Green rusts, which are mixed ferrous/ferric hydroxides, are found in many suboxic environments and are believed to play a central role in the biogeochemistry of Fe. Analysis by U LIII-edge X-ray absorption near edge spectroscopy of aqueous green rust suspensions spiked with uranyl (U(VI)) showed that U(VI) was readily reduced to U(IV) by green rust The extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) date for uranium reduced by green rust indicate the formation of a UO2 phase. A theoretical model based on the crystal structure of UO2 was generated by using FEFF7 and fitted to the data for the UO2 standard and the uranium in the green rust samples. The model fits indicate that the number of nearest-neighbor uranium atoms decreases from 12 for the UO2 structure to 5.4 forthe uranium-green rust sample. With an assumed four near-neighbor uranium atoms per uranium atom on the surface of UO2, the best-fit value for the average number of uranium atoms indicates UO2 particles with an average diameter of 1.7 +/- 0.6 nm. The formation of nanometer-scale particles of UO2, suggested by the modeling of the EXAFS data, was confirmed by high-resolution transmission electron microscopy, which showed discrete particles (approximately 2-9 nm in diameter) of crystalline UO2. Our results clearly indicate that U(VI) (as soluble uranyl ion) is readily reduced by green rust to U(IV) in the form of relatively insoluble UO2 nanoparticles, suggesting that the presence of green rusts in the subsurface may have significant effects on the mobility of uranium, particularly under iron-reducing conditions.

Microbial reduction of ferric iron [Fe(III)] is an important biogeochemical process in anoxic aquifers. Depending on groundwater pH, dissimilatory metal-reducing bacteria can also respire alternative electron acceptors to survive, including elemental sulfur (S(0)). To understand the interplay of Fe/S cycling under alkaline conditions, we combined thermodynamic geochemical modeling with bioreactor experiments using Shewanella oneidensis MR-1. Under these conditions, S. oneidensis can enzymatically reduce S(0) but not goethite (α-FeOOH). The HS(-) produced subsequently reduces goethite abiotically. Because of the prevalence of alkaline conditions in many aquifers, Fe(III) reduction may thus proceed via S(0)-mediated electron-shuttling pathways.

Abstract Several pyridine derivatives including the pesticide nitrapyrin [2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine] are strong inhibitors of methane monooxygenase, a key enzyme of aerobic methane (CH 4 ) oxidation. In this study we examined the effects of 2-chloro-6-methylpyridine (2C6MP) concentration on aerobic CH 4 oxidation and the development of populations of putative methanotrophs in sediment from Old Woman Creek, a freshwater estuary in Huron Co., Ohio. Experimental systems were prepared in serum bottles containing minimal medium with a headspace containing 20% O 2 and 10% CH 4 . The microcosms were spiked with 2C6MP to achieve concentrations of 0, 0.1, 1, or 10 mM and inoculated with sediment. When headspace CH 4 concentrations decreased from 10% to < 2%, subsamples were taken for DNA extraction and sequencing of 16S rRNA gene amplicons. There was minimal effect of 2C6MP on CH 4 oxidation at concentrations of 0.1, and 1 mM, but complete inhibition for > 20 months was observed at 10 mM. ANOSIM of weighted UniFrac distances between groups of triplicate samples supported a primary distinction of the inoculum relative to the enrichments (R=0.999) and a secondary distinction between bottles containing 2C6MP versus those without (R=0.464 [0.1 mM]; R=0.894 [1 mM]). The inoculum was dominated by members of the Proteobacteria (49.9±1.5%), and to a lesser extent by Bacteroidetes (8.8±0.2%), Acidobacteria (8.9±0.4%), and Verrucomicrobia (4.4±0.3%). In enrichments with or without 2C6MP, Proteobacteria expanded to comprise 65–70% of the total. In the absence of inhibitor, members of the Methylococcaceae and Methylophilaceae increased in relative abundance from < 0.1% of the inoculum to 8.5±1.0% and 13.4±2.3%, of the total community respectively. At both 0.1 and 1 mM concentrations of the inhibitor, the Methylococcaceae were much less abundant, representing 3.3±0.5% and 2.8±3.3% respectively. No inhibition of the Methylophilaceae was seen at the lower concentration of 2C6MP, but at the higher concentration this taxon was only 7.8±1.1% of the total. In contrast, members of the Crenotrichaceae , another group of methane oxidizers, increased in relative abundance with greater amounts of inhibitor, representing 8.6±3.6% of the total at 0.1 mM and 12.0±4.5% at 1 mM, compared to only 4.1±0.4% when no inhibitor was present. These results clearly show changes in the populations of putative aerobic methanotrophs relative to the amount of 2C6MP present.

ABSTRACT Groundwater biogeochemistry in coastal areas is spatially and temporally dynamic because fluctuations in groundwater level may cause alternate redox between distinct hydrological conditions. Recent studies have proposed connections between biogeochemistry and large-scale hydrological processes, specifically focusing on the role of redox-active compounds in changing the oxidation state during flooding and draining events. While water saturation generally results in a shift of redox-active compounds from electron donors to acceptors, the specific mechanisms underlying the transition of groundwater between oxidizing and reducing conditions in response to water level fluctuations are uncertain. To determine the effects of groundwater levels on redox dynamics, we monitored groundwater redox potential across the terrestrial-aquatic interface in Lake Erie coastal areas throughout the high and low-water seasons. In contrast to previously observed responses to flooding in soils, our results revealed patterns of oxidizing redox potentials during high-water and reducing during low-water periods. Furthermore, short-term fluctuations in water table levels significantly impacted the redox potential of groundwater when dissolved oxygen increased, and redox dynamics displayed voltage hysteresis in most events. Based on these findings, we propose that for improved predictions of microbial functions and biogeochemical cycles, redox-informed models should incorporate the antagonistic changes in groundwater redox balance compared to soils and consider the time lags in redox fluctuations. Graphical Abstract Conceptual diagram of groundwater redox fluctuations in coastal ecosystems. Large redox fluctuations are derived by dissolved oxygen inputs and smaller more frequent redox fluctuations are led by redox sensitive species leaching from topsoil.

