| Availability of Fe(III) (hydr)oxides to dissimilatory iron-reducing bacteria Geobacter metallireducens and Clostridium butyricum |
Schlüsselwörter:
synthetische Fe-Oxide, Aluminium-Substitution, Boden Eisenoxide, Löslichkeitsprodukt, Auflösungskinetik, Fe(III)-Reduktion, Bakterien, Thermodynamik, Oberflächenpräzipitate
synthetic Fe oxides, Al substitution, soil iron oxides, solubility product, dissolution kinetics, dissimilatory iron-reducing bacteria, thermodynamics, surface precipitation
Sachgruppe der DNBAbstract
Dissimilatory iron-reducing bacteria (DIRB) compete with methanogenic archaea and sulfate-reducing bacteria for common electron donors, like H2 and low molecular acids. As formation of methane yields less energy than reduction of Fe(III) DIRB can reduce the concentration of the electron donors to a lower value (threshold). DIRB therefore can reduce formation of methane at anoxic sites. Most available Fe(III) exists as Fe(III) (hydr)oxides (FHOs) of low solubility. However, FHOs exhibit a broad range of thermodynamic stability. The range of the solubility product KSO of soil FHOs is at least 3-4 orders of magnitude. Thus, the higher the stability of a FHO, the lower the Gibbs free energy of reaction (DGr) which can be used by the bacteria.
In soil FHO Fe(III) is substituted by aluminum to a certain degree, depending on the degree of weathering of the soil. As Al(III) is non-reducible and of low solubility, the question arises whether aluminum remains as a coating on the surface of a FHO, which is reductively dissolved.
The objective of this work was (1) to test whether the reduction of FHOs is limited by their thermodynamic stability. In addition, (2) the hypothesis was to be tested whether aluminum forms non-dissolved precipitates on the surface of substituted FHOs, by which the reductive dissolution of the latter is restricted.
FHOs were synthesized and characterized, revealing specific surface areas of 89-280 m2 g-1. For determination of the solubility product of FHOs (lg KSO varied from –39.1 to –41.8) a new method for the determination of dissolved Fe was developed, which does not react with colloidal FHOs.
In addition, dissolution kinetics were determined to characterize the FHOs. A convenient method for determination of the entire reductive dissolution kinetics at near neutral pH was developed. A small quantity of FHO, which does not cause a visible turbidity is reduced by means of ascorbate at pH 5.2 in an anoxic glass tube. The Fe2+ formed, and thus the extent of the reaction, can be determined as the absorption of the colored Fe(II)(ferrozine)3 complex at any time directly in the glass tube.
As the dissolution kinetics in oxalic acid buffer was also determined, it was possible to compare the results of two different methods for a set of FHOs, for the first time. The dissolution rate constants of both methods were highly correlated. However, if the stability of two FHOs is compared, the result strongly depend on the dissolution method used. In addition, compared to the reductive method, oxalic acid buffer reveal a strong preferential dissolution of reactive FHOs. Physicochemical properties (specific surface area and KSO together with standard redox potential Eh°) of FHOs show good correlation to the rate constants of both methods.
Adding 1 mM citrate, which complexes aluminum liberated from substituted FHOs, yielded a method for convenient determination of dissolution kinetics of soil FHOs. These sum dissolution kinetics could be reduced to 3-4 fractions that dissolve simultaneously according to pseudo-first-order kinetics, each fraction having a homogeneous rate constant. Thus, this method is the first one, which makes it possible to subdivide soil FHO into more than two fractions and gives reason to believe that approximated values of specific surface, KSO and Eh° can be assigned to these fractions, via the above-mentioned correlations. This would enable the prediction of ecological important functioning of soil FHOs, like adsorption or redox phenomena.
Experiments with the DIRB Geobacter metallireducens in the presence of 1, 10, or 100 mM of the electron donor acetate revealed that surface precipitation of Fe(II) restricted the bacterial reduction of FHOs rather than thermodynamics of the reaction. Combination with literature data indicate that - at the threshold of methanogenic bacteria - all FHOs used herein can be reduced to an Fe2+ activity that allows precipitation of siderite. Thus, the extent of reduction will be limited by specific surface area of FHOs. Only the reduction of more stable FHOs could be limited by the thermodynamics of reaction. However, the dislocation of Fe2+ from the place of reduction, which is typical for soil types like gleysols and stagnosols even allows the complete dissolution of quite stable FHOs.
Experiments with the DIRB Clostridium butyricum indicated that even at low pH of 3.3-4 the reductive dissolution of Al-substituted goethites is limited by accumulation of aluminum on the surface of FHOs. As the solubility of Al(III) strongly decreases with increasing pH, it can be inferred from our data that aluminum coatings will be a significant limitation to the reduction of FHOs at natural sites.
Dissimilatorisch Fe(III)-reduzierende Bakterien (DIRB) konkurrieren mit methanogenen Archaeen (und Sulfat-reduzierenden Bakterien) um Elektronendonatoren, das sind Gärungsprodukte wie H2 sowie niedermolekulare organische Säuren und Alkohole. Weil die Methanbildung den Organismen weniger Energie liefert als die Reduktion von Fe(III), können die Fe(III)-Reduzierer die Konzentration an Elektronendonator stärker erniedrigen (threshold) und so die Methanbildung vermindern. Der weitaus größte Teil des verfügbaren Fe(III) liegt jedoch als Fe(III)(Hydr)oxid (FHO) vor, dessen Löslichkeit gering ist. Allerdings weisen FHO eine große Spannbreite thermodynamischer Stabilität auf: So unterscheiden sich die Löslichkeitsprodukte von FHO in Böden um mindestens 3-4 Größenordnungen. Mit zunehmender Stabilität der FHO sinkt aber der Energiebetrag, den die Bakterien aus deren Reduktion nutzen können.
