Especiación y biodisponibilidad mediciones de plutonio Ambiental Uso de Difusión en Thin Films

Resumen

Se propone la técnica de gradientes de difusión de películas delgadas (DGT) para estudios de especiación de plutonio. Este protocolo describe experimentos de difusión de sondeo el comportamiento de Pu (IV) y Pu (V) en presencia de materia orgánica. Dgts desplegados en un manantial kárstico permiten evaluar la biodisponibilidad de Pu.

Resumen

La captación biológica de plutonio (Pu) en los ecosistemas acuáticos es especialmente preocupante, ya que es un emisor de partículas alfa con vida media larga que potencialmente puede contribuir a la exposición de la biota y los seres humanos. Los gradientes de difusión en técnica de películas delgadas se introduce aquí para mediciones in situ de Pu biodisponibilidad y la especiación. Una celda de difusión construido para experimentos de laboratorio con Pu y el protocolo recientemente desarrollado hace posible simular el comportamiento ambiental de Pu en soluciones modelo de diversas composiciones químicas. El ajuste de los estados de oxidación a Pu (IV) y Pu (V) descritos en este protocolo es esencial con el fin de investigar la compleja química redox de plutonio en el medio ambiente. La calibración de esta técnica y los resultados obtenidos en los experimentos de laboratorio permiten desarrollar un dispositivo específico DGT para mediciones in situ Pu en aguas dulces. Mediciones de espectrometría de masas basadas en aceleradoresde Pu acumulada por dgts en un manantial kárstico permitido determinar la biodisponibilidad de Pu en un ambiente de agua dulce mineral. La aplicación de este protocolo para mediciones Pu utilizando dispositivos DGT tiene un gran potencial para mejorar nuestra comprensión de la especiación y la transferencia biológica de Pu en los ecosistemas acuáticos.

Introducción

El plutonio es un presente de radionúclidos artificiales en el medio ambiente como consecuencia de la precipitación mundial después de los ensayos de bombas nucleares y accidentes nucleares. La química redox de plutonio tiene implicaciones importantes para la migración y los ciclos biogeoquímicos en sistemas acuáticos ambientales ^1. El plutonio tiene una química compleja y puede existir en cuatro estados de oxidación (III, IV, V, VI) al mismo tiempo. Por lo tanto, la distribución de especies redox de plutonio en las aguas naturales es extremadamente sensible a entorno químico local de ^2,3. El estado de oxidación del plutonio también depende del origen de la fuente - esta declaración siendo sobre todo relevante para entornos contaminados y los lugares de eliminación. Especies de plutonio reducidos (+ III y IV +) se encuentran predominantemente en ambientes anóxicos y se originan a partir de la precipitación mundial y almacenados efluentes residuales, mientras que los estados de oxidación superiores (+ V y + VI) se encuentran entre los productos de desintegración de otros actínidosy en entornos óxicas ^4.

La movilidad y el comportamiento ambiental de plutonio se pueden predecir en cierta medida de la especiación redox. Plutonio en + III y IV + estados de oxidación existe predominantemente en fase sólida y se ha incrementado la capacidad para absorber a los coloides inorgánicos y natural de materia orgánica (NOM) moléculas. El plutonio en + III + IV y estados de oxidación se considera que es menos móvil. Formas oxidadas más soluble de plutonio (+ V y VI +, + V siendo lo más probable) ⁵ potencialmente pueden contribuir a una transferencia biológica más alta para los organismos acuáticos debido a la mayor movilidad. Sin embargo, en presencia de NOM, en particular de ácido húmico, Pu (V) se reduce ^17, desplazando la partición de varios órdenes de magnitud a favor de precipitación. A pesar de que la tasa de reducción de Pu (V) a Pu (IV) es de 4 a 5 órdenes de magnitud más rápido que la reacción inversa, removilización de Pu (IV) en condiciones oxidantes may también tienen lugar ^1. Datos experimentales recientes sobre sedimentos minerales modificados con Pu (IV) y sometidos a condiciones oxidantes naturales han demostrado que la concentración de Pu soluble en fase acuosa aumentó con el tiempo ^1,6. Los autores explican por desorción oxidativa de Pu (IV) y la formación de más Pu soluble (V) y PU especies (VI). La oxidación de Pu (IV) también puede ocurrir debido a los óxidos de manganeso encontrados en forma natural ^7. Estas observaciones son importantes para el modelado de la biodisponibilidad y la evaluación del riesgo medioambiental de la eliminación de residuos y sitios contaminados.

Los estudios sobre la biodisponibilidad y la especiación de plutonio es una tarea difícil, tanto en laboratorio e in situ las condiciones. Concentraciones ambientales bajas, la variabilidad de las especies redox y las interacciones con los coloides naturales hacen que sea difícil para simular el comportamiento biogeoquímico de plutonio. La técnica de los gradientes de difusión de películas delgadas (DGT) basado enla difusión de especies contaminantes libres y lábiles a través de una (PAM) en gel de poliacrilamida es ampliamente utilizado para las mediciones ambientales de oligoelementos ^8. Un muestreador DGT representa un dispositivo de tres capas hecha de una fase de unión (para la mayoría de los metales traza que es la resina Chelex contenida en el gel PAM), la capa de gel difusiva (gel de PAM de espesor variable) y una membrana de filtro de protección del gel y la celebración de la asamblea juntos. Las películas delgadas de gel de poliacrilamida, que consta de 85% de agua, permiten que las especies complejas libres y lábiles a difundir más rápidamente que el plutonio unido a moléculas grandes NOM o partículas coloidales naturales. Una configuración diseñado para estudiar la difusión de plutonio en las películas de gel PAM delgada en condiciones de laboratorio se llama una célula de difusión ^9.

