Summary
Schicksal und Speziation von Arsen und Quecksilber in Aquiferen sind eng verwandt, Physio-chemischen Bedingungen und mikrobielle Aktivität. Hier präsentieren wir Ihnen eine original experimentelle Spalte-Setup, die imitiert eines Aquifers und ermöglicht ein besseres Verständnis der Spurenelement Biogeochemie unter anoxischen Bedingungen. Zwei Beispiele sind dargestellt, geochemischen und mikrobiologischen Ansätze kombinieren.
Abstract
Schicksal und Speziation von Spurenelementen (VES), Arsen (As) und Quecksilber (Hg), im Grundwasserleiter sind eng verwandt, Physio-chemischen Bedingungen, z. B. Redoxpotential (Eh) und pH-Wert, sondern auch mikrobielle Aktivitäten, die eine direkte oder indirekte Rolle spielen können, auf Artbildung und/oder Mobilität. In der Tat können einige Bakterien direkt oxidieren As(III), As(V) oder As(V), As(III) reduzieren. Ebenso sind Bakterien in Hg Radfahren, entweder durch die Methylierung, bilden das Nervengift Monomethyl Quecksilber, oder durch seine Reduktion auf elementare Hg ° stark engagiert. Die Schicksale der beiden als und Hg sind auch eng miteinander verbunden, Boden oder Aquifer Zusammensetzung; in der Tat als und Hg binden kann organische Verbindungen oder (oxy) Hydroxide, die ihre Mobilität beeinflussen werden. Im Gegenzug können bakterielle Aktivitäten wie Eisen (oxy) Hydroxid Reduktion oder organische Mineralisierung indirekt beeinflussen als und Hg-Sequestrierung. Das Vorhandensein von Sulfat/Sulfid kann diese besondere Elemente durch die Bildung von komplexen wie Thio-Arsenates mit als oder metacinnabar mit Hg auch stark beeinflussen.
Infolgedessen wurden viele wichtige Fragen auf das Schicksal und Speziation von angesprochen als und Hg in der Umwelt und wie ihre Toxizität zu begrenzen. Jedoch aufgrund ihrer Reaktivität gegenüber Aquifer Komponenten ist es schwierig, klar zu distanzieren, die biogeochemischen Prozesse, die auftreten und deren unterschiedlichen Auswirkungen auf das Schicksal dieser TE.
Zu diesem Zweck entwickelten wir ein Original, experimentell, erschöpft Spalte Setup, das einen Aquifer mit als - oder Hg-Eisen-Oxid reiche Gebiete im Vergleich zu Eisen imitiert Bereichen, ermöglicht ein besseres Verständnis der TE Biogeochemie unter anoxischen Bedingungen. Das folgende Protokoll gibt Schritt für Schritt Anleitung für den Aufbau der Spalte entweder als oder Hg sowie ein Beispiel mit wie unter Eisen und Sulfat reduzierenden Bedingungen.
Introduction
Verstehen und Vorhersagen zu Spurenelement (TE) Mobilität und Biogeochemie in der Umgebung ist unerlässlich, um zu überwachen, entwickeln und anwenden geeigneter Management-Entscheidungen für Altlasten. Dies gilt insbesondere im Falle von toxischen TEs wie Arsen (As) und Quecksilber (Hg). Das Schicksal und Speziation von diesen TEs im Boden oder Grundwasser sind eng verwandt, physikalisch-chemischen Bedingungen, wie Eh und pH-Wert, sondern auch mikrobielle Aktivitäten, die entweder eine direkte Rolle auf Speziation oder eine indirekte Rolle auf Mobilität spielen können.
In der Tat können einige Bakterien direkt oxidieren As(III), As(V) oder As(V), As(III) reduzieren. Dies wirkt sich wie Toxizität, da As(III) die giftigsten Form ist so, und Mobilität, da As(III) ist mobiler als As(V), die ohne weiteres auf Eisen (oxy) Hydroxide oder organische Substanz1,2adsorbieren kann. Ebenso sind Bakterien stark beteiligt Quecksilber Radfahren, entweder durch die Methylierung, hauptsächlich von Sulfat und Eisen reduziert Bakterien3,4, bilden das Nervengift Monomethyl Quecksilber (leicht Probestellen in der Nahrungskette) oder durch seine Reduktion auf flüchtige elementare Hg (Hg °)5.
