Microbial iron reduction influenced by humic acids and redox transformation of arsenic by reactive iron minerals

Abstract

The work presented in this thesis showed concentration-dependent aggregate formation of 2 line ferrihydrite. Determination of microbial iron reduction rates of Shewanella oneidensis MR 1 in these setups showed limited microbial accessibility of the aggregates depending on the mineral concentration. In addition, the accessibility of the mineral aggregates varied in the presence of different concentrations of humic acids. Adsorbed humic acids changed the surface charge of the mineral aggregates and either lead to further interlinking of the aggregates or repulsion of identically charged particles. Dissolved humic acid in turn can be used by bacteria to transfer electrons to hardly soluble Fe(III) minerals at neutral pH. In particular it was shown that only a very restricted range of dissolved humic acid concentrations (~10-130 mg HA/l) lead to stimulation of microbial iron reduction. Furthermore, the electron transfer properties of humic acids were affected by ionic strength. It was shown that an increase in ionic strength lead to an increase of electrons transferred to Fe(III) by reduced humic acids. In addition to structural changes by electrostatic repulsion between dissolved ions and humic acid we also detected a decrease of particle charge (zeta potential) with increasing ionic strength. This effect may have facilitated interaction between cells and humic acids and enhanced the electron shuttling function of humic acid. In addition to determination of reduction rates, the influence of humic substances on the formed biogenic iron minerals was followed using sequential extraction, µ XRD analysis and Moessbauer spectroscopy. The results demonstrated that the identity and crystallinity of the minerals formed strongly depend on the initial concentration of ferrihydrite, the local ratio of Fe(II) to Fe(III) and the presence of phosphate or humic acid, with the latter leading to decreased crystallinity with increasing concentration. Potentially reactive Fe(II)-Fe(III) minerals may be formed, which could have substantial impact on the fate of contaminants in anoxic environments. In order to determine the potential of such reactive Fe(II)-Fe(III) minerals for the redox transformation of arsenic under anoxic conditions, abiotic batch experiments were set up containing goethite, dissolved Fe(II) and As(III) or As(V), respectively. Separate analysis of the surface bound arsenic by synchrotron-based XANES and analysis of dissolved arsenic by ICP-MS provided quantity and identity of arsenic species in iron mineral systems. Using these techniques oxidation of As(III) to As(V) by Fe(II) goethite suspensions was observed whereas reduction of As(V) to As(III), the expected reaction, was not observed. It was attempted to identify the reactive iron phase by µ XRD, SEM, HR-TEM and Moessbauer spectroscopy, but it was not possible to identify the oxidizing redox reactive iron species. Instead, we confirmed previous findings showing electron transfer from the adsorbed Fe(II) to the underlying goethite, with subsequent formation of goethite by oxidation of the adsorbed Fe(II). During this process a short-living intermediate state of iron could probably cause the redox transformation of arsenic bound in a surface complex. Such reactive phases could not be found in iron-reducing batch cultures containing a mixture of 2 line ferrihydrite and goethite. Obviously goethite could not serve as adsorption template for formed biogenic Fe(II) in a similar way as in the abiotic experiments. This could be a consequence of surface blockage by formed secondary iron minerals which may prevent sorption of Fe(II). However, the reduction of As(V) at an intermediate stage of Fe(III) reduction in cultures containing ferrihydrite as the only Fe(III) source showed the potential of biogenic reactive Fe(II)-Fe(III) mineral systems for redox trans-formation of arsenic. Conclusively, the present studies show the limitations (concentration, ionic strength) and implications (reduction rates, mineral formation) of humic substances for the stimulation of electron shuttling in microbial Fe(III) reduction. In particular the variations in mineral crystallinity caused by humic acids potentially influence the reactivity of the formed iron precipitates towards pollutant transformation. Since the fate of arsenic in anoxic environments depends on many different factors further elucidation of redox reactions with Fe(II)-Fe(III) minerals may contribute to knowledge about the natural speciation of this metalloid. Finally it follows that humic substances take a key role in microbial iron reduction if they are present in sufficient amounts to support electron shuttling. Then they determine consumption rates for poorly crystalline Fe(III) sources like ferrihydrite and may even affect the potential for natural attenuation in contaminated anoxic aquifers due to their effect on biogenic mineral formation.