Техника диффузионных градиентов в тонких пленках (DGT) предлагается видообразования исследований плутония. Этот протокол описывает диффузии эксперименты зондирования поведение Ри (IV) и Pu (V) в присутствии органического вещества. DGTs развернуты в карстовой весной позволяют оценку биодоступности Pu.
Биологическая поглощение плутония (Pu) в водных экосистемах представляет особый интерес, так как это излучатель альфа-частиц с длительным периодом полураспада, которые потенциально могут способствовать воздействия биоты и человека. Диффузионного градиенты в тонких пленках техники вводится здесь в натурных измерений Pu биодоступности и видообразования. Диффузионной ячейке построены для лабораторных экспериментов с Pu и недавно разработанной протокола позволяют имитировать экологическое поведение плутония в модельных растворах различного химического состава. Регулировка степени окисления до Ри (IV) и Ри (У), описанных в этом протоколе важно, чтобы исследовать сложную окислительно-восстановительный химию плутония в окружающую среду. Калибровка этого метода и результаты, полученные в лабораторных экспериментах позволит разработать конкретное устройство DGT для натурных измерений Pu в пресных водах. Измерения масс-спектрометрии основе ускорителяРи накопленный DGTs в карстового источника позволил определить биодоступность Pu в минеральной пресноводной среде. Применение этого протокола для измерения плутония с использованием устройства DGT имеет большой потенциал для улучшения нашего понимания видообразования и передачу биологического плутония в водных экосистемах.
Плутоний является искусственным радионуклидов в окружающей среде в результате глобальных выпадений следующей ядерных испытаний бомбы и ядерных аварий. Редокс химии плутония имеет важные последствия для ее миграции и биохимические циклы в окружающей среде водных систем 1. Плутоний имеет сложный химический состав, и может существовать в четырех состояниях окисления (III, IV, V, VI), в то же время. Таким образом, распределение видов окислительно-восстановительных плутония в природных водах чрезвычайно чувствительны к химической среде местного 2,3. Степень окисления плутония также зависит от происхождения источника – это утверждение является главным отношение к загрязненных сред и мест захоронения. Сокращение видов плутония (+ III и IV +) находятся преимущественно в бескислородных условиях и происходят из глобальных выпадений и заполненный стоков отходов, в то время как более высокие состояния окисления (+ V и VI +) можно найти среди продуктов распада других актинидови в кислородной среде 4.
Подвижность и поведение в окружающей среде плутония можно предсказать в какой-то степени от окислительно-восстановительного видообразования. Плутоний в III + и + IV степени окисления существует преимущественно в твердой фазе и увеличился способность сорбировать неорганических коллоидов и естественным органические вещества (Nom) молекул. Плутоний в III + и + IV степени окисления считается менее подвижны. Более растворимые окисленные формы плутония (+ V и VI +, + V будучи наиболее вероятно) 5 может потенциально способствовать более высокой биологической передачи водных организмов в связи с более высокой подвижностью. Тем не менее, в присутствии НОМ, особенно гуминовых кислот, Ри (У) сокращается 17, перекладывая разбиения на несколько порядков в пользу осадков. Несмотря на то, что скорость восстановления Pu (V) до Ри (IV), составляет от 4 до 5 порядков быстрее, чем обратной реакции, ремобилизация Ри (IV), в окислительных условиях мау также состоится 1. Последние экспериментальные данные по минеральных осадков поправками с Pu (IV) и подвергнутые природных окислительных условиях показали, что концентрация растворимого Pu в водной фазе увеличилась за время 1,6. Авторы объясняют это окислительного десорбции плутония (IV) и формирование более растворимого Pu (V) и Pu (VI) видов. Окисление Pu (IV), может также произойти из-за возникших естественным оксидов марганца 7. Эти наблюдения имеют важное значение для биодоступности моделирования и оценки риска для окружающей среды утилизации отходов и загрязненных участков.
Исследования биодоступности и видообразования плутония является сложной задачей и в лаборатории и на месте условий. Низкие концентрации в окружающей среде, изменчивость окислительно-восстановительных видов и взаимодействия с природными коллоидов сделать его сложно смоделировать биогеохимических поведение плутония. Техника диффузионных градиентов в тонких пленках (DGT) на основедиффузия свободных и лабильных видов загрязняющих через полиакриламидном PAM) (геля широко используется для экологических измерений микроэлементов 8. ДГТ Пробоотборник представляет собой трехслойную устройство, изготовленное из связующей фазы (для большинства следов металлов это Chelex смолы, содержащиеся в PAM гель), диффузионное слой геля (РАМ гель различной толщины) и мембранный фильтр защиты гель и проведения собрания вместе. Тонкие пленки полиакриламидного геля, состоящий из 85% воды, позволяют свободно и лабильные сложные виды диффундировать быстрее, чем связанного с большими молекулами NOM или природных коллоидных частиц плутоний. Набор-до предназначен для изучения плутония диффузии в гелевых пленок тонкие PAM в лабораторных условиях называется диффузионной ячейки 9.