Sowohl als und Hg Schicksale sind auch eng miteinander verbunden, Boden oder Aquifer Zusammensetzung, da Verbindungen wie organische Substanz oder Eisen (oxy) Hydroxide können Einfluss auf ihre Sequestrierung und Bioverfügbarkeit. As(V) absorbiert gut auf Eisen (oxy) Hydroxide6, während Hg eine sehr hohe Affinität für organische Angelegenheit hat (OM; hauptsächlich für Thiol-Gruppen), aber auch für kolloidales Eisen oder Mangan (oxy) Hydroxide in OM erschöpft Umgebungen7,8 , 9 , 10 , 11.
Bakterielle Aktivitäten beeinflussen dann das Schicksal des TEs (oxy) Hydroxide oder organischer Substanz durch die Reduzierung von Eisen (oxy) Hydroxide oder die Mineralisierung der organischen Substanz adsorbiert. Reduzierung der direkten Eisen durch Bakterien ist, dass die dominante Bahn für Eisen Rückgang der Schwefel erschöpft Zonen12,13, Fe(III) als ein terminal Elektronen-Akzeptor eingesetzt, während indirekt, Fe(III) zu Fe(II) durch Schwefelwasserstoff reduziert werden kann durch eine bakterielle Sulfat-Reduktion14gebildet. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Sulfat Hg auch ändern und als Artbildung durch die Bildung von komplexen wie Thio-Arsenates15 mit als oder metacinnabar mit Hg.
So könnte ein besseres Verständnis der Auswirkungen der Eisen- und Sulfat Radfahren auf das Schicksal des TE, wie Hg und As, helfen, uns besser verwalten Altlasten und Boden-und Wasserqualität. Daten könnten dazu beitragen, für die Stärkung bestehender Metall-Mobilität-Modelle. Mikrobielle Fe (III)-Reduzierung16,17,18 kann dazu führen, dass die Desorption des TE. Theoretisch könnte die indirekte Reduktion von Eisen (oxy) Hydroxide von Sulfid produziert durch die mikrobielle Reduktion von Sulfat auch TE Mobilität auswirken. Jedoch sind das Ausmaß und die Kinetik der diese Reaktionen in der Regel in Batch homogene Systeme oder Batch Mikrokosmen16,18,19,20studiert. Der Nachteil von Batch-Experimenten ist das Fehlen der Dissoziation der auftretenden Phänomene; in der Tat, Tätigkeit basiert auf und begrenzt durch die Ressourcen in die Partie und einzige gibt ein endgültiges Ergebnis der Verschiebungen in Speziation und Adsorption. Mit einer Spalte Ansatz ermöglicht die Erneuerung der einströmenden Medien und die Überwachung des Schicksals der TE über Zeit und Raum. Diese Bedingungen sind realistischer, im Vergleich zu einem Grundwasserleiter, wo reale Phänomene eng mit kontinuierlichen Versickerung Bedingungen verknüpft sind. Darüber hinaus heterogenen Eisen (oxy) Hydroxid vorkommen in den Aquifer Sedimenten ist gemeinsame21,23, und die räumlichen Veränderungen in der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung der festen Phasen fährt sicherlich mikrobielle Aktivitäten .
Um den Einfluss dieser Heterogenitäten auf Geo-mikrobielle Phänomene und das Schicksal der Eisen-assoziierten TE zu erhellen, entwickelten wir eine Labor, eine kontinuierlich zugeführt Spalte für ein vereinfachtes Modell Aquifer. Die Spalte wird gefüllt, um ein Eisen-abgereicherte Zone am Eingang Spalte und eine eisenreiche Zone an der Spitze zu erstellen. Regelmäßige Stichproben Häfen ermöglichen uns jede Zone einzeln zu untersuchen sowie Schnittstelle verbundenen Phänomene. Ein Beispiel für die Anwendung dieser experimentellen Vorrichtung für das Studium der Hg Schicksal und Artbildung ist bereits24. Hier geben wir eine detaillierte Beschreibung des experimentellen Aufbaus und ein zweites Beispiel für seine Anwendung konzentrierte sich auf das Verhalten wie in kontaminierten Aquiferen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
(1) experimentelle Vorbereitung
- Acid-wash alle Materialien (Glas, Polytetrafluorethylen (CF)) in Kontakt mit Proben (5 Tage 20 % Salpetersäure (Druckaufschluss3) V/V) gefolgt von 5 Tagen in Salzsäure (HCl) 10 % V/V). Mehrmals mit hochreinem Wasser abspülen und Trocknen unter eine laminare Strömung Haube vor dem Gebrauch.
- Schutzhandschuhe aus Polyethylen (o.ä.) und einem Abzug für alle Schritte, die mit Chemikalien.