In Boden-FHO ist in Abhängigkeit vom Verwitterungsgrad der Böden ein gewisser Prozentsatz der Fe(III)-Atome durch Aluminium ersetzt (isomorphe Substitution). Da Aluminium im Gegensatz zu Fe(III) nicht reduziert werden kann, stellt sich die Frage, was mit dem schlecht löslichen Al(III) geschieht, wenn ein FHO reduziert wird.
Ziel dieser Arbeit war es daher (1) zu überprüfen, ob die Umsetzung unterschiedlich stabiler FHO durch DIRB von der thermodynamischen Stabilität der FHO begrenzt wird. Weiterhin sollte (2) die Hypothese geprüft werden, dass das Aluminium substituierter FHO bei deren bakterieller Reduktion auf der Oberfläche der FHO unlösliche Beläge bildet, die eine weitere Auflösung verhindern.
Es wurden FHO mit spezifischen Oberflächen von 89-280 m2 g-1 synthetisiert und charakterisiert. Zur Messung des Löslichkeitsproduktes (lg KSO von –39,1 bis 41,8) wurde eine neue photometrische Methode entwickelt, um ausschließlich echt gelöstes Fe(III), zu erfassen.
Zusätzlich zur thermodynamischen Stabilität wurde die FHO mittels Auflösungskinetiken charakterisiert. Eine neu entwickelte Methode ermöglichte es, die reduktive Auflösung durch Ascorbat bei pH 5,2 mit geringstem Aufwand zu messen. Die FHO werden in einem O2-freien Reagenzglas aufgelöst und das Ausmaß der Reaktion kann jederzeit als Absorption des Fe(II)(Ferrozin)3-Komplexes in dem Reagenzglas ermittelt werden. Da auch die Auflösungskinetik in Oxalat-Puffer bestimmt wurde, konnten erstmals die Ergebnisse zweier Auflösungsmethoden an mehreren Proben verglichen werden. Zwar sind die Ratenkonstanten beider Methoden gut korreliert, aber Oxalat löst reaktive FHO gegenüber der reduktiven Methode bevorzugt auf. Der Vergleich der Stabilitäten zweier FHO kann mit beiden Methoden sehr unterschiedlich ausfallen. Die physikochemischen Eigenschaften der FHO (spezifische Oberfläche, KSO (und damit Eh°) zeigen eine gute Korrelation zu den Ratenkonstanten.
Diese neu entwickelte Methode, wurde (leicht modifiziert damit auch Al-substituierte FHO aufgelöst werden) angewendet, um auch die Auflösungskinetik von Boden-FHO einfach zu bestimmen. Diese Auflösungskinetik setzte sich je nach Bodentyp aus 3-4 Fraktionen von FHO zusammen, deren pseudo-fist-order Ratenkonstanten sich im Durchschnitt um jeweils einen Faktor von 10 unterscheiden. Es besteht die Aussicht, dass es diese Methode erstmals erlaubt, die FHO von Böden in mehr als zwei Fraktionen zu unterteilen, und diesen Fraktionen sogar Eigenschaften wie spezifische Oberfläche oder KSO zuzuordnen.
Die Umsetzung der FHO durch den DIRB Geobacter metallireducens mit Anfangskonzentrationen von 1, 10 und 100 mM des Elektronendonators Acetat zeigte, dass das Ende der Reduktion nicht durch die Thermodynamik der Reaktion bestimmt war, sondern dass die Oberfläche der FHO durch Fe(II)-Präzipitate blockiert wurde. Die Kombination der hier gewonnen Ergebnisse mit Literaturdaten zeigt, dass auch beim threshold der Methanogenen die hier verwendeten FHO soweit reduziert werden können, dass Siderit ausfällt. Lediglich noch stabilere FHO könnten nur bis zu niedrigeren Fe2+ Aktivitäten reduziert werden. Ein Abtransport des Fe2+ vom Ort der Reduktion, wie es für Gleye, Pseudogelye oder Stagnogelye typisch ist, erlaubt jedoch auch die vollständige Auflösung stabilster FHO.
Versuche mit dem DIRB Clostridium butyricum zeigten, dass auch bei pH-Werten von 3,3-4 nach Abschluss der Gärung, Oberflächenbeläge aus Aluminium die weitere reduktive Auflösung Aluminium-substituierter FHO behinderte. Es kann daher gefolgert werden, dass sich Aluminiumsubstitution bei höheren pH-Werten natürlicher Standorte noch stärker hemmend auf die Reduktion der FHO auswirkt.
| Betreuer | Kaupenjohann, Martin; Prof. Dr. |
| Gutachter | Kaupenjohann, Martin; Prof. Dr. |
| Gutachter | Fischer, Walter [Rainer]; Prof. Dr. |
| Upload: | 2003-07-22 |
| URL of Theses: | http://edocs.tu-berlin.de/diss/2002/dominik_peter.pdf |