The consequences of microbe-mineral interaction often resulted in the chemical, structural modification, or both in the biologically induced mineral. It is inevitable to utilize the high powered resolution of electron microscopy to investigate the mechanism of biogenic mineral transformation at nano-scale. The applications of transmission electron microscopy (TEM) capable of electron energy loss spectroscopy (EELS) to the study of microbe-mineral interaction were demonstrated for two examples: 1) biogenic illite formation associated with structural Fe(III) reduction in nontronite by Fereducing bacteria; 2) siderite phase formation induced by microbial Fe(III) reduction in magnetite. In particular, quantification of the changes in Fe-oxidation state at nanoscale is essential to understand the dynamic modification of minerals resulted from microbial Fe reduction. The procedure of EELS acquisition and advantages of EELS techniques were discussed.
As industrial activities are growing, pollutants found in the contaminated land are getting diverse. Some contaminated areas are subject to mixed wastes containing both organic and inorganic wastes such as hydrocarbon and heavy metals. This study concerns with the influence of the degradation of organic pollutants on the coexisting heavy metals, expecially for As. As mainly exists as two different oxidation state; As(III) and As(V) and the conversion between the two chemical forms may be induced by organic degradation in the soil contaminated by mixed wastes. We operated microcosm in an anaerobic chamber for 60 days, using sandy loam. The soils in the microcosm are artificially contaminated both by tetradecane and As, with different combination of As(III) and As(V); As(III):As(V) 1:1, As(III) only and As(V) only. Although not systematic, ratio of As(III)/As(Total) increase slightly at the later stage of experiment. Considering complicated geochemical reactions involving oxidation/reduction of organic materials, Mn/Fe oxides and As, the findings in the study seem to indicate the degradation of the organics is connected with the As speciation. That is to say, the As(V) can be reduced to As(III) either by direct or indirect influence induced by the organic degradation. Although Fe and Mn are good oxidising agent for the oxidation of As(III) to As(V), organic degradation may have suppressed reductive dissolution of the Fe and Mn oxides, causing the organic pollutants to retard the oxidation of As(III) to As(V) until the organic degradation ceases. The possible influence of organic degradation on the As speciation implies that the As in mixed wastes may be have elevated toxicity and mobility by partial conversion from As(V) to As(III).
The Soowang deposits occur in the quartz veins that were filled fissures in the middle Cretaceous porphyritic granite and/or the Precambrian Sobaegsan gneiss complex. Paragenetic studies suggest that the vein filling can be divided into four identifiable stages. Sphalerites were deposited by the cooling fluids at stages I, II, and III. The results of microscopic observation and EPMA analysis suggest that the chalcopyrite dots and disease in sphalerite are replacement products by later hydrothermal solution at the early stage III. The inferred processes of chalcopyrite disease are as follows: (1) Fe enrichment to the margins and along the cracks of the Fe-poor sphalerite by Fe-rich solution, (2) Formation of chalcopyrite dots in the Fe-enriched sphalerite formed at the stage II, and Fe reduction of sphalerite near the chalcopyrite dots by Cu-bearing solution, (3) Formation of "chalcopyrite disease" penetrating the compositional zoning of sphalerite at the early stage III.
The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY
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v.10
no.1
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pp.38-46
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2005
This study was carried out to quantify the rates of anaerobic mineralization and sulfate reduction, and to discuss the potential effects of benthic fauna on sulfate reduction in total anaerobic carbon respiration in Ganghwa intertidal flat in Korea. Anaerobic carbon mineralization rates ranged from 26 to 85 mmol $C\;m^{-2}\;d^{-1}$, which accounted for approximately 46 tons of daily organic matter mineralization in the intertidal flat of southern part of the Ganghwa Island (approximately $90\;km^2$). Sulfate reduction ranged from 22.6 to 533.4 nmol $cm^{-3}\;d^{-1}$, and were responsible for $31{\sim}129%$ of total anaerobic carbon oxidation, which indicated that sulfate reduction was a dominant pathway for anaerobic carbon oxidation in the study area. On the other hand, the partitioning of sulfate reduction in anaerobic carbon mineralization in October decreased, whereas concentrations of Fe(II) in the pore water increased. The results implied that the re-oxidation of Fe(II) in the sediments is stimulated by macrobenthic activity, leading to an increased supply of reactive Fe(II), and thereby increasing Fe(III) reduction to depress sulfate reduction during carbon oxidation.