Диффузионной ячейке является двухкамерный сосуд, где два отдельных отсеков соединены между собой открытия данной поверхности. Открытие, т.е. окно между двумя камерами Contains диск диффузионного гель заданной толщины. Мы сконструировали клетку тефлоновую с двумя 100 мл отсеков и круговой диффузии окна 1,7 см в диаметре. Один отсек съемным, что облегчает сборку. 0,5 см в ширину паза резные вокруг окна диффузии на фиксированной купе служит для поместите диск диффузный гель. Глубина канавки должна быть похожа на толщину PAM гель, предназначенный для использования. Мы решили работать с 0.39 мм PAM геля, таким образом, глубина канавки в нашей диффузионной ячейки 0,39 мм является. Подробное изображение диффузионной ячейки приведена на рис 1.
Когда раствор изначально содержащий плутоний помещают в одном отсеке (А), диффундирующих видов Pu создаст градиента концентрации в геле и начнет скапливаться во втором отсеке (B), первоначально содержащий раствор того же химического состава без Pu , Начальная концентрация видов Pu в секции А определяется таким образом, что она Remaiнс постоянные или изменения очень мало (по 1% -2% на большинство) в течение эксперимента диффузии. Построение количество рассеянного Pu в зависимости от времени предоставляет средства для анализа подвижности видов плутония, преобладающих в различных моделируемых условиях окружающей среды. Диффузия в тонких пленках предоставляет ценную альтернативу для исследований по Pu мобильности и видообразования и может с успехом применяться в полевых условиях 10. Можно заменить диффузионной ячейки пассивным сэмплер, изготовленного с PAM диффузионного геля и Chelex смолы в качестве связующей фазы, который служит для накопления диффундирующие видов Pu. Такой пробник может быть выставлен в полевых условиях – количество Pu, накопленных в смоле будут указывать на комплексов и биодоступность Pu в соответствующем среде 10.
В этой работе мы использовали диффузионной ячейке, чтобы исследовать подвижность Ри (IV) и Pu (V) видов и их взаимодействий с НОМ в лабораторных условиях. Марихуанаrthermore, мы применили большие пассивные DGT пробники поверхности 105 см 2, чтобы изучить биодоступность Pu в карстовой весной Швейцарии горы Юра (Venoge реки), где значительная доля Pu был найден во внутриклеточных частей водных мхов в предыдущая работа 11. Из-за очень низкого уровня плутония настоящее время в этой нетронутой окружающей среды, масс-спектрометрия (AMS) методы ускоритель на базе имеющихся в ETH Zurich, были использованы для измерения изотопов плутония.
Методология DGT описано здесь для экспериментов с использованием плутония диффузионной ячейке обеспечивает надежный подход для различных исследований по Pu видов окислительно-восстановительных и их взаимодействий с органическими молекулами, коллоидные частицы и смоделированных экологических систем. Дальнейшие применения DGTs для измерений параметров окружающей среды Ри будет способствовать нашему пониманию биологической и судьбе этого радионуклида в водных экосистемах.
Лаборатория диффузии эксперименты
Для того, чтобы выполнить успешную диффузии эксперимент с содержательных выводов о Пу мобильности и взаимодействий в отношении конкретного химического окружения, хорошо определены и должны быть обеспечены контролируемых условиях. Регулировка Pu окисления до эксперимента существенно упростить интерпретацию данных, а также моделировать различные биогеохимические поведения плутония видов окислительно-восстановительных. Чувствительность видов плутония ввариации рН составляет буферизации решения обязательным. Особое внимание должно быть обращено на особенности диффузии клеток и настройки: использование не-сорбирующих тефлоновой полимерного материала позволяет избежать адсорбции на клеточных стенках и позволяет надежную сборку герметичность, предотвращая потерю Pu диффузия решения в ходе эксперимента.
Начальная концентрация Pu быть введены в отсек A, а также интервала дискретизации и объем каждой пробы, отобранной в ходе эксперимента диффузии зависит от аналитического метода в лаборатории. Любой доступный метод анализа может быть использован для определения концентрации Pu в пробах из диффузионной ячейки, однако этот выбор тесно связан с исходной активности Pu, необходимое для эксперимента. 10 Бк 239 Pu, как рекомендуется в этом протоколе (давая 100-140 МБк мл -1 или ~ 2 × 10 -13 моль мл -1) являются достаточными для обеспечения достаточной чувствительности для measuremЭнты по альфа-спектрометрии и вообще не представляют особых проблем для правил радиационной защиты. Начальная концентрация Pu может быть снижена, если другие, более чувствительные методы, аналитические доступны для определения Pu (например, масс-спектрометрии). Интервал выборки могут быть выбраны для каждого эксперимента диффузии, в зависимости от исходной концентрации Pu, и ожидаемый скорость диффузии через PAM геля. Несмотря на то, что аликвоты от диффузионных экспериментов не содержат, помимо Pu радионуклиды, наличие минеральных солей и буфера MOPS могут мешать аналитической процедуры, снижая эффективность и точность количественного анализа. Поэтому желательно, чтобы выполнить химическое разделение Pu на этих образцах.
