Experimentele kolominstelling voor het bestuderen van anaërobe biogeochemische interacties tussen ijzer (Oxy) hydroxiden, sporenelementen en bacteriën
Summary
Lot en speciatie van arseen en kwik in watervoerende lagen zijn nauw verbonden aan fysio-chemische voorwaarden en microbiële activiteit. Hier presenteren we een oorspronkelijke experimentele kolominstelling die bootst een aquifer en maakt een beter begrip van het spoorelement biogeochemie in zuurstofvrije omstandigheden. Twee voorbeelden worden gepresenteerd, combinatie van geochemische en microbiologische werkwijzen.
Abstract
Lot en speciatie van spoorelementen (TEs), zoals arsenicum (As) en kwik (Hg), in watervoerende lagen zijn nauw verbonden aan fysio-chemische voorwaarden, zoals redox potentiële (Eh) en pH, maar ook aan microbiële activiteiten die een directe of indirecte rol kunnen spelen op soortvorming en/of mobiliteit. Inderdaad, sommige bacteriën kunnen rechtstreeks As(III) aan As(V) oxideren of As(V) tot As(III) te verminderen. Bacteriën zijn ook nauw betrokken bij Hg fietsen, hetzij via de methylering, vormen het neurotoxine monomethylether kwik, of via de beperken tot elementaire Hg °. Het lot van beide als en Hg zijn ook sterk gekoppeld aan de samenstelling van de bodem of aquifer; inderdaad, als en Hg kunt binden aan organische stoffen of (oxy) hydroxiden, die invloed op hun mobiliteit hebben zal. Op zijn beurt, bacteriële activiteiten zoals ijzer (oxy) hydroxide vermindering of organisch materiaal mineralisatie niet indirect kunnen beïnvloeden als en Hg sekwester. De aanwezigheid van sulfaat/sulfide kan ook sterk de invloed van deze bepaalde elementen door de vorming van complexen zoals thio-arsenates met als of metacinnabar met Hg.
Bijgevolg, vele belangrijke kwesties naar voren zijn gebracht over de lot en de speciatie van als en Hg in het milieu en het beperken van hun toxiciteit. Als gevolg van hun reactiviteit naar aquifer onderdelen is het echter moeilijk te duidelijk distantiëren van de biogeochemische processen die zich voordoen en hun verschillende effecten op het lot van deze TE.
Om dit te doen, ontwikkelden we een origineel, experimental, kolominstelling die een aquifer met de rijke gebieden als – of Hg-ijzer-oxide versus ijzer bootst uitgeput gebieden, waardoor een beter begrip van TE biogeochemie in zuurstofvrije omstandigheden. Het volgende protocol geeft stap voor stap instructies voor de kolom set-up voor als of Hg, evenals een voorbeeld met als onder de ijzer- en sulfaat vermindering van voorwaarden.
Introduction
Begrijpen en voorspellen spoorelement (TE) mobiliteit en biogeochemie in de-omgeving is essentieel om te controleren, ontwikkelen en toepassen van de juiste managementbeslissingen voor grondreiniging. Dit geldt met name in het geval van toxische TEs zoals arsenicum (As) en kwik (Hg). De lot en de speciatie van deze TEs in bodem of watervoerende lagen zijn nauw verbonden aan de fysisch-chemische voorwaarden, zoals Eh en pH, maar ook aan microbiële activiteiten die ofwel een directe rol kunnen spelen op soortvorming of een indirecte rol inzake mobiliteit.
Inderdaad, sommige bacteriën kunnen rechtstreeks As(III) aan As(V) oxideren of As(V) tot As(III) te verminderen. Dit beïnvloedt als toxiciteit, aangezien As(III) de meest giftige vorm van is als, en mobiliteit, aangezien As(III) is mobieler dan As(V), die gemakkelijk aan ijzer (oxy) hydroxiden of organisch materiaal1,2 adsorberen kan. Bacteriën zijn ook nauw betrokken bij kwik fietsen, hetzij via de methylering, voornamelijk door sulfaat en ijzer verminderen van bacteriën3,4, vormen het neurotoxine monomethylether kwik (gemakkelijk bioaccumulated in de voedselketen), of via de beperken tot vluchtige elementaire Hg (Hg °)5.
