להגדרת הטור ניסיוני ללמוד אנאירובית Biogeochemical אינטראקציות בין והידרוקסידים ברזל (אוקסי), יסודות קורט, חיידקים
Summary
גורל היווצרות המינים של ארסן וכספית באקויפרים הם פעילות מיקרוביאלית ותנאים קשורה קשר הדוק פיזיו-כימית. כאן, אנו מציגים התקנה ניסיוני העמודה המקורית מחקה אקויפר ומאפשרת הבנה טובה יותר של יסוד קורט דילדול בתנאים אנאוקסיים. שתי דוגמאות מוצגים, המשלב גישות גיאוכימיים מיקרוביולוגית.
Abstract
הגורל ואת היווצרות המינים של יסודות קורט (מלון טס), כגון ארסן (As), כספית (Hg), באקויפרים קשורים קשר הדוק לתנאים פיזיו-כימית, כגון חמצון-חיזור פוטנציאליים (Eh) ו- pH, אלא גם לפעילות מיקרוביאלית זה יכול לשחק תפקיד ישיר או עקיף על היווצרות המינים ו/או ניידות. אכן, חיידקים מסוימים ניתן ישירות נישחק As(III) כדי As(V) או להפחית את As(V) כדי As(III). באופן דומה, חיידקים מעורבים חריפה Hg רכיבה על אופניים, או באמצעות מתילציה שלו, ויוצרים את כספית monomethyl עצבי, או דרך הפחתת שלה אלמנטלים Hg °. הגורל של שני כמו כספית קשורים גם להרכב אדמה או אקוויפר; אכן, כמו כספית ניתן לאגד תרכובות אורגניות או והידרוקסידים (אוקסי), שתשפיע על ניידותו. בתורו, פעילויות חיידקיים כגון הפחתת הידרוקסיד ברזל (אוקסי) או חומר אורגני מינרליזציה יכולים להשפיע באופן עקיף כמו ו- Hg פחמיות. הנוכחות של סולפט/גופרתי יכול להשפיע גם רכיבים אלה מסוים דרך היווצרות של מתחמים כגון thio-ארסנטים עם או metacinnabar עם כספית.
כתוצאה מכך, שאלות חשובות רבות הועלו על הגורל ועל היווצרות המינים של כמו ו- Hg ב הסביבה וכיצד להגביל את הרעילות שלהם. עם זאת, בשל תגובתיות שלהם כלפי רכיבי אקוויפר, קשה בבירור מביצועם biogeochemical בתהליכים המתרחשים, שלהם השפעות שונות על גורלם של אלה טה.
לשם כך, פיתחנו מקורי, ניסיוני, להגדרת הטור המחקה אקויפר עם אזורים עשירים כמו – או Hg–תחמוצת ברזל לעומת ברזל דלה תחומים, המאפשר הבנה טובה יותר של טה דילדול בתנאים אנאוקסיים. הפרוטוקול הבא נותן הוראות צעד אחר צעד הגדרת עמודה לשם כמו או כספית, כמו גם דוגמה עם במסגרת סולפט הפחתת התנאים וברזל.
Introduction
הבנה, חיזוי יסוד קורט (TE) ניידות, ביוגיאוכימיה בסביבה הוא חיוני כדי לפקח, לפתח וליישם החלטות ניהול המתאים עבור אתרים מזוהמים. במיוחד חל במקרה של מלון טס רעילים כגון ארסן (As), כספית (כספית). גורלם ואת היווצרות המינים של מלון אלה טס אדמה או האקוויפרים קשורים קשר הדוק לתנאים הכימי פיזיקלי, כגון Eh ו- pH, אלא גם לפעילות מיקרוביאלית, שיכול לשחק גם תפקיד ישיר על היווצרות המינים או תפקיד עקיף על ניידות.
אכן, חיידקים מסוימים ניתן ישירות נישחק As(III) כדי As(V) או להפחית את As(V) כדי As(III). זה משפיע על רעילות, מאחר As(III) היא הצורה הרעילים ביותר של כל, וניידות, כיוון As(III) הוא לניידים יותר As(V), אשר יכול בקלות לספוח והידרוקסידים (אוקסי) ברזל או חומר אורגני1,2. באופן דומה, חיידקים מעורבים חריפה כספית רכיבה על אופניים, בין אם באמצעות מתילציה שלו, בעיקר על ידי הפחתת חיידקים3,4, ויוצרים את עצבי monomethyl כספית (ברצון bioaccumulated בשרשרת המזון), סולפט וברזל או דרך הפחתת שלה נדיף היסודי Hg (Hg °)5.
