Effects of reduced sulfur speciation and nitrite on the chemolithoautotrophic pyrite oxidation with nitrate : implications for studies of chemolithoautotrophic denitrification

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Yan, Ruiwen:
Effects of reduced sulfur speciation and nitrite on the chemolithoautotrophic pyrite oxidation with nitrate : implications for studies of chemolithoautotrophic denitrification.
Bayreuth , 2017 . - XV, 115 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Abstact (English): Pyrite (FeS2) is a major iron- and sulfur-containing mineral phase in earth’s crust. It plays an important role in the global biogeochemical cycles of iron and sulfur. Nitrate (NO3-) is a common inorganic pollutant in shallow groundwater aquifers, drinking water wells and streams, and is strongly linked to agricultural fertilizers or manure. The interaction between pyrite and nitrate under anaerobic conditions is of great importance in many pyrite-bearing anoxic aquifers. Even though the natural occurrence of this process has been proved based on geochemical and stable isotope field data, the results of laboratory studies are partly contradictory. Some of these studies indicated that a microbial oxidation of pyrite occurred, whereas the results of other studies with pyrite as the electron donor and nitrate as the electron acceptor indicated the contrary. Hence, the mechanism of this process is still unclear. The objectives of this dissertation are (1) to further analyze the mechanism of denitrification coupled to pyrite oxidation, and (2) to identify potential geochemical and microbiological interferences related to species which may form from impurities in natural or synthetic pyrite, or be generated as an intermediate of the denitrification process.
The first study investigates the interference with Fe measurement of nitrite-containing pyrite suspensions during acidic extraction by nitrite as an intermediate of nitrate reduction. The results demonstrate a significant oxidation of pyrite by nitrite in 1 M HCl under anoxic conditions, and imply a cyclic model for pyrite oxidation by Fe(III) based on oxidation of Fe(II) by reactive N-species NO and/or NO2. The interference by nitrite should be considered in future studies on microbially mediated pyrite oxidation with nitrate. In this sense, a revised protocol on the removal of nitrite from the pyrite suspensions through a washing procedure prior to acidic extraction is provided. The results also demonstrate that the abiotic oxidation of pyrite by nitrite under acidic conditions is strongly affected by dissolved oxygen. An explanation is that NO can be oxidized to NO2 by dissolved oxygen, NO2 being a stronger oxidant than NO for the oxidation of Fe(II) under acidic conditions. No oxidation of pyrite was detected at pH 5.5 and 6.8. Hence, abiotic oxidation of pyrite by nitrite seems not to be a possible pathway in anoxic circumneutral groundwater aquifers.
The second study investigates the anaerobic, nitrate-dependent oxidation of two pyrites by Thiobacillus denitrificans: ground crystalline pyrite (high purity, high crystallinity, low BET surface area) and synthesized pyrite (a mixture of pyrite, marcasite and elemental sulfur, low crystallinity, high BET surface area). Pure ground crystalline pyrite could not be oxidized microbially with nitrate as an electron acceptor. In contrast, the results of mass balance calculation suggest that chemoautotrophic oxidation of synthesized pyrite species of low crystallinity is possible. This study also deals with the effects of the nitrate-dependent, sulfur-oxidizing, and iron-oxidizing bacterium Thiobacillus denitrificans, and the nitrate-dependent, iron-oxidizing bacterium Acidovorax sp. BoFeN1 as a catalyst for the microbial reaction between pyrite and nitrate. Consumption of nitrate accompanied by the formation of sulfate and nitrite was observed in the presence of sulfur-oxidizing strain Thiobacillus denitrificans, whereas no reaction was detected in the experiments with iron-oxidizing bacterium Acidovorax sp. BoFeN1. Iron-oxidizing nitrate-reducing strain Acidovorax sp. BoFeN1 did not stimulate pyrite-dependent nitrate reduction, and the addition of Fe(II) and Fe(III) to the reaction even slightly decreased the rates of nitrate reduction and sulfate generation.
