Environment

आयरन (ऑक्सी) Hydroxides, ट्रेस तत्वों, और बैक्टीरिया के बीच Anaerobic Biogeochemical इंटरैक्शन का अध्ययन करने के लिए प्रायोगिक कॉलम सेटअप

Published: December 19, 2017 doi: 10.3791/56240

Jennifer Hellal¹, André Burnol², Aude Locatelli^1,3, Fabienne Battaglia-Brunet¹

¹Environmental Biogeochemistry and Water Quality Unit, BRGM, ²Risks and Risk Prevention Division, BRGM, ³Egg Safety & Quality Research

Summary

भाग्य और aquifers में आर्सेनिक और पारा के speciation निकट फिजियो-रासायनिक स्थितियों और माइक्रोबियल गतिविधि से संबंधित हैं । यहां, हम एक मूल प्रयोगात्मक कॉलम सेटअप है कि एक aquifer नकल और anoxic स्थितियों में ट्रेस तत्व biogeochemistry की एक बेहतर समझ में सक्षम बनाता है प्रस्तुत करते हैं । दो उदाहरण प्रस्तुत कर रहे हैं, geochemical और सूक्ष्मजीवविज्ञानी दृष्टिकोण के संयोजन ।

Abstract

भाग्य और speciation तत्वों का पता लगाने (द्वीतीय), जैसे आर्सेनिक (के रूप में) और बुध (पारा), aquifers में redox क्षमता (एह) और पीएच जैसे फिजियो-रासायनिक स्थितियों से निकटता से संबंधित हैं, लेकिन यह भी माइक्रोबियल गतिविधियों है कि एक प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष भूमिका पर खेल सकते हैं speciation and/या गतिशीलता । दरअसल, कुछ बैक्टीरिया सीधे के रूप में ऑक्सीकरण कर सकते है (iii) के रूप में (v) या कम के रूप में (v) को (iii) के रूप में । इसी तरह, बैक्टीरिया दृढ़ता से पारा साइकिल चालन में शामिल हैं, या तो इसके मिथाइल के माध्यम से, neurotoxin monomethyl पारा बनाने, या इसकी कमी के माध्यम से मौलिक पारा डिग्री करने के लिए । दोनों के रूप में और पारा के भाग्य भी दृढ़ता से मिट्टी या aquifer संरचना से जुड़े हुए हैं; वास्तव में, के रूप में और पारा कार्बनिक यौगिकों या (ऑक्सी) hydroxides, जो उनकी गतिशीलता को प्रभावित करेगा को बांध कर सकते हैं । बदले में, बैक्टीरियल गतिविधियों जैसे आयरन (ऑक्सी) हीड्राकसीड कमी या कार्बनिक पदार्थ खनिज परोक्ष रूप से प्रभाव कर सकते है और पारा ज़ब्ती । सल्फेट/सल्फाइड की उपस्थिति भी दृढ़ता से इस तरह के रूप में या metacinnabar पारा के साथ thio-arsenates के रूप में परिसरों के गठन के माध्यम से इन विशेष तत्वों को प्रभावित कर सकते हैं ।

नतीजतन, कई महत्वपूर्ण सवाल भाग्य और पर्यावरण में और पारा के रूप में speciation और कैसे उनकी विषाक्तता सीमा पर उठाया गया है । हालांकि, aquifer घटकों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया के कारण, यह स्पष्ट रूप से अलग biogeochemical प्रक्रियाओं है कि और इन ते के भाग्य पर उनके विभिंन प्रभावों को उत्पंन करने के लिए मुश्किल है ।

ऐसा करने के लिए, हम एक मूल, प्रयोगात्मक, कॉलम सेटअप है कि के रूप में या पारा-लौह-ऑक्साइड अमीर क्षेत्रों बनाम लौह समाप्त क्षेत्रों के साथ एक aquifer नकल, anoxic स्थितियों में ते biogeochemistry की एक बेहतर समझ को सक्षम करने विकसित की है । निंनलिखित प्रोटोकॉल स्तंभ सेट अप के लिए या तो के रूप में या पारा, साथ ही साथ एक उदाहरण के लिए कदम निर्देश द्वारा कदम देता है के रूप में आयरन और सल्फेट को कम करने की शर्तों के तहत ।

