(옥 시) 철 수 산화물, 성분, 및 박테리아 혐 기성 생물 지구 화학적 상호 작용을 공부에 대 한 실험 열 설정
Summary
운명과 비소 aquifers에 수은의 speciation physio 화학에 밀접 하 게 관련 된 조건 및 미생물 활동 있습니다. 여기, 선물이 aquifer를 모방 하 고 무산 소 조건에서 추적 요소 biogeochemistry의 더 나은 이해를 원래의 실험 열 설치. 지구 화학 및 생물학적 접근을 결합 하 여 두 가지 예는 제시 된다.
Abstract
운명과 추적 요소 (TEs), (로) 비소 aquifers에 수은 (Hg), 등의 종 분화는 밀접 한 관계가 physio 화학 조건 pH, 산화 환 원 잠재력 (Eh) 등 뿐만 아니라 미생물 활동에 직접 또는 간접적으로 역할을 할 수 있는 종 형성 및 이동성입니다. 실제로, 일부 박테리아 또는 수 있습니다 직접 산화 As(V) As(III) As(V) As(III) 감소. 마찬가지로, 박테리아는 강하게 그것의 메 틸 화, neurotoxin monomethyl 수은 형성을 통해 또는 원소 Hg °의 감소를 통해 사이클링, Hg에 참여. 모두의 운명을 Hg는 또한 강력 하 게 연결 된 토양 이나 대수층 구성; 실제로,로 Hg 유기 화합물 또는 그들의 이동성에 영향을 미칠 것 이다 (옥 시) 수 산화물을 바인딩할 수 있습니다. 차례로 철 (옥 시) 수산화 감소 또는 유기 물질 강화 등 세균성 활동 직접 영향을 미칠 수 없습니다으로 Hg 채집. 황산/황의 존재 수 또한 강하게 thio-비 산 염으로 또는 metacinnabar Hg와 같은 단지의 형성을 통해 이러한 특정 요소에 영향을.
따라서, 많은 중요 한 질문 운명과의 종 형성에 제기 되고있다으로 Hg 환경과 그들의 독성을 제한 하는 방법에. 그러나, 대수층 구성으로 그들의 반응성으로 인해 그것은 발생 하는 생물 지구 화학적 프로세스와이 테의 운명에 그들의 다른 영향을 명확 하 게 해리 어렵다.
이렇게 하려면, 우리는 원래 개발, 실험, 열 설정 철 대로-또는 Hg-산화 철 풍부한 지역 대수층을 고갈 영역, 무산 소 조건에서 테 biogeochemistry의 더 나은 이해 가능. 다음 프로토콜 중 하나 열 설정에 대 한 단계별 지침은 제공으로 또는 Hg, 뿐만 아니라 예 철 및 황산 줄이는 조건으로.
Introduction
이해 하 고 예측 하 고 추적 요소 (테) 성과 biogeochemistry 환경에서 모니터링 하 고, 개발 하 고, 오염 된 사이트에 대 한 적절 한 관리 결정을 적용 하기 위해 필수적 이다. 이 특히 독성 TEs (로) 비소, 수은 (Hg) 등의 경우 적용 됩니다. Eh, pH, 등 physico-화학 조건 뿐만 아니라 종 형성 또는 이동성에 간접 역할에 어느 직접적인 역할을 재생할 수 있는 미생물 활동 운명과 토양 이나 대수층이이 TEs의 speciation 밀접 하 게 관련 됩니다.
실제로, 일부 박테리아 또는 수 있습니다 직접 산화 As(V) As(III) As(V) As(III) 감소. 이 영향을 미치는 독성로 As(III)의 가장 독성 형태 이므로, 그리고 이동성, As(III) As(V), 철 (옥 시) 수 산화물 또는 유기 물1,2에 쉽게 흡착 수 보다 더 많은 모바일 이므로. 마찬가지로, 박테리아는 황산 및 철 박테리아3,4, neurotoxin monomethyl 수은 (쉽게 먹이 사슬에 bioaccumulated), 형성 감소에 의해 주로 메 틸 화를 통해 사이클링, 수은에 강하게 참여 또는 휘발성 초등학교 Hg (Hg °)5의 감소를 통해.
