Tekniken med diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT) föreslås för artbildning studier plutonium. Detta protokoll beskriver diffusion experiment sonderings beteende Pu (IV) och Pu (V) i närvaro av organiskt material. DGTs utplacerade i en karstic våren möjliggöra en bedömning av biotillgängligheten av Pu.
Den biologiska upptag av plutonium (Pu) i akvatiska ekosystem är särskilt oroande eftersom det är en alfa-partikel emitter med lång halveringstid som potentiellt kan bidra till exponering av biota och människor. De diffusiva gradienter i tunna filmer teknik införs här för in-situ mätningar av Pu biotillgänglighet och artbildning. En diffusionscell konstruerad för laboratorieförsök med Pu och nyutvecklade protokollet gör det möjligt att simulera miljöbeteende Pu i modelllösningar av olika kemiska sammansättningar. Justering av oxidationstillstånd till Pu (IV) och Pu (V) beskrivs i detta protokoll är nödvändig för att utreda komplexa redoxkemi av plutonium i miljön. Kalibreringen av denna teknik och de resultat som uppnåtts i laboratorieexperiment gör det möjligt att utveckla en särskild DGT anordning för in-situ Pu mätningar i sötvatten. Acceleratorbaserad masspektrometri mätningarPu samlats av DGTs i karst våren tillåts bestämma biotillgängligheten av Pu i en mineralsötvattenmiljö. Tillämpningen av detta protokoll för Pu mätningar med DGT-enheter har en stor potential att förbättra vår förståelse av artbildning och biologiska överföring av Pu i akvatiska ekosystem.
Plutonium är en konstgjord radionuklid i miljön som en följd av den globala nedfallet efter atombomben tester och kärnkraftsolyckor. Den redoxkemi av plutonium har stor betydelse för dess migration och biogeokemiska cykling i miljö akvatiska system 1. Plutonium har en komplex kemi och kan existera i fyra oxidationstillstånden (III, IV, V, VI) samtidigt. Därför är fördelningen av redox arter av plutonium i naturliga vatten extremt känslig för den lokala kemiska miljön 2,3. Oxidationstillståndet av plutonium beror också på ursprunget till källan – detta uttalande är mest relevanta för förorenade miljöer och deponier. Minskade plutonium arter (+ III och IV +) återfinns huvudsakligen i syrefria miljöer och kommer från den globala nedfall och lagras avfall utsläpp, medan högre oxidationstillstånd (+ V och + VI) kan hittas bland sönderfallsprodukter från andra aktinideroch i oxiska miljöer 4.
Rörligheten och miljöbeteende av plutonium kan förutsägas i viss utsträckning från redox artbildning. Plutonium i + III och IV + oxidationstillstånden finns huvudsakligen i fast fas och har ökad kapacitet att sorbera på oorganiska kolloider och naturligt förekommande organiskt material (NOM) molekyler. Plutonium i + III och IV + oxidationstal anses vara mindre rörliga. Mer lösliga oxiderade former av plutonium (+ V och + VI + V är mest troligt) 5 kan eventuellt bidra till en högre biologisk överföring för vattenlevande organismer på grund av högre rörlighet. Icke desto mindre, i närvaro av NOM, särskilt av humussyra, Pu (V) reduceras 17, skiftning av partitione flera storleksordningar till förmån för utfällning. Trots det faktum att reduktionsgraden av Pu (V) till Pu (IV) är fyra till fem storleksordningar snabbare än den omvända reaktionen, mobilisering av Pu (IV) under oxiderande betingelser may också ske en. De senaste experimentella data om mineral sediment ändras med Pu (IV) och utsattes för naturliga oxiderande förhållanden har visat att koncentrationen av lösligt Pu i vattenfasen ökade med tiden 1,6. Författarna förklarar den genom oxidativ desorption av Pu (IV) och bildning av mer lösliga Pu (V) och Pu (VI) arter. Oxidation av Pu (IV) kan också uppstå på grund av naturligt stött manganoxider 7. Dessa observationer är viktiga för biologisk modellering och miljöriskbedömning för avfallshantering och förorenade områden.
