Quantitative mapping of toxic metals on the submicron-scale in cell-mineral aggregates formed by iron mineral precipitating and dissolving bacteria
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fe-minerale sind wichtige Senken für Schwermetalle in der Umwelt, meist mit organischen Verbindungen assoziiert und oft biogenen Ursprungs. Die beiden wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind: I) dass Struktur, Zusammensetzung und Sorptionseigenschaften von solchen Zell-Mineral-Aggregaten oder Biofilmen auf der Mikro- und Submikrometer-Skala unerwartet heterogen sind und II), dass extrazelluläre organische polymere mikrobiellen Ursprungs von enormer Bedeutung sind für die Eigenschaften von biogenen Eisenmineralen mit welchen sie eng assoziiert sind. Das bedeutet, dass Studien zur Bindung von Schwermetallen die mit konventionellen nasschemischen Analyseverfahren arbeiten - etwa der Ansatz über klassische Sorptionsisothermen - Gefahr laufen, dass beteiligte Prozesse unter Umständen nicht richtig quantifiziert oder sogar vollständig übersehen werden können. Ortsaufgelöste Analyseverfahren, mit welchen die organochemische und mineralogische Zusammensetzung der Probe hochaufgelöst identifiziert und deren Verteilung bestimmt werden kann, helfen daher, das Verhalten von toxischen Schwermetallen in der Umwelt besser zu verstehen. In einem ersten Schritt haben wir daher entsprechende Analyseverfahren entwickelt, wie etwa die Synchrotron-basierte chemische Nano-Tomographie. Dieser Ansatz ermöglicht eine chemische 3D-Analyse von Bakterien und assoziiertem Mineralpartikeln mit einer Ortsauflösung von 50 nm, sogar im natürlichen, nassen Zustand. Als weiteren Ansatz haben wir den Einsatz von metallsensitiven Fluoreszenzfarbstoffen, welche in der Zellbiologie routinemäßig eingesetzt werden, für Studien im Bereich der Umweltforschung angepasst und Focused Ion Beam Tomographie in Kombination mit Rasterelektronenmikroskopie optimiert. Mit Hilfe dieser Ansätze haben wir unter kontrollierten Laborbedingungen Zell-Mineral-Aggregate und Biofilme untersucht, um Sorptionsmechanismen von unterschiedlichen giftigen Metall-Spezies zu identifizieren und zu charakerisieren. Auf der Submikrometerskala waren die Proben dabei erstaunlich heterogen und mikrobielle organische Substanzen stellten sich als extrem wichtig für die Eigenschaften der biogenen Eisenminerale als Metal(loid)-Bindungspartner heraus. Arsenat beispielsweise wurde in organikreichen, Eisenmineralen mikrobiellen Ursprungs stark angereichert. Die Verbindung von zuckerreichen extrazellulären mikrobiellen Polymeren mit biogenen Fe-Mineralen scheint daher eine Schlüsselrolle für die Bindung von Arsenat in diesen Systemen zu spielen. Im Gegensatz dazu wurden Kupfer und Kadmium direkt an den Zelloberflächen der Bakterien angereichert. Im dritten Teil des Projekts wurden die Ergebnisse der vorangegangen Laborstudien verglichen mit den Verteilungen von toxischen Schwermetallen in Biofilmen aus Bergbauabwässern. Die grundlegenden Mechanismen waren hierbei die gleichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2012) Advances in the detection of As in environmental samples using low energy X-ray fluorescence in a scanning transmission X-ray microscope: Arsenic immobilization by an Fe(II)-oxidizing freshwater bacteria. Environmental Science and Technology 46, 2821-2829
Hitchcock AP., Obst M., Wang J., Lu YS., Tyliszczak T.
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(2013) Mapping of heavy metal ions in biofilms, cell-mineral aggregates and environmental samples using metal-selective fluorescence probes and confocal laser scanning microscopy. Applied and Environmental Microbiology 79, 6524-6534
Hao L., Li J., Kappler A., Obst M.
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(2014) 3D analysis of bacterial cell-(iron)mineral aggregates formed during Fe(II) oxidation by the nitrate-reducing Acidovorax sp. strain BoFeN1 using complementary microscopy tomography approaches. Geobiology 12, 340-361
Schmid G., Zeitvogel F., Hao L., Ingino P., Floetenmeyer M., Stierhof YD., Schroeppel B., Burkhardt C., Kappler A., Obst M.
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(2014) Synchrotron-based chemical nano-tomography of microbial cell-mineral aggregates in their natural, hydrated state. Microscopy and Microanalysis 20, 531-536
Schmid G., Zeitvogel F., Hao L., Ingino P., Kuerner W., Dynes JJ., Karunakaran C., Wang J., Lu Y., Ayers T., Schietinger C., Hitchcock AP., Obst M.
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(2016) 3D chemical imaging of nanoscale biological, environmental and synthetic materials by soft X-ray STXM spectro-tomography. In "Characterization Tools for Nanoscience & Nanotechnology", Kumar CSSR. (ed.), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg
Schmid G., Obst M., Wu J., Hitchcock AP.
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(2016) Binding of heavy metal ions in aggregates of microbial cells, EPS and biogenic iron minerals measured in-situ using metal- and glycoconjugatesspecific fluorophores. Geochimica et Cosmochimica Acta 180, 66-96
Hao L., Guo L., Byrne JM., Zeivogel F., Schmid G., Ingino P., Li J., Neu TR., Swanner ED., Kappler A., Obst M.
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(2016) ScatterJ: An ImageJ plugin for the evaluation of analytical microscopy datasets. Journal of Microscopy 261 (2), 148-156
Zeitvogel F., Schmid G., Hao L., Ingino P., Obst M.
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(2016) Submicron-scale heterogeneities in nickel sorption of various cell-mineral aggregates formed by Fe(II)-oxidizing bacteria. Environmental Science and Technology 50, 114-125
Schmid G., Zeitvogel F., Hao L., Ingino P., Adaktylou I., Eickhoff M., Obst M.
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(2017) Comparison of preparation methods of bacterial cellmineral aggregates for SEM imaging and analysis using the model system of Acidovorax sp. BoFeN1. Geomicrobiology Journal 34 (4), 317-327
Zeitvogel F., Burkhardt CJ., Schroeppel B., Schmid G., Ingino P., Obst M.