2. bereiten Sie Hg und als versetzt amorphen Eisenoxide
- Bereiten Sie ca. 20 g Ferryhydrate (Fe(OH)3): lösen Sie 50 g FeCl3-6 H2O in 500 mL Reinstwasser (Widerstand > 18 MΩ cm-1) unter Rühren in einem Glas-Reaktor mit einem Edelstahl-Laufrad oder magnetischen Rührer. Anfänglichen pH ist < 2.
- Manuell hinzufügen einer Lösung aus 10 M NaOH Ferryhydrate ausgefällt.
Hinweis: Ca. 50 mL müssen alle Eisen (oxy) Hydroxide ausgefällt. Stellen Sie den pH-Wert auf 6 und pflegen Sie Agitation für 1 h bis zu stabilisieren.- Für Hg-versetzt (oxy) Hydroxide: bereiten Sie 10 mL HgNO3 bei 10 g L-1 und 350 µL (oxy) Hydroxid-Projektmappe hinzufügen.
Hinweis: Dies wird einen endgültigen Hg Inhalt in den nassen (oxy) Hydroxide von ~ 4 µg g-1 (oxy) Hydroxide Ausbeute. - Für als versetzt (oxy) Hydroxide: bereiten Sie 100 mL als2O325 bei 10 g L-1 und 70 mL der Eisenoxid Projektmappe hinzufügen. Dies ergibt einen endgültigen As(III) Inhalt von ~ 70 mg/g (oxy) Hydroxiden.
- Für Hg-versetzt (oxy) Hydroxide: bereiten Sie 10 mL HgNO3 bei 10 g L-1 und 350 µL (oxy) Hydroxid-Projektmappe hinzufügen.
- Unter Rühren mit einem Edelstahl-Laufrad oder Magnetrührer für 3 h zu verlassen und dann Zentrifuge für 20 min bei 2.000 x g. Überstand zu entfernen und wieder auszusetzen (oxy) Hydroxide in 500 mL Reinstwasser. Wiederholen Sie die Zentrifugation und spülen Schritte zweimal. Die Feuchte (oxy) Hydroxide (Feststoffe haben einen Feuchtigkeitsgehalt von 85-90 % WT) zu erholen und bei 4 ° C bis zur Verwendung aufbewahren.
- Sterilisieren Sie feucht Hg oder Eisenoxide als gespickt von Gamma-Strahlung mit einer minimalen absorbierten Strahlungsdosis 25 kGy.
- Hg zu kontrollieren und als (oxy) Hydroxide Inhalt
- Hg-Inhalt der Pellet-26zu bestimmen.
Hinweis: Wir fanden 3,90 ± 0,08 µg Hg g-1 solide. So wurde der Gesamtbetrag von Quecksilber hinzugefügt, um jede Spalte in den 18,3 g Eisenoxide 71,4 ± 1.51 µg. - Bestimmen Sie, wie Inhalte im Pellet. Verwenden Sie heiße Säure Mineralisierung (8 mL 5 N HCL für 4 h bei 50 ° C) und analysieren von Atomic Adsorption Spektrometrie (AAS).
Hinweis: Wir fanden 70 mg als g-1 fest. So war die Gesamtmenge der als hinzugefügt, um die Spalte in den 18,3 g Eisenoxide ~1.3 g.
- Hg-Inhalt der Pellet-26zu bestimmen.
3. bereiten Sie Silica-Gel und Sand Matrix
Hinweis: Eine lose Silica-Gel-Matrix wurde verwendet, um feine Eisenoxide, die Migration aus dem Sand/Eisenoxid-Gemisch unter den Wasserfluss zu stoppen. Die endgültige Gelmatrix war 6 % Silica-Gel, um keinen Block bilden, sondern nur locker die Oxide zu aggregieren.
- Bereiten Sie eine 10 %-Silica-Gel-Mischung durch Erhitzen 4 g von Kieselgel in 40 mL einer Lösung von 7 % KOH auf einer Herdplatte unter Rühren mit einer magnetischen Stir Bar bis aufgelöst.
- Fügen Sie 60 mL Reinstwasser dann abkühlen der Lösung auf ~ 20 ° C. Titrieren Sie schnell mit verdünnter Phosphorsäure (20 %) auf pH 7,5. Dann mischen Sie schnell die flüssigen Silica-Gel mit 320 g sterile Sand und die zuvor hinzugefügte 18,3 g Hg versetzt oder als versetzt Eisenoxide bevor es erstarrt.
- Die "jellified" Mischung durch Mischen mit einem Spatel brechen Sie auf und halten Sie vor der Verwendung steril in Schritt 4.
4. richten Sie die Spalte
- Verwenden Sie Glas Spalten mit einem Wassermantel Kühlsystem (Innenvolumen = 400 mL, Höhe = 30 cm, Durchmesser 3,5 cm) und fünf Kieselsäure Septen regelmäßig (alle 5 cm) entlang der Spalten, um entlang der Spalte probieren können.
