Anaerobic arsenotrophy linked to iron and sulfur biotransformations: implications on the fate of arsenic in solid-liquid interfaces

Abstract

"Arsenic (As) is a metalloid classified in the heavy metal group as it can induce toxicity at low concentrations (µg/L). On a global scale, the recognition of arsenic as a priority pollutant derives from its occurrence in groundwater for human consumption. The origin of the aqueous arsenic can be due to natural (geological composition of aquifers) and/or anthropogenic (mining) sources. In great extent, the interconnection among the biogeochemical cycles of As, C, Fe, S, and N determines the fate of this toxic element in water bodies. Within this framework, microbial processes are one of the main actors in chemical speciation and arsenic transport. Detailed studies have been carried out in order to explain the processes of arsenic mobilization/immobilization and remediation. However, the scaling of laboratory systems to natural environments is still a challenge. Research in this field can contribute to the understanding of biogeochemical processes involved in arsenic recycling and the generated knowledge will allow making predictions of the extent of the microbial processes, ecological risk assessment, and implementation of appropriate remediation strategies. The global aim of this dissertation was to explore the anaerobic arsenotrophy linked to iron and sulfur biotransformations, with a focus on arsenic remediation in As-polluted aquifers. As a first approach, two surface As-polluted sediments (CB and CT) were collected, the partitioning of arsenic in the mineral fractions of the sediments was investigated and it was determined that more than 77% of arsenic is highly bioavailable. The second step was to investigate the structure and function of the native microbial communities of the sediments, it was determined that the high levels of arsenic did not impact negatively the bacterial diversity, the sediment CT was the most contaminated (2263.1 ± 167.7 mg of As/kg) and presented the greatest diversity (Shannon 7.4 index). The microbiota of this sediment already suffered an adaptation process, which was corroborated by the amplification of the arrA gene in the fresh sediment, this gene is responsible for encoding the enzyme arsenate reductase for arsenate (As(V)) respiration. The sediments were the source of microorganisms for enrichments in microcosms. Through the coupling of As(V)- and sulfate-reduction were obtained biogenic minerals of arsenite (As(III))/sulfide (S(-II)) which served as arsenic sinks. The genus Desulfosporosinus was identified as the dominant member of the microbiota linked to biominerals from sediment enrichments, reaching abundances close to 75%. This bacterial genus is metabolically flexible, can respire As(V), sulfate, Fe(III) and promotes arsenic sulfide precipitation. As(V)/sulfate-reducing bacterial consortia (Sediment-free) were obtained after 8 months of sub-culturing of sediment enrichments. The consortia essentially composed by spore forming and As(V)-respiring bacteria. Remarkably, significant selective pressures were identified during consortia propagation: 1) sediment removal (a source of protection and nutrients), 2) high concentrations of aqueous As(III) and 3) cell inactivation by trapping in the matrix of the biomineral (cell mineralization). Bacterial consortia of both sediments precipitated nanofibers of As(III)/S(-II). However, each biomineral presented different mineralogy and crystallinity, the biomineral CB was identified as bonazziite and the biomineral CT as realgar. The changes in the mineralogy were related to the rates of As(V)- and sulfate-reduction. In the consortium CT, where the rate of As(V)-reduction was about 5 times higher than the rate of sulfate-reduction, realgar (the most crystalline phase) was formed. About 90% of the bacterial genera (e.g. Desulfosporosinus, Sedimentibacter, Exiguobacterium, Fusibacter) present in the biominerals from consortia gathered arrA-carrier species. The most evident difference in the bacterial communities of the biominerals was the dominance of Desulfosporosinus (34%, a sulfate-reducer) in the biomineral CB and the dominance of Pseudomonas, (36%, an As(V)-reducer) in the biomineral CT, this difference impacted the As(V)- and sulfate-reducing activities. Using the CT consortium as inoculum, the influence of bioprocesses of As(V)-, Fe(III)- and sulfate-reduction in arsenic mobilization was studied when calcite, gypsum, and ferrihydrite coprecipitated with As(V) were the electron acceptors. It was found that in the calcite-As(V) system As(V)-reduction culminates with the accumulation of aqueous As(III), while the gypsum-As(V) system presented a self-regulation mechanism, and the aqueous As(III) was remineralized as arsenic sulfides. In the case of ferrihydrite-As(V) system, sulfate-reduction had a negative effect promoting the mobilization of As(III), despite iron secondary minerals formation that also adsorb arsenic (i.e. siderite and iron sulfides). Each mineral led to different redox transformations, which in turn impacted the structure of the bacterial community and the final arsenic fate. In order to enrich the findings of this research, some perspectives were discussed, for instance, the need to identify and cultivate novel As(V)-respiring bacteria, and at the same time corroborate their ability to metabolize and detoxify arsenic, through the use of molecular markers (e.g. arsC and arrA genes). We recommend evaluating the stability of biogenic arsenic sulfides, under microbial oxidation, in an environment depleted in organic carbon, where As(III) and S(-II) could be used as electron donors in presence of a favorable electron acceptor such as nitrate."