The third study exposes the possible geochemical and microbiological interferences in previous studies on the chemolithoaoutotrophic pyrite with nitrate. Key interferences include i) impurities of reduced sulfur species associated with pyrite, ii) formation of nitrite and its interference during acidic extractions, and iii) occurrence of residual iron and sulfur compounds in the reaction medium. Experimental standard protocols are provided to overcome these interferences in future studies on chemolithoautotrophic denitrification with pyrite.

In summary, three key findings of this dissertation are:
1) Nitrite can abiotically oxidize pyrite under acidic conditions. The interference by nitrite, which formed as an major intermediate of nitrate reduction, may lead to overestimation of pyrite oxidation by denitrifying bacteria.
2) Reduced sulfur species play an important role in chemolithoautotrophic pyrite oxidation with nitrate. The microbial interaction between pyrite and nitrate appears to be stimulated via S oxidation but not via Fe oxidation. These results call for the characterization of different sulfur components and the investigation whether only pyrite is microbially oxidized or some other sulfur minerals such as elemental sulfur or marcasite.
3) Geochemical and microbiological interferences may cause biased results of anaerobic nitrate-dependent pyrite oxidation.

Abstract in weiterer Sprache

): Pyrit (FeS2) ist ein in der Erdkruste sehr häufig auftretendes, eisen- und schwefelhaltiges Mineral, welches eine wichtige Rolle in den globalen biogeochemischen Zyklen von Eisen und Schwefel spielt. Hauptsächlich beeinflusst von landwirtschaftlichen Düngemittel ist zunehmend Nitrat als anorganischer Schadstoff in oberflächlichen Grundwasserleitern, Trinkwasserbrunnen und Fließgewässern enthalten. Die Wechselwirkung zwischen Pyrit und Nitrat unter anaeroben Bedingungen ist in vielen pyrithaltigen anoxischen Grundwasserleitern von großer Bedeutung. Obwohl das Auftreten dieses Wechselwirkungsprozesses durch geochemische und stabile isotope Felddaten nachgewiesen ist, sind die Ergebnisse aus Laboruntersuchungen in einer Reihe von Studien teilweise widersprüchlich. In einigen der Studien konnte gezeigt werden, dass eine mikrobielle Oxidation von Pyrit auftrat. Wohingegen in andere Studien keine mikrobielle Pyritoxidation in Versuchen mit Pyrit als Elektronendonor und Nitrat als Elektronenakzeptor beobachtet werden konnte. Der genaue Mechanismus bei der Wechselwirkung von Pyrit und Nitrat ist somit noch unklar und bedarf weiterer Forschung.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Mechanismus der Denitrifikation verbunden mit der Pyrit-Oxidation näher zu untersuchen sowie potenzielle geochemische und mikrobiologische Interferenzen im Zusammenhang mit Spezies, die sich aus Verunreinigungen von natürlichem oder synthetischem Pyrit ergeben oder als Zwischenprodukte des Denitrifikationsprozesses erzeugt werden, zu identifizieren.
In der ersten Studie wurde die Interferenz von Nitrit als Zwischenprodukt der Nitratreduktion auf die Fe-Messung von nitrithaltigen Pyrit-Suspensionen bei der sauren Extraktion betrachtet. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Oxidation von Pyrit durch Nitrit in 1 M HCl unter anoxischen Bedingungen und deuten auf ein zyklisches Modell der Pyritoxidation durch Fe(III) basierend auf der Oxidation von Fe(II) durch reaktive N-Spezies NO und/oder NO2 hin. Die Interferenz von Nitrit sollte in zukünftigen Studien zur mikrobiellen Pyritoxidation mit Nitrat in Betracht gezogen werden. Aus diesem Grund wurde ein modifiziertes Protokoll zur Entfernung von Nitrit aus Pyrit-Suspensionen durch einen vorherigen Waschvorgang vor der eigentlichen Säure-Extraktion erstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die abiotische Oxidation von Pyrit durch Nitrit unter sauren Bedingungen stark vom gelösten Sauerstoff beeinflusst wird. Eine Erklärung hierfür ergibt sich aus der Oxidation von NO durch gelösten Sauerstoff zu NO2, welches als ein stärkeres Oxidationsmittel für die Oxidation von Fe(II) unter sauren Bedingungen dient. Bei pH-Werten von 5,5 und 6,8 konnte keine Oxidation von Pyrit beobachtet werden. Deshalb ist es nicht möglich, Pyrit durch Nitrit in anoxischen Grundwasserleitern mit nahezu neutralen pH Werten abiotisch zu oxidieren.