- Schneiden Sie PTFE Schläuche (PTFE Int Ø 3 mm) um ausreichende Länge an Spalte zu- und Ablauf zu gewährleisten. Schließen Sie den Zufluss an peristaltische Schläuche, die wiederum an das Wasser/Medium angeschlossen ist.
- Sterilisieren Sie alle Materialien (Glas, Schlauch) durch Autoklavieren (1 h bei 110 ° C).
- Legen Sie die Spalte vertikal.
- Schließen Sie den Wassermantel an eine Wasserkühlung zur Aufrechterhaltung einer durchschnittlichen Temperatur von 20 ° C.
- Füllen Sie die Spalte von oben wie folgt:
-Eine Schicht aus feuchtem Steinwolle, solide Verlust zu vermeiden;
-320 g sterile Sand (Fontainebleau Sand, D50 = 209 µm);
-320 g sterile Sand gemischt mit 18,3 g hydratisiert amorphen Eisenoxide gespickt mit Hg oder wie (siehe Schritt 1) und Feste in einer 6 %-Silica-Gel-Matrix (siehe Schritt 2). - Spalte vertikal anbringen und anschließen Aszendenten fließen kontinuierlich N2 sprudelte sterile Reinstwasser bei niedriger Geschwindigkeit (~ 2 mL h-1).
- Decken Sie die Spalte mit Alufolie um vor Licht zu schützen.
Abbildung 1: Skizze und Foto der Spalte Setup. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Beispiel 1. Auswirkungen von Eisen Verringerung der Mobilität und Artbildung
Der As-Spalte direkt mit dem Grundwasser aus einer Website präsentiert eine As-Konzentration höher als der trinkenden Standards geimpft wurde (Bracieux, Loire et Cher, Frankreich). Grundwasser wurde abgetastet in sterile Flaschen und bis zur Verwendung bei 5 ° C gelagert. Die Spalte wurde von unten mit diesem Wasser, enthält natürliche endogene mikrobielle Gemeinschaft bei niedrigem Durchfluss gefüttert (2 mL h-1) um bakterielle Verbundenheit mit dem Sand zu erleichtern. Temperatur wurde zunächst bei 25 ° C um mikrobielles Wachstum begünstigen und gingen dann nach 54 Tagen kontinuierlichen Experiments auf 14 ° C, die die Temperatur des Grundwassers ist. Nach der ersten Impfung Schritt, vom Tag 0, Tag 17, Sulfat, Laktat und Hefe zu extrahieren eingeführt (bzw. 370 mg L-1, 830 mg L-1und 250 mg L-1) in das Kesselspeisewasser Sulfat Bioreduction aktivieren.
Beispiel 2. Auswirkungen der bakterielle Eisen- und Eisensulfat/Reduktion auf Hg Mobilität und Artbildung
Für dieses Experiment wurden zwei Spalten identisch eingerichtet. Der erste war mit einer Eisen-reduzierenden Bakteriengemeinschaft geimpft und Lieferumfang Molybdat (0,40 Mmol L-1), Sulfat-Reduktion zu hemmen und Glukose, Eisen-reduzierenden Bakterien (IRB Spalte) zu bevorzugen. Eine weitere Spalte war mit einem Sulfat-reduzierende Bakteriengemeinschaft beimpft und gefüttert mit Sulfat erstelle ich ein Sulfat, Verringerung der Zone in der sandigen unteren Hälfte der Spalte sowie Natrium Laktat als Substrat (SRB-Spalte).
Die beiden experimentellen vertikale Geräte wurden aus dem Boden, zunächst mit sterilen ultrareines Wasser, und dann mit Grundwasser, das durch Autoklavieren (121 ° C für 20 min) sterilisiert wurde gefüttert. Das Grundwasser wurde in einer Chloralkali-Hg kontaminiert Website (bezeichnet als Standort X da die Lage vertraulich ist) gesampelt. Eine peristaltische Pumpe diente und die Fütterung Durchflussmenge wurde bei 2,8 mL h-1. Vor der Impfung wurden Spalten zuerst für eine Woche mit Reinstwasser, einen Schritt gespült, in denen insgesamt aufgelöst Hg ([THg]D) und Gesamt gelöste Eisen ([TFe]D) wurden in den Abfluss überwacht. Als nächstes gefüttert wurden Spalten während einer Woche mit Standort X Sterilwasser, das Fehlen von abiotischen Quecksilber Mobilisierung zu überprüfen. Die Spalten wurden dann mit Standort X Wasser geändert mit Laktat und Sulfat (370 mg L-1 Natriumsulfat) und 830 mg L-1 Natrium Lactat für die SRB-Spalte, und mit Traubenzucker und Molybdat (10 g L-1 und 0,40 Mmol L-1) für gefüttert. die IRB-Spalte. Nach diesen vorläufigen abiotischen Schritten wurden 20 mL Inokulum in das einströmende Wasser jeder Spalte am 21. Tag injiziert.