Kim, Yumi;Oh, Jong-Min;Jung, Hea-Yeon;Lee, Seung Yeop;Roh, Yul
Economic and Environmental Geology
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v.47
no.4
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pp.431-439
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2014
The purposes of this research were to investigate the enrichment of metal-reducing bacteria from KURT groundwater and the identification of the microbial diversity by 16S rRNA as well as to examine microbial Fe(III)/Mn(IV) reduction and to analyze morphological features of interactions between microbes and precipitates and their mineralogical composition. To cultivate metal-reducing bacteria from groundwater sampled at the KURT in S. Korea, different electron donors such as glucose, acetate, lactate, formate, pyruvate and Fe(III)-citrate as an electron accepter were added into growth media. The enriched culture was identified by 16S rRNA gene sequence analysis for the diversity of microbial species. The effect of electron donors (i.e., glucose, acetate, lactate, formate, pyruvate) and electron acceptors (i.e., akaganeite, manganese oxide) on microbial iron/manganese reduction and biomineralization were examined using the 1st enriched culture, respectively. SEM, EDX, and XRD analyses were used to determine morphological features, chemical composition of microbes and mineralogical characteristics of the iron and manganese minerals. Based on 16S rRNA gene analysis, the four species, Fusibacter, Desulfuromonas, Actinobacteria, Pseudomonas sp., from KURT groundwater were identified as anaerobic metal reducers and these microbes precipitated metals outside of cells in common. XRD and EDX analyses showed that Fe(III)-containing mineral, akaganeite (${\beta}$-FeOOH), reduced into Fe(II)/Fe(III)-containing magnetite ($Fe_3O_4$) and Mn(IV)-containing manganese oxide (${\lambda}-MnO_2$) into Mn(II)-containing rhodochrosite ($MnCO_3$) by the microbes. These results implicate that microbial metabolism and respiratory activities under anaerobic condition result in reduction and biomineralization of iron and manganese minerals. Therefore, the microbes cultivated from groundwater in KURT might play a major role to reduce various metals from highly toxic, mobile to less toxic, immobile.
The effect of europium-driven corrosion behavior of Alloy 709 in FLiNaK molten salt was investigated by static immersion tests at 700 ℃. It was found that the corrosion of Alloy 709 increased after the addition of EuF3, even though the standard reduction potential of Eu(III)/Eu(II) was negative than those of Fe(II)/Fe, Ni(II)/Ni and Cr (II)/Cr. The presence of Eu(III) led to deeper corrosion attack layers and more pits on the steel surface in comparison with corrosion in blank FLiNaK. However, the addition of Eu(III) seemed to have a role in reducing surface cracking that was explored in corrosion by blank FLiNaK, which depended on Eu(III) concentration.
Mackinawite (FeS), as a ubiquitous reduced iron mineral, is known as a key controller of redox reactions in anaerobic subsurface environment. The reaction of FeS with redox-sensitive toxic element such as arsenic is substantially affected by pH conditions of the given environments. In this study, the interaction of As(V) with FeS was studied under strict anaerobic conditions with various pH conditions. The pH-dependent arsenic removal tests were conducted under wide ranges of pH conditions and X-ray absorption spectroscopy (XAS) was applied to investigate the reaction mechanisms under pH 5, 7, and 9. The removal efficiency of FeS for As(V) showed the higher removal of As(V) under low pH conditions and its removal efficiency decreased with increasing pH, and no As(V) reduction was observed in 1 g/L FeS solution. However, XAS analysis indicated the reduction of As(V) to As(III) occurred during reaction between FeS and As(V). The reduced form of As(III) was particularly identified as an arsenic sulfide mineral (As2S3) in all pH conditions (pH 5, 7, and 9). As2S3 precipitation was more pronounced in pH 5 where the solubility of FeS is higher than in other pH conditions. The linear combination fitting results of XAS demonstrated that As(V) removal mechanism is concerted processes of As2S3 precipitation and surface complexation of both arsenic species.