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine konzentrationsabhängige Aggregatbildung von 2 line Ferrihydrit gezeigt. Die mikrobiellen Eisenreduktionsraten von Shewanella oneidensis MR 1 in diesen Ansätzen deuteten auf eine eingeschränkte Zugänglichkeit der Aggregatoberfläche für Bakterien abhängig von der Mineralkonzentration hin und zusätzlich beeinflusst durch die Variation von Huminsäurekonzentrationen. Adsorbierte Huminsäure veränderte die Oberflächenladung der Mineralaggregate und führte entweder zu einer weiteren Vernetzung der Aggregate oder zu einer Abstoßung gleichartig geladener Partikeln. Bei neutralem pH können gelöste Huminsäuren desweiteren von Bakterien zum Elektronentransfer auf schwerlösliche Fe(III)-Minerale genutzt werden. Dabei wurde ins Besondere ein sehr eng begrenzter Bereich von gelösten Huminsäurekonzentrationen (~10-130 mg HA/l) ermittelt, in dem die Stimulation der mikrobiellen Eisenreduktion zunahm. Weiterhin wurden die Elektronentransfereigenschaften von Huminsäuren durch die Ionenstärke beeinflusst. Mit steigender Ionenstärke erhöhte sich die Menge der Elektronen, die von reduzierten Huminsäuren übertragen wurde. Neben der strukturellen Veränderung durch elektrostatische Abstoßung zwischen gelösten Ionen und Huminsäure sank auch die Partikelladung mit steigender Ionenstärke. Dies erleichterte Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Huminsäuren und führte zu schnellerem Elektronenübertrag über Huminsäuren. Neben der Bestimmung der Reduktionsraten wurde auch der Einfluss von Huminstoffen auf die biogene Mineralbildung mit Hilfe von sequenzieller Extraktion, µ XRD-Analyse und Mössbauerspektroskopie verfolgt. Es wurde gezeigt, dass sowohl die Identität als auch die Kristallinität der gebildeten Minerale stark von der Ferrihydritmenge zu Beginn des Versuches, dem lokalen Fe(II)-Fe(III)-Verhältnis und der Anwesenheit von Phosphat bzw. Huminsäure abhingen, wobei letztere mit steigender Konzentration zu geringerer Kristallinität führte. Dabei könnten möglicherweise reaktive Minerale gebildet werden, die den Verbleib von Schadstoffen unter anoxischen Bedingungen beeinflussen können. Um das Potenzial solcher reaktiven Fe(II)-Fe(III)-Minerale für die Redoxumwandlung von Arsen unter anoxischen Bedingungen abschät-zen zu können wurden abiotische Batchversuche durchgeführt, die Goethit, gelöstes Fe(II) und As(III) bzw. As(V) enthielten. Die separate Analyse von oberflächengebundenem Arsen und gelöstem Arsen lieferte Menge und Speziierung des Arsens in Gegenwart von Eisenmineralen. Es gelang der Nachweis einer As(III)-Oxidation zu As(V) in Fe(II) Goethitsuspensionen, die erwartete Reduktion von As(V) zu As(III) war dagegen nicht zu beobachten. Auch mittels µ-XRD, SEM, TEM und Mössbauerspektroskopie konnte die redoxaktive oxidierende Eisenspezies nicht eindeutig identifiziert werden. Stattdessen konnte der Elektronentransfer von adsorbiertem Fe(II) auf das darunter liegende Goethit und die Umwandlung dieses Fe(II) in Goethit, wie in früheren Studien beschrieben, bestätigt werden. Während dieses Prozesses könnte ein instabiler Übergangs-zustand die Redoxtransformation des oberflächengebundenen Arsens verursacht haben. Solche reaktiven Phasen konnten in biotischen Batchversuchen mit einer Mischung aus Goethit und 2 line Ferrihydrit nicht nachgewiesen werden. Anscheinend wirkte Goethit hier nicht als Adsorptionsmittel für Fe(II) vergleichbar zu den abiotischen Versuchen. Dies war möglicherweise die Folge einer Oberflächenbelegung durch sekundär gebildete Eisenminerale, die Fe(II)-Sorption verhinderten. In Eisenreduktionskulturen, die ausschließlich Ferrihydrit als Fe(III)-Quelle enthielten wurde allerdings Reduktion von As(V) nachgewiesen, was den potenziellen Einfluss von biogenen, reaktiven Fe(II)-Fe(III)-Mineralsystemen auf die Redoxtransformation von Arsen zeigte. Abschließend ist fest zu halten, dass diese Studie Limitierungen (Konzentration, Ionenstärke) und Effekte (Reduktionsraten, Mineral-bildung) von Huminstoffen auf die Stimulierung von mikrobieller Fe(III)-Reduktion durch Elektronenshuttling zeigt. Ins Besondere die Veränderung der Kristallinität, verursacht durch Huminsäure, kann die Reaktivität von Eisenmineralen in Hinsicht auf die Schadstoff-umwandlung (Arsen) beeinflussen. Da der Verbleib von Arsen unter anoxischen Bedingungen von vielen verschiedenen Faktoren abhängt kann die weitere Aufklärung von abiotischen Redoxreaktionen mit Fe(II)-Fe(III)-Mineralen zum Verständnis des natürlichen Verhaltens dieser Metalloidspezies beitragen. Ausgehend von diesen Ergebnissen folgt, dass Huminstoffe eine Schlüsselrolle in der mikrobiellen Eisenreduktion einnehmen, wenn sie in ausreichender Menge vorhanden sind um Elektronenshuttling zu unterstützen. Dann bestimmen sie Verbrauchsraten für schwach kristalline Fe(III)-Quellen wie Ferrihydrit und können durch den Einfluss auf die biogene Mineralbildung sogar natürliche Regenerationsprozesse in belasteten, anoxischen Aquiferen beeinflussen.