Installation de colonne expérimental pour l’étude anaérobies biogéochimiques entre les hydroxydes de fer (Oxy), oligo-éléments et les bactéries
Summary
Sort et la spéciation de l’arsenic et de mercure dans les aquifères sont des conditions étroitement liées à la physio-chimique et l’activité microbienne. Nous présentons ici une installation expérimentale de colonne originale qui imite une nappe et permet une meilleure compréhension de la biogéochimie des éléments traces dans des conditions anoxiques. Deux exemples sont présentés, en combinant des approches géochimiques et microbiologiques.
Abstract
Sort et la spéciation des éléments traces (TEs), comme l’arsenic (As) et le mercure (Hg), dans les aquifères sont étroitement liées aux conditions physio-chimiques, tels que le potentiel d’oxydoréduction (Eh) et pH, mais aussi à des activités microbiennes qui peuvent jouer un rôle direct ou indirect sur spéciation et/ou mobilité. En effet, certaines bactéries peuvent directement s’oxyder As (III) à l’As (v) ou As (v) à As (III) de réduire. De même, les bactéries sont fortement impliqués dans Hg cyclisme, soit par le biais de sa méthylation, formant le mercure monométhylique de neurotoxine, ou sa réduction élémentaire Hg °. Les destins des deux comme et Hg sont également étroitement liées à la composition du sol ou aquifère ; en effet, comme et Hg peut lier à des composés organiques ou hydroxydes (oxy), qui aura une influence sur leur mobilité. À son tour, activités bactériennes telles que la réduction de l’hydroxyde de fer (oxy) ou de la minéralisation de la matière organique peuvent influencer indirectement comme et la séquestration du Hg. La présence de sulfate/sulfure peut influer aussi fortement ces éléments particuliers par le biais de la formation de complexes comme les thio-arséniates avec comme ou metacinnabar avec Hg.
Par conséquent, plusieurs questions importantes ont été soulevées sur le devenir et la spéciation de l’As et le mercure dans l’environnement et la façon de limiter leur toxicité. Toutefois, en raison de leur réactivité vis-à-vis des composantes de l’aquifère, il est difficile de dissocier clairement les processus biogéochimiques et leurs différents impacts sur le sort de ces TE.
Pour ce faire, nous avons développé un original, expérimental, installation de colonne qui imite un aquifère avec zones riches comme – ou Hg-oxyde de fer contre fer appauvri zones, ce qui permet une meilleure compréhension de la biogéochimie de TE en conditions anoxiques. Le protocole suivant donne des instructions étape par étape pour la mise en place de colonne soit comme ou Hg, ainsi qu’un exemple avec comme sous fer et sulfate de conditions réductrices.
Introduction
Compréhension et la prédiction de la mobilité des éléments traces (TE) et la biogéochimie dans l’environnement sont indispensable pour contrôler, développer et appliquer des décisions de gestion appropriés pour les sites pollués. Ceci s’applique en particulier dans le cas de TEs toxiques comme l’arsenic (As) et le mercure (Hg). Le destin et la spéciation des ces TEs dans le sol ou les aquifères sont étroitement liées aux conditions physico-chimiques, tels que Eh et pH, mais aussi aux activités microbiennes qui peuvent jouer un rôle soit direct sur spéciation ou un rôle indirect sur la mobilité.
En effet, certaines bactéries peuvent directement s’oxyder As (III) à l’As (v) ou As (v) à As (III) de réduire. Ceci affecte toxicité, puisque l’As (III) est la forme la plus toxique d’aussi et la mobilité, As (III) étant plus mobile que l’As (v), qui peuvent être facilement adsorbés (oxy) hydroxydes de fer ou de la matière organique1,2. De même, les bactéries sont fortement impliqués dans mercure, randonnée à vélo, soit par le biais de sa méthylation, principalement de sulfate et fer réduisant les bactéries3,4, formant le mercure monométhylique de neurotoxine (facilement bioaccumulé dans la chaîne alimentaire), ou par l’intermédiaire de sa réduction à volatiles élémentaire Hg (Hg °)5.
