Role of Manganese in the Oxidation of Arsenite by Freshwater Lake Sediments

Abstract

The importance of various sediment components in the oxidation of As(III) (arsenite) to As(V) (arsenate) by freshwater lake sediments in southern Saskatchewan was examined. Treating the sediments with hydroxylamine hydrochloride or sodium acetate to remove Mn greatly decreased the oxidation of As(III). Furthermore, synthetic Mn(IV) oxide was a very effective oxidant with respect to As(III): 216 µg As(V)/ml was formed in solution when 1000 µg As(III)/ml was added to suspensions of 0.1 g of the oxide. These results indicate that Mn in the sediment was probably the primary electron acceptor in the oxidation of As(III). The conversion of As(III) to As(V) by naturally occurring carbonate and silicate minerals common in sediments was not evident in the system studied. Sediment particles >20 µm in size are the least effective in oxidizing As(III); the oxidizing ability of the 5–20-, 2–5-, and <2-µm particle size fractions varies depending on the sediment. The concentration of As(V) in equilibrated solutions after adding increasing amounts of As(III) (as much as 100 µg/ml) to 1 g of the three sediments ranged from approximately 3.5 to 19 µg/ml. Because As(III) is more toxic and soluble than As(V), Mn-bearing components of both the colloidal and non-colloidal fractions of the sediments may potentially detoxify any As(III) that may enter aquatic environments by converting it to As(V). This is very important in reducing the As contamination and in maintaining the ecological balance in aquatic environments.

Резюме

Исследовалось значение различных компонентов осадка при окислении As(III) (мышьяковистокислой соли) в As(V) (мышьяковокислую соль) при помощи осадков из свежей озерной воды в нижном Саскачеване. Воздействие гидроксиламинового гидрохлорида или натриевого ацетата на осадки, чтобы удалить Mn, значительно уменьшает окисление As(HI). Кроме этого, синтетические окиси Mn(IV) были очень эффективными окислителями по отношению к As(IIl): 216 µг AS(V)/MJI было образовано в растворе при добавке 1000 µг As(V)/мл в суспензиях 0,1 г окиси. Эти результаты указывают, что Mn в осадке был, вероятно, акцептором первичных электронов при окислении As(III). Переход As(III) в As(V) при помощи натурально выступающих карбонатовых и кремниевых минералов, часто находящихся в осадках, не быд очевиден в изучаемой системе. Частицы осадка размером >20 µM были наименее эффективны при окислении As(III); окислительная способность частиц размером 5–20, 2–5, и 2 изменялась в зависимости от осадка. Концентрация As(V) в равновесных растворах после добавки увеличивающегося количества As(III) (до 100 µг/Mл) к одному грамму трёх осадков находилась в диапазоне приблизительно от 3,5 до 19 µг/Mл. Так как As(III) более токсический и растворяемый, чем As(V), Mn содержащие компоненты коллоидальных и неколлоидальных фракций осадков могут потенциально обезвредить любой As(III), который может поступать в водную среду, путём превращения её в As(V). Это очень важно при уменьшении загрязнения As и при сохранении экологического баланса водной среды. [Е.С.]

Resümee

Die Bedeutung der verschiedenen sedimentären Komponenten bei der Oxidation von As(III), Arsenit, zu As(V), Arsenat, durch Süßwassersedimente wurde im südlichen Saskatchewan untersucht. Die Behandlung der Sedimente mit Hydroxylaminhydrochlorid oder Natriumacetat—um Mangan weitgehend zu entfernen—führte zu einer Abnahme der Oxidation von As(III). Darüberhinaus war synthetisches Mn(IV)-Oxid ein sehr wirksames Oxidationsmittel im Hinblick auf As(III): 216 µg As(V)/ml bildete sich in der Lösung bei einer Zugabe von 1000 µg As(III)/ml zu Suspensionen von 0,1 g Oxid. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß Mangan in den Sedimenten wahrscheinlich der wichtigste Elektronenakzeptor bei der Oxidation von As(III) war. Die Umwandlung von As(III) in As(V) durch natürlich auftretende Karbonate und Silikatminerale, die gewöhnlich in Sedimenten auftreten, wurde in den untersuchten System nicht beobachtet. Die Kornfraktionen größer als 20 µm spielen bei der Oxidation von As(III) die kleinste Rolle. Die Oxidationskraft der Fraktionen 5–20, 2–5, und <2 µm variiert je nach Sediment. Die Konzentration von As(V) in den Gleichgewichtslösungen, die sich einstellten, wenn zunehmende Mengen As(III) (bis zu 100 µg/ml) zu jeweils 1 g der 3 Sedimente hinzugefügt wurde, reichte von etwa 3,5 bis 19 µg/ml. Da As(III) giftiger und leichter löslich als As(V) ist, können Mangan-haltige Komponenten der kolloidalen und nichtkolloidalen Fraktionen der Sedimente als mögliches Entgiftungsmittel für As(III) gelten, das in aquatisches Milieu gelangt, indem sie es in As(V) umwandeln. Dies ist von großer Bedeutung für die Verringerung der As-Kontamination und für die Erhaltung des ökologischen Gleichgewichtes im aquatischen Milieu. [U.W.]

Résumé

L'importance de composants sédimentaires variés dans l'oxidation d'As(III) (arsenite) à As(V) (arsenate) par des sédiments de lac d'eau douce dans le Saskatchewan du sud a été examinée. Le traitement des sédiments à l'hydrochloride hydroxylamine ou à l'acétate de sodium pour retirer Mn a fortement décru l'oxidation d'As(III). De plus, l'oxide Mn(IV) synthétique s'est montré un oxidant très éfficace en ce qui concerne As(III): 216 µg As(V)/ml a été formé en solution après que 1000 µg As(III)/ml avait été ajouté à des suspensions de 0,1 g de l'oxide. Ces résultats indiquent que Mn dans le sédiment était probablement l'accepteur d’électrons primaire dans l'oxidation d'As(III). La conversion d'As(III) à As(V) par des minéraux carbonates et silicés courants dans les sédiments n’était pas évidente dans le système étudié. Les particules sédimentaìres de taille >20 µm sont les moins éfficaces pour oxyder As(III); l'abilité d'oxydation des fractions de particules de taille 5–20, 2–5-, et <2-µm varie selon le sédiment. La concentration d'As(V) dans des solutions équilibrées, après avoir ajouté des quantités croissantes d'As(III) (jusqu’ à 100 µg/ml) à 1 g des trois sédiments s’étageait d'approximativement 3,5 à 19 µg/ml. Des composants portant Mn des fractions colloïdales et noncolloïdales des sédiments peuvent partiellement détoxifier tout As(III) qui pénètre les environements aquatiques en le convertissant en As(V), parcequ’ As(III) est plus toxique et plus soluble qu'As(V). Ceci est très important pour la réduction de la contamination par As et pour le maintient de l’équilibre écologique dans les environements aquatiques. [D.J.]