The $[Fe_4S_4]^{2+}$ clusters with 2-, 3-, and 4-pyridinemethanethiolate (S2-Pic, S3-Pic, and S4-Pic, respectively) terminal ligands have been synthesized from the ligand substitution reaction of the $(^nBu_4N)_2[Fe_4S_4Cl_4]$ (I) cluster. The new $(^nBu_4N)_2[Fe_4S_4(SR)_4]$ (R = 2-Pic; II, 3-Pic; III, 4-Pic; IV) clusters were characterized by FTIR and UV-Vis spectroscopy. Cluster II was crystallized in the monoclinic space group C2/c with a = 24.530 (5) $\AA$, b = 24.636(4) $\AA$, c = 21.762(4) $\AA$, ${\beta}=103.253(3)^{\circ}$, and Z = 8. The X-ray structure of II showed two unique 2:2 site-differentiated $[Fe_4S_4]^{2+}$ clusters due to the bidentate-mode coordination by 2-pyridinemethanethiolate ligands. Cluster III was crystallized in the same monoclinic space group C2/c with a = 26.0740(18) $\AA$, b = 23.3195(16) $\AA$, c = 22.3720(15) $\AA$, ${\beta}=100.467(2)^{\circ}$, and Z = 8. The 3-pyridinemethanethiolate ligand of III was coordinated to the $[Fe_4S_4]^{2+}$ core as a terminal mode. Cluster IV with 4-pyridinemethanethiolate ligands was found to have a similar structure to the cluster III. Fully reversible $[Fe_4S_4]^{2+}/[Fe_4S_4]^+$ redox waves were observed from all three clusters by cyclic voltammetry measurement. The electrochemical potentials for the $[Fe_4S_4]^{2+}/[Fe_4S_4]^+$ transition decreased in the order of II, III and IV, and the reduction potential changes by the ligands were explained based on the structural differences among the complexes. The complex III was reacted with sulfonium salt of $[PhMeSCH_2-p-C_6H_4CN](BF_4)$ in MeCN to test possible radical-involving reaction as a functional model of the [$Fe_4S_4$]-SAM (S-adenosylmethionine) cofactor. However, the isolated reaction products of 3-pyridinemethanethiolate-p-cyanobenzylsulfide and thioanisole suggested that the reaction followed an ionic mechanism and the products formed from the terminal ligand attack to the sulfonium.
The carbon nanofibers (CNFs) used in this study were synthesized with an iron catalyst and ethylene as a carbon source. A concentration of 30 wt % iron(III) acetylacetonate was dissolved in resol type phenol resin and polyurethane foam was put into the solution. The sample was calendered after being cured at $80^{\circ}C$ in air for 24 h. Stabilization and carbonization of the resol type phenol resin and reduction of the $Fe^{3+}$ were completed in a high-temperature furnace by the following steps: 1) heating to $600^{\circ}C$ at a rate of $10^{\circ}C/min$ with a mixture of $H_2/N_2$ for 4 h to reduce the $Fe^{3+}$ to Fe; 2) heating to $1000^{\circ}C$ in $N_2$ at a rate $10^{\circ}C/min$ for 30 minutes for pyrolysis; 3) synthesizing CNFs in a mixture of 20.1% ethylene and $H_2/N_2$ at $700^{\circ}C$ for 2 h using a CVD process. Finally, the structural characterization of the CNFs was performed by scanning electron microscopy and a synthesis analysis was carried out using energy dispersive spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Specific surface area analysis of the CNFs was also performed by $N_2$-sorption.
In the environment, chromium often exists in a highly mobile and toxic form of Cr(VI). Therefore, the reduction of Cr(VI) to less toxic Cr(III) is considered an effective remediation strategy for Cr(VI)-contamination. In this study, the biological reduction of hexavalent chromium was examined at the concentrations of 0.01 mM, 0.1 mM, and 1 mM Cr(VI) by the dissimilatory metal-reducing bacterium, Shewanella sp. HN-41 in the presence of ferric-citrate. With the relatively condensed cell densities, the aqueous phase Cr(VI) was reduced at the proportions of 42%, 23%, and 31%, respectively for the 0.01 mM, 0.1 mM, and 1 mM Cr(VI) incubations, while Fe(III)-citrate was reduced at 95%, 88%, and 73%, respectively. Although the strain HN-41 was not considered to reduce Cr(VI) as the sole electron acceptor for anaerobic metabolism in the preliminary experiment, it has been presumed that outer-membrane c-type cytochromes such as MtrC and OmcA reduced Cr(VI) in the presence of ferric-citrate as the electron acceptor. Since this study indicated the potential of relatively high cell density for Cr(VI) reduction, it might propose a bioremediation strategy for Cr(VI) removal from contaminated waters using engineered systems such as bioreactors employing high cell growths.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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