Introduction

समझ और वातावरण में ट्रेस तत्व (ते) गतिशीलता और biogeochemistry की भविष्यवाणी के क्रम में निगरानी, विकास, और प्रदूषित साइटों के लिए उपयुक्त प्रबंधन निर्णय लागू करने के लिए आवश्यक है । यह विशेष रूप से आर्सेनिक (as) और पारा (पारा) जैसे विषाक्त द्वीतीय के मामले में लागू होता है । भाग्य और मिट्टी या aquifers में इन द्वीतीय के speciation बारीकी से फिजिको-रासायनिक स्थितियों, जैसे एह और पीएच के लिए, लेकिन यह भी माइक्रोबियल गतिविधियों है कि या तो speciation पर प्रत्यक्ष भूमिका या गतिशीलता पर एक अप्रत्यक्ष भूमिका निभा सकते हैं करने के लिए संबंधित हैं ।

दरअसल, कुछ बैक्टीरिया सीधे के रूप में ऑक्सीकरण कर सकते है (iii) के रूप में (v) या कम के रूप में (v) को (iii) के रूप में । यह विषाक्तता के रूप में प्रभावित करता है, क्योंकि के रूप में (iii) के रूप में सबसे विषाक्त रूप है, और गतिशीलता, के रूप में (iii) से अधिक मोबाइल के रूप में (V), जो आसानी से लौह (ऑक्सी) hydroxides या कार्बनिक पदार्थ¹^,²adsorb कर सकते हैं । इसी तरह, बैक्टीरिया दृढ़ता से पारा साइकिल चालन में शामिल हैं, या तो इसके मिथाइल के माध्यम से, मुख्य रूप से सल्फेट और आयरन को कम करने बैक्टीरिया³^,⁴, neurotoxin monomethyl पारा बनाने (आसानी से खाद्य श्रृंखला में जमा), या अस्थिर प्राथमिक पारा (पारा °)⁵के लिए अपनी कमी के माध्यम से ।

दोनों के रूप में और पारा भाग्य भी दृढ़ता से मिट्टी या aquifer संरचना से जुड़े हुए हैं, जैसे कार्बनिक पदार्थ या लौह (ऑक्सी) hydroxides के रूप में यौगिकों उनके ज़ब्ती और जैव उपलब्धता को प्रभावित कर सकते हैं । के रूप में (V) adsorbs अच्छी तरह से आयरन (ऑक्सी) hydroxides⁶, जबकि पारा कार्बनिक पदार्थ के लिए एक बहुत ही उच्च समानता है (ओम; मुख्य रूप से thiol समूहों के लिए) लेकिन यह भी कोलाइडयन आयरन या मैंगनीज (ऑक्सी) hydroxides के लिए ओम समाप्त वातावरण में⁷^,⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹.

बैक्टीरियल गतिविधियों तो लौह (ऑक्सी) hydroxides या कार्बनिक पदार्थ की खनिज की कमी के माध्यम से (ऑक्सी) hydroxides या कार्बनिक पदार्थ द्वीतीय adsorbed के भाग्य को प्रभावित कर सकते हैं । प्रत्यक्ष जीवाणुओं द्वारा आयरन की कमी सल्फर समाप्त क्षेत्र में आयरन की कमी के लिए प्रमुख मार्ग है¹²^,¹³, fe (iii) एक टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता के रूप में इस्तेमाल किया जा रहा है, जबकि परोक्ष रूप से, fe (iii) सल्फाइड द्वारा fe (द्वितीय) को कम किया जा सकता है एक बैक्टीरियल सल्फेट कमी¹⁴द्वारा गठित । इसके अलावा, सल्फेट की उपस्थिति भी पारा को संशोधित कर सकते है और इस तरह के thio के रूप में परिसर के गठन के माध्यम से speciation के रूप में-arsenates¹⁵ के साथ के रूप में या metacinnabar पारा के साथ ।

इस प्रकार, ऐसे पारा और के रूप में, ते के भाग्य पर लौह और सल्फेट साइकिल चालन के प्रभाव की एक बेहतर समझ हमें दूषित साइटों को बेहतर प्रबंधन और मिट्टी और पानी की गुणवत्ता बनाए रखने में मदद कर सकता है । डेटा मौजूदा धातु-गतिशीलता मॉडल को सुदृढ़ करने में भी योगदान दे सकता है । माइक्रोबियल Fe (III)-कमी¹⁶^,¹⁷^,¹⁸ ते की desorption पैदा कर सकता है । सैद्धांतिक रूप से, सल्फेट की माइक्रोबियल कमी द्वारा उत्पादित सल्फाइड द्वारा लौह (ऑक्सी) hydroxides की अप्रत्यक्ष कमी भी ते गतिशीलता को प्रभावित कर सकता है । हालांकि, हद और इन प्रतिक्रियाओं की कैनेटीक्स आम तौर पर बैच समरूप सिस्टम या बैच microcosms¹⁶^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰में अध्ययन किया जाता है । बैच प्रयोगों की खामी होने से होने वाली घटनाएं पृथक्करण की कमी है; दरअसल, गतिविधि पर आधारित है और बैच में मौजूद संसाधनों द्वारा सीमित है और केवल speciation और सोखना में बदलाव का एक अंतिम परिणाम देता है । एक कॉलम दृष्टिकोण का उपयोग कर प्रवाह मीडिया के नवीकरण और समय और स्थान पर ते के भाग्य की निगरानी में सक्षम बनाता है । इन शर्तों को और अधिक यथार्थवादी जब एक aquifer, जहां असली घटनाएं बारीकी से लगातार चूना की स्थिति से जुड़े हुए है की तुलना में हैं । इसके अलावा, विषम लौह (ऑक्सी) aquifer तलछट में हीड्राकसीड घटना आम है²¹^,²³, और ठोस चरणों की mineralogical और रासायनिक संरचना में स्थानिक परिवर्तन निश्चित रूप से माइक्रोबियल गतिविधियों ड्राइव .