Una celda de difusión es un recipiente de dos compartimentos donde dos compartimentos separados están interconectados por una abertura de una superficie dada. La apertura, es decir, la ventana entre las dos cámaras de contains un disco de gel de difusión de un espesor dado. Hemos construido una célula de Teflón con dos compartimentos 100 ml y una ventana de difusión circular de 1,7 cm de diámetro. Un compartimiento es desmontable, lo que facilita el montaje. Una amplia ranura tallada 0,5 cm alrededor de la ventana de difusión en el compartimento fijo sirve para colocar el disco de gel difusiva. La profundidad de la ranura debe ser similar al espesor de gel PAM destinado para su uso. Elegimos trabajar con un gel PAM 0.39 mm, así la profundidad de la ranura en nuestra celda de difusión es de 0,39 mm. Una imagen detallada de la célula de difusión se da en la figura 1.

Cuando una solución que contiene inicialmente el plutonio se coloca en un compartimento (A), la difusión de las especies Pu establecerá un gradiente de concentración en el gel y comenzará a acumularse en el segundo compartimiento (B), que contiene inicialmente una solución de la misma composición química sin Pu . La concentración inicial de especies Pu en el compartimento A se define de tal manera que REMAIns constantes o cambios muy pequeños (1% -2% como máximo) en todo el experimento de difusión. Trazado de la cantidad de Pu difusa en función del tiempo proporciona un medio para analizar la movilidad de las especies de Pu que prevalecen en las diferentes condiciones ambientales simuladas. Difusión en películas delgadas proporciona una alternativa valiosa para los estudios sobre la movilidad Pu y especiación y puede ser aplicado con éxito en condiciones de campo ^10. Uno puede sustituir la celda de difusión por un muestreador pasivo, fabricado con el gel difusiva PAM y resina Chelex como la fase de unión, que sirve para acumular las especies difusoras PU. Un muestreador de este tipo puede ser expuesto en condiciones de campo - la cantidad de Pu acumulado en la resina será indicativa de la especiación y la biodisponibilidad de Pu en el respectivo entorno ^10.

En este trabajo, se utilizó una célula de difusión para investigar la movilidad de Pu (IV) y Pu especies (V) y sus interacciones con la NOM en condiciones de laboratorio. Furthermore, aplicamos grandes samplers DGT pasivos de una superficie de 105 ^cm2 para estudiar la biodisponibilidad de Pu en un manantial kárstico de las montañas (río Venoge) Jura suizo, donde se encontró una fracción significativa de Pu en las partes intracelulares de musgos acuáticos en un trabajo previo ^11. Debido al bajo nivel de plutonio presente en este ambiente prístino, espectrometría de masas (AMS) técnicas basadas en aceleradores disponibles en ETH Zurich se utilizaron para medir los isótopos de plutonio.

Protocolo

1. Plutonio Preparación trazador

1. Pu (IV) la preparación del trazador
   1. A partir de la solución madre Pu transferir una alícuota apropiada que contiene la cantidad deseada de Pu para el experimento en un vaso de precipitados de vidrio de 25 ml. Trabaje con 10 Bq de ²³⁹ Pu a la vez.
   2. Añadir 1 ml concentrado HNO _3, 0,6 ml 1 H M _NaHSO4, 0,4 ml concentran _{2 SO} 4. Se evapora a sequedad en un plato caliente. Calentar lentamente a 200 ° C al principio para evitar la proyección de ácido.
   3. Una vez que el líquido no se deja en el vaso de precipitados, recocer el residuo a 400 ° C - 500 ° C hasta que no emanan de humos blancos. El residuo es de color blanco cuando se enfría y soluble en el tampón elegido para el experimento.
      Nota: Pu (IV) fuente preparada de esta manera se puede almacenar seco hasta varios meses ^12.
2. Preparación Pu (V) trazador ¹³
   1. Oxidación Pu
      1. Transferir una alícuota del sto Puck solución en un plástico 20 ml vial de centelleo líquido con una tapa a prueba de fugas. Trabaje con 10 Bq de ²³⁹ Pu a la vez. Añadir 0,01 ml de 0,01 M KMnO ₄ y dejar la mezcla en la oscuridad durante al menos 6 h.
   2. Pu (VI) de extracción
      1. Antes de la extracción preparar una solución de 0,5 M tenoiltrifluoroacetona (TTA) en ciclohexano y protegerla de exposición a la luz. Siempre preparar esta solución inmediatamente antes de cada experimento.
      2. Añadir a la solución Pu oxidado 2 ml de 0,1 M CH ₃ COONa a pH 4,7 y 2 ml de 0,5 M tenoiltrifluoroacetona (TTA) en ciclohexano. Envolver el frasco con papel de aluminio para mantener la mezcla de reacción en la oscuridad, agitar durante 10 min. Se separa la fase orgánica que contiene Pu (VI) con una pipeta y la transferencia a un vial de vidrio limpio.
   3. Pu (VI) a Pu (V) fotorreducción
      1. Deje el vial de vidrio que contiene Pu (VI) -TTA compleja en ciclohexano a la luz ambiente durante 2 horas.
   4. Pu (V) de extracción
      1. Añadir a la solución de la luz-expuesta 1 ml de 0,1 M _CH3COONa a pH 4,7 y agitar durante 5 min. Eliminar fase acuosa, que contiene Pu (V). Determinar la concentración de esta fuente mediante recuento de centelleo líquido tomando una alícuota de 100 l.
         Nota: Preparar Pu (V) soluciones inmediatamente antes de cada experimento ya que la estabilidad a largo plazo de Pu en estado de oxidación + V está siendo cuestionada.

