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Untersuchung der mikrobiellen Eisen- und Manganoxidation in verschiedenen Versuchsaufbauten

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

K. Laufer, M. Nordhoff, C. Scholze, M. Sezanne-Patzner, und A. Kappler
Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG), Eberhard Karls Universität Tübingen, Deutschland

Bei einem zirkumneutralen pH-Wert können drei physiologische Arten von mikrobieller Eisenoxidation auftreten, d.h. mikroaerophile Fe(II)-Oxidation, anaerobe Nitrat-abhängige 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 vollständige As-Entfernung aus Trinkwasser zu gewährleisten. Die Sauerstoffüberwachung in den verschiedenen Aufbauten erfolgt mit chemisch-optischen Sensorfolien von PreSens (SF-PSt3). Sie werden an die Innenwand verschiedener Experimentiergefäße geklebt und von außen über Polymer-Lichtwellenleiter entweder mit dem Sauerstoffmessgerät Fibox 3 oder dem OXY-4 mini ausgelesen. Das nicht-invasive Messprinzip und die geringe Größe der Sensoren ermöglichen es, Sauerstoff ohne Störungen zu messen oder experimentelle Artefakte zu erzeugen. Die hier vorgestellten Beispiele zeigen die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten dieser Sensoren in verschiedenen geochemischen Anwendungen.

Fe(II)-oxidierende Bakterien kultiviert in einem Chemostat

Wir kultivieren derzeit Bakterien, die  Nitrat-abhängig 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 beeinträchtigt. 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 Oberflächen in das Kulturgefäß vermeiden, welche experimentelle Artefakte erzeugen könnten.

Fe(II)-oxidierende Bakterien, kultiviert in künstlichen Sedimentsäulen

Viele Fe(II)-oxidierende Bakterien, die in unserer Arbeitsgruppe untersucht wurden, wurden aus marinen oder Süßwassersedimenten isoliert. Daher verwenden wir künstliche Sedimentsäulen, um gemischte Gemeinschaften von Bakterien, die Fe(II) phototroph, nitratabhängig und mikroaerophil oxidierenden, zu kultivieren. Die Bedingungen in den Säulen ähneln dem natürlichen Lebensraum der Bakterien und liefern Gradienten von Licht, Sauerstoff und gelöstem Fe(II) im Sediment. In diesen Experimenten ist es essentiell, eine Anordnung zu haben, die es erlaubt, Sauerstoffgradienten innerhalb des Sediments mit hoher räumlicher Auflösung zu messen ohne das Sediment zu stören oder zusätzlichen Porenraum zu erzeugen. Die in unseren Experimenten verwendeten sauerstoffempfindlichen Folien halten wiederholtem Autoklavieren, Einfrieren bei - 80 °C und Reinigen der Säulen mit 4 % HCl stand, was für unsere Anwendung erforderlich ist.

Bestimmung der Fe(II)- Oxidationsraten in mikroaerophilen Bakterien

Bei neutralem pH und niedrigen Sauerstoffkonzentrationen (ca. 50 μM) können 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 Sauerstoffmessgeräten in diesen Experimenten unerlässlich.

Die Rolle von Mn(II)-oxidierenden Bakterien in Sand-basierten Arsen-Trinkwasserfilter

Haushaltssandfilter werden in ländlichen Gebieten Vietnams eingesetzt, um As, Fe und Mn aus kontaminiertem Grundwasser zu entfernen und eine sichere Trinkwasserversorgung zu gewährleisten. 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 Sandoberfläche durch den Tankboden. Das gefilterte Wasser gelangt durch Löcher 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-Präzipitation mit den gebildeten Fe(II)(oxyhydr)oxiden. Leider ließ sich bisher kein allgemeiner Indikator für die vollständige Entfernung von Arsen finden. Mangan ist ein vielversprechender Kandidat, der als Indikator für eine vollständige 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 vollständig entfernt werden. Wir fanden jedoch, dass in einigen Fällen 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 vollständige As-Entfernung ist. Wir werden die geochemischen Bedingungen identifizieren, bei denen die Mn(IV)-Schicht durch Mn(II)-oxidierende Bakterien gebildet wird, um eine vollständige As-Entfernung aus dem Trinkwasser sicherzustellen. Wir verwenden Sand-gefüllte Glassäulen, 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 Aktivität verursacht wird, über die Säulentiefe zu messen.

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