इन heterogeneities के प्रभाव को भू-माइक्रोबियल संघटना और लौह-संबद्ध ते के भाग्य पर स्पष्ट करने के लिए, हमने एक प्रयोगशाला, एक सरलीकृत मॉडल aquifer का प्रतिनिधित्व करने वाला एक निरंतर-फेड स्तंभ विकसित किया । कॉलम में एक लौह-समाप्त क्षेत्र स्तंभ प्रवेश द्वार और शीर्ष पर एक लौह-समृद्ध क्षेत्र बनाने के लिए भरा है । नियमित नमूना बंदरगाहों प्रत्येक क्षेत्र के रूप में अच्छी तरह से इंटरफेस से जुड़े घटना का अध्ययन करने के लिए हमें सक्षम करें । पारा भाग्य और speciation के अध्ययन के लिए इस प्रायोगिक उपकरण के आवेदन का एक उदाहरण पहले से ही²⁴उपलब्ध है । यहां हम प्रयोगात्मक सेटअप और अपने आवेदन का एक दूसरा उदाहरण दूषित aquifers में के रूप में के व्यवहार पर ध्यान केंद्रित का एक विस्तृत विवरण दे ।

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Protocol

1. प्रायोगिक तैयारी

एसिड-धो सभी सामग्री (ग्लास, polytetrafluoroethylene (PFTE)) नमूनों के साथ संपर्क में (5 दिनों में 20% नाइट्रिक एसिड (िनॉ₃) v/इसके बाद 5 दिनों में हाइड्रोक्लोरिक एसिड (HCl) 10% v/ कुल्ला अल्ट्रा के साथ कई बार शुद्ध पानी और सूखी एक लामिना प्रवाह हूड के तहत उपयोग करने से पहले ।
पॉलीथीन दस्ताने का प्रयोग करें (या इसी तरह) और सभी रसायनों को शामिल कदम के लिए एक धुएं डाकू ।