Impfkulturen waren bereit, durch die Anreicherung der endogenen Bakteriengemeinschaft aus Hg-kontaminierten Standort X in speziellen Kulturmedien Begünstigung Sulfat-Reduktion oder Eisen-Reduktion. Die Vorbereitung der beiden Medien war zuvor beschriebenen27. Nach Reduktion von Sulfat und Eisen wurden bestätigt durch die Messung [SO42 -] / s2 -] und [Fe(III)]/[Fe(II)] in diese Bereicherungen, dienten sie der SRB und IRB Spalten bzw. zu impfen.
Ergebnisse aus der Quecksilber-Spalte-Experimente gibt es in Hellal Et al. (2015) 24.
Für diese Spalte Experiment auf Arsen Mobilität, das Verhalten im Laufe der Zeit die Konzentration in Sulfat [SO42 -], total gelöste Eisen (< 0,45 µm) [TFe]D, und total gelöste Arsen [TAs]D im Outlet Lösung sind in Abbildung 2Aund die Entwicklung dieser Elemente sowie pH-Wert und Eh entlang der Spalte Profil gegeben, nach 54 Tagen Inkubation in Abbildung 2 bgegeben sind.
Abbildung 2 . Überwachung der Spalte. (A) zeitliche Entwicklung [SO42 -], [TAs]Dund [TFe]D überwacht in der Spalte Outlet. (B) vertikale Spalte Profile für pH, Eh (Ref. Ag/AgCl) [SO42 -], [S2], [TAs]D, und [TFe]D nach 54 Tagen zu überwachen.
Nach zwei Wochen des kontinuierlichen Experimentierens mit Sulfat und Laktat im Feed verzeichneten ein schwarz gefärbten Niederschlag an der Schnittstelle zwischen den beiden Schichten aus Sand (Abb. 3A). Dieser schwarze Zone drangen nach und nach der oberen Eisen (oxy) Hydroxid-angereicherten Zone der Spalte (Abb. 3 b). Die gesamte obere Schicht war am Ende des Experiments (Tag 95), schwarz (Abbildung 3).
Abbildung 3: Veränderungen in den Aspekt der Hydroxid-Zone in die Spalte während des Experiments.
(A) die schwarze Zone erschien an der Schnittstelle (Tag 35), (B) die schwarze Ausscheidungen schrittweise erobert die Hydroxid-Zone (45 Tage), (C) die Hydroxid-Zone war ganz schwarz (Tag 65). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Nach 35 Tagen Dauerbetrieb wurde eine Abnahme der [SO42 -] in der Spalte Outlet, gefolgt von einem vorübergehenden Anstieg der [TFe]D in die 0,45, die µm filtriert Proben beobachtet. Ab 60. Tag war eine deutliche Steigerung der [TAs]D im Auslass Wasser gemessen. Ein Profil der physikalischen und chemischen Parameter entlang des experimentellen Systems erhielt am Tag 54, als die Sulfat-Reduktion deutlich aktiv war, mittels Stichproben durch die 5 Septen. Der pH-Wert nicht variieren, bleibt in der Nähe von pH 7 (von 7.00 bis 7,32) vom unteren zum oberen Rand der Spalte. Im Gegensatz dazu war das Redoxpotential deutlich anders in zwei Schichten (Abbildung 2 b), Darstellung der Werte in der Nähe von-400 mV (Ref. Ag/AgCl) in der unteren, Eisen entzogen, und die Erhöhung auf Werte in der Nähe von-200 mV (Ref.Ag/AgCl) obere eisenreiche Zone. In der Unterschicht aufgelöste Sulfid Konzentrationen in der Nähe von 20 mg L-1erreicht, dann sank auf Werte niedriger als 1 mg L-1 in der eisenreiche Zone. Die Sulfat-Konzentration verringerte sich weltweit in der Spalte als im Speisewasser; es verringerte sich jedoch stark an der Schnittstelle zwischen Eisen entzogen und eisenreiche Zonen. Arsen war der 0,45 µm filtriert Proben aus der oberen Zone, die As-dotierten Eisen (oxy) Hydroxide enthalten erkannt). Thio-Arsenat Arten wurden in der Nähe der Schnittstelle-Zone und den zwischengeschalteten Produkt der Sulfat-Reduktion nachgewiesen; Thiosulfat war in der unteren Schicht Eisen entzogen28.
