Preservation and analysis of sulfur isotopes in thioarsenates : New methods for the investigation of abiotic and biotic transformation processes

Titelangaben

Ullrich, Maria K.:
Preservation and analysis of sulfur isotopes in thioarsenates : New methods for the investigation of abiotic and biotic transformation processes.
Bayreuth , 2017 . - XVI, 93 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Sulfur is known to exhibit a high affinity towards metal(loid)s. The consequent formation of soluble thiometalloid species is increasingly being recognized as an important process within the biogeochemical sulfur cycle. Taking into account their environmental, but also toxicological impact, thioarsenates ([HxAsVS-IInO4-n]x-3, x = 1 - 3, n = 1 - 4) have gained special attention. However, exact pathways of thioarsenate formation and transformation are not fully resolved yet. In particular, speciation observed during thioarsenate oxidation still raises some fundamental questions regarding both abiotic and biotic transformation pathways.
Sulfur isotope analysis has been demonstrated to be a helpful tool for investigating the transformation of other sulfur species, such as thiosulfate or elemental sulfur. Yet, a suitable method for the isotopic analysis of thioarsenates does currently not exist. Therefore, the goal of the present study was to develop a method that would allow isotope analysis of thioarsenates, and apply this method to address open questions on thioarsenate transformation in order to elucidate their role within the sulfur cycle.
As the fundamental prerequisite to successful isotope analysis, methods of thioarsenate preservation were investigated first, focusing primarily on the challenges arising from natural, iron-rich waters. Established methods, namely the addition of mineral acids or flash-freezing, are unsuitable in this case because they induce arsenic sulfide or iron oxyhydroxide precipitation, inevitably changing the original thioarsenic speciation. In the present study, a new approach based on separating the anionic thioarsenates from cationic iron by solid phase extraction was investigated. In addition to thioarsenate preservation, this approach could also be used for enrichment to facilitate later isotope analysis. Anion-exchange resin AG2-X8 was found to fully retain monothioarsenate and trithioarsenate, as well as sulfate, thiosulfate, and arsenate. Iron passed the resin without interaction, and was thus separated from the target species as hypothesized. Elution of the retained species was performed in flow-through mode with alkaline salicylate, which proved to conserve speciation and remove all investigated species quantitatively from the resin. However, complete recovery of the strongly bound trithioarsenate required repeated cycles of soaking the resin in salicylate prior to elution. Full recovery of the target species was also obtained by performing batch elution, which allowed lowering the elution volume, and consequently improved species enrichment in the eluates. Finally, the method was applied to iron-rich waters from a mineral spring in the Czech Republic and was found to preserve sulfur and arsenic speciation for up to 6 days.
For the subsequent determination of sulfur isotopes in thioarsenates, routine analytical methods were considered. Isotope analysis is commonly performed by isotope ratio mass spectrometry (IRMS), following precipitation of sulfur species from solution. However, this approach is not feasible since the high chemical similarity among thioarsenates prevents selective precipitation. Moreover, during standard precipitation of sulfide for IRMS analysis, monothioarsenate was found to co-precipitate, and thus impede correct δ34S determination of sulfide. To circumvent these issues, a new method was developed based on ion chromatographic species separation and online detection of sulfur isotopes by multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry (IC-MC-ICP-MS). This allowed simultaneous isotopic analysis of sulfide, sulfate, thiosulfate, and for the first time of all four thioarsenates.
The new IC-MC-ICP-MS method was applied to investigate oxidative thioarsenate transformation. Abiotic oxidation of monothioarsenate produced 34S-depleted sulfate, yielding a normal isotope effect of -6.1 ‰. Oxidation of tetrathioarsenate revealed that no isotopic fractionation is associated with the stepwise transformation to tri-, di-, and monothioarsenate. However, monothioarsenate was found enriched in 34S, which was proposed to result from further oxidation of monothioarsenate, but also intermolecular exchange with heavy sulfide. All these findings prove that oxidative monothioarsenate transformation causes a redox change in arsenic-bound sulfur, while all other thioarsenates release sulfidic sulfur in its original form. Furthermore, the current results support a previous hypothesis of thioarsenites occurring briefly as intermediates during formation, as well as decomposition of thioarsenates.