The microbial reduction of Fe(III) is a major component of Fe cycling in terrestrial and aquatic environments and is affected by the Fe(III) mineralogy of the system. The majority of the research examining the bioreduction of Fe(III) oxides by Fe(III)-reducing bacteria (IRB) has focused on the reduction of poorly crystalline Fe(III) phases, primarily ferrihydrite; however, crystalline Fe(III) oxides like goethite (α-FeOOH) and hematite (α-Fe2O3) comprise the majority of Fe(III) oxides in soils. This study examined the bioreduction of goethite and hematite of geogenic and synthetic origin by Shewanella putrefaciens CN2, a well-studied model IRB, in laboratory incubations. Overall, the rate and extent of Fe(II) production were greater for goethite than for hematite, and for geogenic Fe(III) oxides relative to their synthetic analogs. Although there was substantial production of Fe(II) (i.e., > 5 mM Fe(II)) in many of the systems, X-ray diffraction analysis of the solids at the end of the incubation did not indicate the formation of any Fe(II)-bearing secondary minerals (e.g., magnetite, siderite, green rust, etc.). The results of this study demonstrate the variability in the extent of bioreduction of geogenic goethite and hematite, and furthermore, that synthetic goethite and hematite may not be good analogs for the biogeochemical behavior of Fe(III) oxides in aquatic and terrestrial environments.

The reduction of HgII to HgI or Hg0 can lead to significant changes in Hg toxicity and mobility in the environment. Photochemical reduction is the primary process for the reduction of HgII to Hg0 in sunlit environments; however, dark reduction of HgII can occur via microbial metabolic processes and/or reduction by reduced natural organic matter, FeII mineral phases, FeII sorbed to minerals, or aqueous FeII. Here, we demonstrate a novel HgII reduction pathway involving another environmentally relevant reductant, MnII. Abiotic reduction of HgIIO by MnII was studied as a function of pH and anion environment (perchlorate, sulfate, chloride) using X-ray absorption spectroscopy to characterize the solid-phase Hg and Mn species. At circumneutral pH of 7.5, about 70% of HgII was reduced to elemental Hg0 within 2 h. In contrast, 12 h were needed to achieve the same extent of reduction at pH 6.9. In the presence of sulfate and chloride, HgI species were formed. HgII reduction was initially rapid and coupled with the oxidation of soluble MnII-oxides to insoluble MnIV-oxides, followed by a significantly slower reduction of HgII during the MnII-catalyzed transformation of the MnIV-oxides to hydroxide and oxyhydroxide minerals. The observed reduction of HgII by MnII at circumneutral pH could be an important transformation pathway for environmental Hg, affecting its bioavailability and mobility under mildly reducing conditions.

As global change processes modify the extent and functions of terrestrial–aquatic interfaces, the variability of critical and dynamic transitional zones between wetlands and uplands increases. However, it is still unclear how fluctuating water levels at these dynamic boundaries alter groundwater biogeochemical cycling. Here, we used high-temporal resolution data along gradients from wetlands to uplands and during fluctuating water levels at freshwater coastal areas to capture spatiotemporal patterns of groundwater redox potential (Eh). We observed that topography influences groundwater Eh that is higher in uplands than in wetlands; however, the high variability within TAI zones challenged the establishment of distinct redox zonation. Declining water levels generally decreased Eh, but most locations exhibited significant Eh variability, which is associated with rare instances of short-term water level fluctuations, introducing oxygen. The Eh-oxygen relationship showed distinct hysteresis patterns, reflecting redox poising capacity at higher Eh, maintaining more oxidizing states longer than the dissolved oxygen presence. Surprisingly, we observed more frequent oxidizing states in transitional areas and wetlands than in uplands. We infer that occasional oxygen entering specific wetland–upland boundaries acts as critical biogeochemical control points. High-resolution data can capture such rare yet significant biogeochemical instances, supporting redox-informed models and advancing the predictability of climate change feedback.

Abstract Methane is a microbially derived greenhouse gas whose emissions are highly variable throughout wetland ecosystems. Differences in plant community composition account for some of this variability, suggesting an influence of plant species on microbial community structure and function in these ecosystems. Given that closely related plant species have similar morphological and biochemical features, we hypothesize that plant evolutionary history is related to differences in microbial community composition. To examine species-specific patterns in microbiomes, we selected five monoculture-forming wetland plant species based on the evolutionary distances among them. We detected significant differences in microbial communities between sample types (unvegetated soil, bulk soil, rhizosphere soil, internal root tissues, and internal leaf tissues) associated with these plant species based on 16S relative abundances. We additionally found that differences in plant evolutionary history were correlated with variation in microbial communities across plant species within each sample type. Using qPCR, we observed substantial differences in overall methanogen and methanotroph population sizes between plant species and sample types. Methanogens tended to be most abundant in rhizosphere soils while methanotrophs were the most abundant in roots. Given that microbes influence methane flux and that plants affect methanogen and methanotroph populations, plant species contribute to variable degrees of methane emissions. Incorporating the influence of plant evolutionary history into future modeling efforts may improve predictions of wetland methane emission since microbial community differences correlate with differences in plant evolutionary history.