Die Ergebnisse der Sulfat- und Thio-Arsenat Konzentration Profile zeigten einen Spitzenwert von Sulfat-Reduktion Tätigkeit an der Schnittstelle zwischen Eisen entzogen und eisenreiche Schichten. In der Eisen-reiche Schicht sollte die wahrscheinlich auftretenden Prozesse Fe Reduktion von gelösten Schwefelwasserstoff Fe(II), produzieren, die dann mit gelösten Sulfide als die schwarzen FeS mineralischen29herbeiführen würde. Einige Arsen zunächst verpflichtet, Eisen (oxy) Hydroxide hätten durch die Fe-Reduktion mobilisiert jedoch dann wieder auf die verbleibenden Eisen (oxy) Hydroxide adsorbiert, solange Adsorption Websites zur Verfügung standen. Mit fortschreitender schwarzen FeS vorne nach oben, erhöht die Menge der verfügbaren Adsorption Websites verringert und Arsenkonzentration im Wasser austritt. Die höheren Sulfat-reduzierende Aktivität, gemessen in der Nähe der Eisen-beraubt und eisenreiche Schnittstelle könnte durch den Verzehr von gelösten Schwefelwasserstoff durch Eisen erklärt werden; Da das Produkt ausgestellt von Sulfat-Reduktion konsumiert wurde, war diese Reaktion energetisch günstigere30. Dieses Phänomen wurde dank der Spalte Setup beobachtet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Das experimentelle Spalte Setup erwies sich als eine bequeme Laborgerät, anaerobe biogeochemische Prozesse im kontinuierlichen Bedingungen zu studieren. Kontinuierliche Spalte Systeme ermöglichen arbeiten unter Bedingungen näher, mit denen der realen Aquiferen als Gülle-Batch-Systeme oder Mikrokosmen. Kontinuierliche Systeme simuliert die Bewegung des Grundwassers durch Aquifer Sedimente.
Die wichtigste Schritt im Rahmen des Protokolls bereitet die TE-Eisen (oxy) Hydroxide und die Mischung mit Silica-Gel und Sand, die schnell erstellt werden, um eine homogene Textur zu erhalten muss. Jenseits dieser allgemeinen kritischen Schritt die Vorbereitung der Schadstoff-versetzt (oxy) Hydroxide muss sorgfältig geplant werden, um ein geeignetes Modell des natürlichen Systems darstellen studierte17.
Die Spalte wurde konzipiert, um Stichproben auf verschiedenen Ebenen, wodurch es Zugriff auf Profile von Physio-chemischen und biologischen Parametern ermöglichen. So kann das System mehrere Schichten gehören, die in Situ Heterogenitäten zu simulieren. Hier wurden Heterogenitäten der Eisenkonzentration in natürliche Grundwasserleiter simuliert; jedoch können andere Arten von mineralogischen Heterogenitäten untersucht werden, durch die Anpassung der Art der synthetischen Mineral in der Silica-Gel enthalten. Die Silica-Gel-Matrix verhindert effizient die Bewegung von feinen Partikeln von Eisen (oxy) Hydroxiden. In den gegebenen Beispielen die Spalten wurden mit natürlichen Mikroflora vom Grundwasser19geimpft, jedoch als die Spalte und alles, was die damit verbundenen Geräte sterilisiert werden kann, Experimente mit reinen Bakterienstämme angesehen werden können.
Die Grenzen der Technik sind die Größe der experimentellen Vorrichtung verbunden. Die Menge der Flüssigkeit, die aus jeder Probenahme Port abgetastet werden kann muss auf 5 mL (max.) beschränkt, da die Probenahme die Systeme Gleichgewicht stört. Das Ausmaß der Störung wird im Zusammenhang mit der Fütterung Durchfluss: für sehr geringe Fütterung Flussraten, die Störung wird größer sein als für höhere Durchflussraten. So schränkt die niedrigen Sampling-Lautstärke der Reihe von Messungen und Analysen, die ausgeführt werden können. Die Häufigkeit der Probenahme in Häfen Probenahme sollte auch die Spalte ein neues Gleichgewicht zwischen jeder Profil-Probenahme erreichen lassen. Aus ähnlichen Gründen muss die Probenahme aus festem Material über die Probenahme-Ports auf sehr kleine Mengen beschränkt. Eine weitere Einschränkung der Technik ist die Schwierigkeit, reproduzierbare Experimente in mehreren Spalten durchführen, da im kontinuierlichen Fütterungsbedingungen es sehr schwer wäre zu gleiche Bedingungen in parallele Geräte verwalten.