두로 Hg 운명 또한 강력 하 게 유기 물질 등 화합물부터 토양 이나 대수층 구성에 연결 된 또는 철 수 산화물 (옥 시) 그들의 격리와 bioavailability 영향을 미칠 수. As(V) Hg 유기 물질에 대 한 매우 높은 선호도가지고 반면 철 수 산화물 (옥 시)6에 잘 드리웁니다 (옴; 주로 thiol 그룹에 대 한) 하지만 또한 콜 로이드 철 또는 망간에 옴 (옥 시) 수 산화물 환경7,8 고갈 , 9 , 10 , 11.
세균성 활동 TEs (옥 시) 수 산화물 또는 철 (옥 시) 수 산화물의 감소 또는 유기 물질의 강화 작용을 통해 유기 물 흡착의 운명을 영향을 미칠 다음 수 있습니다. 박테리아에 의해 직접 철 감소는 유황에 철 감소를 위한 지배적인 통로 고갈 영역12,13, 반면에 직접, Fe(III) 감소 될 수 있다 하지 Fe(II) 황 화물에 의해 터미널 전자 수락자로 사용 되 고 Fe(III) 14황산 염 세균 감소 의해 형성. 또한, 황산의 존재 또한 Hg 수정할 수 있습니다 그리고 thio-비 산 염15 또는 metacinnabar Hg와 같은 단지의 형성을 통해 종 형성.
따라서, 철과 테과로, Hg 등의 운명에 사이클링의 영향의 더 나은 이해는 더 오염 된 사이트를 관리 하 고 토양 및 수 질 유지를 도울 수 있었다. 데이터 또한 기존 금속-이동성 모델 강화에 기여할 수 있습니다. 미생물 Fe (III)-감소16,,1718 테의 탈 착을 일으킬 수 있습니다. 이론적으로, 철 황산 염의 미생물 감소에 의해 생성 하는 황 화물에 의해 (옥 시) 수 산화물의 간접 감소 수 또한 테 이동성에 영향을. 그러나, 범위와 이러한 반응의 속도 론 일반적으로 동종 시스템 일괄 처리 또는 일괄 microcosms16,18,,1920공부는. 일괄 처리 실험의 단점은 발생 현상;의 분리의 부족 실제로, 활동에 기반 하 고 리소스를 일괄 처리에만 의해 제한 speciation에 흡착 교대의 최종 결과 제공 합니다. 열 접근을 사용 하 여 inflowing 미디어의 갱신과 테의 운명의 시간 및 공간 모니터링 수 있습니다. 이 조건은 실제 현상 연속 여과 조건에 밀접 하 게 연결 되는 대수층에 비해 보다 현실적인입니다. 또한, 대수층 앙금에 이종 철 (옥 시) 수산화 발생 일반적인21,23, 이며 단단한 단계의 광물 및 화학 조성의 공간 변화 확실히 드라이브 미생물 활동 .
명료 하 게 지리적 미생물 현상에이 heterogeneities의 영향 및 철 관련 테의 운명, 우리 실험실, 단순화 된 모델 대수층을 대표 하는 지속적으로 먹이 열 개발. 열은 열 입구 및 상단에는 철 분이 풍부한 영역에서 철 고갈 영역을 만드는 채워집니다. 정기적인 샘플링 포트 인터페이스 관련 현상 뿐만 아니라 각 영역을 개별적으로 연구를 사용 합니다. Hg 운명과 종 형성의 연구에 대 한이 실험 장치에의 응용 프로그램의 예로 이미 사용할 수24. 여기 우리는 실험 설치 및 오염된 대수층에서의 행동에 초점을 맞추고 그 응용 프로그램의 두 번째 예제에 대 한 자세한 설명을 제공 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실험적인 열 설정 편리한 실험실 장치 연속 조건에서 혐 기성 생물 지구 화학적 과정 공부를 입증 했다. 연속 열 시스템 가까이 슬러리 일괄 처리 시스템 또는 microcosms 보다 실제 aquifers의 조건에서 작업을 허용 합니다. 연속 시스템 대수층 앙금을 통해 지 하 수의 움직임을 시뮬레이션할 수 있습니다.
프로토콜 내에서 가장 중요 한 단계는 테 철 (옥 시) 수 산화물 및 실리 카 젤…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품 공동 BRGM, Conseil 일반 뒤 루아레 Carnot 연구소에서 박사 후 교부 금에 의해 투자 되었다. 우리는 또한 기꺼이 지구의 센터-발 드 루아르 피벗 프로젝트에 제공 하는 금융 지원을 인정 합니다.
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).