Les deux As et destins de Hg sont également étroitement liées à la composition du sol ou aquifère, depuis composés tels que les matières organiques ou (oxy) hydroxydes de fer peuvent influencer leur séquestration et la biodisponibilité. As (v) s’adsorbe bien au fer hydroxydes (oxy)6, alors que Hg a une très forte affinité pour la matière organique (OM, principalement pour des groupements thiol) mais aussi pour fer colloïdal ou manganèse (oxy) hydroxydes dans OM appauvri environnements7,8 , 9 , 10 , 11.
Activités bactériennes peuvent alors influencer le sort de TEs adsorbé aux hydroxydes (oxy) ou de la matière organique par le biais de la réduction des hydroxydes (oxy) de fer ou la minéralisation de la matière organique. Réduction de fer directe de bactéries est que le trajet dominant de réduction fer soufre appauvri les zones12,13, Fe (III) étant utilisé comme un accepteur terminal d’électron, alors qu’indirectement, Fe (III) peut être réduit à Fe (II) de sulfure formé par une réduction de sulfate bactérienne14. En outre, la présence de sulfate peut également modifier les Hg et As spéciation par le biais de la formation de complexes comme les thio-arséniates15 avec comme ou metacinnabar avec Hg.
Ainsi, une meilleure compréhension de l’impact du fer et de sulfate de vélo sur le sort de TE, tels que Hg et As, pourrait nous aider à mieux gérer les sites contaminés et maintenir la qualité de l’eau et le sol. Données pourraient également contribuer à renforcer les modèles existants de métal-mobilité. Microbienne Fe (III)-réduction16,17,18 peut causer la désorption de TE. Théoriquement, la réduction indirecte des hydroxydes (oxy) fer de sulfure produites par la réduction microbienne du sulfate pourrait également avoir des répercussions mobilité TE. Toutefois, l’étendue et la cinétique de ces réactions sont généralement étudiés dans les lots homogènes ou lot microcosmes16,18,19,20. L’inconvénient des expériences est l’absence de dissociation des phénomènes naturels ; en effet, l’activité est basée sur et limitée par les ressources présentes dans le lot et seuls donne un résultat final des déplacements dans la spéciation et l’adsorption. En utilisant une approche de colonne permet le renouvellement des afflux de médias et la surveillance du sort de TE spatiale et temporelle. Ces conditions sont plus réalistes par rapport à un aquifère, où les phénomènes réels sont étroitement liées aux conditions de percolation continue. Par ailleurs, occurrence d’hydroxyde de fer hétérogènes (oxy) dans les sédiments de l’aquifère est commun21,23, et les changements spatiaux dans la composition minéralogique et chimique des phases solides certainement conduit les activités microbiennes .
Afin d’élucider l’influence de ces hétérogénéités sur des phénomènes géo-microbienne et le sort de TE fer-associés, nous avons développé un laboratoire, une colonne alimentés en continu représentant un aquifère modèle simplifié. La colonne est remplie pour créer une zone pauvre en fer à l’entrée de la colonne et d’une zone riche en fer dans la partie supérieure. L’échantillonnage régulier ports permettent d’étudier chaque zone individuellement ainsi que les phénomènes liés à l’interface. Un exemple de l’application de ce dispositif expérimental pour l’étude du devenir de Hg et de spéciation est déjà disponible24. Nous donnons ici une description détaillée de l’installation expérimentale et un deuxième exemple de son application axée sur le comportement de comme dans les aquifères contaminés.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’installation de la colonne expérimental s’est avéré un dispositif pratique de laboratoire pour étudier les processus biogéochimiques anaérobies en continu. Colonne continue systèmes permettent de travailler dans des conditions plus près à celles des aquifères réels que les systèmes de commandes de coulis bitumineux ou des microcosmes. Systèmes en continu peuvent de simuler le mouvement des eaux souterraines par les sédiments de l’aquifère.
L’étape la plus critique au …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été cofinancé par le BRGM, une bourse postdoctorale du Conseil Général du Loiret et de l’Institut Carnot. Nous remercions également le soutien financier apporté au projet PIVOTS de la 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 |
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).
