Demir (oksi) hidroksit, eser elementler ve bakteri anaerobik biyojeokimyasal Hofstede çalışmak için deneysel sütun Kur
Summary
Kader ve Türleşme arsenik ve akiferlerin Merkür yakın Fizyo-kimya ile ilgili koşulları ve mikrobiyal aktiviteyi alıyor. Burada, bir akifer taklit eder ve anoksik şartlarda trace öğe biogeochemistry daha iyi anlaşılmasını sağlayan özgün bir deneysel sütun kurulum mevcut. Jeokimyasal ve mikrobiyolojik yaklaşımlar birleştiren iki örnek sunulmaktadır.
Abstract
Kader ve iz elementler (TEs), arsenik (As) ve civa (Hg), akiferler gibi Türleşme Fizyo-kimyasal koşullar, redoks potansiyeli (Eh) ve pH, gibi aynı zamanda doğrudan veya dolaylı bir rol oynayabilir mikrobiyal faaliyetleri yakından ilişkilidir Türleşme ve/veya hareket. Nitekim, bazı bakteriler doğrudan As(III) As(V) için okside veya As(V) As(III) için azaltmak. Aynı şekilde, bakteri şiddetle Hg elemental Hg ° kendi azaltma veya aracılığıyla nörotoksin monomethyl Merkür, şekillendirme, metilasyon, Bisiklete binme, içinde yer alırlar. Her ikisi de kaderi ve Hg de kuvvetle bağlı toprak ya da su yolu kompozisyon; Nitekim, olarak ve Hg organik bileşikler veya onların hareketlilik etkileyecektir (oksi) ve hidroksitler bağlayın. Buna karşılık, bakteriyel faaliyetler (oksi) demir hidroksit azaltma veya organik madde Qafqaz gibi dolaylı olarak etkileyebilir ve Hg tutma. Sülfat/sülfür varlığı da güçlü kompleksleri thio-arsenates ile olarak veya Hg ile metacinnabar gibi oluşumu aracılığıyla bu belirli öğeleri etkileyebilir.
Sonuç olarak, birçok önemli sorular kader ve Türleşme, yükseltilmiş olarak ve Hg çevre ve nasıl onların toksisite sınırlamak için. Ancak, akifer bileşenleri doğru onların reaktivite nedeniyle açıkça ortaya biyojeokimyasal süreçleri ve bu TE kaderi üzerinde farklı etkileri ayırmak zordur.
Özgün geliştirdiğimiz bunu yapmak için deneysel, bir akifer demir karşı veya Hg-demir-oksit zengin alanlar ile taklit eden sütun Kur TE biogeochemistry anoksik şartlarda daha iyi anlaşılmasını sağlayan alanları, tükenmiş. Aşağıdaki protokol için de sütun set-up için adım adım yönergeler verir olarak veya Hg yanı sıra bir örnekle olarak demir ve koşullar azaltarak sülfat altında.
Introduction
Anlama ve trace öğe (TE) hareketlilik ve biogeochemistry ortamında tahmin izlemek, geliştirmek ve kirli siteler için uygun yönetim kararları uygulamak için esastır. Bu özellikle, arsenik (As) ve civa (Hg) gibi toksik TEs durumunda geçerlidir. Kader ve bu TEs toprak veya akiferler Türleşme Eh ve pH, gibi FİZİKO-kimyasal koşullar aynı zamanda ya doğrudan bir rol Türleşme veya mobilite dolaylı bir rol oynayabilir mikrobiyal faaliyetleri yakından ilgilidir.
Nitekim, bazı bakteriler doğrudan As(III) As(V) için okside veya As(V) As(III) için azaltmak. As(III) en zehirli şeklinde olduğundan bu toksisite etkiler ve As(III) daha kolayca demir (oksi) hidroksit veya organik madde1,2absorbe As(V) daha hareketli olduğundan hareketle,. Aynı şekilde, bakteri esas olarak sülfat ve bakteri3,4nörotoksin monomethyl mercury (kolayca bioaccumulated besin zincirindeki), şekillendirme, azaltılması demir tarafından şiddetle fiş boşaltmaya karışan Bisiklete binme, Merkür, metilasyon yoluyla ya da onun azaltma uçucu İlköğretim Hg (Hg °)5.
