Abstract

Bioprecipitated minerals are typically at the nanometer scale, hydrous, and beam-sensitive (i.e., can recrystallize during analysis), making them difficult to characterize using standard spectroscopic or electron-beam techniques. We have combined the ion-imaging capabilities of nanoscale secondary-ion mass spectrometry (NanoSIMS) and advanced high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) in order to characterize the surfaces of Geobacter sulfurreducens and the bioprecipitated uranium phases. Our results reveal the association between nutrient uptake and precipitation of uranium minerals. Biosequestration of uranium is enhanced by addition of nutrients such as acetic acid, and uranium is precipitated on the surface of the bacteria as nanocrystals of uraninite (UO2). The bioprecipitation of this anhydrous U-rich phase is significant; although UO2 is thermodynamically stable over a range of pH values (2 to 12) and oxidizing conditions [Eh 0.2 to −0.2, or log f(O2) of approximately −50 to −125], thermodynamic models of inorganic systems suggest that U6+ oxyhydroxide minerals should be stable. Our results suggest that the biofilm shielded the UO2 from re-oxidation and that bacteria can immobilize uranium for extended periods, even under relatively oxidizing conditions in the subsurface.

Abstract

Les minéraux bioprécipités sont typiquement nanométriques, hydratés, et sensibles au faisceau, qui peut donc induire une recristallisation, ce qui les rend difficiles à caractériser au moyen de techniques standards d’analyse spectroscopique ou avec un faisceau d’électrons. Nous avons pu combiner les capacités d’imager à une échelle nanométrique au moyen de la spectrométrie de masse avec ions secondaires (NanoSIMS) et une technique avancée de microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) afin de caractériser les surfaces de Geobacter sulfurreducens et de la phase uranifère bioprécipitée. Nos résultats révèlent une association entre l’ingestion de nutriments et la précipitation de minéraux uranifères. La bioséquestration de l’uranium est favorisée par l’addition de nutriments tels l’acide acétique, et l’uranium est précipité sur la surface des bactéries sous forme de cristaux nanométriques d’uraninite (UO2). La bioprécipitation de cette phase uranifère anhydre est importante; quoique la phase UO2 est thermodynamiquement stable sur un intervalle de valeurs de pH (de 2 à 12) et de conditions oxydantes [Eh de 0.2 à −0.2, ou log f(O2) d’environ −50 à −125], les modèles thermodynamiques de systèmes inorganiques semblent montrer que ce sont les minéraux oxyhydroxydés à U6+ qui devraient être stables. Nos résultats font penser que la biopellicule a protégé le UO2 d’une ré-oxydation et que les bactéries peuvent immobiliser l’uranium pour des périodes prolongées, même sous conditions souterraines relativement oxydantes.

(Traduit par la Rédaction)

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