2. Preparación de las soluciones utilizadas en los experimentos

1. Preparar soluciones tamponadas
   1. Hacer solución 10 mM de MOPS (3- (N -morfolino) propanosulfónico) búfer. Tomar 200 ml de esta solución y ajustar al pH deseado por adición gota a gota de 0,1 M HCl (pH 6.5 para su uso con Pu (IV) y pH 5.5 para su uso con Pu (V)).
2. Preparar soluciones para experimentos con Pu (IV)
   1. Solución A
      1. Disolver Pu (IV) preparado en la etapa 1.1 en símililitros Veral de MOPS 10 mM solución tamponada a pH 6,5. Lave bien el vaso con la misma solución.
      2. Llevar el volumen a 72 ml con MOPS 10 mM solución tamponada a pH 6,5. Comprobar el pH y vuelva a ajustar a 6,5 ​​con 0,1 M de NaOH. Transferencia de 72 ml de esta solución en un vaso de precipitados limpio - esta es la solución (A) a ser introducidos en el compartimento A de la celda de difusión.
   2. Solución B
      1. Tomar 72 ml de MOPS 10 mM solución a pH 6,5 buffer; añadir 0,75 ml de 1 M de Na _{2 SO} 4. Comprobar el pH, vuelva a ajustar a 6,5 ​​si es necesario. Transferencia de 72 ml de esta solución en un vaso de precipitados limpio - esta es la «B» solución para ser introducido en «B» compartimento de la celda de difusión.
   3. Preparar soluciones con la NOM
      1. Pesar 1,4 mg de fúlvico liofilizado o ácido húmico para obtener una concentración de 20 ppm y disolverla en la «A» containi soluciónng Pu (IV). Preparar esta solución 24 h antes de experimentar y para permitir el equilibrio.
3. Preparar soluciones para experimentos con Pu (V)
   1. Solución A
      1. Disolver Pu (V) obtenido en la etapa 1.2.4 en 72 ml de MOPS 10 mM a pH 5,5 solución tamponada; añadir 0,75 ml de 1 M de _NaNO3. Comprobar el pH y ajustar a 5,5 si es necesario. Transferir 72 ml de esta solución en un vaso de precipitados limpio. Preparar la solución con Pu (V) inmediatamente antes de experimentar.
   2. Solución B
      1. Tomar 72 ml de MOPS 10 mM solución a pH 5,5 buffer; añadir 0,75 ml de 1 M de _NaNO3. Comprobar el pH y ajustar a 5,5 si es necesario. Transferir 72 ml de esta solución en un vaso de precipitados limpio.
   3. Preparar soluciones con la NOM
      1. Pesar 1,4 mg de fúlvico liofilizado o ácido húmico para obtener una concentración de 20 ppm y disolver en el Una solución que contiene Pu (V). Deje la solución durante 24 horaspara alcanzar el estado estacionario entre Pu (IV) y PU especies (V). Antes del experimento de difusión realizar una extracción en fase líquida para determinar la fracción de Pu (V) como se describe en la Sección 3.4.2.

3. Los experimentos de laboratorio de difusión

1. Preparar PAM gel
   1. Moje una bandeja de plástico con varios mililitros de electrolito (por ejemplo, mM _NaNO3 10), coloque la banda de gel de PAM y ampliar de manera uniforme sobre la superficie. Coloque con cuidado un fuerte golpe de 2,7 cm de diámetro en la superficie del gel. Evite arrastrando el golpe sobre la superficie del gel.
   2. Utilice iluminación focalizada local si es necesario, puede ayudar a visualizar el gel PAM transparente. Pulse el golpe firmemente contra la superficie de gel y suelte una vez que se corta.
2. Asamblea de la celda de difusión
   1. Colocar el disco de gel PAM con pinzas en la ranura sobre la ventana de difusión de una manera con la cara lisa. Gire el tornillo de forma que el two compartimentos de la célula de difusión se mantienen juntas, interconectados a través del disco de gel PAM.
   2. Marcos A y B compartimentos difusión de celulares. Montar la celda de difusión con el disco de gel inmediatamente antes de cada experimento; no permita que el gel se seque.
3. Lanzamiento de un experimento de difusión
   1. Vierta lentamente las soluciones A y B en los compartimentos correspondientes. Asegúrese de que ambas soluciones se vierten a la misma velocidad a fin de proporcionar un volumen igual en cada compartimiento en cualquier momento, de lo contrario el gel por difusión puede ser dañado.
   2. Poner en marcha el temporizador una vez que las soluciones están en la célula. Coloca los mezcladores eléctricos en miniatura sobre la celda de difusión. En este momento el experimento de difusión se considera iniciado.
4. La toma de muestras a lo largo experimento de difusión
   1. Tomar muestras de igual volumen dentro de intervalos de tiempo regulares a partir de los compartimientos A y B de forma simultánea con el fin de mantener los volúmenes constantes durante todo el EXPERIMEnt.
      1. Tomar una muestra de 1,00 ml simultáneamente en cada compartimiento inmediatamente en el inicio del experimento para determinar la concentración inicial Pu en el compartimiento A.
      2. Use un intervalo de tiempo de muestreo de 10 minutos en experimentos sin adición de NOM y 20 minutos a varias horas en experimentos con ácidos húmicos. 2,00 ml alícuotas son suficientes para proporcionar una buena sensibilidad para las mediciones de espectrometría alfa.
   2. Extracción en fase líquida de Pu (IV) y Pu (V)
      1. Al final del experimento de difusión tomar por separado 4 ml muestras de la A y B en los compartimentos de plástico tubos de ensayo con tapas herméticas. Se acidifica con muestras de 1 ml de HCl 2 M.
      2. Añadir 5 ml de 0,5 M de ácido fosfórico bis- (2-etil hexilo) (HDEHP) solución en ciclohexano y agitar tubos de ensayo vigorosamente durante 5 min. Deja muestras para permitir la separación de fases. Retire la fase acuosa que contiene Pu (V).
   3. Back-extracción del Pu (IV)
      1. Volver ex-tracto Pu (IV) de la fase orgánica restante con 5 ml de 5% (NH _{4) 2} C ₂ O _4.

Tratamiento 4. Muestra

1. Muestras de Spike con un patrón interno
   1. Muestras de Spike a analizar con un trazador de rendimiento. Use un pico de 1,00 ml de ²⁴² Pu trazador de 25 mBq ml ^-1 concentración de actividad para las mediciones de espectrometría alfa.
2. Oxidar matriz de muestras '
   1. Se evapora muestras a sequedad en un plato caliente con 2,00 ml de _HNO3 concentrado.

