Experimental study of iron and silica immobilization by bacteria in mixed Fe-Si systems: implications for microbial silicification in hot springs

The immobilization of silica and iron by the bacteria Bacillus subtilis was monitored in controlled microcosms to elucidate the role iron may play in aiding bacterial silicification in hot springs. Silica and iron immobilization was monitored as a function of bacterial concentration, iron concentration, and silica concentration (both undersaturated and oversaturated with respect to amorphous silica). Results demonstrate that bacterial cells do immobilize more Fe than bacteria-free systems in solutions with iron concentrations ≤50 ppm Fe. However, as iron concentrations increase, the difference between Fe immobilization in bacterial and bacteria-free systems decreases as non-bacterially mediated precipitation processes dominate. Additionally, bacterial systems that had immobilized more Fe compared with bacteria-free systems did not immobilize more silica than bacteria-free systems. By comparing molar ratios of (silica in solution)/(bacterially bound Fe), it is evident that insufficient iron is bound to the bacterial surface to act as an effective salt bridge for silica sorption. This appears to be because much of the iron is immobilized by non-bacterially mediated precipitation of phases such as Fe(OH)3 and poorly ordered hydrous iron silicates. It follows that in silica-enriched hot springs, silica and iron immobilization processes are significantly dominated by non-bacterially mediated precipitation. Any bacterially mediated processes are exceedingly small and outside the resolution of these experiments. Résumé : L’immobilisation de la silice et du fer par la bactérie Bacillus subtilis a été suivie dans des microcosmes contrôlés afin d’élucider le rôle que pourrait jouer le fer dans la silicification des bactéries dans les sources thermales. L’immobilisation de la silice et du fer a été suivie en fonction de la concentration bactérienne, de la concentration en fer et de la concentration en silice (sous-saturée et sursaturée par rapport à la silice amorphe). Les résultats démontrent que les cellules bactériennes immobilisent en effet plus de Fe que les systèmes sans bactéries dans des solutions où les concentrations de fer ≤ 50 ppm Fe. Toutefois, à mesure que s’accroît la concentration de fer, la différence entre l’immobilisation du Fe dans les systèmes avec ou sans bactéries décroît alors que dominent les processus de précipitation non assistés par les bactéries. De plus, les systèmes bactériens qui avaient immobilisé des quantités supérieures de Fe comparativement aux systèmes sans bactéries n’ont pas immobilisé plus de silice que les systèmes sans bactéries. En comparant les rapports molaires (silice en solution)/(Fe lié par les bactéries), il est évident qu’il n’y a pas assez de fer lié à la surface bactérienne pour agir en tant que pont de sel pour la sorption de la silice. Cela serait dû au fait qu’une grande partie du fer est immobilisée par la précipitation, non assistée par les bactéries, de phases telles que Fe(OH)3 et des silicates de fer hydraté mal organisés. Il s’en suit que, dans les sources thermales enrichies en silice, les procédés d’immobilisation du fer et de la silice sont dominés de façon significative par une précipitation non assistée par les bactéries. Tous les procédés assistés par les bactéries sont extrêmement petits et sont en dehors du degré de résolution