IC-MC-ICP-MS was further employed to investigate the question, if the reduced sulfur in thioarsenates can be utilized as an electron donor by chemolithotrophic bacteria. Previously obtained speciation data seemed to indicate direct microbial oxidation of monothioarsenate, yet abiotic transformation could not be excluded. Incubation experiments with the hyperthermophile Thermocrinis ruber performed in this study revealed a pronounced inverse isotope effect. The combination of δ34S values observed during abiotic and biotic oxidation indicate that arsenic-bound sulfur can in fact not be used directly as a substrate for microbial metabolism. An alternative model was proposed, in which monothioarsenate is first disproportionated abiotically to elemental sulfur and arsenite, followed by microbial oxidation of these intermediates to sulfate and arsenate.
Overall, the methods developed over the course of this study allow for the investigation of both abiotic and biotic pathways of thioarsenate transformation. Where speciation analysis alone did not yield conclusive results until now, isotope analysis was found to provide new, valuable insights. Thus, the findings of the present study assist in elucidating the processes that control the occurrence, stability, and utilization of thioarsenates within the biogeochemical sulfur cycle.

Abstract in weiterer Sprache

Die ausgeprägte Affinität von Schwefel zu Metallen und Metalloiden führt zur Bildung verschiedener löslicher Thiometall(oid)-Verbindungen, deren Bedeutung für den biogeochemischen Schwefelkreislauf zunehmend an Aufmerksamkeit gewinnt. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf Thioarsenaten ([HxAsVS-IInO4-n]x-3, x = 1 - 3, n = 1 - 4), die vor allem wegen ihrer ökologischen und toxikologischen Auswirkungen Gegenstand bisheriger Forschung waren. Allerdings sind die genauen Bildungs- und Umwandlungsprozesse noch nicht vollständig aufgeklärt. Insbesondere Speziesveränderungen, die während der Oxidation von Thioarsenaten beobachtet wurden, werfen nach wie vor grundlegende Fragen zum Verlauf abiotischer und biotischer Umwandlungsprozesse auf.
Für die Untersuchung der Umwandlung von Schwefelspezies wie Thiosulfat oder Elementarschwefel hat sich die Analyse von Schwefelisotopen als äußerst hilfreich erwiesen. Zurzeit fehlt jedoch eine Methode für die Isotopenanalyse von Thioarsenaten. Dementsprechend war das Ziel der vorliegenden Studie, eine Methode zu entwickeln, mit der Schwefelisotope in Thioarsenaten untersucht werden können. Im Anschluss wurde die entwickelte Methode angewendet, um offene Fragen im Hinblick auf die Umwandlung von Thioarsenaten zu untersuchen und somit ihre Rolle innerhalb des Schwefelkreislaufs zu beleuchten.
Die Entwicklung einer Methode zur Probenstabilisierung stellte dabei den ersten, grundlegenden Schritt für die spätere Isotopenanalyse dar. Hierbei wurde ein besonderer Schwerpunkt auf die Probleme der Stabilisierung von Thioarsenaten in natürlichen, eisenreichen Wässern gelegt. Gegenwärtig angewandte Methoden, wie das Ansäuern oder Schockgefrieren von Proben, sind für Thioarsenate ungeeignet, da sie zu Arsensulfid- und Eisenhydroxid-Ausfällungen führen und so die ursprüngliche Speziesverteilung verändern. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde eine neue Herangehensweise getestet, die auf der Trennung der anionischen Thioarsenate von kationischem Eisen mittels Festphasenextraktion (SPE) basiert. Zusätzlich zur Probenstabilisierung kann diese Methode auch zur Anreicherung von Thioarsenaten für die spätere Isotopenanalyse verwendet werden. Das Anionenaustauschmaterial AG2-X8 zeigte vollständige Retention von Mono- und Trithioarsenat sowie Sulfat, Thiosulfat und Arsenat. Eisen hingegen passierte den Anionenaustauscher ohne zu sorbieren und wurde somit erfolgreich von den Thioarsenaten getrennt. Für die anschließende Elution wurden Lösungen von alkalischem Salicylat kontrolliert durch die SPE-Kartusche geleitet und dabei die sorbierten Spezies komplett vom Anionenaustauscher desorbiert. Die starke Adsorption von Trithioarsenat erforderte dabei vor der Elution eine wiederholte Einwirkzeit in Salicylat. Als alternative Elutionsmethode wurde das AG2-X8-Material komplett aus der Kartusche gelöst. Unter Rühren in alkalischem Salicylat wurden so die sorbierten Spezies ebenfalls vollständig zurückgewonnen, gleichzeitig das Elutionsvolumen wesentlich verringert und so die Anreicherung der Spezies im Eluat verbessert. An natürlichen, eisenreichen Wässern einer tschechischen Mineralquelle konnte abschließend gezeigt werden, dass die neue Methode Schwefel- und Arsenspezies für mindestens 6 Tage stabilisiert.
