Untersuchung der mikrobiellen Eisen- und Manganoxidation in verschiedenen Versuchsaufbauten

Nicht-invasive Sauerstoffüberwachung mit Fibox 3, OXY-4 mini und sauerstoffempfindlichen Sensorfolien

Bei einem zirkumneutralen pH-Wert k?nnen drei physiologische Arten von mikrobieller Eisenoxidation auftreten, d.h. mikroaerophile Fe(II)-Oxidation, anaerobe Nitrat-abh?ngige Fe (II) -Oxidation und anaerobe phototrophe Fe(II)-Oxidation. Wir untersuchen alle drei Arten der mikrobiellen Fe(II)-Oxidation in verschiedenen Versuchsanordnungen, um den Beitrag der mikrobiellen Fe(II)-Oxidation zum geochemischen Eisenkreislauf zu bestimmen. Weitere Untersuchungen befassen sich mit der Rolle von Mn(II)-oxidierenden Bakterien in Arsenfiltern auf Sandbasis, um eine vollst?ndige As-Entfernung aus Trinkwasser zu gew?hrleisten. Die Sauerstoffüberwachung in den verschiedenen Aufbauten erfolgt mit chemisch-optischen Sensorfolien von PreSens (SF-PSt3). Sie werden an die Innenwand verschiedener Experimentiergef??e geklebt und von au?en über Polymer-Lichtwellenleiter entweder mit dem Sauerstoffmessger?t Fibox 3 oder dem OXY-4 mini ausgelesen. Das nicht-invasive Messprinzip und die geringe Gr??e der Sensoren erm?glichen es, Sauerstoff ohne St?rungen zu messen oder experimentelle Artefakte zu erzeugen. Die hier vorgestellten Beispiele zeigen die vielseitigen Anwendungsm?glichkeiten dieser Sensoren in verschiedenen geochemischen Anwendungen.

Wir kultivieren derzeit Bakterien, die  Nitrat-abh?ngig und phototroph Fe(II) oxidierend, in einem Chemostat, um die Physiologie dieser Organismen zu analysieren. Es ist sehr wichtig, in diesen Kulturen streng anoxische Bedingungen einzuhalten. Andernfalls wird Fe(II) abiotisch durch Sauerstoff oxidiert, was die Bestimmung der mikrobiellen Fe(II)-Oxidationsraten beeintr?chtigt. In diesem Aufbau ist es vorteilhaft, die nicht-invasiven Sensoren von PreSens für Sauerstoffkonzentrationsmessungen in der Gas- und Flüssigphase zu verwenden, da wir so das Einführung weiterer Oberfl?chen in das Kulturgef?? vermeiden, welche experimentelle Artefakte erzeugen k?nnten.

Viele Fe(II)-oxidierende Bakterien, die in unserer Arbeitsgruppe untersucht wurden, wurden aus marinen oder Sü?wassersedimenten isoliert. Daher verwenden wir künstliche Sediments?ulen, um gemischte Gemeinschaften von Bakterien, die Fe(II) phototroph, nitratabh?ngig und mikroaerophil oxidierenden, zu kultivieren. Die Bedingungen in den S?ulen ?hneln dem natürlichen Lebensraum der Bakterien und liefern Gradienten von Licht, Sauerstoff und gel?stem Fe(II) im Sediment. In diesen Experimenten ist es essentiell, eine Anordnung zu haben, die es erlaubt, Sauerstoffgradienten innerhalb des Sediments mit hoher r?umlicher Aufl?sung zu messen ohne das Sediment zu st?ren oder zus?tzlichen Porenraum zu erzeugen. Die in unseren Experimenten verwendeten sauerstoffempfindlichen Folien halten wiederholtem Autoklavieren, Einfrieren bei - 80 °C und Reinigen der S?ulen mit 4 % HCl stand, was für unsere Anwendung erforderlich ist.

