The interplay of hydrological, chemical and microbial processes in the formation of iron-rich floating films in aquatic environments at a circumneutral pH

Abstract

[EN]: The direct contribution of microbial activity to the formation of iron-oxide minerals is difficult to prove in wetlands due to the high reactivity of solid iron phases with different compounds and the variety of redox processes that may occur at each oxic-anoxic boundary. Here, we propose an explanation for the formation of iron-oxide films in wetlands and groundwater seepage areas fed by sandy aquifers based on the interaction of hydrological, chemical and microbiological processes under circumneutral conditions. The presence of a floating iron-oxide film was found to create a boundary at the air-water interface that maintains a suboxic and slightly acidic environment below the film compared with the environments obtained in other free-film wetland areas. The water trapped below this film had an average pH of 6.1, was particularly poor in O2, HCO–3, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, and Tot-S, and has high concentrations of Tot-P, Tot-Fe, NH+4 and Zn. The formation of a floating iron-oxide film was reproduced under anaerobic conditions after progressive enrichment through the incubation of natural sediment samples in the laboratory. Heterotrophic bacteria belonging to the genus Enterobacter were the dominant bacteria in the enrichments that resulted in the formation of a floating iron-oxide film. The X-ray diffraction patterns showed that the presence of two-line ferrihydrite was common to the iron-oxide films collected in both the natural environment and the laboratory cultures, whereas other iron-oxides (goethite and low-crystalline lepidocrocite) were observed only in the natural environment. This study highlights the role of ubiquitous bacteria, which are generally considered unimportant participants in iron-transformation processes in the environment, and the contribution of both biological and non-biological processes to iron oxidation in natural systems under circumneutral conditions.

[ES]: En los humedales, es difícil probar que la actividad microbiana sea la responsable de la formación de óxido de hierro mineral debido, tanto a la gran reactividad del hierro en fase sólida con diferentes sustancias, como a la variedad de procesos redox que pueden ocurrir en cada interfase óxica-anóxica. El presente trabajo propone una explicación, basada en la interacción de procesos hidrológicos, químicos y microbiológicos en condiciones circumneutras, para explicar la formación de un film de óxido de hierro en humedales y manaderos donde aflora agua subterránea proveniente de acuíferos de arenas silíceas. Además, la presencia de un film de óxido de hierro que flota sobre la interfase agua-aire genera condiciones subóxicas y ligeramente ácidas en el agua que queda atrapada debajo, y que son muy distintas a otras zonas libres de film en el mismo humedal. Este agua atrapada bajo el film se caracterizó por presentar un pH medio de 6.1, una menor concentración de O2, HCO–3, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, y S total, pero una mayor riqueza en P total, Fe total, NH+4 y Zn. La formación de un film flotante de óxido de hierro se reprodujo en el laboratorio, en condiciones anaeróbicas, tras el enriquecimiento progresivo de las muestras del sedimento natural que habían sido incubadas. En dichos enriquecimientos, donde se produjeron films flotantes de óxido de hierro, la bacteria dominante perteneció al género Enterobacter. Mediante difracción por rayos X, se encontró ferrihidrita con estructura en doble cadena, tanto en el film de muestras naturales como de cultivos de laboratorio. Además se encontraron otros tipos de óxidos minerales (goetita y lepidocrocita de pobre cristalización) sólo en las muestras naturales de film. El presente estudio muestra la relevancia de bacterias ubicuas, hasta ahora consideradas sin importancia en procesos naturales de transformación del hierro, y la participación tanto de procesos bióticos como abióticos en la oxidación del hierro en sistemas naturales sometidos a condiciones circumneutras.