Low molecular weight carboxylic acids in oxidizing porphyry copper tailings

The distribution of low molecular weight carboxylic acids (LMWCA) was investigated in pore water profiles from two porphyry copper tailings impoundments in Chile (Piuquenes at La Andina and Cauquenes at El Teniente mine). The objectives of this study were (1) to determine the distribution of LMWCA, which are interpreted to be the metabolic byproducts of the autotroph microbial community in this low organic carbon system, and (2) to infer the potential role of these acids in cycling of Fe and other elements in the tailings impoundments. The speciation and mobility of iron, and potential for the release of H+ via hydrolysis of the ferric iron, are key factors in the formation of acid mine drainage in sulfidic mine wastes. In the low-pH oxidation zone of the Piuquenes tailings, Fe(III) is the dominant iron species and shows high mobility. LMWCA, which occur mainly between the oxidation front down to 300 cm below the tailings surface at both locations (e.g., max concentrations of 0.12 mmol/L formate, 0.17 mmol/L acetate, and 0.01 mmol/L pyruvate at Piuquenes and 0.14 mmol/L formate, 0.14 mmol/L acetate, and 0.006 mmol/L pyruvate at Cauquenes), are observed at the same location as high Fe concentrations (up to 71.2 mmol/L Fe(II) and 16.1 mmol/L Fe(III), respectively). In this zone, secondary Fe(111) hydroxides are depleted. Our data suggest that LMWCA may influence the mobility of iron in two ways. First, complexation of Fe(III), through formation of bidentate Fe(III)-LMWCA complexes (e.g., pyruvate, oxalate), may enhance the dissolution of Fe(III) (oxy)hydroxides or may prevent precipitation of Fe(III) (oxy)hydroxides. Soluble Fe(III) chelate complexes which may be mobilized downward and convert to Fe(II) by Fe(III) reducing bacteria. Second, monodentate LMWCA (e.g., acetate and formate) can be used by iron-reducing bacteria as electron donors (e.g., Acidophilum spp.), with ferric iron as the electron acceptor. These processes may, in part, explain the low abundances of secondary Fe(III) hydroxide precipitates below the oxidation front and the high concentrations of Fe(II) observed in the pore waters of some low-sulfide systems. The reduction of Fe(III) and the subsequent increase of iron mobility and potential acidity transfer (Fe(II) oxidation can result in the release of H+ in an oxic environment) should be taken in account in mine waste management strategies.

Strategies of "Pseudomonas aeruginosa" to overcome copper limitation

Summary Copper is an important trace element and micronutrient for living organisms as it is the cofactor of several enzymes involved in diverse biological redox processes such as aerobic respiration, denitrification and photosynthesis. Despite its importance, copper may be poorly bioavailable in soils and aquatic environments, as well as in the human body, especially at physiological or alkaline pH. In this work, we have investigated the strategies that the versatile bacterium and opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa has evolved to face and overcome copper limitation. The global response of the P. aeruginosa to copper limitation was assessed under aerobic conditions. Numerous iron uptake functions (including the siderophores pyoverdine and pyochelin) were down-regulated whereas expression of cioAB (encoding an alternative, copper-independent, cyanide-resistant ubiquinol oxidase) was up-regulated. Wild type P. aeruginosa was able to grow aerobically in a defined glucose medium depleted of copper by a copper chelator, whereas a cioAB mutant did not grow. Thus, P. aeruginosa relies on the CioAB enzyme to cope with severe copper deprivation. A quadruple cyo cco1 cco2 cox mutant, which was deleted for all known heme-copper terminal oxidases of P. aeruginosa, grew aerobically, albeit more slowly than did the wild type, indicating that the CioAB enzyme is capable of energy conservation. However, the expression of a cioA'-'lacZ fusion was less dependent on the copper status in the quadruple mutant than in the wild type, suggesting that copper availability might affect cioAB expression indirectly, via the function of the heme-copper oxidases. These results suggest that the CioAB enzyme can be used as a by-pass strategy to overcome severe copper limitation and perform aerobic respiration even if virtually no copper is available. The PA0114 gene, which encodes a protein of the SCOT/SenC family, was found to be important for copper acquisition and aerobic respiration in low copper conditions. A PA0114 (sent) mutant grew poorly in low copper media and had low terminal oxidase activity with TMPD (N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine), but expressed the CioAB enzyme at elevated levels. Addition of copper reversed these phenotypes, suggesting that periplasmic copper capture by the SenC protein is another strategy that helps P. aeruginosa to adapt to copper deprivation. RESUME Le cuivre est un micronutriment important pour les organismes vivants. Il représente le cofacteur de plusieurs enzymes impliquées dans une multitude de processus biologiques tels que la respiration aérobie, la dénitrification et la photosynthèse. Malgré son importance, le cuivre peut être peu disponible dans les sols, les environnements aquatiques et le corps humain, spécialement à pH physiologique ou alcalin. Dans ce travail nous avons étudié les stratégies développées par la bactérie pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa PAO1 afm de faire face et de surmonter le manque de cuivre. La réponse globale de P. aeruginosa à la carence de cuivre a été analysée dans des conditions aérobie. Les résultats obtenus ont montré que plusieurs gènes impliqués dans l'acquisition du fer, tels que les gènes codant pour les sidérophores (pyoverdine et pyochéline), étaient réprimés, tandis que l'expression de l'opéron cioAB, codant pour l'oxydase terminale insensible au cyanure (CIO), était augmentée. La souche sauvage P. aeruginosa est capable de croître dans un milieu où la concentration en cuivre est limitée, due à la présence d'un chélateur spéciftque de cuivre, tandis que le mutant cioAB ne croît pas dans ces conditions. Nous avons conclu que P. aeruginosa nécessite l'oxydase terminale CIO pour faire face à la carence en cuivre. Un quadruple mutant affecté dans toutes les oxydases dépendantes du cuivre (cyo ccol cco2 cox) et appartenant aux oxydases de type hème-cuivre, peut croître en aérobie, néanmoins plus lentement que la souche sauvage, ce qui montre que l'enzyme CIO est capable de conserver l'énergie. L'expression de la fusion rapportrice cioA'-'IacZ chez le quadruple mutant est moins dépendante de la disponibilité de cuivre que chez la souche sauvage. Ces résultats suggèrent que la disponibilité de cuivre influence l'expression de cioAB d'une façon indirecte, par le biais des oxydases terminales de type héme-cuivre. Il est donc possible qu'en cas de carence de cuivre, P. aeruginosa utilise l'enzyme CIO comme stratégie afin de surmonter ce manque et de réaliser la respiration aérobie. Nous avons démontré que le gène PA0114, codant pour une protéine appartenant à la famille SCO1/SenC, est important dans l'acquisition et dans la respiration aérobie dans des environnements où le cuivre est présent en faible concentration. En ces conditions, la croissance du mutant senC est faible; de plus, l'activité des oxydases terminales en présence du donneur d'électrons TMPD (N,N,N,N'-tetraméthyl-p-phénylenediamine) est basse. Toutefois, l'addition de cuivre au milieu de culture permet de restaurer le phénotype du type sauvage. Ces résultats montrent que la protéine SenC est capable d'acquérir le cuivre et représente donc une autre stratégie chez P. aeruginosa pour s'adapter à un manque de cuivre.