Bei neutralem pH und niedrigen Sauerstoffkonzentrationen (ca. 50 μM) k?nnen mikroaerophile Fe(II)-oxidierende Bakterien mit der abiotischen Oxidation von Fe(II) durch Sauerstoff konkurrieren. Dabei ist es entscheidend, niedrige, aber immer noch ausreichende Sauerstoffkonzentrationen bereitzustellen, um die Fe(II)-Oxidationsraten dieser Bakterien mit minimaler abiotischer Fe(II)-Oxidation durch Sauerstoff zu untersuchen. Wir beabsichtigen, die Fe(II)-Oxidationsraten von mikroaerophilen Fe(II)-Bakterien in einer Anreicherungskultur aus marinem, litoralem Sediment unter Verwendung von Mikrokosmen, die Quarzsand enthalten, zu bestimmen. Die Kulturbedingungen zielen darauf ab, den natürlichen Lebensraum der Bakterien zu simulieren, in dem die Sauerstoffkonzentrationen im Sediment durch Diffusion kontrolliert werden. Da es notwendig ist, die korrekten, relativ niedrigen Sauerstoffkonzentrationen in den Mikrokosmen zu halten, ist eine nicht-invasive Sauerstoffüberwachungsverfahren mit PreSens Sensoren und Sauerstoffmessger?ten in diesen Experimenten unerl?sslich.

Haushaltssandfilter werden in l?ndlichen Gebieten Vietnams eingesetzt, um As, Fe und Mn aus kontaminiertem Grundwasser zu entfernen und eine sichere Trinkwasserversorgung zu gew?hrleisten. Die Sandfilter, die in den Haushalten in der Region des Red River Deltas eingesetzt werden, bestehen aus zwei Tanks. Der obere Tank ist mit lokal verfügbarem Sand gefüllt. Frisch gepumptes Grundwasser sickert von der Sandoberfl?che durch den Tankboden. Das gefilterte Wasser gelangt durch L?cher am Boden des Tanks oder über einen Auslass an der Vorderseite in das Wasserspeicherbecken. Diese Filter immobilisieren giftiges Arsen durch Kooxidation mit Fe(II) und Sorption auf oder Co-Pr?zipitation mit den gebildeten Fe(II)(oxyhydr)oxiden. Leider lie? sich bisher kein allgemeiner Indikator für die vollst?ndige Entfernung von Arsen finden. Mangan ist ein vielversprechender Kandidat, der als Indikator für eine vollst?ndige Entfernung von Arsen aus dem Wasser verwendet werden kann. Mn(IV)-Oxide wirken als Oxidationsmittel für Fe(II) und As(III). Mn(IV) wird solange zu Mn(II) reduziert, wie Fe(II) und As(III) im Wasser verbleiben. Mn(IV)-Oxide bilden eine stabile braune Schicht in den unteren Schichten des Sandfilters, wenn As(III) und Fe(II) in den oberen Sandschichten vollst?ndig entfernt werden. Wir fanden jedoch, dass in einigen F?llen Mn(IV)-Oxid-Reduktion und Mn(II)-Mobilisierung beobachtet werden konnte, selbst wenn fast das gesamte As aus dem Wasser entfernt wurde. Daher folgerten wir, dass die Sandfarbe kein sicherer Indikator für die vollst?ndige As-Entfernung ist. Wir werden die geochemischen Bedingungen identifizieren, bei denen die Mn(IV)-Schicht durch Mn(II)-oxidierende Bakterien gebildet wird, um eine vollst?ndige As-Entfernung aus dem Trinkwasser sicherzustellen. Wir verwenden Sand-gefüllte Glass?ulen, die Mn(II)-oxidierende Bakterien enthalten, als ein Labormodell für Haushaltssandfiltern. Sauerstoffempfindliche Folien, die an der Glaswand angebracht sind, werden verwendet, um die Sauerstoffverarmung, die durch mikrobielle Aktivit?t verursacht wird, über die S?ulentiefe zu messen.