用于研究铁 (氧) 氢氧化物、微量元素和细菌之间厌氧生物地球化学相互作用的实验柱装置
Summary
含水层中砷和汞的命运和形态与生理-化学条件和微生物活动密切相关。在这里, 我们提出了一个原始的实验柱设置, 模拟一个含水层, 并使更好地了解在缺氧条件下的痕量元素地球化学。结合地球化学和微生物方法, 提出了两个实例。
Abstract
含水层中的砷 (as) 和汞 (汞) 等微量元素的命运和形态与物理化学条件密切相关, 如氧化还原电位 (Eh) 和 pH 值, 但也与可直接或间接作用于生物的微生物活动有关形态和/或移动性。的确, 有些细菌可以直接氧化为 (iii) 至 as (v) 或减少为 (v) 至 as (iii)。同样, 细菌也强烈参与汞循环, 无论是通过其甲基化, 形成神经毒素单汞, 或通过其还原为元素 Hg°。砷和汞的命运也与土壤或含水层组成密切相关;事实上, 砷和汞可以结合到有机化合物或 (氧) 氢氧化物, 这将影响它们的流动性。反过来, 细菌活动, 如铁 (氧) 氢氧化还原或有机质矿化可以间接影响和汞螯合物。硫酸盐/硫化物的存在也能强烈地影响这些特定的元素, 通过形成诸如硫砷与砷或 metacinnabar 与汞的配合物。
因此, 人们对环境中砷和汞的命运和形态以及如何限制它们的毒性提出了许多重要的问题。然而, 由于它们对含水层组分的反应性, 很难明确地将发生的生物地球化学过程和它们对这些物质的命运的不同影响区分开来。
为了做到这一点, 我们开发了一个原始的, 实验的, 列的设置, 模拟一个含水层与砷或 Hg 氧化铁丰富的地区与铁耗尽地区, 使更好地了解 TE 地球化学在缺氧条件。以下协议给列设置的一步一步指示为作为或 Hg, 并且一个例子与一样在铁和硫酸盐减少的情况之下。
Introduction
了解和预测环境中的微量元素 (TE) 移动性和地球化学是至关重要的, 以便监测、开发和适用污染场址的适当管理决策。这尤其适用于有毒的附加费, 如砷 (as) 和汞 (汞) 的情况。这些污水附加费在土壤或含水层中的命运和形态与物理化学条件密切相关, 如 Eh 和 pH, 也与可以直接作用于物种形成或对流动的间接作用的微生物活动有关。
的确, 有些细菌可以直接氧化为 (iii) 至 as (v) 或减少为 (v) 至 as (iii)。这影响作为毒性, 因为 (iii) 是作为和流动性的最毒的形式, 因为 (iii) 比作为 (V) 更流动, 能容易地吸附对铁 (氧) 氢氧化物或有机物质1,2。同样, 细菌强烈参与水星循环, 或者通过它的甲基化, 主要由硫酸盐和铁减少的细菌3,4, 形成神经毒素一甲基汞 (容易生物在食物链中),或通过其还原为挥发性单质 Hg (Hg°)5。
砷和汞的命运也与土壤或含水层组成密切相关, 因为有机物质或铁 (氧) 氢氧化物等化合物可以影响它们的螯合和生物利用度。作为 (V) 吸附井对铁 (氧) 氢氧化物6, 而 Hg 有非常高亲和性为有机物 (om; 主要为硫醇基团), 但也为胶体铁或锰 (氧) 氢氧化在 OM 耗尽的环境7,8,9,10,11。
通过减少铁 (氧) 氢氧化物或有机质的矿化作用, 细菌活动就能影响吸附于 (氧) 氢氧化物或有机物的污水附加费的命运。用细菌直接还原铁是硫磺枯竭区铁还原的主要途径12,13, fe (iii) 被用作终端电子受体, 而间接地, fe (iii) 可由硫化物还原为 fe (II)由细菌硫酸盐减少14形成。此外, 硫酸盐的存在也可以通过形成络合物, 如硫代砷15以汞或 metacinnabar 的形式来改变 hg 和形态。
因此, 更好地了解铁和硫酸盐循环对汞的命运的影响, 如 Hg 和 as, 可以帮助我们更好地管理受污染的场址和保持土壤和水的质量。数据也有助于加强现有的金属流动模型。微生物 Fe (III)-减少16,17,18可导致 TE 的解吸。从理论上讲, 通过微生物还原硫酸盐产生的硫化物间接还原铁 (氧), 也会影响 TE 的流动性。但是, 这些反应的程度和动力学一般都是在批同质系统或批缩影16、18、19、20中进行研究的。间歇实验的缺点是缺乏对发生现象的分离;事实上, 活动是基于和有限的资源存在于批中, 只给出最后的结果的转变的形态和吸附。使用列方法可以更新流入媒体, 并监视时间和空间上的 TE 的命运。与含水层相比, 这些条件更切合实际, 那里的实际现象与连续的渗流条件密切相关。此外, 非均质铁 (氧) 氢氧化物发生在含水层沉积是共同的21,23, 并且固相矿物和化学成分的空间变化肯定会推动微生物活动.
为了阐明这些质对地质微生物现象的影响和与铁相关的 TE 的命运, 我们开发了一个实验室, 一个连续哺养的专栏代表一个简化的模型含水层。柱子被填装在专栏入口创造一个铁枯竭的区域和一个富铁的区域在顶端。定期取样端口使我们能够单独研究每个区域以及与接口相关的现象。这个实验装置的应用的例子为研究 Hg 命运和形态学已经是可利用的24。在这里, 我们给出了实验设置的详细描述和第二个例子, 其应用的重点是在受污染的含水层的行为。
Protocol
Representative Results
Discussion
实验柱的设置证明是一个方便的实验室设备, 研究厌氧生物地球化学过程中的连续条件。连续柱系统允许在比泥浆批处理系统或缩影更接近实际含水层的条件下工作。连续系统可以模拟地下水通过含水层沉积物的流动。
该协议中最关键的步骤是制备 TE 铁 (氧) 氢氧化物和硅凝胶和沙子的混合物, 这需要迅速创建, 以获得均匀的质地。除了这一一般关键步骤之外, 还必须仔细设计?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作是共同的 BRGM, 博士后授予来自总参谋部杜 Loiret 和卡诺研究所。我们还感谢 Région 中心–卢瓦尔河谷向枢纽项目提供的财政支助。
Materials
| 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 40×38 & SVL 42). note: this design was discussed directly with the company. We recommend to find a local glazier. |
| Septa PTFE/silicone diam 20mm | Sigma-Aldrich | 508608 | |
| PTFE tubing ID 3mm | 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 iradiation | Ionisos, Dagneux, France | ||
| Automatic Mercury Analyser (AMA 254, ) | Courtage Analyses, France | ||
| Varian SpectrAA 300 Zeeman | Agilent | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| HNO3 Supra pur | VWR | 1.00441.1000 | Producer: Merck |
| HCL 30% Supra pur | VWR | 1.00318.1000 | Producer: Merck |
| Hg(NO3)2 | Merck | 516953 | |
| As2O3 | Merck | 202673 | |
| FeCl3-6H2O | Merck | 207926 | |
| silica gel | Sigma-Aldrich | 336815-500G |
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