5. La separación radioquímica de Pu

1. Ajuste estado de oxidación Pu
   1. Disolver muestras secas desde el punto 4.2.1 en 5 ml 8 M HNO _3, añadir 20 mg _NaNO2, muestras de calor a 70 ° C durante 10 min. Este paso permite ajustar el estado de oxidación de Pu a + IV.
2. Extracción en fase sólida de la PU
   1. Humedecer una columna cuaternario basado en amina resina de intercambio de aniones (tales como TEVA) con 1,5 ml 8 M HNO _3. Utilice micro-columnas hechas de punta de la pipeta 1 ml con 100 mg de la resina acondicionado con 1,5 ml 8 M HNO _3.
   2. Pasar la solución del punto 5.1.1 a través de la columna de la resina con caudal de aproximadamente 1 ml min ^-1. Enjuague el vaso de muestras con 2 ml 8 M HNO ₃ tres veces y deslaves de transferencia a resina de columnas.
3. Elute Pu
   1. Lavar las columnas con 3 ml de HCl 9 M. Elute Pu con 3 ml de solución de 9 M HCl / 0,1 M HI. Se evapora eluidos en el plato caliente. Tratar con 2 ml de _HNO3 concentrado, se evapora a sequedad. Repita si es necesario hasta que el color de yodo marrón desaparece.
   2. Determinar la concentración de Pu en las muestras por cualquier método disponible.
      Nota. Para el rango de concentraciones de ²³⁹ Pu utilizado en este protocolo alfa-espectrometría ofrece una buena sensibilidad. Preparar las fuentes para la alfa-spectrometric contando por galvanoplastia en discos de acero inoxidable ^14. Cuente fuentes sobre detector de PIPS (450 mm ²⁾ en un espectrómetro.

6. Análisis de los Datos

1. Terreno difunde Pu en función del tiempo
   1. Trazar la actividad de Pu (mBq) acumulado en el compartimento B en función del tiempo (min). Correcta para el volumen de la muestra tomada a cabo durante el experimento de difusión: actividad de Pu acumulada (mBq) en el instante t es igual a la concentración (mBq ml ^-1) determinada en la muestra multiplicado por el volumen de la solución (ml) en el compartimento B en el momento de muestreo (véase el ejemplo de la hoja de cálculo - Figura 2).
   2. Para trazar en los mismos datos del gráfico de varios experimentos con diferentes concentraciones Pu, concentraciones de uso normalizaron a la concentración inicial de la PU del compartimento A.
2. Calcular el coeficiente de difusión
   1. Calcular el coeficiente de difusión D (cm ^{2 s-1)} de las especies de la PU para cada experimento ^10. Usar la ecuación (1):
      (1)
      donde? G es el espesor de gel difusión (cm), C la concentración Pu inicial (mBq ^ml -1), S el área de difusión ^(cm2), y A la actividad (mBq) de especies Pu difundidos en el compartimiento B en el momento t (sec).? A /? t es la pendiente de la gráfica lineal de Pu difusa en el compartimento B en función del tiempo.

7. Los estudios de biodisponibilidad de Pu en las aguas dulces naturales

1. Preparar samplers DGT
   1. Moje una bandeja de plástico con varios mililitros de electrolito (por ejemplo, 10 mM _NaNO3), coloque la placa inferior (ver Figura 3) del muestreador DGT. Utilice iluminación local si es necesario, puede ayudar a visualizar geles transparentes.
   2. Positien una tira de gel de resina Chelex 6 cm x 22 cm y ampliar de manera uniforme sobre la superficie de la placa. Colocar en la parte superior de la capa de gel de resina una tira de gel difusiva 6 cm × 22 cm PAM y expandir uniformemente sobre la superficie. Asegúrese de que los geles no se deslizan y se posicionan de forma de cara lisa.
   3. Cubra la capa de gel de difusión con un 6 cm × 22 cm pedazo de una membrana de filtro. Coloque el marco de la cubierta de la toma de muestras de la DGT (ver Figura 3) sobre la membrana de filtro y cerrar el conjunto presionando ligeramente el marco en los bordes.
   4. Cortar las piezas de gel que se extienden con una lanceta afilada, abra y vuelva a alinear capas de gel, si es necesario, hasta obtener una superficie de la placa lisa. Fije el montaje con tornillos.
   5. Moje los muestreadores DGT con varios mililitros de electrolito (por ejemplo, mM _NaNO3 10). Guarde húmeda en una bolsa de plástico sellada hasta varias semanas a 4-5 ° C.
2. Despliegue de dgts en un cuerpo natural de agua
   1. Tome el muestreador DGT fuera de la bolsa de plástico. Fijar samplers DGT en el soporte como se muestra en la Figura 4.
   2. Implementar dgts en el cuerpo de agua, ya sea suspenderlas en una cuerda fuerte o la instalación en un soporte vertical estable en una forma de proporcionar un flujo de agua tangencial constante a lo largo de la superficie de la DGT. Implementar dispositivos DGT en las aguas dulces durante dos o tres semanas con el fin de acumular el Pu a una concentración suficiente para las mediciones.
3. Tratamiento de dgts recuperados
   1. Recuperar dgts del agua. Desenrosque el conjunto, sacar la membrana de filtro y deseche. Saque la capa de gel superior (PAM gel difusiva) y deseche.
   2. Transferir el gel de resina en un vaso de vidrio que contiene 20 ml 8 M HNO ₃ y las muestras de pico a analizar con un trazador de rendimiento. Use un pico de 1,00 ml de ²⁴² Pu trazador de 0,25 mBq ^ml -1 (1,7 pg ml ^-1) concentración de actividad para las mediciones de la MGA. Después de tener bien agitated, dejar muestras de O / N para Pu elución.
4. Eluidos Condición DGT
   1. Filtrar las soluciones de las muestras de gel de resina; enjuagar los geles de resina restantes con 5 ml 8 M HNO ₃ y combinar los lavados con muestras. Añadir 20 mg de NaNO ₂ a cada muestra, calentar las soluciones a 70 ° C durante 10 min. Este paso permite ajustar el estado de oxidación de Pu a + IV.
5. Extracción en fase sólida de la PU
   1. Humedezca un anión cartucho de resina de intercambio basado en amina cuaternaria con 10 ml 8 M HNO _3. Pasar las soluciones de punto 7.4.1 través del cartucho de resina de intercambio con caudal de aproximadamente 1 ml min ^-1. Enjuague el vaso de la muestra con 5 ml 8 M HNO _{3 tres} veces y transferir los lavados al cartucho de resina de intercambio.
6. Elute Pu
   1. Lave cartuchos con 10 ml 9 M HCL. Elute Pu con 15 ml de solución de 9 M HCl / 0,1 M HI. Se evapora eluido en un plato caliente. Tratar con 2 ml de HNO ₃ concentrado, correosvaporate a sequedad. Repetir si es necesario hasta que el color marrón de yodo ha desaparecido por completo.
   2. Repetir separación radioquímica de Pu de una a dos veces más si se requiere la purificación superior - en función del rendimiento de sistema de detección Pu. Lleve a cabo el segundo y el tercer separaciones en micro-columnas hechas de punta de la pipeta 1 ml con 100 mg de resina de intercambio acondicionado con 1,5 ml 8 M HNO _3.
   3. Determinar la concentración de Pu en las muestras. Utilice las técnicas de espectrometría de masas para medir ²³⁹ Pu debido al muy bajo nivel de plutonio en el medio ambiente prístino.
      Nota: En este trabajo, utilice la instalación de AMS en sintonía para el análisis de los actínidos en el Laboratorio de Ion Beam Física en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich.