Диффузионной ячейки обеспечивает наилучший подход для изучения диффузии в геле, так как PAM гель подвергается непосредственно к решению хорошо перемешивают. Таким образом, эффекты диффузионного боundary слой (DBL) на поверхности гелевую считать незначительным. Хорошем перемешивании растворов во время эксперимента диффузии существенно, что позволяет минимизировать эффекты DBL. В то же время, следует исходить осторожно, чтобы не нарушить PAM гель.
Исследования биодоступности Pu в природных пресных водах
Результаты, полученные с помощью этого протокола, показывают, что измерения плутония с устройствами DGT обеспечивает эффективный инструмент для изучения биодоступности плутония в пресной воде. Измерения DGT выход времени средняя концентрация свободных и лабильных видов, два наиболее важных форм для биологического поглощения от живых организмов. Кроме того, кинетика взаимодействия с Pu органического вещества может быть исследована с помощью гели различной толщины. Время, необходимое для Pu-NOM видов диффундировать через гель позволит наиболее лабильных комплексов диссоциировать. Измерения DGT могут быть дополнены бМетоды ультрафильтрации г, что получения процента Pu коллоидных видов выше заданного размера (например, 8 кДа). Pu коллоидные видов, как правило, считается не биодоступных видов и часть фракции Pu не измеримой с помощью DGT.
На данный момент, устройства DGT были развернуты только в пресной воде карстового источника швейцарских горах Юра. Низкие концентрации в окружающей среде Ри требует долгосрочного развертывания DGT устройств, которые могут возникнуть потенциальные недостатки. Биообрастания поверхности ДГТ представляет собой существенный недостаток, увеличение толщины двухместных и тем самым ограничивая поток Pu через PAM геля. Связывание фаза DGTs подвергающихся в морских водах или водах высокой минерализации может быть быстро насыщается с другими тяжелых металлов, искажая данные для накопления плутония. Определение следовых окружающей Pu требует тщательного радиохимического разделения и очень чувствительные аналитические методы. Измерение AMSс, применяемые в данном протоколе не являются широко доступными, но могут быть заменены другими методами масс-спектрометрии. Однако строгое разделение радиохимического необходимо устранить помехи изобарический 238 UH из природных урана.
Уравнение 2 показывает, что размер устройства ДГТ является важным параметром, который может быть настроен, чтобы увеличить количество накопленного Pu в течение заданного времени развертывания. Коммерческие полоски гель доступны только с максимальной поверхности 6 см х 22 см. Таким образом, окно DGT сэмплер был увеличен до 105 см 2 (5 см × 21 см), что делает возможным накапливать достаточное количество видов плутония на сравнительно короткое время развертывания. Сборка такого DGT сэмплер требует точности и особое внимание свойств геля листовых PAM манипулируя. Это имеет принципиальное значение, чтобы собрать гель слои в гладкой лицом форме "сэндвич" для того, чтобы обеспечить homogeое поток видов плутония из объемной воды через диффузионного геля. Хорошо расход воды на поверхности DGT также является важным параметром, но это в основном определяется условиями течения в водоносный горизонт. Рекомендуется размещать DGT устройства для измерения плутония примерно 45 ° к направлению потока воды для того, чтобы обеспечить стабильное снабжение водой и минимизации последствий DBL.
Коэффициент диффузии, используемый в уравнении 2 должен быть исправлен, если температура в исследуемом водоеме отличается от температуры, при которой коэффициент диффузии была определена. Влияние температуры на коэффициенты диффузии определяется уравнением Стокса-Эйнштейна (уравнение 3):
(3)
где D 1 и D 2 коэффициенты диффузии (см 2 с -1), η 1 и η 2 являются вязкость (мПа сек), шAter при температурах Т 1 и Т 2 (K) соответственно.
В настоящее время нет никакого метода, чтобы исследовать Pu видообразования в чистой окружающей среде, для термодинамических расчетов, основанных на, например, рН и окислительно-восстановительных параметров, за исключением. Эти параметры доступны только для макро-элементов, таких как карбонаты, железо или марганец катионов. Таким образом, Ри видообразование происходит от этих видов измеримых, но не представляют собой "реальную" измерение. Здесь мы считаем, что диффузия в тонком техники PAM гелевой пленки, как представлено в этой статье, является важным шагом в решении проблемы видообразования Pu, потому что это позволяет измерять в месте свободного и лабильных видов и, возможно, свидетельствует плутонила видов. Хотя только несколько измерений DGT из окружающей среды Pu в пресных водах были предприняты до сих пор, полученные результаты обнадеживают для дальнейших приложений метода DGT для Pu видообразования и биодоступности.Развертывание DGTs в органических богатых водах потенциально дать важную информацию о Пу мобильности и взаимодействий в присутствии молекул NOM. Интересные результаты следует ожидать от измерений DGT в загрязненных морских средах, таких как прибрежных морях по всему Селлафилде ядерный завод по переработке и поврежденных Фукусима Daiichi АЭС.
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 |