Für die anschließende Isotopenanalyse der Thioarsenate wurden zunächst etablierte Routinemethoden untersucht. Standardmäßig werden gelöste Schwefelspezies gefällt und das Präzipitat mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) analysiert. Die ausgeprägte chemische Ähnlichkeit der Thioarsenate erlaubt jedoch keine selektive Ausfällung. Darüber hinaus zeigten Tests dieser Studie, dass während der standardisierten Fällung von Sulfid für die IRMS-Analyse Monothioarsenat mitausfällt und somit δ34S-Werte von Sulfid verfälschen kann. Um diese Probleme zu umgehen, wurde eine neue Methode entwickelt, die auf ionenchromatografischer Trennung und direkt anschließender Analyse der Schwefelisotope mittels Multikollektor-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma beruht (IC-MC-ICP-MS). Diese Methode erlaubt die gleichzeitige Isotopenanalyse von Sulfid, Sulfat, Thiosulfat und erstmals aller vier Thioarsenate.
Die neue IC-MC-ICP-MS-Methode wurde angewendet, um oxidative Umwandlungen von Thioarsenaten zu untersuchen. Während der abiotischen Oxidation von Monothioarsenat bildete sich 34S-abgereichertes Sulfat, was zu einem normalen Isotopeneffekt von -6.1 ‰ führte. Keine Isotopenfraktionierung wurde hingegen für die stufenweise Oxidation von Tetrathioarsenat über Tri- und Di- zu Monothioarsenat gefunden. Monothioarsenat zeigte jedoch eine deutliche Anreicherung von 34S, die auf weitere Oxidation, aber auch auf intermolekularen Austausch mit schwerem Sulfid zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die oxidative Zersetzung von Monothioarsenat mit einer Oxidation des Arsen-gebundenen Schwefels einhergeht, während Tetra-, Tri- und Dithioarsenat sulfidischen Schwefel in seiner ursprünglichen Oxidationsstufe freisetzen. Des Weiteren unterstützen die hier gewonnenen Erkenntnisse die Hypothese früherer Studien, nach denen dreiwertige Thioarsenite kurzzeitig als intermediäre Spezies sowohl während der Bildung als auch der Umwandlung von Thioarsenaten auftreten.
Die neu entwickelte IC-MC-ICP-MS-Methode wurde außerdem eingesetzt, um der Frage nachzugehen, ob Mikroorganismen den in Thioarsenaten gebundenen, reduzierten Schwefel als Elektronendonor verwenden können. In früheren Studien beobachtete Speziesumwandlungen deuteten darauf hin, dass chemolithotrophe Bakterien Monothioarsenat direkt oxidieren. Umwandlungen durch abiotische Prozesse konnten jedoch nicht ausgeschlossen werden. Inkubationsexperimente, die im Rahmen der vorliegenden Studie mit dem hyperthermophilen Thermocrinis ruber durchgeführt wurden, offenbarten einen ausgeprägten inversen Isotopeneffekt. In Verbindung mit Ergebnissen abiotischer Oxidationsexperimente weist dies darauf hin, dass Schwefel in Monothioarsenat nicht wie angenommen als Substrat für mikrobiellen Umsatz dient. Dementsprechend wurde ein alternatives Modell entworfen, in dem Monothioarsenat zunächst abiotisch zu Elementarschwefel und Arsenit disproportioniert, bevor Mikroorganismen diese Zwischenprodukte weiter zu Sulfat und Arsenat oxidieren.
Insgesamt ermöglichten die im Zuge dieser Studie entwickelten Methoden eine eingehendere Untersuchung von abiotischen sowie biotischen Thioarsenatumwandlungen. Die Aussagekraft von Speziesanalysen für die Aufklärung von Transformationsprozessen ist oftmals begrenzt. Diese Studie konnte zeigen, dass die zusätzliche Analyse von Schwefelisotopen wertvolle Informationen liefert. Damit tragen die hier gewonnenen Erkenntnisse zu einem besseren Verständnis von Vorkommen, Stabilität und mikrobieller Umsetzung von Thioarsenaten innerhalb des natürlichen Schwefelkreislaufs bei.