Mikrobielle Bildung reaktiver Eisen- und Huminstoffphasen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Natürliches, organisches Material (NOM, Huminstoffe) und Eisenminerale sind bedeutende Komponenten unserer Umwelt, da sie Bestandteile praktisch aller aquatischer und terrestrischer Systeme sind. Eisenminerale und Huminstoffe können Stoffe sorbieren/komplexieren und dadurch binden sowie Redoxreaktionen mit ihnen eingehen. Deshalb spielen Eisenminerale und Huminstoffe eine wichtige Rolle für die Stoffkreisläufe zahlreicher Elemente (z.B. Kohlenstoff, Stickstoff), Nährstoffe (z.B. Phosphat und Spurenmetalle wie Cobalt) und Schadstoffe (z.B. Arsen, Chrom oder Uran). Das Ziel dieses Forschungsprojekts war, die Bildung von reaktiven Eisen- und Huminstoffphasen bei der mikrobiellen Reduktion von Fe(III) und Huminstoffen sowie bei der nitratabhängigen und phototrophen Fe(II) Oxidation zu untersuchen. Das Projekt konnte erfolgreich bearbeitet werden und zahlreiche interessante Ergebnisse wurden erhalten. Die Interaktionen von Eisenmineralen und Huminstoffen wurden quantitativ und qualitativ untersucht. Die gebildeten Minerale und Huminstoffe wurden identifiziert und durch zahlreiche modernen Methoden eingehend charakterisiert (Mössbauer Spektroskopie, ESR-Spektroskopie, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie, Scanning Transmission X-ray Microscopy und Synchrotron-basierte Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES, EXAFS). Gemischte Eisen(II)/Eisen(III)-Mineralphasen sowie Hydrochinone und Semichinonradikale in Huminstoffen wurden als mikrobiell gebildete reaktive Spezies nachgewiesen. Diese unter reduzierenden Bedingungen gebildeten reaktiven Spezies stellten sich überraschenderweise nicht nur als Reduktionsmittel für fünfwertiges Arsen heraus (insbesondere die Hydrochinone) wodurch das weniger giftige As(V) zum giftigeren As(III) reduziert wird. Vielmehr zeigten sich die gebildeten Semichinonradikale und durch die Interaktion des Eisenhydroxids Goethit (FeOOH) mit Fe(II) gebildeten reaktiven Fe(II)-Fe(III)-Spezies als gute Oxidationsmittel für das giftige As(III) wodurch es zum weniger giftigen As(V) oxidiert wurde. Diese Erkenntnis könnte das Auftreten der oxidierten As-Spezies As(V) in reduzierten Bereichen von Arsenkontaminierten Grundwasserleitern erklären. Unsere Ergebnisse werden möglicherweise helfen können, das Arsen-Trinkwasserproblem in vielen Ländern der Erde besser zu verstehen bzw. Maßnahmen zu entwickeln, das Problem für die Bevölkerung zu verringern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2005. Enrichment and isolation of iron(III) and humic acid reducing bacteria. Methods in Enzymology, 397, 58-77
Straub, K.L., Kappler, A., Schink, B.
- 2005. Geomicrobiological cycling of iron. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 59, 85-108
Kappler A., Straub, K.L.
- (2008) Evaluation of electron microscopic sample preparation methods and imaging techniques for characterization of cell-mineral aggregates. Geomicrobiology J., 25, 228-239
Schaedler, S., Burkhardt, C., Kappler, A.
- (2008) Kinetics and thermodynamics of microbial and chemical reduction of humic substances: implications for electron shuttling in natural environments. Environmental Science and Technology, 42, 3563-3569
Jiang, J., Kappler, A.
- (2008) Physiology of phototrophic iron(II)-oxidizing bacteria - implications for modern and ancient environments. FEMS Microbiology Ecology, 66, 250-260
Hegler, F.; Posth, N.R.; Jiang, J.; Kappler, A.
- (2009) Arsenic redox changes by microbially and chemically formed semiquinone radicals and hydroquinones in a humic substance model quinone. Environmental Science and Technology 43, 3639-3646
Jiang, J., Bauer, I., Paul, A., Kappler, A.
- (2009) Formation of cell-iron-mineral aggregates by phototrophic and nitrate-reducing anaerobic Fe(II)-oxidizing bacteria. Geomicrobiology Journal, 26, 93-103
Schaedler, S., Burkhardt, C., Hegler, F., Straub, K.L., Miot, J., Benzerara, K., Kappler, A.
- (2009) Iron biomineralization by neutrophilic iron-oxidizing bacteria. Geochimica Cosmochimica Acta, 73, 696-711
Miot, J, Benzerara, K., Morin, M., Kappler, A., Bernard, S., Obst, M., Férard, F., Skouri-Panet, F., Guigner, J.M., Posth, N., Galvez, M., Brown Jr, G.E., Guyot, F.