הן כמו הגורל Hg כרוכים גם להרכב אדמה או אקוויפר, מאז תרכובות כמו חומר אורגני או ברזל והידרוקסידים (אוקסי) יכול להשפיע על שלהם פחמיות ואת הזמינות הביולוגית. As(V) adsorbs טוב כדי ברזל והידרוקסידים (אוקסי)6, ואילו Hg יש זיקה גבוהה מאוד של חומר אורגני (אום; בעיקר עבור קבוצות תיול) אבל גם colloidal ברזל או מנגן והידרוקסידים (אוקסי) ב- OM דלה בסביבות7,8 , 9 , 10 , 11.
פעילות חיידקית אז יכול להשפיע על גורלו של מלון טס הספוחה והידרוקסידים (אוקסי) או חומר אורגני באמצעות צמצום והידרוקסידים (אוקסי) ברזל או את מינרליזציה של חומר אורגני. צמצום ברזל ישירה על ידי חיידקים הוא שהשביל דומיננטי להפחתת ברזל בגופרית דלה12,אזורי13, Fe(III) בשימוש של מקבל אלקטרון מסוף, ואילו בעקיפין, Fe(III) אפשר לצמצם Fe(II) על ידי גופרתי נוצר על ידי הפחתת סולפט חיידקי14. יתר על כן, הנוכחות של סולפט ניתן גם לשנות Hg כמו היווצרות המינים דרך היווצרות של מתחמים כגון thio-ארסנטים15 עם או metacinnabar עם כספית.
לפיכך, הבנה טובה יותר של ההשפעה של ברזל סולפט רכיבה על גורלה של טה, כגון כספית ו כ, יכול לעזור לנו כדאי לנהל אתרים מזוהמים ואיכות קרקע ומים. נתונים יכול לתרום גם חיזוק קיימים מודלים מתכת-ניידות. חיידקים Fe (III)-הפחתת16,17,18 יכול לגרום את desorption של טה. באופן תיאורטי, ההפחתה עקיף של ברזל והידרוקסידים (אוקסי) מאת סולפיד המיוצר על ידי הפחתת חיידקים גופרתי יכול גם להשפיע טה ניידות. עם זאת, במידה ואת קינטיקה של תגובות אלו נלמדים בדרך כלל במערכות הומוגנית אצווה או אצווה microcosms16,18,19,20. החיסרון של ניסויים אצווה הוא המחסור דיסוציאציה של התופעה המתרחשים; אכן, פעילות מבוססת על, מוגבלת על-ידי המשאבים נוכח האצווה ורק נותן תוצאה סופית של במאזן היווצרות המינים של ספיחה. שימוש בגישה עמודה מאפשר חידוש inflowing מדיה, הפיקוח על גורלו של טה במרחב ובזמן. תנאים אלה הם מציאותיים יותר בהשוואה אקויפר, איפה תופעות אמיתי הדוק לתנאים חלחול רציפה. יתר על כן, התרחשות הידרוקסיד (אוקסי) הטרוגניות ברזל אקוויפר משקעים הוא21,נפוצה23, השינויים המרחביים בהרכב למינרלוגיה וכימי של השלבים מוצק בהחלט נוהג פעילות מיקרוביאלית .
התירי את ההשפעה של אלה heterogeneities על תופעות גיאו-מיקרוביאלית וגורלה של ברזל-הקשורים טה, פיתחנו מעבדה, עמודה ברציפות-fed המייצג של אקוויפר במודל מפושט. מלא את העמודה כדי ליצור אזור מדולדל ברזל הכניסה בעמודה, אזור עשיר ברזל בחלק העליון. דיגום רגיל מאפשרים לנו לחקור את כל אזור בנפרד, כמו גם תופעות הקשורות ממשק. דוגמה של יישום התקן נסיוני זה לצורך המחקר של כספית הגורל ואת היווצרות המינים היא כבר זמין24. כאן אנחנו נותנים תיאור מפורט של ההתקנה ניסיוני, דוגמה שנייה של היישום שלה התמקדו את ההתנהגות כמו אקוויפרים מזוהמים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הגדרת עמודה ניסיוני הוכיחה להיות מכשיר מעבדה נוח ללמוד תהליכים אנאירוביים biogeochemical בתנאים רציפה. בעמודה רציפה מערכות מאפשרות לעבוד בתנאים קרוב יותר לאלו של האקוויפרים אמיתי מאשר במערכות אצווה slurry או microcosms. מערכות רציפות ניתן לדמות את התנועה של מי תהום דרך אקוויפר משקעים.
ה?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומן במשותף על ידי BRGM, מענק פוסט-דוקטורט מן את Loiret du Général כי המכון קרנו. אנו גם בהכרת תודה להכיר את התמיכה הכספית לפרוייקט צירים שמספק מרכז Région – ואל דה לה לואר.
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 |
Riferimenti
- 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).