2. पारा तैयार है और के रूप में अमली आयरन आक्साइड नुकीला

तैयार लगभग 20 जी के ferryhydrate (Fe (OH)₃): विच्छेदन ५० जी के FeCl₃-6H₂ओ में ५०० मिलीलीटर अल्ट्रा शुद्ध पानी (प्रतिरोधकता & #62; 18 MΩ सेमी^-1) एक स्टेनलेस स्टील के साथ एक गिलास रिएक्टर में आंदोलन के तहत उत्तेजित देनेवाला या चुंबकीय उत्तेजक. प्रारम्भिक पीएच & #60; 2 है ।
मैन्युअल रूप से एक समाधान जोड़ें 10 M NaOH हाला ferryhydrate.
नोट: लगभग ५० मिलीलीटर सभी आयरन (ऑक्सी) hydroxides को हाला की आवश्यकता होगी । 6 के लिए पीएच समायोजित करें और स्थिर करने के लिए 1 ज के लिए आंदोलन को बनाए रखने ।
1. पारा-नुकीला (ऑक्सी) hydroxides के लिए: 10 g l^-1 पर HgNO₃ के 10 मिलीलीटर तैयार करें और ३५० µ l को (ऑक्सी) हीड्राकसीड समाधान जोड़ें ।
  नोट: यह गीला (ऑक्सी) hydroxides में एक अंतिम पारा सामग्री निकलेगा ~ 4 µ जी जी^-1 (ऑक्सी) hydroxides.
2. के लिए के रूप में नुकीला (ऑक्सी) hydroxides: १०० एमएल के रूप में₂O₃²⁵ पर 10 ग्राम एल^-1 और आयरन ऑक्साइड समाधान के लिए ७० मिलीलीटर जोड़ें तैयार । यह एक अंतिम के रूप में निकलेगा (III) की सामग्री ~ ७० mg/g (ऑक्सी) hydroxides.
3 घंटे के लिए एक स्टेनलेस स्टील उत्तेजित देनेवाला या चुंबकीय सरगर्मी के साथ आंदोलन के तहत छोड़ दो और फिर २,००० एक्स जी में 20 मिनट के लिए केंद्रापसारक supernatant निकालें और पुनः निलंबित (ऑक्सी) hydroxides अल्ट्रा शुद्ध पानी की ५०० मिलीलीटर में । इस केंद्रापसारक और कुल्ला कदम दो बार दोहराएं । आर्द्र (ऑक्सी) hydroxides (ठोस 85-90% wt की नमी सामग्री है.) और 4 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर का उपयोग करने तक पुनर्प्राप्त करें ।
आर्द्र पारा या के रूप में नुकीला आयरन आक्साइड गामा विकिरण द्वारा, 25 kGy के एक न्यूनतम अवशोषित विकिरण खुराक के साथ निष्फल ।
नियंत्रण पारा और के रूप में (ऑक्सी) hydroxides सामग्री
1. निर्धारित गोली की पारा सामग्री²⁶।
  नोट: हमने पाया ३.९० ± ०.०८ µ जी पारा जी^-1 ठोस । इस प्रकार लौह आक्साइड के १८.३ ग्राम में प्रत्येक स्तम्भ में जोड़े गए पारे की कुल राशि ७१.४ ± १.५१ µ ग्राम थी ।
2. गोली में सामग्री के रूप में निर्धारित करें । गर्म एसिड खनिज का प्रयोग करें (5 एन एचसीएल के 8 एमएल ५० डिग्री सेल्सियस पर 4 एच के लिए) और परमाणु सोखना स्पेक्ट्रोमेट्री (आस) द्वारा विश्लेषण ।
  नोट: हमने पाया ७० जी के रूप में मिलीग्राम^-1 ठोस । इस प्रकार, आयरन आक्साइड के १८.३ ग्राम में कॉलम में जोड़ा गया के रूप में की कुल राशि ~ १.३ ग्राम था ।

3. सिलिका जेल और रेत मैट्रिक्स तैयार

नोट: एक ढीला सिलिका जेल मैट्रिक्स पानी के प्रवाह के तहत रेत/आयरन ऑक्साइड मिश्रण से पलायन ठीक आयरन आक्साइड को रोकने के लिए इस्तेमाल किया गया था । अंतिम जेल मैट्रिक्स 6% सिलिका जेल तो के रूप में एक ब्लॉक बनाने के लिए, लेकिन सिर्फ ढीले कुल आक्साइड के लिए नहीं था ।

एक गर्म थाली पर 7% KOH के एक समाधान के ४० मिलीलीटर में सिलिका जेल के 4 जी हीटिंग द्वारा एक 10% सिलिका जेल मिश्रण तैयार, भंग जब तक एक चुंबकीय हलचल पट्टी के साथ क्रियाशीलता ।
अल्ट्रा शुद्ध पानी की ६० मिलीलीटर तो ~ 20 डिग्री सेल्सियस के लिए समाधान शांत जोड़ें । जल्दी से पतला फास्फोरस एसिड के साथ अनुमापन (20%) पीएच ७.५ के लिए । फिर जल्दी से तरल सिलिका जेल बाँझ रेत के ३२० जी के साथ मिश्रण और पारा नुकीला या के रूप में नुकीला लोहे आक्साइड के पहले जोड़ा १८.३ जी यह जम जाता है ।
एक रंग के साथ मिश्रण और 4 चरण में उपयोग करने से पहले बाँझ रखने के द्वारा "jellified" मिश्रण को तोड़ने.