8. Análisis de los Datos

1. Calcular la concentración (C _DGT en μBq ml ^-1) de biodisponible (lábil) Pu spECIES en el agua a granel de la cantidad de Pu acumulada por la DGT durante el período de despliegue. Usar la ecuación (2):
   (2)
   donde A es la actividad (μBq) de Pu acumulado en la fase de unión,? G la capa de difusión (membrana de gel + filtro) Espesor (cm), D el coeficiente de difusión de Pu en el gel PAM (cm ² seg ^-1), S el área de difusión (cm ²⁾ y T la duración de despliegue (sec).
2. Comparar C _DGT de Pu determinado por dgts con Pu concentración total en el agua a granel, así como con otros datos disponibles de especiación.

9. La separación radioquímica para la Determinación del total Pu en el agua a granel

1. Muestra de agua Condición
   1. Bomba de agua del cuerpo estudiada de agua a través de un filtro de membrana de 45 micras en una plastreceptor ic. Trabajar con muestras de 10 a 50 L para las mediciones de la MGA. Se acidifica el agua a pH 2 con HNO ₃ inmediatamente después del muestreo en el sitio de muestreo antes de transportar al laboratorio.
2. Precipitar Pu en hidróxidos de hierro
   1. En el laboratorio introducir un agitador superior en el receptor. Pico de la muestra con Pu rendimiento trazador. Use un pico de 1,00 ml de ²⁴² Pu trazador de 0,25 mBq ^ml -1 (1,7 pg ml ^-1) concentración de actividad para las mediciones de la MGA.
   2. Añadir FeCl ₃ · 6H ₂ O tomando aproximadamente 0,25 g por 10 L de muestra. Después de haber agitado durante 30 min, precipitar hidróxidos de hierro con NH ₄ OH a pH 8.
3. En segundo lugar la precipitación de hidróxidos de hierro en Pu
   1. Decantar el sobrenadante de la muestra de agua desde el punto 9.2.2. Recuperar el precipitado de los hidróxidos de hierro en un vaso de precipitados de vidrio de 2 L, enjuagar el recipiente con agua desionizada y se combinan los lavados con el sample.
   2. Disolver el precipitado en 100 ml de HCl ~ 5 M, calentar a 90 ° C para descomponer los carbonatos. Filtrar si es necesario cuando la solución se enfría. Vuelva a precipitar hidróxidos de hierro con _NH4OH a pH 8.
4. Hidróxidos de hierro Condición para el análisis
   1. Decantar el sobrenadante de la muestra desde el punto 9.3.2. Recuperar el precipitado de hidróxido de hierro en un recipiente de centrifugación. Centrífuga, descartar el sobrenadante. Lavar el precipitado con agua desionizada. Repita 2-3 veces.
   2. Disolver el precipitado en 10 ml 8 M HNO _3, presentará a la separación radioquímica de Pu como se describe anteriormente en las secciones de 7,4-7,6.

10. Preparar muestras para AMS Mediciones

1. Precipitar Pu en hidróxidos de hierro
   1. Después de la separación radioquímica, disolver la muestra final en HCl 0,5 ml 1 M, transferir la muestra con una pipeta de plástico en un vial de vidrio de 2,5 ml. Enjuague el vaso de la muestra twice con HCl 0,5 ml 1 M, traslado deslaves en el mismo vial.
   2. Añadir 0,5 ml de 2 mg ml ^-1 solución madre de Fe ³⁺ para proporcionar 1 mg de hierro. Precipitar hidróxidos de hierro añadiendo unas gotas de _NH4OH concentrado. Centrifugar y decantar el sobrenadante.
   3. Lavar el precipitado con agua desionizada, centrifugar y decantar el sobrenadante. Secar el precipitado en la placa caliente a 90 ° C.
2. Preparar objetivo para mediciones AMS
   1. Hornee los hidróxidos precipitan desde el punto 10.1.3 en un horno durante 2-3 horas a 650 ° C. Mezclar bien con 3.4 mg de polvo de metal niobio y de prensa en un soporte objetivo Ti para las mediciones de la MGA.
      Nota: Se midieron las muestras con el compacto (0,6 MV) sistema AMS "TANDY" en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH Zurich) en sintonía para las mediciones de los actínidos ^15,16.