Studier av biotillgänglighet och speciering av plutonium är en utmanande uppgift i både laboratorie- och in situ förhållanden. Låga koncentrationer miljömässiga, variabiliteten av redoxspecies och växelverkan med naturliga kolloider gör det svårt att simulera biogeokemiska beteende av plutonium. Tekniken med diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT) baserat påspridning av fria och labila förorenings arter genom en polyakrylamid (PAM) gel används ofta för miljömätningar av spårelement 8. En DGT provtagaren representerar en tre-skikt anordning gjord av ett bindande fas (för majoriteten av spårmetaller är det Chelex hartset innehöll i PAM gelén), diffusiv gelskikt (PAM gel av varierande tjocklek) och ett filtermembran som skyddar gelén och håller samman enheten. Tunna filmer av polyakrylamidgel, som består av 85% vatten, göra det möjligt för fria och labila komplexa arter att sprida snabbare än plutonium bunden till stora NOM molekyler eller naturliga kolloidala partiklar. En set-up för att studera plutonium diffusion i tunn PAM gelfilmer i laboratorieförhållanden kallas en diffusionscell 9.
En diffusionscell är ett två-fack kärl där två separata fack är sammankopplade genom en öppning hos en given yta. Öppningen, dvs. fönstret mellan de två kamrarna contains en skiva för diffusion gel av en given tjocklek. Vi konstruerade en teflon cell med två 100 ml fack och en cirkulär spridning fönster 1.7 cm i diameter. Ett fack är löstagbar, vilket underlättar monteringen. En 0,5 cm bred spår ristade runt diffusion fönstret på den fasta facket tjänar till att placera diffus Gelplattan. Spårdjupet bör vara densamma PAM geltjockleken avsedd att användas. Vi väljer att arbeta med en 0,39 mm PAM gel, vilket spårdjupet i vår diffusionscellen är 0,39 mm. En detaljerad bild av diffusionscellen ges i figur 1.
När en lösning som ursprungligen innehållande plutonium placeras i ett fack (A), kommer diffunderande Pu arter etablera en koncentrationsgradient i gelén och kommer att börja ackumuleras i den andra avdelningen (B), från början innehåller en lösning med samma kemiska sammansättning utan Pu . Den initiala koncentrationen av Pu arter i kammaren A är definierad så att den remains konstant eller förändringar mycket lite (med 1% -2% som mest) hela diffusion experiment. Plotta mängden diffust Pu förhållande till tiden ger en möjlighet att analysera rörlighet Pu arter som råder i de olika simulerade miljöförhållanden. Diffusion i tunna filmer ger ett värdefullt alternativ för studier på Pu rörlighet och artbildning och kan framgångsrikt tillämpats i fältförhållanden 10. Man kan ersätta diffusionscellen av en passiv provtagaren, tillverkas med PAM diffusiv gelén och Chelex-harts som bindfasen, som tjänar till att ackumulera diffunderande Pu arter. En sådan sampler kan exponeras i fältförhållanden – mängden Pu samlats i hartset kommer att vara vägledande för artbildning och biotillgängligheten av Pu i den aktuella miljön 10.
I detta arbete har vi använt en diffusionscell för att undersöka rörlighet Pu (IV) och Pu (V) arter och deras interaktioner med NOM i laboratoriemiljö. Furthermore tillämpade vi stora passiva DGT provtagare av en yta av 105 cm 2 för att studera den biologiska tillgängligheten hos Pu i en karstic våren Schweiziska Jurabergen (Venoge River) där en betydande fraktion av Pu hittades i de intracellulära delarna av vattenlevande mossor i en tidigare arbete 11. På grund av den mycket låga nivå av plutonium som finns i denna orörda miljö, var acceleratorbaserad masspektrometri (AMS) tekniker som är tillgängliga på ETH Zürich används för att mäta plutoniumisotoper.