4. स्तंभ सेटअप

एक पानी जैकेट शीतलन प्रणाली के साथ ग्लास कॉलम का प्रयोग करें (आंतरिक मात्रा = ४०० मिलीलीटर, ऊंचाई = 30 सेमी, व्यास ३.५ सेमी) और पांच सिलिका सेपता स्तंभों के साथ नियमित रूप से सेट (हर 5 सेमी) आप सभी कॉलम के साथ नमूना करने के लिए सक्षम करने के लिए ।
कट PTFE टयूबिंग (PTFE int Ø 3 मिमी) स्तंभ प्रवेश और आउटलेट पर पर्याप्त लंबाई सुनिश्चित करने के लिए । सिकुड़नेवाला टयूबिंग के लिए बहिर्वाह कनेक्ट, जो बारी में पानी से जुड़ा है/
autoclaving (११० डिग्री सेल्सियस पर 1 एच) द्वारा सभी सामग्री (ग्लास, टयूबिंग) निष्फल ।
स्तंभ अनुलंब रूप से अनुलग्न करें ।
20 डिग्री सेल्सियस के एक औसत तापमान बनाए रखने के लिए एक पानी ठंडा प्रणाली के लिए पानी की जैकेट से कनेक्ट करें ।
इस रूप में शीर्ष से स्तंभ भरें:
-नम रॉक ऊन की एक परत ठोस नुकसान से बचने के लिए;
-३२० बाँझ रेत के जी (फॉनटेनब्लियू रेत, डी_५० = २०९ µm);
-१८.३ जी के साथ मिश्रित बाँझ रेत के ३२० जी हाइड्रेटेड अमली आयरन आक्साइड पारा के साथ या तो नुकीला या के रूप में (चरण 1 देखें) और एक 6% सिलिका जेल मैट्रिक्स में तय (चरण 2 देखें).
स्तंभ अनुलंब रूप से अनुलग्न करें और कम वेग (~ 2 mL h^-1) पर लगातार N₂ bubbled ultrapure बाँझ पानी के बुलंद प्रवाह से कनेक्ट करें ।
एल्यूमीनियम पंनी के साथ कॉलम को कवर करने के लिए प्रकाश से बचाने के ।

चित्र 1: स्केच और कॉलम सेटअप की तस्वीर. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Representative Results

उदाहरण 1. के रूप में गतिशीलता और speciation के आयरन की कमी का प्रभाव

के रूप में कॉलम सीधे एक पीने के मानकों से अधिक एकाग्रता के रूप में पेश एक साइट से भूजल के साथ inoculated था (Bracieux, लॉयर एट चर, फ्रांस) । भूजल बाँझ बोतलों में नमूना था, और उपयोग करने तक 5 डिग्री सेल्सियस पर संग्रहीत । स्तंभ इस पानी के साथ नीचे से खिलाया गया था प्राकृतिक अंतर्जात माइक्रोबियल समुदाय युक्त एक कम प्रवाह दर (2 मिलीलीटर एच^-1) में आदेश रेत के लिए बैक्टीरियल लगाव को सुविधाजनक बनाने के लिए । तापमान माइक्रोबियल विकास के पक्ष में शुरू में 25 डिग्री सेल्सियस पर तय किया गया था और फिर कमी आई, निरंतर प्रयोग के ५४ दिनों के बाद, 14 डिग्री सेल्सियस, जो aquifer का तापमान है । प्रारंभिक टीका कदम के बाद, दिन से 0 17 दिन, सल्फेट, स्तनपान, और खमीर निकालने के लिए (क्रमशः ३७० मिलीग्राम एल^-1, ८३० मिलीग्राम एल^-1, और २५० मिलीग्राम एल^-1) खिला पानी में शुरू की गई सल्फेट को सक्रिय करने के लिए कमी ।

उदाहरण 2. पारा गतिशीलता और speciation पर बैक्टीरियल आयरन और आयरन/सल्फेट कमी का प्रभाव

इस प्रयोग के लिए दो कॉलमों का सेटअप हूबहू था । पहले एक लोहे के साथ inoculated था बैक्टीरियल समुदाय को कम करने और दोनों molybdate के साथ आपूर्ति (०.४० mmol एल^-1), सल्फेट कमी को बाधित करने के लिए, और ग्लूकोज, लोहे को कम करने बैक्टीरिया (आईआरबी कॉलम) एहसान. एक और कॉलम एक सल्फेट को कम करने के साथ inoculated था बैक्टीरियल समुदाय और सल्फेट के साथ तंग आ गया एक सल्फेट को कम करने के लिए कॉलम के रेतीले निचले आधे में क्षेत्र के रूप में अच्छी तरह से एक सब्सट्रेट (SRB कॉलम) के रूप में सोडियम स्तनपान ।