Resultados

Experimentos de difusión

Trazado de las actividades de ²³⁹ Pu difundidos en el compartimento B de la célula de difusión en función del tiempo proporciona una representación visual del flujo ^de las 239 especies de Pu que se difunden a través del gel PAM. Los coeficientes de difusión calculados a partir de estas parcelas acuerdo con la ecuación 1 proporcionar un medio adicional para comparar la movilidad de diferentes especies redox ²³⁹ Pu en diversos ambientes químicos (Figura 2). La figura 5 ilustra los experimentos de difusión con Pu (IV) y Pu (IV) -pu (V) especies mixtas, respectivamente, en las MOPS tampón y en presencia de 20 ppm de HA. Una comparación de estas parcelas muestra que Pu (V) es significativamente más móviles que Pu (IV) .Este es particularmente válido para Pu (IV) y Pu (V) cuando HA (MW de 5-40 kDa en nuestros experimentos, que se caracteriza en el SI por Cusnir et al.) ¹⁰ se añade como de complejos de moléculas. Pu (V) solut fuenteion preparó de acuerdo con el protocolo descrito en el presente documento contiene especies predominantemente Pu (V). Extracción en fase líquida con HDEHP al final del experimento de difusión en las MOPS solución tamponada encontró 80% ± 10% de Pu (V). El rendimiento químico de esta extracción es 80%. La solución con Pu (V) en presencia de 20 ppm de HA se equilibró durante 24 horas y Pu (V) fracción de esta solución del modelo fue del 35% ± 10%.

Estudios sobre Pu biodisponibilidad en aguas dulces naturales

Varios dispositivos DGT construidos en nuestro laboratorio fueron expuestos con éxito durante períodos de dos a tres semanas en un manantial kárstico de las montañas del Jura suizo. Este es un manantial de agua mineral con el pH del agua en el intervalo de 06/05 a 07/05, la conductividad por encima de 400 microsiemens cm ^-1 y saturada con oxígeno. Estos experimentos demostraron una buena aplicación y la solidez de las asambleas de gel sin rastro de contaminación biológica, posiblemente, también a causa de tque la baja temperatura del muelle (7 ° C). Dgts recuperados después de los despliegues estaban bien conservados, con capas intactas de gel, conservando la forma inicial y el aspecto visual. Pu acumulada por dgts fue analizado por AMS. AMS ofrece considerables ventajas sobre otras técnicas de análisis: es muy sensible (a niveles sub-FG), y requiere mucho menor cantidad de muestra inicial que el alfa-espectrometría o técnicas de ICP-MS. Además, las interferencias isobáricas molecular, tales como el hidruro de uranio ⁽²³⁸ UH), u otras moléculas se suprimen de manera eficiente durante la medición AMS y no interfieren con la detección ²³⁹ Pu. Para algunas razones técnicas (muy probablemente una contaminación con ²³⁹ Pu durante las separaciones químicas), no fue posible utilizar los datos para ²³⁹ Pu para las primeras aplicaciones de dgts en el campo. Sin embargo, los resultados ^{de 240} Pu eran imparciales. Por lo tanto, se calculó el contenido de Pu ²³⁹ de la medida ^{240 Pu, tomando como 0.18 240 Pu / 239 relación atómica Pu plutonio consecuencias. Los resultados se resumen en la Tabla 1.}

²³⁹ Pu concentraciones medidas en muestras de agua a granel son similares a las concentraciones reportadas previamente para este acuífero (1-7 μBq L ^{-1) 11.} Por otra parte, ²³⁹ Pu concentraciones calculadas a partir de mediciones de la DGT son similares dentro de las incertidumbres de la medición. Desde dgts acumulan única especie libres y lábiles Pu, se puede estimar la fracción biodisponible de Pu en esta agua. Los datos dados en la Tabla 1 indican que todas las especies de ²³⁹ Pu presentes en el agua a granel se encuentran en una forma biodisponible. Este es un resultado interesante a la luz de los hallazgos previos ^11, que han revelado la acumulación predominante de ^{239 + 240} Pu en la fracción intracelular de los musgos acuáticos que crecen en la primavera en comparación con ^{241 Am y 90 Sr. 11 Los autores sugirieron que la mayor movilidad de Pu en este acuífero natural era debido a la formación de un complejo de carbonato de Pu soluble, posiblemente como una forma plutonyl Pu (V), similar a la de origen natural complejo de carbonato de uranilo. El agua del manantial Venoge es agua dura, con una alta concentración de carbonato y muy bajo contenido de la NOM (alrededor de 1 ppm).}

Figura 1. Difusión celular utilizado para los experimentos sobre la difusión Pu través del gel PAM. La ranura de espesor de 0,5 cm, la profundidad de la ranura de 0,39 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Snapshot de la hoja de cálculo Excel utilizado para los cálculos del coeficiente de difusión. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Ampliación de la superficie del dispositivo de la DGT para mediciones de especiación ambientales Pu Algunas piezas del dispositivo DGT -. La placa inferior y el marco de la cubierta -. Visualiza a la izquierda, el montaje con los agujeros de la tripulación a la derecha Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.