DGT metod som beskrivs här för experiment med Pu med hjälp av en diffusionscell ger en tillförlitlig metod för olika studier på Pu redox arter och deras interaktioner med organiska molekyler, kolloidala partiklar och simulerade miljösystem. Ytterligare tillämpningar av DGTs för miljö mätningar av Pu kommer att bidra till vår förståelse av biotillgänglighet och öde denna radionuklid i akvatiska ekosystem.
Laboratorie diffusionsförsök
För att utföra en framgångsrik spridning experiment med meningsfulla slutsatser om Pu rörlighet och samspel som rör en specifik kemisk miljö, väl definierade och kontrollerbara villkor måste lämnas. Justeringen av Pu oxidationstillstånd före experimentet är avgörande för att förenkla datatolknings samt att simulera olika biogeokemiska beteenden av Pu redoxämne. Känsligheten hos Pu arterpH-variationer gör buffring lösningarna ett måste. Särskild uppmärksamhet bör riktas mot diffusionscellen funktioner och inställningar: användning av icke-sorberande Teflon polymermaterial undviker adsorption på cellväggarna och ger en robust tät montering, att förhindra förlust av Pu diffunderar lösningar under experimentet.
Den ursprungliga Pu koncentrationen som skall införas i A-facket, samt samplingsintervallet och volymen av varje prov som tas under diffusion experiment beror på den analysmetod som finns i laboratoriet. Alla tillgängliga analytisk metod kan användas för bestämning av Pu-koncentrationen i proverna från diffusionscellen, men detta val är tätt bundna till den ursprungliga aktiviteten av Pu tas för experimentet. 10 Bq av 239 Pu som rekommenderas i detta protokoll (som ger 100-140 MBq ml -1 eller ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) är tillräckliga för att ge tillräcklig känslighet för measuremmedelsingredienser från alfa-spektrometri och i allmänhet inte utgör särskilda problem för strålskyddsföreskrifter. Den initiala koncentrationen av Pu kan reduceras om andra, mer känsliga, analystekniker finns tillgängliga för Pu bestämning (t.ex. masspektrometri). Samplingsintervall kan väljas för varje diffusion experiment, beroende på Pu initiala koncentrationen, och den förväntade diffusionshastigheten genom PAM gel. Trots det faktum att portioner från diffusion experiment inte innehåller andra än Pu radionuklider, kan förekomsten av mineralsalter och MOPS-buffert störa analysförfarande, vilket minskar effektiviteten och precisionen i kvantitativ analys. Därför är det föredraget att utföra en kemisk separation av Pu på dessa prover.
Diffusionscellen ger det bästa sättet för att studera diffusion i PAM gelén eftersom gelén exponeras direkt till en väl omrörd lösning. Således, effekterna av det diffuserande boundary skikt (DBL) vid gelytan anses försumbar. God omrörning av lösningarna under en diffusion experiment är viktigt, vilket möjliggör minimering av DBL effekter. På samma gång bör man gå försiktigt för att inte störa PAM gel.
Studier av Pu biotillgänglighet i naturliga sötvatten
Resultaten som produceras av detta protokoll visar att mäta plutonium med DGT enheter ger ett effektivt verktyg för att studera biotillgängligheten av plutonium i sötvatten. DGT mätningar ge tidsgenomsnittshalt av fria och labila arter, de två viktigaste formerna för biologiskt upptag av levande organismer. Dessutom kan kinetiken för interaktionen av Pu med organiskt material att undersökas med användning av geler av olika tjocklek. Den tid som krävs för Pu-NOM arter diffundera genom gelen gör det möjligt för de mest labila komplex att dissociera. DGT mätningar kan kompletteras by ultratekniker, som ger andelen Pu koUoidala arter över en viss storlek (t.ex. 8 kDa). Pu koUoidala arter brukar betraktas som icke-biotillgängliga arter och är en del av Pu fraktion som inte kan mätas med hjälp av DGT.