Die vorliegenden experimentellen Spalte Setup erfasst Daten in Bezug auf Phänomene, die in Aquiferen, die mit Hilfe von Batch-Bedingungen gewonnen werden können. Im Rahmen einer vollständigen Studie ist es, dass eine wesentliche Ergänzung zu klassischen Batch-Experimente, die ausgeführt werden können17,20repliziert.
Mögliche Anwendungen von diesem Versuchsaufbau sind die Aufklärung der biogeochemischen Prozesse induziert die Freisetzung von giftigen TEs (z. B.als Se) aus natürlichen geologischen Formationen und die Bewertung der Auswirkungen der anthropogenen Aktivitäten auf Diese Prozesse, wie z.B. die Eingabe von Nitrat oder Pflanzenschutzmittel im Grundwasser, zum Beispiel oder Schwankungen des Grundwasserspiegels. Die Spalten können auch in Tests Bioremediation Optionen31 für den biologischen Abbau von organischen Schadstoffen oder die Stabilisierung der anorganischen Verunreinigungen wie Hg nützlich sein.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde vom BRGM, einem Postdoc Stipendium der Conseil Général du Loiret und dem Carnot-Institute mitfinanziert. Wir anerkennen auch dankbar für das Zapfen-Projekt von der Région Centre - Val de Loire geleistete finanzielle Unterstützung.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Glass columns | Beaucaverre, France | Specific request | columns were composed of 3 separate pieces, the main column core with the cooling jacket and the 5 sampling ports (size GL14 with olive) and a top and bottom piece that fits to the main column body and is held in place with a silicone joint and screw (RIN F 40x38 & SVL 42). note: this design was discussed directly with the company. We recommend to find a local glazier. |
| Septa PTFE/silicone diameter 20 mm | Sigma-Aldrich | 508608 | |
| PTFE tubing ID 3 mm | VWR | 228-0745 | |
| Peristaltic pump | Dominique Dutsher SAS | 66493 | |
| Peristaltic pump tubing LMT 55 | VWR | 224-2250 | Tygon® LMT 55 |
| Fontainbleau sand D50=209 µm | SIBELCO, France | ||
| N2 for bubbling | Air Liquide, France | ||
| Gamma irradiation | Ionisos, Dagneux, France | ||
| Automatic Mercury Analyzer (AMA 254) | Courtage Analyses, France | ||
| Varian SpectrAA 300 Zeeman | Agilent | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| HNO3 Supra pur | VWR | 1.00441.1000 | Manufacturer: Merck |
| HCL 30% Supra pur | VWR | 1.00318.1000 | Manufacturer: Merck |
| Hg(NO3)2 | Merck | 516953 | |
| As2O3 | Merck | 202673 | |
| FeCl3-6H2O | Merck | 207926 | |
| silica gel | Sigma-Aldrich | 336815-500G |
References
- Oremland, R. S., Stolz, J. F. The Ecology of Arsenic. Science. 300 (5621), 939 (2003).
- Silver, S., Phung, L. T. Genes and enzymes involved in bacterial oxidation and reduction of inorganic arsenic. Appl Environ Microbiol. 71 (2), 599-608 (2005).
- Compeau, G. C., Bartha, R. Sulfate-Reducing Bacteria: Principal Methylators of Mercury in Anoxic Estuarine Sediment. Appl. Environ. Microbiol. 50, (1985).
- Fleming, E. J., Mack, E. E., Green, P. G., Nelson, D. C. Mercury Methylation from Unexpected Sources: Molybdate-Inhibited Freshwater Sediments and an Iron-Reducing Bacterium. Appl. Environ. Microbiol. 72 (1), 457-464 (2006).
- Barkay, T., Miller, S., Summers, A. Bacterial mercury resistance from atoms to ecosystems. FEMS Microbiol Rev. 27 (2-3), 355-384 (2003).
- Dixit, S., Hering, J. G. Comparison of arsenic(V) and arsenic(III) sorption onto iron oxide minerals: Implications for arsenic mobility. Environ. Sci. Technol. 37, (2003).
- Andersson, H. A. The Biochemistry of Mercury in the Environnment. Nriagu, J. O. , Elsevier. Amsterdam. 79-112 (1979).
- Khwaja, A., Bloom, P. R., Brezonik, P. L. Binding Constants of Divalent Mercury in Soil Humic Acids and Soil Organic. Environ. Sci. Technol. 40, (2006).
- Neculita, C. M., Zagury, G. J., Deschenes, L. Mercury Speciation in Highly Contaminated Soils from Chlor-Alkali Plants Using Chemical Extractions. J Environ Qual. 34 (1), (2005).
