1 University of New MexicoMicroscopía y Espectroscopia Avanzada: Procesos Biogeoquímicos de Metales que Afectan la Calidad del Agua José M. Cerrato, Ph.D. Profesor Asistente University of New Mexico Octubre 10, 2015 COPIMERA NSF HRD #

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3 Ciclo de Metales y RadionucleosPerspectiva Investigación interdisciplinaria de procesos biogeoquímicos partiendo de la escala molecular para entender procesos en la escala macroscópica que afectan el ciclo de metales en ambientes naturales. Biofilm 50 µm Ciclo de Metales y Radionucleos

4 Objetivo Aplicar microscopía electrónica (de barrido y de transmisión) y espectroscopia de rayos X (de fotoelectrones y de absorción) para estudiar procesos biogeoquímicos que afectan el ciclo de metales en el agua. Dos Casos de Estudio: Manganeso en Sistemas de Distribución en Honduras y USA. Uranio y otros metales en minas abandonadas en el Suroeste de USA.

5 Caso 1: Manganeso en Sistemas de Distribución de Agua Potable

6 Manganeso en Sistemas de AguaFe and Mn Slimes

7 Ciclo de Oxidación/Reducción del Mn en AguaQuímica: oxígeno, óxidos de metales, etc. Oxidación Biológica: algunas bacterias (i.e. Bacillus, Leptothrix) Y hongos Mn(III) Mn(II) Soluble Mn(IV) Insoluble: MnO2 Mn(III) Química: organicos, Fe(II), etc. Reducción Biologica: algunas bacterias (i.e. Shewanella, Bacillus) y hongos

8 ¿Por qué se pone negra el agua en el Sistema de distribución?Oxidante: O3, cloro… Cl2 + Mn oxide coated media

9 Caso 1: Objetivos Investigar la presencia de microorganismos oxidadores y reductores de Mn en filtros de plantas de tratamiento de agua potable. Investigar mecanismos que controlan el tratamiento de Mn utilizando óxidos de Mn en la ausencia y presencia de cloro.

10 Locaciones MuestreadasSitio Cloro (mg/L) Virginia 1 Virginia 2 0.5-1 Honduras North Carolina 3-6

11 Analisis MicrobiológicosColonia en platillos Petri (Incubación a 30°C) 2) Control estéril 3) Colonia inoculada Mn Transformado Tiempo de Incubación Medición de Mn Referencia Oxidación 2 -3 semanas Mn(IV): “Leucoberbelin Method” Stein y Nealson, 2001 Reducción 4-8 semanas Mn(II): medición de Absorcion atomica muestras filtradas por 0.1 um. Myers y Nealson 1988

12 Identificación MolecularAmplificación de la región 16S rRNA Secuenciación de ADN (Virginia Bioinformatics Institute) Identificación determinada por el alineamiento de las secuencias con la base de datos GenBank utilizando el Basic Local Alignment Search Tool (BLAST,

13 Encontramos Mircoorganismos Oxidadores y Reductores de Mn en todas las locaciones muestreadasEl 88% de microorganismos aislados fueron dentificados como Bacillus spp.; muchos de estos son capaces de oxidar y reducir Mn. Publicado en Water Research, 2010

14 Identificación de BacteriasIdentidad Numero de Aislados Numero de Aislados: Transformación de Mn Oxidacion Reductcon Aerobica Anaerobica Lysinibacillus fusiformis 3 2 1 Bacillus pumilus 7 6 Bacillus Cereus sphaericus N.M. Pseudomonas spp. Bacillus simplex Brevibacillus brevis a N.M. = No se Midio

15 Conclusiones Bacterias oxidadoras y reductoras de Mn co-existen simultaneamente en filtros de plantas de tratamiento de agua potable. El 88% de microorganismos aisladdos fueron identificados como Bacillus species, mismas que forman esporas. La oxidación y -reducción biologica (aerobica y anaerobica) puede ocurrir en ambientes acuosos expuestos a niveles cosiderables de oxigeno disuelto y cloro (rango: 0.5-6mg/L). La oxidación y -reducción podria afectar el desprendimiento y la deposicion de Mn en sistemas de agua potable.

16 Breve Explicación: Espectroscopia de Rayos X

17 Determinación de estados de oxidación de Mn en sólidos/oxidosEspectroscopia de Fotoelectron de Rayos X (XPS) Kinetic Energy (K.E.) detected by XPS Kinetic Energy (K.E.) detected by XPS Known incoming photon energy (hƲ) ~ 12 keV Image Courtesy of Dr. John R. Bargar Stanford Synchrotron Radiation Lightsource SLAC National Accelerator Laboratory Image by Center for Surface Analyses, Hong Kong Baptist University

18 Espectroscopia de Absorción de Rayos XSMW Courtesy of Dr. Samuel Webb Stanford Synchrotron Radiation Lightsource SLAC National Accelerator Laboratory

19 Tratamiento de Mn utilizando óxidos de Mn en processos de filtración de aguaPublicado en Environmental Science and Technology, 2010 and 2011

20 Experimentos de Columna para Tratamiento de Mn Soluble con MnOx(s)Influente: 5 µM = 0.3 mg/L Mn2+ as MnCl2 pH 7.2 1 meq como CaCO3 alkalinity Carga Caudal Hydraulico = 2500 L•day-1•m-2 Cloro = 3 mg/L HOCl 10 L Carboy Pump Carga de sólidos ~ 2.5 g de MnOx (s) MnOx(s) de North Carolina. MnOx(s) sumergido en 100 mg/L HOCl por 24 horas antes del experimento (oxidación). Muestras de agua filtradas por membranas de 0.45 µm. Elementos en solución analizados utilizando plasma acoplado inductivamente/espectrometria de masas (ICP-MS). 7.62 cm 0.95 cm No HOCl (control) Con HOCl