Vid denna tidpunkt var de DGT enheter utplacerade endast i sötvatten av en Karst våren de schweiziska Jurabergen. Låga koncentrationer av Pu miljö kräver en långsiktig utbyggnad av DGT-enheter, som kan stöta på potentiella nackdelar. Biobeväxning av DGT ytan utgör en betydande nackdel, öka DBL tjocklek och därmed begränsa flödet av Pu genom PAM gel. Bindande fasen av DGTs exponerade i marina vatten eller vatten med hög mineralisering kan snabbt mättad med andra spårmetaller, förvränga data för ackumulering av Pu. Fastställande av spårmängder av miljö Pu kräver en grundlig radiokemisk separation och mycket känsliga analysmetoder. AMS mätnings tillämpas i detta protokoll är inte allmänt tillgängliga, men kan ersättas av andra masspektrometri tekniker. Det är dock nödvändigt med en rigorös radiokemisk separation för att eliminera isobara störningar 238 UH från naturligt förekommande uran.
Ekvation 2 visar att storleken på DGT anordningen är en väsentlig parameter som kan avstämmas för att öka mängden ackumulerad Pu under en given utvecklingstiden. Kommersiella gelremsor finns endast med en maximal yta på 6 cm x 22 cm. Därför har fönstret i DGT provtagaren ökats till 105 cm 2 (5 cm x 21 cm), vilket gör det möjligt att samla tillräckligt med Pu arter för relativt korta distributionstider. Monteringen av en sådan DGT provtagaren kräver precision och särskild hänsyn till de egenskaper PAM gelarket medan manipulera. Det är av grundläggande betydelse att montera gelskikt till en slät yta uniform "sandwich" för att ge en homogerogen flöde av Pu arter från bulkvattnet genom det diffuserande gelén. Bra vattenflöde vid DGT ytan är också en viktig parameter, men det är oftast bestäms av flödesförhållandena i akvifären. Det rekommenderas att placera DGT anordningar för Pu mätningar vid ca 45 ° mot riktningen för vattenflödet i syfte att ge en stadig vattentillförsel och minimera effekterna av DBL.
Diffusionskoefficient som används i ekvationen 2 måste korrigeras om temperaturen i den studerade kroppen av vatten är en annan än den temperatur vid vilken diffusionskoefficienten bestämdes. Temperatur effekter på diffusionskoefficienterna ges av Stokes-Einsteins ekvation (ekvation 3):
(3)
där D 1 och D 2 är diffusionskoefficienter (cm 2 sek -1), η 1 och η 2 är viskositeter (mPa sek) av water vid temperaturer T 1 och T 2 (K) respektive.
För närvarande finns det ingen metod att undersöka Pu artbildning i ren miljö, med undantag för termodynamiska beräkningar baserade på t.ex. pH och redox parametrar. Dessa parametrar är endast tillgängliga för makrokomponenter, såsom karbonater, järn eller mangankatjoner. Således är Pu artbildning från dessa mätbara arter men utgör inte en "riktig" mätning. Här tror vi att diffusion i tunn PAM gelfilmen teknik som presenteras i detta dokument är ett viktigt steg för att lösa Pu artbildning problem eftersom det gör det möjligt att mäta in situ fri och labila arter och eventuellt styrker plutonyl arter. Även om bara ett fåtal DGT mätningar av miljö Pu i sötvatten har gjorts hittills, är de erhållna resultaten uppmuntrande för ytterligare tillämpningar av DGT-tekniken för Pu artbildning och biotillgänglighetsstudier.Utplacering av DGTs i organiska rika vatten kommer eventuellt att ge viktig information om Pu rörlighet och interaktion i närvaro av NOM-molekyler. Intressanta resultat bör förväntas från DGT mätningar i förorenade marina miljöer, såsom kusthaven runt Sellafield upparbetningsanläggningen och skadade Fukushima Daiichi kärnkraftverket.
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 |