Microbial Fe(II) oxidation by Sideroxydans lithotrophicus ES-1 in the presence of Schlöppnerbrunnen fen-derived humic acids

Resumo

Para melhor compreensão das interações entre matéria orgânica dissolvida (MOD) e ferro reduzido em turfas ricas em matéria orgânica, foram realizados uma combinação de experimentos controlados em laboratório e medições de campo. A adição de extrato de ácido húmico (AH) derivado de turfa às culturas líquidas de Sideroxydans lithotrophicus (ES-1), levou a um maior número de células e taxas de oxidação de Fe(II) até 1,4 vezes maiores em comparação aos controles químicos. Este efeito foi positivamente correlacionado com o aumento das concentrações de AH. A formação de oxihidróxidos de Fe(III) foi semelhante tanto abioticamente quanto bioticamente, independentemente da alteração do AH, mas quando ES-1 e AH estavam presentes os minerais formados foram menores. Como mostrado no perfil voltamétrico de tubos gradiente estabilizados com agarose, o crescimento de ES-1 com AH promoveu agregação de produtos de Fe(III). A voltametria no local em turfa ácida e rica em ferro revelou uma lacuna entre a penetração de oxigênio e a redução de ferro que pode refletir microrganismos ativos oxidantes de Fe(II). A maior abundância de oxidantes de Fe(II) Sideroxydans (4.9 × 10⁷ cópias de gene por grama de peso úmido) e Gallionella (1.5 × 10⁷ cópias de gene por grama de peso úmido) na camada superior de turfa coincidiu com minerais de pequeno porte que se assemelham a nanoparticuladas de ferriidrita ou goethita foram encontrados na camada superior de turfa. Nossos resultados sugerem que a oxidação microbiana mediada por Fe(II) domina na presença de MOD levando à formação de nanopartículas de oxihidróxidos de Fe(III) biogênicos que podem ser prontamente biodisponíveis e provavelmente importantes para a ciclagem de ferro e carbono.

Abstract

Controlled laboratory experiments were combined with field measurements to better understand the interactions between dissolved organic matter (DOM) and reduced iron in organic-rich peatlands. Addition of peat-derived humic acid extract (HA) to Sideroxydans lithotrophicus ES-1 liquid cultures led to higher cell numbers and up to 1.4 times higher Fe(II) oxidation rates compared to chemical controls. This effect was positively correlated with increasing HA concentrations. Similar Fe(III) (oxyhydr)oxide mineralogies were formed both abiotically and biotically irrespective of HA amendment, but minerals formed in the presence of ES-1 and HA were smaller. ES-1 growth with HA promoted aggregation of Fe(III) products in agarose-stabilized gradient tubes as shown by voltammetric profiling. In situ voltammetry in acidic, iron-rich peatland revealed a gap between oxygen penetration and iron reduction that may reflect active Fe(II)-oxidizing microorganisms. The highest abundance of Fe(II) oxidizers Sideroxydans (4.9 × 10⁷ gene copies gww−1) and Gallionella (1.5 × 10⁷ gene copies gww−1) in the upper peat layer coincided with small-sized minerals resembling nanoparticulate ferrihydrite or goethite. Our results suggest that microbially mediated Fe(II) oxidation dominates in the presence of DOM leading to the formation of nano-sized biogenic Fe(III) (oxyhydr)oxides that might be readily bioavailable and likely important to iron and carbon cycling