In der zweiten Studie wurde die anaerobe, nitratabhängige Oxidation von zwei Pyriten durch Thiobacillus denitrificans untersucht. Bei den Pyriten handelt es sich um gemahlenen kristallinen Pyrit (hohe Reinheit, hohe Kristallinität, niedrige BET-Oberfläche) und synthetischen Pyrit (eine Mischung aus Pyrit, Markasit und elementarem Schwefel; niedrige Kristallinität, hohe BET-Oberfläche). Rein gemahlener kristalliner Pyrit konnte nicht durch Nitrat als ein Elektronenakzeptor mikrobiell oxidiert werden. Im Gegensatz dazu deutet die Massenbilanz für den synthetischen Pyrit darauf hin, dass eine chemoautotrophe Oxidation von synthetischen Pyrit mit geringerer Kristallinität durch Nitrat möglich ist. Außerdem befasste sich diese Studie mit den Wirkungen des nitratabhängigen S-oxidierenden und Fe-oxidierenden Bakteriums Thiobacillus denitrificans sowie des nitratabhängigen Fe-oxidierenden Bakteriums Acidovorax sp. BoFeN1 als Katalysator für die mikrobielle Reaktion zwischen Pyrit und Nitrat. Die mit der Reduktion von Nitrat einhergehende Bildung von Sulfat und Nitrit konnte bei Experimenten mit dem Bakterium Thiobacillus denitrificans beobachtet werden, während bei Experimenten mit dem Bakterium Acidovorax sp. BoFeN1 keine Reaktion festgestellt werden konnte. Das Fe-oxidierende nitratreduzierende Bakterium Acidovorax sp. BoFeN1 stimulierte nicht die Pyrit-abhängige Nitratreduktion. Die Zugabe von Fe(II) sowie Fe(III) zur Reaktion verringerte sogar die Rate der Nitratreduktion und der Sulfatbildung geringfügig.
Die dritte Studie befasste sich mit potenziellen geochemischen und mikrobiologischen Interferenzen in früheren Studien anderer Autoren von chemolithoautotrophen Pyrit mit Nitrat zusammengefasst. Wichtige Interferenzen sind i) Verunreinigungen von reduzierten Schwefelspezies, die mit Pyrit assoziiert sind, ii) die Bildung von Nitrit und deren Interferenz bei sauren Extraktionen sowie iii) die Anwesenheit von noch verbleibenden Eisen- und Schwefel-Bestandteilen im Reaktionsmedium. Experimentelle Standardprotokolle wurden zur Verfügung gestellt, um diese Interferenzen in zukünftigen Studien der chemolithoautotrophen Denitrifikation mit Pyrit zu vermeiden.
Drei wichtige Befunde lassen sich in dieser Dissertation zusammenfassen:
1) Pyrit kann durch Nitrit unter sauren Bedingungen abiotisch oxidiert werden. Die Interferenz durch Nitrit, die sich als Hauptzwischenprodukt der Reduktion von Nitrat bildete, kann zu einer Überbewertung der Pyritoxidation durch denitrifizierende Bakterien führen.
2) Reduzierte Schwefelspezies spielen bei der chemolithoautotrophen Pyritoxidation durch Nitrat eine wichtige Rolle. Die mikrobielle Wechselwirkung zwischen Pyrit und Nitrat scheint durch S-Oxidation, aber nicht durch Fe-Oxidation stimuliert zu werden. Diese Ergebnisse zeigten, dass die Charakterisierung von verschiedenen Schwefelbestandteilen sowie die Untersuchung noch zu ergänzen ist, ob nur Pyrit mikrobiell oxidiert wird oder andere Schwefelmineralien wie elementarer Schwefel und Markasit auch oxidiert werden.
3) Geochemische und mikrobiologische Interferenzen könnten abweichende Ergebnisse einer anaeroben Nitrat-abhängigen Oxidation von Pyrit verursachen.