van de DGT inrichting is een essentiële parameter die kan worden afgestemd op de hoeveelheid geaccumuleerde Pu stijgen tijdens een bepaalde implementatietijd. Commerciële gel strips zijn alleen beschikbaar met een maximale oppervlakte van 6 cm x 22 cm. Daarom is het raam van de DGT sampler verhoogd tot 105 cm 2 (5 cm x 21 cm), het mogelijk maken van voldoende van Pu soorten accumuleren relatief korte implementatie tijden. De montage van een dergelijke DGT sampler vereist precisie en bijzondere aandacht van de PAM gelblad eigenschappen, terwijl het manipuleren. Het is van fundamenteel belang voor gel lagen samenvoegen tot een glad gezicht uniform "sandwich" met het oog op een homoge biedentane flux van Pu soorten uit de bulk water door de diffuse gel. Goede waterstroom aan het DGT oppervlak is een belangrijke parameter, maar het wordt meestal bepaald door de stroomomstandigheden in de aquifer. Het wordt aanbevolen om DGT inrichtingen voor Pu metingen plaats bij ongeveer 45 ° in de richting van de waterstroom teneinde een constante watervoorziening en de effecten van de DBL minimaliseren.
Diffusiecoëfficiënt toegepast in de vergelijking 2 worden gecorrigeerd als de temperatuur in de bestudeerde waterlichaam verschilt van de temperatuur waarbij de diffusiecoëfficiënt bepaald. Temperatuurseffecten op diffusie coëfficiënten van de Stokes-Einstein vergelijking (vergelijking 3):
(3)
waarbij D 1 en D2 zijn diffusiecoëfficiënten (cm 2 sec -1), η 1 en η 2 zijn viscositeit (mPa sec) water bij temperaturen T1 en T2 (K) respectievelijk.
Momenteel bestaat er geen methode om Pu speciatie in ongerepte omgeving onderzoeken, behalve thermodynamische berekeningen op basis van, bijvoorbeeld, pH en redox parameters. Deze parameters zijn alleen beschikbaar voor macro-componenten, zoals carbonaten, ijzer en mangaan kationen. Aldus wordt Pu speciatie uit deze meetbare species, maar geen "echte" meting vertegenwoordigen. Hier denken we dat de diffusie in dunne PAM gelfilm techniek in dit document is een belangrijke stap in de oplossing van het Pu soortvorming probleem, omdat het laat meten in situ vrij en labiele soorten en, eventueel, waaruit plutonyl soorten. Hoewel slechts enkele DGT metingen van het milieu Pu in zoet water nu toe zijn uitgevoerd, worden de resultaten bemoedigend voor verdere toepassingen van de DGT techniek voor Pu speciatie en biologische studies.Inzet van DGTs in organisch-rijke wateren zal mogelijk belangrijke informatie over Pu mobiliteit en interacties op in aanwezigheid van NOM moleculen. Interessante resultaten moeten worden verwacht van DGT metingen in vervuilde mariene milieu, zoals de kustwateren rond de nucleaire opwerkingsfabriek Sellafield en de beschadigde Fukushima Daiichi kerncentrale.
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 |