Formation of Biogenic Iron-Oxides (BIOS) and their susceptibility to microbial iron reduction and fermentation under anoxic conditions

22.12.2020 bis 03.02.2024

Biogene Eisenoxide (BIOS) sind Eisen-Kohlenstoff (Fe-C)-reiche Aggregate, die von Fe(II)-oxidierenden Bakterien (FeOB) in suboxisch-anoxischen Habitaten wie Süßwasser- und Meeressedimenten, Reisböden, Aquiferen und frühen anoxischen Ozeanen produziert werden. Die Geschwindigkeit und das Ausmaß des BIOS-Abbaus durch anaerobe Mikroben ist eine Limitierung der Fe-C-Transformation in anoxischen Umgebungen, was zur Freisetzung von gelöstem Fe2+ und gelöstem und gasförmigem C (CO2, CH4) führt. BIOS können jedoch in Bezug auf Zusammensetzung, Struktur und Reaktivität vielfältig sein, und es ist nicht gut verstanden, wie (a) diese Vielfalt durch die Identität der FeOB und ihre Wachstumsbedingungen beeinflusst wird, (b) diese Vielfalt dann die nachfolgenden Raten und das Ausmaß der mikrobiellen Fe(III) Reduktion und C-Transformation beeinflusst. V.a. die Anteile von BIOS, die als Nanopartikel und Kolloide (<1000 nm) vorliegen, sind wenig untersucht, obwohl sie wahrscheinlich die reaktivste Fraktion sind. Dazu haben wir einen Forschungsansatz mit mikrobiellen Laborarbeiten erarbeitet. In Arbeitspaket (WP) 1 werden BIOS von FeOB mit bekannten Unterschieden in den Fe(II)-Oxidationsmechanismen gebildet: Rhodopseudomonas palustris TIE-1 (photoautotroph), Anreicherungskultur KS (ein nitratreduzierendes Konsortium) und Acidovorax sp. BoFeN1 (Chemodenitrifikant). R. palustris TIE-1 wird zusätzlich verschiedenen Fe2+-Konzentrationen und Lichtflüssen ausgesetzt, um festzustellen, wie diese Parameter das gebildete BIOS beeinflussen können. Die Eigenschaften von BIOS werden mit einer Reihe von Analysen bestimmt: Mineralogie (XRD, Mössbauer), Menge an organischem C und funktionelle Gruppen (TOC-Analysator und FTIR), Fe-Redox-Speziation (Ferrozin Test) sowie Struktur/Anzahl von Zell-Mineral-Aggregaten und kolloidalen Fe-C-Aggregaten (Größenfraktionierungsfiltration mit 5, 0,45 und 0,03 µm Filtern, gekoppelt mit Einzelpartikel-ICP-MS mit dynamischer Lichtstreuung und Cryo-FIB-SEM). In WP2 wird die Bioverfügbarkeit von BIOS-assoziierten Fe(III) Mineralien durch Inkubation mit Fe(III)-reduzierenden Bakterien (S. oneidensis MR-1 und G. sulfurreducens) mit bekannten Unterschieden in ihren Fe(III)-Reduktionsmechanismen (z.B. Elektronen-Shuttling vs. direkter Zell-Mineral-Kontakt) getestet. In WP3 wird die Bioverfügbarkeit von BIOS-assoziiertem organischem C durch Inkubation mit einem aus Seesedimenten angereicherten fermentativen Konsortium getestet. Geochemische Analysen (Fe2+, Zellzahlen, ATP, DOC, flüchtige Fettsäuren, Gasprodukte) werden über die Inkubation hinweg durchgeführt, um die Fe- und C-Transformation zu verfolgen. In WP4 werden wir multivariate Analysen anwenden, um die wichtigsten Faktoren zu unterscheiden, die die Fe- und C-Transformation beeinflussen. Wir erwarten, dass nano- und kolloidale Fe-C-Aggregate am meisten bioverfügbar sind und daher ihre Häufigkeit die primären Faktoren für die Fe-C-Transformation von BIOS in anoxischen Umgebungen sind.