Figura dispositivos sampler 4. DGT fijos en el soporte (izquierda) expuestos en el Venoge spring (derecha) para las medidas de biodisponibilidad Pu. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Gráfico de la Pu ²³⁹ difunde en el compartimento B de la célula de difusión en diferentes ambientes químicos. Puntos de datos experimentales se dan para ²³⁹ Pu (IV) y ²³⁹ Pu (V), respectivamente, en tampón MOPS, así como para ²³⁹ Pu (IV) - ²³⁹ Pu (V) especies mixtas (35% ± 10% de Pu (V)) en presencia de HA. La línea se muestra para los ²³⁹ Pu (IV) -HA se ha calculado utilizando un coeficiente de difusión de 0,50 × 10 ^-6 cm ^{2 s -1} determinado previamente ^10. Los coeficientes de difusión calculados a partir de la ecuación 1 son: Pu (IV) en tampón MOPS - 2,29 × 10 ^-6 cm ² seg ^-1, Pu (V) en tampón MOPS - 3,50 × 10 ^-6 cm ² seg ^-1, Pu (IV) - Pu (V) con HA - 0.92 × 10 ^-6 cm ^{2 s -1.} De arriba a abajo: PU (V) en tampón MOPS (círculo rojo abierto), Pu (IV) en el tampón MOPS (azul triángulos vacíos), Pu (IV) - Pu (V) en presencia de 20 ppm de HA (verde cuadrados blancos), Pu (IV) en presencia de 20 ppm de HA (rombos marrones). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tipo de muestra	Número de mediciones	239 concentración Pu, μBq L -1
Agua a granel	2	1,9 ± 0,55
DGT 0,39 mm	2	1.74 ± 0.9
DGT 0,78 mm	1	1.79 ± 0.9

Tabla 1. Los resultados representativos para ²³⁹ Pu mediciones por AMS en el agua a granel y samplers DGT. ²³⁹ Pu en el agua a granel fue co-precipitados de 20 litros de agua con hidróxidos de hierro, extraída de la resina de intercambio-actínidos específico y medido por la MGA . ²³⁹ concentraciones PU para mediciones DGT calculados utilizando la ecuación 2 y coeficiente de difusión de Pu (IV). Incertidumbres para k = 2; u (95).

Discusión

La metodología aquí descrita DGT para los experimentos con Pu usando una celda de difusión proporciona un enfoque fiable para diversos estudios sobre las especies redox Pu y sus interacciones con moléculas orgánicas, partículas coloidales y los sistemas ambientales simuladas. Otras aplicaciones de dgts para mediciones ambientales de Pu contribuirán a nuestra comprensión de la biodisponibilidad y el destino de este radionucleido en los ecosistemas acuáticos.

Experimentos de difusión en Laboratorio

Para llevar a cabo un experimento de difusión exitosa con conclusiones significativas sobre la movilidad Pu e interacciones con respecto a un ambiente químico específico, bien definidos y condiciones controlables deben ser proporcionados. El ajuste de los estados de oxidación Pu antes del experimento es esencial para simplificar la interpretación de los datos, así como para simular diversos comportamientos biogeoquímicos de especies redox PU. La sensibilidad de las especies a Puvariaciones de pH hace búfer las soluciones de una necesidad. Particular atención debe tener en cuenta las características de células de difusión y configuración: el uso de material polímero no sorber teflón evita adsorción sobre las paredes de las células y permite un montaje estanco robusto, evitando la pérdida de Pu difunda soluciones durante el experimento.

La concentración inicial Pu a introducir en el compartimiento A, así como el intervalo de muestreo y el volumen de cada muestra tomada durante el experimento de difusión dependen del método analítico disponible en el laboratorio. Cualquier método analítico disponible se puede utilizar para la determinación de la concentración de Pu en las muestras de la celda de difusión, sin embargo esta elección está estrechamente ligado a la actividad inicial del Pu tomado para el experimento. 10 Bq de ²³⁹ Pu como se recomienda en este protocolo (dando 100-140 mBq ^ml -1 o ~ 2 × 10 ^-13 mol ml ^-1) son suficientes para proporcionar suficiente sensibilidad para measurementos de alfa-espectrometría y generalmente no plantean problemas particulares de reglamentos de protección radiológica. La concentración inicial de Pu puede reducirse si otras técnicas más sensibles, analíticos están disponibles para la determinación de Pu (por ejemplo, espectrometría de masas). Intervalo de muestreo puede ser seleccionado para cada experimento de difusión, dependiendo de Pu concentración inicial, y la tasa esperada de difusión a través del gel PAM. A pesar del hecho de que las alícuotas de los experimentos de difusión no contienen radionúclidos distintos de Pu, la presencia de sales minerales y de la memoria tampón MOPS puede interferir con procedimiento analítico, reduciendo la eficiencia y la precisión del análisis cuantitativo. Por lo tanto, es preferible realizar una separación química de Pu en estas muestras.

La célula de difusión proporciona el mejor enfoque para estudiar la difusión en el gel PAM ya que el gel se expone directamente a una solución bien agitada. Así, los efectos de la bo difusivacapa undary (DBL) en la superficie del gel se consideran insignificantes. Buena agitación de las soluciones durante un experimento de difusión es esencial, lo que permite la reducción al mínimo de los efectos DBL. En el mismo tiempo, se debe proceder con cuidado a fin de no perturbar el gel PAM.

Estudios de Pu biodisponibilidad en aguas dulces naturales

Los resultados producidos por este espectáculo protocolo que la medición de plutonio con dispositivos DGT ofrece una herramienta eficaz para estudiar la biodisponibilidad de plutonio en agua dulce. DGT producen mediciones de concentración-tiempo promedio de especies libres y lábiles, las dos formas más importantes para la absorción biológica por los organismos vivos. Además, la cinética de la interacción de Pu con la materia orgánica pueden ser investigados utilizando geles de diferente espesor. El tiempo necesario para las especies de Pu-Nom se difunda a través del gel permitirá para los complejos más lábiles a disociar. Mediciones DGT pueden complementarse bY técnicas de ultrafiltración, que producen el porcentaje de especies coloidales Pu por encima de un tamaño determinado (por ejemplo, 8 kDa). Por lo general las especies coloidales Pu se consideran como especies no biodisponibles y son parte de la fracción Pu no cuantificable mediante la DGT.