"El arsénico (As) es un metaloide clasificado dentro del grupo de los metales pesados por su toxicidad a bajas concentraciones (µg/L). A escala global, el papel del arsénico como contaminante prioritario se deriva de su presencia en agua subterránea que se usa para consumo humano. El origen del As acuoso se puede se puede atribuir a fuentes naturales (composición geológica de acuíferos) y/o antropogénicas (minería). En gran medida, la interconexión entre los ciclos biogeoquímicos del As, C, Fe, S y N determina el destino de este contaminante en cuerpos de agua. Dentro de este marco, los procesos microbianos son uno de los principales actores en la especiación química y trasporte del arsénico. Se han efectuado estudios detallados con el fin de explicar los procesos de movilización/inmovilización de As y su remediación. Sin embargo, sigue siendo un reto el escalamiento de los sistemas de laboratorio para su aplicación en ambientes naturales. La investigación en este campo puede contribuir al entendimiento de los procesos biogeoquímicos implicados en el ciclaje de arsénico. Asimismo, el conocimiento generado es útil para hacer predicciones del alcance de los procesos microbianos, valoración del riesgo ecológico, e implementación de estrategias de biorremediación apropiadas. El objetivo general de esta tesis fue explorar la arsenotrofía anaerobia vinculada a las biotransformaciones de hierro y azufre con un enfoque en la remediación de acuíferos contaminados con arsénico. Como una primera aproximación, se colectaron dos sedimentos superficiales contaminados con As (CB y CT), se investigó la distribución de As en las distintas fracciones minerales de los sedimentos y se determinó que más de 77% de este se encuentra altamente biodisponible. El segundo paso fue conocer la estructura y función de la comunidad microbiana nativa de los sedimentos, se encontró que los altos niveles de arsénico no limitan la diversidad bacteriana, siendo el sedimento CT el más contaminado (2263.1 ± 167.7 mg de As/kg) y el que presentó la mayor diversidad (índice de Shannon 7.4). La microbiota de este sedimento sufrió un proceso de adaptación, lo cual se corroboró con la amplificación del gen arrA en el sedimento fresco, este gen es responsable de codificar la enzima arseniato reductasa para la respiración de arseniato (As(V)). Los sedimentos se usaron como inóculo para enriquecimientos en microcosmos anaerobios y mediante el acoplamiento de los bioprocesos de reducción de As(V) y sulfato se obtuvieron minerales biogénicos de arsenito (As(III))/sulfuro (S(-II)), que fungieron como sumideros de As. El género bacteriano Desulfosporosinus se identificó como el miembro dominante de la microbiota vinculada a los biominerales de los enriquecimientos de sedimentos, alcanzando abundancias cercanas a 75%. Este género es metabólicamente flexible, puede respirar As(V), sulfato, Fe(III) y promueve la precipitación de sulfuros de arsénico. xviii Partiendo de los enriquecimientos de sedimentos, por un proceso de transferencias sucesivas se obtuvieron consorcios bacterianos As(V)/sulfatoreductores. Los consorcios esencialmente se conformaron por bacterias reductoras de As(V) y formadoras de esporas. Cabe destacar que durante la propagación de los consorcios se identificaron presiones selectivas importantes: 1) La remoción del sedimento (una fuente de protección y nutrientes), 2) las altas concentraciones de As(III) acuoso (10 mM) y 3) la inactivación de células por atrapamiento en la matriz del biomineral (mineralización de células). Los consorcios bacterianos de ambos sedimentos mediaron la formación de nanofibras de As(III)/S(-II). No obstante, los biominerales presentaron distinta mineralogía dependiendo de las tasas de reducción de As(V) y sulfato. El biomineral del consorcio CB, que presentó una mayor tasa de sulfato-reducción, se identificó como bonazziita y biomineral del consorcio CT, donde la tasa de As(V)-reducción fue ~5 veces mayor que la tasa se sulfato-reducción, se identificó como rejalgar (fase más cristalina). En ambos biominerales el 90% de los géneros bacterianos (ej. Desulfosporosinus, Sedimentibacter, Exiguobacterium, Fusibacter) incluyen especies portadoras del gen arrA. La diferencia más evidente entre las comunidades de los biominerales fue el predominio de Desulfosporosinus (34%, un sulfato-reductor) en el biomineral CB y de Pseudomonas, (36%, un As(V)- reductor) en el biomineral CT, esta diferencia repercutió en la actividad reductora de As(V) y sulfato. Empleando el consorcio CT como inóculo, se estudió la influencia de bioprocesos de reducción de As(V), Fe(III), y sulfato en la disolución de As(V) coprecipitado con calcita, yeso, y ferrihidrita cuando dichos minerales se usaron como aceptores de electrones. Se encontró que con calcita-As(V) la reducción de As(V) promueve la acumulación de As(III) acuoso, mientras que con yeso-As(V) el sistema presentó un mecanismo de autorregulación ya que el As(III) acuoso se remineralizó como sulfuros de arsénico. Respecto al sistema ferrihidrita-As(V), la sulfato-reducción tuvo un impacto negativo propiciando la movilización de As(III). Cada mineral propició diferentes trasformaciones redox lo que a su vez impactó la estructura de comunidad bacteriana y en el destino final del arsénico. Con el fin de enriquecer los hallazgos de esta investigación algunas perspectivas se discutieron, por ejemplo, la necesidad de identificar y cultivar nuevas bacterias reductoras de As(V) y a la par corroborar en estas especies la capacidad de metabolizar y/o detoxificar As, usando marcadores moleculares (ej. arsC gene, arrA gene). Se recomienda evaluar la estabilidad de los sulfuros de As biogénicos bajo oxidación microbiana, en un ambiente con limitado en carbón orgánico, donde el As(III) y el S(-II) podrían ser utilizados como donadores de electrones en presencia de un aceptor favorable como el nitrato."