दो प्रयोगात्मक ऊर्ध्वाधर उपकरणों नीचे से खिलाया, पहले बाँझ अल्ट्रा शुद्ध पानी के साथ, और फिर भूजल कि autoclaving द्वारा निष्फल गया था के साथ थे (१२१ ° c 20 मिनट के लिए). इस भूजल एक chlor-क्षार पारा प्रदूषित साइट में नमूना था (स्थान गोपनीय है के बाद से साइट एक्स के रूप में संदर्भित) । एक सिकुड़नेवाला पंप का उपयोग किया गया और खिला प्रवाह-दर २.८ एमएल एच^-1पर सेट किया गया था । टीका से पहले, कॉलम पहले एक सप्ताह के लिए अति शुद्ध पानी के साथ कुल्ला किया गया, एक कदम है जिसके दौरान कुल भंग पारा ([THg]_घ) और कुल भंग लोहा ([TFe]_d) बहिर्वाह में नजर रखी गई । अगले, कॉलम बाँझ साइट एक्स पानी के साथ एक सप्ताह के दौरान खिलाया अजैव पारा जुड़ाव के अभाव की जांच कर रहे थे । कॉलम तो साइट एक्स स्तनपान और सल्फेट के साथ संशोधित पानी (३७० मिलीग्राम एल^-1 सोडियम सल्फेट और ८३० मिलीग्राम एल के साथ खिलाया गया^-1 सोडियम स्तनपान के) SRB कॉलम के लिए, और ग्लूकोज और molybdate के साथ (10 ग्राम एल^-1 और ०.४० mmol एल^-1) के लिए आईआरबी कॉलम । इन प्रारंभिक अजैव चरणों के बाद, इनोक्युलम के 20 मिलीलीटर 21 दिन पर प्रत्येक स्तंभ के प्रवाहित पानी में इंजेक्शन थे ।

Inocula पारा से अंतर्जात बैक्टीरियल समुदाय को समृद्ध द्वारा तैयार किया गया था विशिष्ट संस्कृति या तो सल्फेट कमी या आयरन की कमी एहसान मीडिया में साइट एक्स दूषित । दोनों मीडिया की तैयारी पहले²⁷बताई गई थी । एक बार सल्फेट और आयरन की कमी को मापने के द्वारा पुष्टि की गई [SO₄^2-] s^2-] और [fe (III)]/[fe (II)] इन संवर्धनों में इनका इस्तेमाल क्रमशः SRB और आईआरबी कॉलम लगाना के लिए किया जाता था ।

बुध कॉलम प्रयोगों से परिणाम नरक एट अल में उपलब्ध हैं । (२०१५) ²⁴.

आर्सेनिक गतिशीलता पर इस स्तंभ प्रयोग के लिए, सल्फेट में सांद्रता का समय के साथ व्यवहार [SO₄^2-], कुल भंग लौह (& #60; ०.४५ µm) [TFe]_D, और कुल भंग आर्सेनिक [स्क]_डी आउटलेट में समाधान चित्रा 2aमें दिया जाता है, और इन तत्वों के विकास के रूप में अच्छी तरह के रूप में पीएच और एह कॉलम प्रोफ़ाइल के साथ ५४ के बाद मशीन के दिन आंकड़ा बीमें दिया जाता है ।

चित्र 2 . स्तंभ की निगरानी । (एक) के लौकिक विकास [तो₄^2-], [स्क]_डी, और [TFe]_डी स्तंभ आउटलेट पर नजर रखी । (B) पीएच के लिए अनुलंब स्तंभ प्रोफ़ाइल, एह (Ref. Ag/AgCl), [तो₄^2-], [S^2-], [स्क]_D, and [TFe]_D ५४ के बाद निगरानी के दिन ।

इस फ़ीड में सल्फेट और स्तनपान के साथ निरंतर प्रयोग के दो सप्ताह के बाद, एक काले रंग का वेग रेत के दो परतों (चित्र 3ए) के बीच इंटरफेस पर मनाया गया । इस काले क्षेत्र में उत्तरोत्तर शीर्ष लौह (ऑक्सी) स्तंभ (चित्र बी) के हीड्राकसीड-समृद्ध क्षेत्र पर आक्रमण किया । प्रयोग के अंत में (दिन ९५), पूरी ऊपरी परत काला था (चित्रा 3सी).

चित्र 3: प्रयोग के दौरान स्तंभ में हीड्राकसीड ज़ोन के पहलू में परिवर्तन.
(क) ब्लैक ज़ोन इंटरफेस (दिवस ३५) पर दिखाई दिया, (ख) काले उत्तरोत्तर हीड्राकसीड क्षेत्र (दिन ४५) पर हमला किया, (ग) हीड्राकसीड क्षेत्र पूरी तरह से काला (दिन ६५) था । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