En este punto, los dispositivos de la DGT fueron desplegados sólo en agua dulce de un manantial kárstico de las montañas del Jura suizo. Concentraciones ambientales bajas de Pu requieren una implementación a largo plazo de los dispositivos de la DGT, que pueden surgir inconvenientes potenciales. El bioensuciamiento de la superficie DGT representa un inconveniente significativo, aumentando el espesor DBL y limitando de este modo el flujo de Pu a través del gel PAM. Encuadernación fase de las dgts expuestas en aguas marinas o en aguas de alta mineralización puede saturarse rápidamente con otros metales traza, tergiversar los datos de acumulación de Pu. Determinación de niveles de trazas de Pu ambiental requiere una separación radioquímica minuciosa y métodos analíticos muy sensibles. Medición AMSs aplicados en este protocolo no están ampliamente disponibles, pero pueden ser reemplazadas por otras técnicas de espectrometría de masas. Sin embargo, una separación radioquímica rigurosa es necesaria para eliminar la interferencia isobárica ²³⁸ UH de uranio natural.

La ecuación 2 muestra que el tamaño del dispositivo DGT es un parámetro esencial que puede ser sintonizado para aumentar la cantidad de Pu acumulado durante un tiempo de implementación dada. Tiras de gel comerciales están disponibles sólo con una superficie máxima de 6 cm x 22 cm. Por lo tanto, la ventana del muestreador DGT se ha aumentado a 105 cm ² (5 cm × 21 cm), lo que hace posible acumular suficiente de especies de la PU para tiempos de implementación relativamente cortos. El conjunto de tales un sampler DGT requiere precisión y especial consideración de las propiedades de la hoja de gel PAM mientras se manipula. Es de fundamental importancia para montar capas de gel en un uniforme de cara lisa "sándwich" con el fin de proporcionar una homogeflujo nea de especies Pu del agua a granel a través del gel de difusión. Un buen flujo de agua en la superficie DGT es también un parámetro importante, sin embargo, está determinada principalmente por las condiciones de flujo en el acuífero. Se recomienda colocar dispositivos DGT para las mediciones de Pu en alrededor de 45 ° hacia la dirección del flujo de agua con el fin de proporcionar un suministro constante de agua y minimizar los efectos de la DBL.

Coeficiente de difusión empleado en la ecuación 2 se debe corregir si la temperatura en el cuerpo estudiado de agua es diferente de la temperatura a la que se determinó el coeficiente de difusión. Efectos de la temperatura en los coeficientes de difusión son dados por la ecuación de Stokes-Einstein (ecuación 3):
(3)
donde D ₁ y D _{2 son} los coeficientes de difusión ^{(cm2 s-1),} η η ₁ y _{2 son} viscosidades (MPA seg) de water a temperaturas T ₁ y T ₂ (K), respectivamente.

En la actualidad, no existe un método para investigar Pu especiación en ambiente prístino, excepto para los cálculos termodinámicos basados ​​en, por ejemplo, pH y parámetros redox. Estos parámetros sólo están disponibles para los macro-componentes, tales como carbonatos, hierro o cationes de manganeso. Por lo tanto, Pu especiación se deriva de estas especies medibles pero no representa una medida "real". Aquí pensamos que la difusión en la técnica de película de gel PAM delgada como se presenta en este trabajo es un paso importante en la resolución del problema de la especiación Pu, ya que permite la medición in situ libres y especies lábiles y, posiblemente, lo que evidencia las especies plutonyl. Aunque sólo unos pocos mediciones DGT de la PU del medio ambiente en las aguas dulces se han realizado hasta el momento, los resultados obtenidos son alentadores para otras aplicaciones de la técnica de la DGT para Pu especiación y biodisponibilidad estudios.Despliegue de dgts en aguas ricas en materia orgánica potencialmente dar información importante sobre la movilidad de la PU y las interacciones en presencia de moléculas NOM. Resultados interesantes se debe esperar a partir de mediciones de la DGT en ambientes marinos contaminados, tales como los mares costeros alrededor de la planta de reprocesamiento nuclear de Sellafield y la central nuclear de Fukushima Daiichi dañada.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
239Pu tracer	CEA		Source PU239-ELSC10
242Pu tracer	LNSIRR		Source Pu242 N° 790 from Laboratory for National Standards of Ionizing Radiation of Russia
25 ml Beakers
Pipette	Socorex
Disposable plastic pipettes	Semadeni
20 ml Plastic scintillation vial	Semadeni
Aluminium foil
Hot plate
Tweezers
Actinide exchange resin - TEVA - B	Triskem	TE-B50-A
Actinide exchange resin - TEVA - R cartridges	Triskem	TE-R10-S
1 ml Pipette tips	Socorex
PAM gel strip 6×21 cm	DGT Research Ltd		0.39 mm and 0.78 mm thickness / www.dgtresearch.com
Chelex gel strip 6×21 cm	DGT Research Ltd		0.40 mm thickness / www.dgtresearch.com
Diffusion cell			Fabricated / in-house workshop
Ø 27 mm Punch			Fabricated / in-house workshop
Plastic tray
DGT set-up			Fabricated / in-house workshop
Membrane filter	PALL Corporation		HT-450 Tuffryn Polysulfone Membrane Disc Filter 0.45 μm / 145 μm thickness
Nitric acid	Carlo Erba	408025
Sulfuric acid	Sigma-Aldrich	84720
Hydrocloric acid	Carlo Erba	403981
Hydriodic acid	Merck	100341
Potassium permanganate	Merck	105082
Sodium hydrogen sulfate	Merck	106352
Sodium sulfate	Merck	106647
Sodium nitrate	Sigma-Aldrich	31440
Sodium nitrite	Fluka	71759
Sodium acetate	Merck	106281
Ammonium oxalate	Fluka	9900
Bis-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid (HDEHP)	Merck	177092
2-thenoyltrifluoroacetone (TTA)	Fluka	88300
MOPS buffer	Sigma-Aldrich	M9381	MOPS sodium salt
Cyclohexane	Carlo Erba
Humic acid			Extracted from an organic-rich soil of an Alpine Valley, freeze-dried, MW 5-40 kDa
NH4OH	Carlo Erba	419943
FeCl3·H2O	Sigma-Aldrich	44944