Bioreduction of iron (hydr)oxides from mine tailings under marine conditions

Abstract

Mining industry faces environmental problems concerning waste management. Given the environmental issues associated with storage of mine wastes on land, one disposal option that has gained attraction is submarine tailings disposal (STD). This practice involves disposal of mine tailings under seawater through underwater pipelines. Discharged mine wastes may be geochemically altered by microbial communities that living in the seabed have an ecophysiology that is compatible with the mine tailings. These communities (e.g., Shewanella, Geobacter) would be able to reduce the structural Fe(III) of oxides and oxyhydroxides (henceforth referred to as (hydr)oxides) of iron contained in the tailings, leading to a release of Fe(II) and Trace Elements (TEs) into the marine environment.

The present study aimed at understanding the reaction of bioreduction of iron (hydr)oxides that are contained in mine tailings and assessing the environmental impact of STD. For this purpose, different samples of iron (hydr)oxides and mine tailings were reacted in batch and column experiments in the presence of Shewanella loihica, a dissimilatory iron reducing bacteria. The release of Fe(II) and TE was monitored throughout the experiments, and the surface of the reacted oxides were examined. Geochemical simulations of the experimental data were used to quantify the extent of the overall reductive dissolution reaction. Furthermore, to understand the influence of aqueous iron in the ocean’s nitrogen cycle, a series of experiments were carried out with Fe(II) released from bioreduced iron oxides in the presence of nitrite.

Results showed that Shewanella loihica bioreduces Fe(III) from the iron (hydr)oxides contained in the mine tailings under marine conditions. The dissolution process leads to a release of Fe(II) and TEs, which are harmful for the marine environment. It was deduced that the reactive surface area of the iron (hydr)oxides is a key factor in the bioreduction process as it provides available Fe(III) and available surface, on which Shewanella loihica attach for electron transferring. However, adsorption of some of released Fe(II) onto the surface leads to a decrease in the reactive surface area, which lowers the total available Fe(III), and to a transformation of the former oxide to a new biogenic phase containing Fe2+/Fe3+ (i.e. magnetite). Moreover, it was demonstrated that the Fe(II) released promotes a nitrite removal, interfering thus with the nitrogen cycle of the ocean. The nitrite removal was

characterized using chemical and isotopic analyses, which allowed a better understanding of the mechanisms controlling the Fe(II)-N interaction and an identification of the source of nitrite reduction in the sea. From the results, it is inferred that STD can become a major environmental concern because (1) the Fe(II) released may lead to fertilization and eutrophication of disposal sites, resulting in an oxygen depletion and an expansion of the oxygen minimum zone and (2) the TEs released bioaccumulate in the environment and trophic webs, ultimately affecting human health and social economic development.

La indústria minera s’encara a un problema de gestió dels residus produïts. Degut als problemes mediambientals que provoca l’emmagatzematge terrestre de les cues mineres, la deposició submarina de les cues (STD) és una opció que ha guanyat interès en els darrers anys. Aquesta pràctica implica el dipòsit dels residus al fons marí mitjançant canonades submergides des de les indústries mineres. Aquestes cues es poden veure afectades geoquímicament per les poblacions microbianes que viuen en el fons marí i que poden tenir una ecofisiologia compatible amb els residus. Aquestes comunitats (per exemple, Shewanella, Geobacter) poden bioreduir el ferro fèrric dels òxids i/o hidròxids continguts en els residus miners, alliberant Fe (II) i elements traça (TE) al medi marí. El principal objectiu d’aquest treball va ser entendre el procés de bioreducció dels òxids i hidròxids de ferro presents en els residus miners i avaluar les conseqüències mediambientals dels dipòsits de residus al fons marí. Per dur a terme aquest propòsit, es van fer experiments de tipus batch i de columna amb diverses mostres d’òxids i hidròxids de ferro i de residus miners, les quals van reaccionar amb Shewanella loihica, un bacteri desassimilatori del ferro capaç de dur a terme la dissolució reductiva del ferro. Es va monitoritzar l’alliberament de Fe(II) i de TEs, es van observar les superfícies dels sòlids reaccionats i es va fer un model geoquímic per quantificar la bioreducció. A més a més, per tal d’entendre millor la influència del ferro en el cicle del nitrogen de l’oceà es van dur a terme uns experiments batch on el ferro bioreduït interaccionava amb nitrit. Els resultats han demostrat que la Shewanella loihica pot bioreduir els òxids i/o hidròxids de ferro continguts en residus miners en condicions semblants a les del fons marí. Aquesta dissolució bioreductiva comporta l’alliberament de Fe(II) i de TEs que poden arribar a ser perjudicials per l’ambient. S’ha deduït que la superfície reactiva dels òxids i/o hidròxids é un factor clau en la bioreducció perquè proveeix Fe(III) per bioreduir i superfície perquè els bacteris transfereixin electrons.. Ara bé, l’adsorció de Fe(II) en la superfície comporta, per una banda, la disminució de la superfície reactiva

i del Fe(III) disponible i, per altra banda, la formació d’una nova fase mineral biogènica que conté Fe2+/Fe3+, és a dir una transformació a magnetita

També s’ha demostrat que el Fe(II) alliberat per la bioreducció pot interferir, amb el cicles biogeoquímic del nitrogen de l’oceà. Així, el Fe(II) bioproduït desencadena l’eliminació del nitrit en el mar. Aquest procés s’ha caracteritzat utilitzant anàlisis químiques i isotòpiques. Les dades isotòpiques han servit per entendre millor els mecanismes que regulen la interacció Fe(II)-nitrogen, i per identificar l’origen de la reducció de nitrit en el medi marí. A partir dels resultats obtinguts, es dedueix que el dipòsit de residus miners al mar (STD) és un problema mediambiental perquè (1) l’alliberament de Fe(II) pot provocar una fertilització i eutrofització dels llocs on es dipositin els residus amb una disminució de l’oxigen dissolt i una expansió de la zona mínima d’oxigen i (2) l’alliberament d’ETs pot provocar una bioacumulació d’aquests elements a les xarxes tròfiques. Tot plegat afecta no només l’equilibri d’altres cicles biogeoquímics a l’oceà sinó també la salut humana i l’economia de la societat.