Her iki gibi ve Hg kader da güçlü bileşikler organik madde gibi beri toprak ya da su yolu kompozisyon bağlı veya demir (oksi) ve hidroksitler onların tutma ve bioavailability etkileyebilir. As(V) adsorbs de demir (oksi) ve hidroksitler6, oysa Hg organik madde için çok yüksek bir yakınlık vardır (OM; thiol gruplar için esas olarak) ama Ayrıca kolloidal demir ve Mangan için ortamlar7,8 , OM (oksi) ve hidroksitler tükenmiş , 9 , 10 , 11.
Bakteriyel faaliyetler sonra (oksi) hidroksit veya organik maddenin demir (oksi) ve hidroksitler azalma veya organik madde Qafqaz içinden adsorbe TEs kaderi etkileyebilir. Bakteriler tarafından doğrudan demir azaltma bölgeleri12,13, dolaylı olarak, Fe(III) Fe(II) için sülfür tarafından azaltılabilir ise elektron alıcısı olarak kullanılan Fe(III) kükürt azalma demir için baskın yolu tükenmiş olduğunu bir bakteriyel sülfat azaltma14tarafından kuruldu. Ayrıca, sülfat varlığı da Hg değişiklik yapabilirsiniz ve kompleksleri gibi thio-arsenates15 ile olarak veya metacinnabar Hg ile oluşumu aracılığıyla Türleşme olarak.
Böylece, demir ve sülfat TE, Hg gibi ve olarak, kaderi üzerinde Bisiklete binme etkisini daha iyi anlamak daha iyi kirlenmiş siteleri yönetmek ve toprak ve su kalitesini korumak için bize yardım edebilir. Veri Ayrıca varolan metal-mobility modelleri takviye için katkıda bulunabilir. Mikrobiyal Fe (III)-azaltma16,17,18 TE desorpsiyon neden olabilir. Teorik olarak, demir sülfat mikrobiyal azaltma tarafından üretilen sülfür tarafından (oksi) ve hidroksitler dolaylı azaltılması da TE hareketliliği etkileyebilir. Ancak, ölçüde ve Kinetik bu reaksiyonlar genellikle toplu homojen sistemleri veya toplu microcosms16,18,19,20incelenmektedir. Toplu deneyler dezavantajı ayrışma meydana gelen olayların olmaması; Gerçekten de, etkinlik dayanır ve toplu iş iş mevcut ve tek kaynaklarıyla sınırlıdır Türleşme ve adsorpsiyon nöbetleşe nihai sonucu verir. Bir sütun yaklaşım kullanarak inflowing medya yenilenmesi ve TE kaderi ile zaman ve mekan üzerinde izleme sağlar. Bu koşullar nerede gerçek olayları yakından sürekli sızma koşullara bağlı bir akifer kıyasla daha gerçekçi. Ayrıca, türdeş olmayan demir (oksi) hidroksit olay akiferdeki çökeller içinde ortak21,23ve katı fazlar kimyasal ve mineralojik bileşimi mekansal değişiklikleri kesinlikle mikrobiyal faaliyetleri sürücüler .
Bu heterogeneities geo-mikrobiyal olayları üzerinde etkisi ve demir ilişkili TE kaderi aydınlatmak için geliştirdiğimiz bir laboratuvar, bir basitleştirilmiş model su yolu temsil eden bir sürekli beslenen sütun. Sütun sütun giriş ve demir açısından zengin bölge üst demir tükenmiş bir bölge oluşturmak için doldurulur. Düzenli örnekleme noktalarını bize ayrı ayrı her bölge çalışmaya hem arabirim ilişkili olayları etkinleştirin. Bu deneysel aygıt Hg kader ve Türleşme çalışma için uygulamalara örnek olarak zaten24kullanıma açıktır. Burada ayrıntılı bir açıklama deneysel kurulum ve uygulama davranışını kirlenmiş akiferler gibi üzerinde duruldu ikinci bir örneği vermek.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deneysel sütun Kur anaerobik biyojeokimyasal süreçleri sürekli koşullarda çalışmaya uygun laboratuvar cihaz olduğu ortaya çıktı. Sürekli sütun sistemleri bu gerçek akiferler Bulamaç toplu iş sistemleri veya microcosms daha yakın koşullarda çalışma izin verir. Sürekli sistemleri yeraltı akiferdeki çökeller ile hareketin benzetimini yapabilirsiniz.
Protokol içinde en önemli adım TE-demir (oksi) ve hidroksitler ve karışımı silika jel ve homojen bir doku elde etmek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser BRGM, Conseil Général du Loiret ve Carnot Enstitüsü doktora sonrası hibe tarafından ortak finanse edildi. Région Merkezi – Val de Loire PİVOTLAR projeye sağlanan mali destek de minnetle anıyoruz.
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).