Beide zoals en Hg lot zijn ook sterk verbonden met de bodem of aquifer samenstelling, sinds verbindingen zoals organische stof of ijzer (oxy) hydroxiden hun sekwestratie en de biologische beschikbaarheid kunnen beïnvloeden. As(V) absorbeert goed aan ijzer (oxy) hydroxiden6, overwegende dat Hg een zeer hoge affiniteit voor organisch materiaal heeft (OM; vooral voor thiol-groepen) maar ook voor colloïdale ijzer of mangaan (oxy) hydroxiden in OM verarmd omgevingen7,8 , 9 , 10 , 11.
Bacteriële activiteiten kunnen dan invloed op het lot van TEs geadsorbeerde (oxy) hydroxiden of organisch materiaal door de reductie van ijzer (oxy) hydroxiden of de mineralisatie van organisch materiaal. Vermindering van de directe ijzer door bacteriën is dat de dominante weg voor ijzer vermindering van zwavel uitgeput zones12,13, Fe(III) wordt gebruikt als een terminal elektron acceptor, overwegende dat indirect, Fe(III) kan worden gereduceerd tot Fe(II) door sulfide gevormd door een bacteriële sulfaat reductie14. Bovendien, de aanwezigheid van sulfaat Hg kunt ook wijzigen en als soortvorming door de vorming van complexen zoals thio-arsenates15 met als of metacinnabar met Hg.
Dus, een beter begrip van de impact van de ijzer- en sulfaat fietsen over het lot van TE, zoals Hg en als, kan ons helpen om beter beheer van verontreinigde locaties en onderhoud van bodem-en waterkwaliteit. Gegevens kunnen ook bijdragen tot de versterking van de bestaande modellen van de metal-mobiliteit. Microbiële Fe (III)-vermindering16,17,18 de desorptie van TE kunnen veroorzaken. Theoretisch, kan de indirecte reductie van ijzer (oxy) hydroxiden door sulfide geproduceerd door de microbiële vermindering van sulfaat ook van invloed TE mobiliteit. De omvang en de kinetiek van deze reacties zijn echter over het algemeen studeerde in batch homogene systemen of batch microkosmos16,18,19,20. Het nadeel van batch experimenten is het ontbreken van dissociatie van de voorkomende verschijnselen; inderdaad, activiteit is gebaseerd op en beperkt door de middelen aanwezig zijn in de partij en enige geeft een eindresultaat van de verschuivingen in speciatie en adsorptie. Met behulp van een kolom aanpak kan de vernieuwing van borrelt media en het toezicht op het lot van TE over tijd en ruimte. Deze voorwaarden zijn realistischer in vergelijking tot een aquifer, waar reële verschijnselen nauw met continue doorsijpeling voorwaarden verbonden zijn. Bovendien is de heterogene ijzer (oxy) hydroxide voorkomt in de aquifer sedimenten gemeenschappelijk21,23, en de ruimtelijke veranderingen in de mineralogische en chemische samenstelling van de vaste fasen rijdt zeker microbiële activiteiten .
Om de invloed van deze heterogeniteiten op geo-microbiële verschijnselen en het lot van ijzer-geassocieerde TE verhelderen, ontwikkelden we een laboratorium, een voortdurend gevoed kolom vertegenwoordigt een vereenvoudigd model aquifer. De kolom is gevuld tot een zone van ijzer-uitgeput aan de ingang van de kolom en een ijzer-rijke zone boven. Regelmatige bemonstering poorten inschakelen dat elke zone afzonderlijk bestuderen evenals de interface-geassocieerde verschijnselen. Een voorbeeld van de toepassing van deze experimentele apparaat voor de studie van Hg lot en soortvorming is reeds beschikbaar24. We geven hier een gedetailleerde beschrijving van de experimentele opstelling en een tweede voorbeeld van de toepassing gericht op het gedrag van zoals in verontreinigde watervoerende lagen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De experimentele kolominstelling bleek te zijn een handige laboratorium apparaat om anaërobe biogeochemische processen in continue voorwaarden te bestuderen. Doorlopende kolom systemen kunnen werken in omstandigheden dichter aan die van echte watervoerende lagen dan drijfmest batch systemen of microkosmos. CONTINUPROCÉDÉ kunnen simuleren de beweging van het grondwater door aquifer sedimenten.
De meest kritische stap in het protocol bereidt de TE-ijzer (oxy) hydroxiden en het mengsel met sil…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd mede gefinancierd door BRGM, een postdoctorale subsidie van de Conseil Général du Loiret en het Carnot-Instituut. We erkennen ook dankbaar de financiële steun aan de PIVOTS-project van de Région Centre – Val de Loire.
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 |
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., Nriagu, J. O. . The Biochemistry of Mercury in the Environnment. , 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). . , (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).