लगातार चलने के ३५ दिनों के बाद, [तो₄^2-] में एक कमी कॉलम आउटलेट पर मनाया गया था, [TFe]_डी की एक परिवर्तनीय वृद्धि के बाद ०.४५ µm निस्पंदन नमूनों में । ६० दिन से, आउटलेट पानी में [स्क]_D की एक महत्वपूर्ण वृद्धि मापी गई थी. प्रयोगात्मक प्रणाली के साथ शारीरिक और रासायनिक मापदंडों का एक प्रोफ़ाइल ५४ दिन पर प्राप्त किया गया था, जब सल्फेट-कमी स्पष्ट रूप से सक्रिय था, द्वारा 5 सेपता के माध्यम से नमूने । पीएच भिंन नहीं था, पीएच 7 के करीब शेष (७.०० से ७.३२) के लिए नीचे से कॉलम के ऊपर है । इसके विपरीत, redox क्षमता दो परतों में स्पष्ट रूप से अलग था (चित्रा बी), नीचे के मूल्यों को पेश करने के लिए-४०० mv (ref. Ag/AgCl) नीचे, लोहे से वंचित है, और मूल्यों को बढ़ाने के करीब-२०० एमवी (रेफरी ।Ag/AgCl) शीर्ष आयरन युक्त क्षेत्र में । नीचे की परत में, भंग सल्फाइड 20 मिलीग्राम एल के करीब पहुंच सांद्रता^-1, तो लोहे के अमीर क्षेत्र में 1 मिलीग्राम एल^-1 से कम मूल्यों में कमी आई । सल्फेट एकाग्रता में फ़ीड पानी की तुलना में कॉलम में वैश्विक रूप से कम था; हालांकि, यह लोहे से वंचित और आयरन युक्त क्षेत्रों के बीच इंटरफेस में तेजी से कमी आई । आर्सेनिक का पता लगाया गया था ०.४५ µm फ़िल्टर्ड नमूनों में से ऊपरी क्षेत्र है, कि के रूप में नुकीला लोहा (ऑक्सी) hydroxides) । Thio-arsenate प्रजातियों के इंटरफेस क्षेत्र के करीब का पता लगाया गया, और सल्फेट-कमी के मध्यस्थ उत्पाद; thiosulfate नीचे लौह-वंचित परत²⁸में मौजूद था ।

सल्फेट और thio के परिणाम-arsenate एकाग्रता प्रोफाइल लोहे से वंचित और आयरन युक्त परतों के बीच अंतरफलक पर सल्फेट में कमी गतिविधि के एक चोटी का संकेत दिया । लौह-अमीर परत में, सबसे अधिक संभावना उत्पंन प्रक्रियाओं fe (III) भंग सल्फाइड द्वारा कमी fe (द्वितीय) है, जो तब काले FeS खनिज के रूप में भंग सल्फाइड के साथ हाला होगा उत्पादन होना चाहिए²⁹। कुछ आर्सेनिक शुरू में लोहे के लिए बाध्य (ऑक्सी) hydroxides Fe (III) में कमी है लेकिन फिर पुनः adsorbed शेष लौह (ऑक्सी) hydroxides के रूप में जब तक सोखना साइटों के रूप में उपलब्ध थे पर जुटाए जा सकता है । के रूप में काले FeS सामने ऊपर की ओर बढ़े, उपलब्ध सोखना साइटों की मात्रा में कमी आई है और आर्सेनिक एकाग्रता आउटलेट पानी में वृद्धि हुई । उच्च सल्फेट को कम करने गतिविधि, लोहा से वंचित और आयरन युक्त अंतरफलक के पास मापा, लोहे से भंग सल्फाइड के उपभोग के द्वारा समझाया जा सकता है; चूंकि सल्फेट-कमी से जारी उत्पाद का उपभोग किया जा रहा था, यह प्रतिक्रिया ऊर्जावान रूप से अधिक अनुकूल थी³⁰. इस घटना के कॉलम सेटअप करने के लिए धंयवाद मनाया गया ।

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Discussion

प्रायोगिक कॉलम सेटअप सतत स्थितियों में anaerobic biogeochemical प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एक सुविधाजनक प्रयोगशाला उपकरण साबित हुआ । लगातार कॉलम सिस्टम की स्थिति में काम करने की अनुमति असली aquifers के उन लोगों के लिए करीब गारा बैच प्रणालियों या microcosms से । सतत प्रणालियों aquifer तलछट के माध्यम से भूजल के आंदोलन अनुकरण कर सकते हैं ।

प्रोटोकॉल के भीतर सबसे महत्वपूर्ण कदम ते आयरन (ऑक्सी) hydroxides और सिलिका जेल और रेत के साथ मिश्रण तैयार कर रहा है, जो एक समरूप बनावट प्राप्त करने के लिए जल्दी से बनाया जा करने की जरूरत है । इस सामांय महत्वपूर्ण कदम से परे, प्रदूषक-नुकीला (ऑक्सी) hydroxides की तैयारी को सावधानीपूर्वक तैयार किया जाना है ताकि प्राकृतिक प्रणाली के एक उपयुक्त मॉडल का¹⁷अध्ययन किया जा सके ।