- Schuster, E. The behaviour of mercury in the soil with special emphasis on complexation and adsorption processes - a review of the literature. Water Air Soil pollut. 56 (56), 667-680 (1991).
- Wallschläger, D., Desai, M. V. M., Spengler, M., Windmöller, C. C., Wilken, R. D. How humic substances dominate mercury geochemistry in contaminated floodplain soils and sediments. J. Environ. Qual. 27 (5), (1998).
- Lovley, D. R. Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 55 (2), 259-287 (1991).
- Lovley, D. R., Kashefi, K., Vargas, M., Tor, J. M., Blunt-Harris, E. L. Reduction of humic substances and Fe(III) by hyperthermophilic microorganisms. Chem. Geol. 169 (3-4), 289-298 (2000).
- Hansel, C. M., et al. Structural constraints of ferric (hydr)oxides on dissimilatory iron reduction and the fate of Fe(II). Geochimica Cosmochimica Acta. 68, 3217-3229 (2004).
- Thamdrup, B., Fossing, H., Jørgensen, B. B. Manganese, iron and sulfur cycling in a coastal marine sediment Aarhus bay, Denmark. Geochim.Cosmochim. Acta. 58 (23), 5115-5129 (1994).
- Planer-Friedrich, B., London, J., McCleskey, R. B., Nordstrom, D. K., Wallschläger, D. Thioarsenates in Geothermal Waters of Yellowstone National Park: Determination, Preservation, and Geochemical. Environ. Sci. Technol. 41 (15), 5245-5251 (2007).
- Burnol, A., et al. Decoupling of arsenic and iron release from ferrihydrite suspension under reducing conditions: a biogeochemical model. Geochem. Trans. 8 (1), 12 (2007).
- Kocar, B. D., et al. Integrated biogeochemical and hydrologic processes driving arsenic release from shallow sediments to groundwaters of the Mekong delta. Appl. Geochem. 23 (11), (2008).
- Harris-Hellal, J., Grimaldi, M., Garnier-Zarli, E., Bousserrhine, N. Mercury mobilization by chemical and microbial iron oxide reduction in soils of French Guyana. Biogeochem. 103 (1), (2011).
- Islam, F. S., et al. Role of metal-reducing bacteria in arsenic release from Bengal delta sediments. Nature. 430, (2004).
- Schultz-Zunkel, C., Rinklebe, J., Bork, H. R. Trace element release patterns from three floodplain soils under simulated oxidized-reduced cycles. Ecol. Eng. 83, 485-495 (2015).
- Nickson, R. T., et al. Mechanisms of arsenic release to groundwater, bangladesh and West Bengal. App. Geochem. 15, 403-413 (2000).
- Varsanyi, I., et al. Arsenic, iron and organic matter in sediments and groundwater in the Pannonian basin, Hungary. App. Geochem. 21, 949-963 (2006).
- Hellal, J., et al. Mercury mobilization and speciation linked to bacterial iron oxide and sulfate reduction: A column study to mimic reactive transfer in an anoxic aquifer. J. Contam. Hydrol. 180, 56-68 (2015).
- Battaglia-Brunet, F., Dictor, M. C., Garrido, F., Crouzet, C., Morin, D., Dekeyser, K., Clarens, M., Baranger, P. An arsenic(III)-oxidizing bacterial population: selection, characterization, and performance in reactors. J Appl. Microbiol. 93 (2002), 656-667 (2002).
- Salvato, N., Pirola, C. Analysis of mercury traces by means of solid sample atomic absorption spectrometry. Microchim Acta. 123 (1), 63-71 (1996).
- Huguet, L. Caractérisation biogéochimique et potentiel de méthylation du mercure de biofilms en milieu tropical (retenue de Petit Saut et estuaire du Sinnamary, Guyane Française). . , Université Henry Poincaré - Nancy 1, Pages. (2009).
- Mamindy-Pajany, Y., et al. Arsenic in Marina Sediments from the Mediterranean Coast: Speciation in the Solid Phase and Occurrence of Thioarsenates. Soil Sed. Contam. 22, 984-1002 (2013).
- dos Santos Afonso, M., et al. Reductive dissolution of iron(III) (hydro)oxides by hydrogen sulfide. Langmuir. 8, 1671-1675 (1992).
- Postma, D., et al. Redox zonation: equilibrium constraints on the Fe(III)/SO4-reduction interface. Geochem Cosmochim. Acta. 60, 3169-3175 (1996).
- Kumar, N., et al. Sulfur and oxygen isotope tracing in zero valent iron based In situ remediation system for metal contaminants. Chemosphere. 90, 1366-1371 (2013).