21 Analisis del Mn en Solución EfluenteEnvironmental Science and Technology, 2011

22 Espectros de Alta Resolución XPS Mn 3p de estandares y MnOx(s) antes del experimento (control)

23 Espectros de Alta Resolución XPS Mn 3p sólidos obtenidos de ExperimentosMnOx(s)-coated media + Soluble Mn (pH 7.2) XPS No Chlorine With Chlorine

24 Espectros de Alta Resolucion Mn 3p XPS de Solidos de Filtros

25 Conclusiones La remocion de Mn(II) en la ausenca de cloro se debe a “adsorcion” en oxidos de Mn [MnOx(s)]. Sin embargo, la presencia del Mn(III) en experimentos enla ausencia de cloro, sugiriendo que la co-ocurrencia de oxidacion de Mn catalizada en la superficie de los oxidos de Mn. La remocion de Mn(II) en la presencia de cloro se debe a adsorcion, seguida por subsecuente oxidacion rapida catalizada en la superficie a Mn(IV). Este estudio confirma que el uso de cloro combinado con la accion catalitica de MnOx(s) es efectiva para la remocion de Mn soluble.

26 Caso 2: Uranio en Minas Abandonadas en el Suroeste de USA

27 Blue Gap Tachee (Navajo): Claim 28 Sitio de EstudioHay mas de 1000 minas abandoadas en el Oeste de USA (carencia de iniciativas de remediacion). Comunidades Rurales, particularmente Nativo Americanas, viven en la proxmidad de estos sitios. Hay limitada informacion existente respect a los riesgos a la salud humana causados por la exposicion a contaminacion de metales en estos sitios. El entendimiento fundamental del destino, reactivdad y transporte de metals es necesario para cuantificar y reducir riesgos a la salud humana. You all are aware of this problem: The uranium industry left behind a legacy of contaminated sites worldwide. Even though many sites have been remediated on the surface, soils and groundwater remain contaminated, e.g., at Oak Ridge (TN) and Rifle (CO). According to DOE estimates, ~475 billion gallons (1.8 billion cubic meters) of groundwater and 78 million cubic meters of sediment in the U.S. are contaminated with uranium. In Germany, over 100 million cubic meters of groundwater are contaminated from flooding abandoned uranium mines. The uranium contamination will spread because the water is moving and uranium in its hexavalent form is very soluble.

28 Calidad del Agua en Blue Gap Tachee (BGT)Sample Parameter U (µg/L) As (µg/L) pH BGT Spring 163.2 5.7 7.4 BGT Seep 135.4 9.6 3.8 Metales analizados con plasma acoplado inductivamente/espectrometria de masas (ICP-MS).

29 Composicion Elemental (Fluorescencia de Rayos X)Nombre de Muestra U (mg/kg) V As (mg/kg) Fe C – 28 3118 3082 30 4371 Laguna 7345 919 9 77006 BRS BDL 24013 BRS – Suelo/base de referencia: control del sitio C-28, C-28 – Claim-28 sitio en Blue Gap Tachee BDL=Debajo del Limite de Deteccion

30 Microscopia – Blue Gap TacheeU-V- Phase K - Feldspar Arcilla A Quarzo Fe Phase U-V phase EDS Data muestra – U-V phase Azul – Fe, Verde – V, Rojo – U, Amarillo – U-V

31 Mapa Cualitativo Microsonda Rayos XLocacion en Muestra U Mg As Fe S K V

32 Espectroscopia de Fotoelectron de Rayos X (XPS)MW MW MW e) Fe 3p BRS MW MW - Desecho de mina BRS – Suelo/base de referencia

33 Espectroscopia de Absorcion de Rayos X – (XAS)XANES U(VI) confirmado EXAFS Presencia de fase U-V U-U U-V U-O

34 Extraccion de Metales de Solidos de Minas0.5 hr Reactivos - HCO3- - pH 8.3 y C6H8O6 (Asc) – pH 3.8 (pH de muestras de agua). U desprendido a pH 3.8 , 10 veces mayor que a pH 8.3. El As desprendido fue 4 veces mayor a pH 3.8. La correlacion de U-V desprendido fue casi en proporcion 1:1, sugiere la presencia de fase mineral de U-V similar a la carnotita (K2(UO2)2V2O8) Correlacion en el desprendimiento de Fe-As, sugiere la presencia de fase reducida de Fe-As.

35 Conclusiones Se encontraron conentraciones elevadas de U, V, Fe, y As en desechos solidos y aguas localizadas cerca de minas abandonadas, mismas que representan un riesgo para la salud humana. Desprendimiento significativo de U, V, y As de las minas abandonadas a pH 8.3, pero 10 veces mayor a pH 3.8. El desprendimiento de U y V de minas abandonadas del sitio C-28 esta controlada por fases minerals de U-V similar a la carnotita. El desprendimiento de As podria estar controlado por fases minerals de As-Fe (e.g., As-Fe-S, o As incorporado en oxidos de Fe.

36 Trabajo Futuro Desarrollar modelos para representar el transporte reactivo de metales. Identificar fases adsorbidas y otras fases minerals de U y As usando varias tecnicas de microscopia y espetroscopia. Identificar contribucion de factores biologicos (e.g. microbios y plantas) en la acumulacion y desprendimiento de metales.

37 Agradecimientos ColaboradoresSumant Avasarala, Johanna Blake, Mehdi Ali, Kateryna Artyushkova, Adrian Brearley, Mike Spilde (UNM) Christopher Hirani (UNM) Christopher Shuey and Paul Robinson (SRIC) Juan Lezama-Pacheco (Stanford University)

38 Gracias!! Preguntas??