कॉलम के लिए विभिंन स्तरों पर नमूने की अनुमति की कल्पना की थी, इस प्रकार फिजियो के प्रोफाइल के लिए उपयोग-रासायनिक और जैविक मापदंडों दे रही है । इस प्रकार, प्रणाली कई परतों कि सीटू heterogeneities में अनुकरण शामिल कर सकते हैं । यहाँ, प्राकृतिक aquifers में लौह एकाग्रता का heterogeneities अनुकरणीय था; हालांकि, mineralogical heterogeneities के अंय प्रकार के सिंथेटिक खनिज सिलिका जेल में शामिल के प्रकार के अनुकूल द्वारा अध्ययन किया जा सकता है । सिलिका जेल मैट्रिक्स कुशलतापूर्वक लौह (ऑक्सी) hydroxides के ठीक कणों के आंदोलन को रोका । दिए गए उदाहरणों में कॉलम भू-जल से प्राकृतिक माइक्रोफ्लोरा से inoculated गए थे^१९, तथापि, स्तंभ के रूप में और सभी संबद्ध उपकरणों को निष्फल किया जा सकता है, शुद्ध जीवाणु उपभेदों के साथ प्रयोगों पर विचार किया जा सकता है.

तकनीक की सीमाएं प्रायोगिक उपकरण के आकार से जुड़ी हैं । तरल पदार्थ है कि प्रत्येक नमूना बंदरगाह से नमूना किया जा सकता है की मात्रा 5 मिलीलीटर तक सीमित होना चाहिए (अधिकतम) क्योंकि नमूना सिस्टम संतुलन बाधित । व्यवधान की भयावहता को खिलाने के प्रवाह-दर से संबंधित होगा: बहुत कम खिला प्रवाह दरों के लिए, व्यवधान उच्च प्रवाह-दरों की तुलना में अधिक होगा । इस प्रकार, कम नमूना मात्रा माप और विश्लेषण कि प्रदर्शन किया जा सकता है की सीमा सीमा । नमूना बंदरगाहों में नमूने की आवृत्ति भी कॉलम प्रत्येक प्रोफ़ाइल नमूना लेने के बीच एक नया संतुलन तक पहुँचने के लिए सीमित किया जाना चाहिए. इसी तरह के कारणों के लिए, नमूना बंदरगाहों के माध्यम से ठोस सामग्री का नमूना बहुत छोटी मात्रा तक सीमित होना चाहिए । तकनीक की एक और सीमा कई कॉलम में प्रतिलिपि प्रयोगों प्रदर्शन की कठिनाई है, के बाद से लगातार खिला शर्तों यह बहुत समानांतर उपकरणों में समान स्थितियों को बनाए रखने के लिए मुश्किल होगा में ।

वर्तमान प्रायोगिक कॉलम सेटअप aquifers में होने वाली घटनाओं से संबंधित डेटा प्राप्त करता है जिसे बैच शर्तों का उपयोग करके प्राप्त नहीं किया जा सकता है । एक पूर्ण अध्ययन के फ्रेम में, यह एक महत्वपूर्ण शास्त्रीय बैच प्रयोगों है कि¹⁷^,²⁰प्रतिकृति में प्रदर्शन किया जा सकता है के लिए पूरक है ।

इस प्रयोगात्मक सेटअप के संभावित अनुप्रयोगों biogeochemical विषाक्त द्वीतीय की रिहाई उत्प्रेरण प्रक्रियाओं की elucidation शामिल हैं (उदा., के रूप में, एसई) प्राकृतिक भूवैज्ञानिक संरचनाओं से और पर anthropogenic गतिविधियों के प्रभाव का मूल्यांकन इन प्रक्रियाओं, जैसे भूजल में नाइट्रेट या कीटनाशकों का एक इनपुट, उदाहरण के लिए, या भूजल स्तर के उतार चढ़ाव । कॉलम भी जैविक प्रदूषक या पारा जैसे अकार्बनिक पदार्थों के स्थिरीकरण के biodegradation के लिए³¹ जैव उपचारात्मक विकल्प के परीक्षण में उपयोगी हो सकता है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह काम BRGM, Conseil Général ड्यू Loiret और कार्नो इंस्टिट्यूट से एक postdoctoral ग्रांट द्वारा वित्त पोषित सह था । हम यह भी कृतज्ञता Région केंद्र द्वारा धुरी परियोजना के लिए प्रदान की वित्तीय सहायता स्वीकार करते है-वैल डी लॉयर ।

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