Pyritbildung bei Umgebungstemperatur – Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Mikroben, Eisenmineralien und Schwefelspezies und damit verbundenen organischen Stoffen

15.08.2022 bis 01.11.2025

Pyrit (FeS2) ist ein Schlüsselmineral im biogeochemischen Kreislauf von Eisen (Fe), Schwefel (S), Sauerstoff, Kohlenstoff und damit verbundenen Schwermetallen. Bisher konnten jedoch weder die natürlichen Pyrit-Bildungsraten noch die typische framboide Morphologie im Laborexperiment nachvollzogen werden. Eine gesicherte Extrapolation von Laborbefunden auf Umweltbedingungen ist daher derzeit nicht möglich. Um dieses Problem zu lösen, haben wir 4 experimentelle Arbeitspakete (APs) entwickelt, die auf der Zusammenarbeit zwischen der Tübinger Geomicrobiology Group und Wissenschaftlern der Universität Bayreuth fußen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf dem Mechanismus der Pyritbildung über den kürzlich beschriebenen Eisenhydroxidoberflächen-Reaktionspfad. Dieser Pfad besteht aus einem Reaktionsnetzwerk, welches durch die abiotische Reaktion von Fe(III)-Mineralien mit zugegebenem Sulfid oder indirekt über die mikrobielle Reduktion von elementarem Schwefel zu Sulfid initiiert wird.
In AP1 werden wir in Batch-Experimenten die Pyritbildung durch drei mikrobielle Spezies untersuchen, die sich hinsichtlich ihres Reduktionsmechanismus von elementarem Schwefel (S0) bzw. Fe(III) unterscheiden (Sulfospirillum deleyianum (S0-reduzierend), Geobacter sulfurreducens (Fe(III) und S0-reduzierend) und Desulfocapsa sulfoexigens (S0 disproportionierend). AP2 untersucht in parallelen mikrobiellen und abiotischen Batch-Experimenten den Einfluss unterschiedlicher Ausgangssubstrate (verschiedene Arten von S0 sowie Fe(III)-Mineralien und jeweils damit assoziierter organische Stoffe) auf die Pyritbildung. In AP3 wird mit Hilfe von Durchflussreaktoren untersucht, wie sich die Art der Sulfidzugabe (Einzelimpuls, kontinuierliche Dosierung kleiner Mengen, oder mehrere langsame Pulse mit dazwischen liegender Reaktionszeit) auf die Pyritbildung auswirken. In allen APs werden die Geschwindigkeit der Pyritbildung, die Morphologie sowie die Dynamik der Fe-S Spezies bestimmt. Dabei wird eine Kombination aus sequentieller Extraktion, Röntgendiffraktometrie, Raman- und Mössbauerspektroskopie, magnetischer Suszeptibilität, Voltammetrie, Hochleistungsflüssigchromatographie, Röntgenabsorptionsspektromikroskopie und Elektronenmikroskopie verwendet, die uns im Rahmen unserer Zusammenarbeit gemeinsam zur Verfügung steht. In WP4 wird ein neuartiges Mikro-Durchflussreaktordesign optimiert, das eine neuartige In-situ-Analyse mit hoher zeitlicher Auflösung der Pyritbildung und der Dynamik der Fe-S-Spezies mittels Raman-Mikrospektroskopie ermöglicht. Wir testen dabei komplementär zu den APs 1-3 den Einfluss von Mikroorganismen (AP1), von Fe(III)-Mineralien (AP2) und der Art der Sulfidzugabe (AP3). Zwei Doktoranden werden während des gesamten Projekts eng zusammenarbeiten und das interdisziplinäre Gebiet der Mikrobiologie und der anorganischen Geochemie kombinieren, um neue Einblicke in die Bildung von Pyrit zu gewinnen - einem wichtigen, aber noch wenig verstandenen Mineral.