Transformation of iron oxides in presence of mixed iron-reducing bacterial communities and dynamics of the associated trace elements As, Cr, and Cd
Transformation des oxydes de fer par des populations bactériennes mixtes ferri-réductrices et dynamique des éléments traces associés As, Cr, et Cd
Résumé
Contaminants’ mobility in the environment, and in particular mobility of potentially toxic trace elements (PTTE), such as arsenic, chromium and cadmium induces risks of contamination of hydrosystems and of the food chain. Understanding and predicting PTTEs’ mobility and biogeochemistry in the environment will help to develop and apply appropriate remediation strategies for polluted sites. In order to assess the impact of microbiological activity and geochemical/mineralogical transformations of iron oxides and to observe their effects on the speciation and mobility of three PTTEs associated with iron, three laboratory experiments were conducted: batch experiments with oxides in slurry, batch with oxides immobilized on slides, then continuous percolation in columns containing oxides with adsorbed PTTEs. Results showed that the mineralogy of iron oxides influenced the bacterial iron solubilization rate. The two most studied iron-reducing bacteria (IRB), i.e. Shewanella and Geobacter, were quantified by qPCR. Considering the two IRB species monitored during this thesis, Shewanella was always preponderant compared with Geobacter in bacterial communities, and these two species were differentially distributed between attached and planktonic populations. Geobacter might be less dependent from soluble Fe(III) and more present in the bacterial community attached to iron oxides than free suspended in the liquid medium. Moreover, the spatial distribution of the two monitored species differed in column systems. In this experiment, iron oxides bioreduction induced As mobilization, particularly in presence of ferrihydrite. Cadmium was only transiently mobilized, suggesting mechanisms of biological immobilization of this element. Chromium was not biologically mobilized. The production of secondary iron minerals was evidenced my SEM-EDS and Mössbauer spectroscopy during the microbial reduction of ferrihydrite. These results enlighten the bacterial dynamics of iron and associated PTTE in environment, through original experimental conditions including several pollutants and mixed iron-reducing bacterial communities.
La mobilité des contaminants dans l'environnement, et en particulier celle des éléments traces potentiellement toxiques (ETPT), tels que l'arsenic, le chrome et le cadmium induisent des risques de contamination des hydrosystèmes et de la chaîne alimentaire. Comprendre et prévoir la mobilité et la biogéochimie de ces ETPT dans l’environnement permettra de développer et d’appliquer des stratégies de remédiation appropriées pour les sites pollués. Afin d'évaluer l'impact de l'activité microbiologique et des transformations géochimiques / minéralogiques des oxydes de fer et d'observer leur effet sur la spéciation et la mobilité de trois ETPT associés au fer, trois expériences de laboratoire ont été menées : en batch avec des suspensions d’oxydes de fer et des oxydes fixés sur lames de verre, puis en continu dans des colonnes de percolation. Les résultats ont montré que la minéralogie de l'oxyde de fer influençait la vitesse de solubilisation bactérienne du fer. Les deux espèces bactériennes ferri-réductrices les plus étudiées au laboratoire, Shewanella et Geobacter, ont été quantifiées par qPCR. Shewanella a toujours été prépondérante par rapport à Geobacter dans les communautés bactériennes, et ces deux espèces étaient différentiellement réparties entre les populations attachées et planctoniques : Geobacter pourrait être moins dépendant du Fe(III) soluble et plus présent dans la communauté attachée à la surface des oxydes qu’en suspension dans le milieu liquide. De plus, la distribution spatiale des deux espèces suivies différait dans le système de colonnes alimentées en continu. Dans cette expérience, la bioréduction des oxydes de fer s’est accompagnée d’une mobilisation de l’As, surtout avec la ferrihydrite. Le Cd n’a été mobilisé que transitoirement, ce qui suggère des mécanismes d’immobilisation biologiques de cet élément. Aucune mobilisation biologique du Cr n’a été observée. La production de minéraux secondaires de fer a été mise en évidence par MEB-EDS et spectroscopie Mössbauer au cours de la réduction microbienne de la ferrihydrite. Ces résultats permettent de mieux comprendre la dynamique bactérienne du fer et des ETPT associés dans l'environnement, à travers des conditions expérimentales originales avec des systèmes multi-polluants et des communautés bactériennes mixtes réductrices de fer.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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