Metal concentrations in soils around the copper smelter and surrounding industrial complex of Port Kembla, NSW, Australia

Anthropogenic emissions of metals from sources such as smelters are an international problem, but there is limited published information on emissions from Australian smelters. The objective of this study was to investigate the regional distribution of heavy metals in soils in the vicinity of the industrial complex of Port Kembla, NSW, Australia, which comprises a copper smelter, steelworks and associated industries. Soil samples (n=25) were collected at the depths of 0-5 and 5-20 cm, air dried and sieved to < 2 mm. Aqua regia extractable amounts of As, Cr, Cu, Ph and Zn were analysed by inductively coupled plasma mass spectrometry (lCP-MS) and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). Outliers were identified from background levels by statistical methods. Mean background levels at a depth of 0-5 cm were estimated at 3.2 mg/kg As, 12 mg/kg Cr, 49 mg/kg Cu, 20 mg/kg Ph and 42 mg/kg Zn. Outliers for elevated As and Cu values were mainly present within 4 km from the Port Kembla industrial complex, but high Ph at two sites and high Zn concentrations were found at six sites up to 23 km from Port Kembla. Chromium concentrations were not anomalous close to the industrial complex. There was no significant difference of metal concentrations at depths of 0-5 and 5-20 cm, except for Ph and Zn. Copper and As concentrations in the soils are probably related to the concentrations in the parent rock. From this investigation, the extent of the contamination emanating from the Port Kembla industrial complex is limited to 1-13 km, but most likely <4 km, depending on the element; the contamination at the greater distance may not originate from the industrial complex. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Adaptation of aerobically growing Pseudomonas aeruginosa to copper starvation.

Restricted bioavailability of copper in certain environments can interfere with cellular respiration because copper is an essential cofactor of most terminal oxidases. The global response of the metabolically versatile bacterium and opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa to copper limitation was assessed under aerobic conditions. Expression of cioAB (encoding an alternative, copper-independent, cyanide-resistant ubiquinol oxidase) was upregulated, whereas numerous iron uptake functions (including the siderophores pyoverdine and pyochelin) were expressed at reduced levels, presumably reflecting a lower demand for iron by respiratory enzymes. Wild-type P. aeruginosa was able to grow aerobically in a defined glucose medium depleted of copper, whereas a cioAB mutant did not grow. Thus, P. aeruginosa relies on the CioAB enzyme to cope with severe copper deprivation. A quadruple cyo cco1 cco2 cox mutant, which was deleted for all known heme-copper terminal oxidases of P. aeruginosa, grew aerobically, albeit more slowly than did the wild type, indicating that the CioAB enzyme is capable of energy conservation. However, the expression of a cioA'-'lacZ fusion was less dependent on the copper status in the quadruple mutant than in the wild type, suggesting that copper availability might affect cioAB expression indirectly, via the function of the heme-copper oxidases.

Microbial communities in a porphyry copper tailings impoundment and their impact on the geochemical dynamics of the mine waste

The distribution and diversity of acidophilic bacteria of a tailings impoundment at the La Andina copper mine, Chile, was examined. The tailings have low sulfide (1.7% pyrite equivalent) and carbonate (1.4% calcite equivalent) contents and are stratified into three distinct zones: a surface (0-70-80 cm) `oxidation zone' characterized by low-pH (2.5-4), a `neutralization zone' (70-80 to 300-400 cm) and an unaltered `primary zone' below 400 cm. A combined cultivation-dependent and biomolecular approach (terminal restriction enzyme fragment length polymorphism and 16S rRNA clone library analysis) was used to characterize the indigenous prokaryotic communities in the mine tailings. Total cell counts showed that the microbial biomass was greatest in the top 125 cm of the tailings. The largest numbers of bacteria (10(9) g(-1) dry weight of tailings) were found at the oxidation front (the junction between the oxidation and neutralization zones), where sulfide minerals and oxygen were both present. The dominant iron-/sulfur-oxidizing bacteria identified at the oxidation front included bacteria of the genus Leptospirillum (detected by molecular methods), and Gram-positive iron-oxidizing acidophiles related to Sulfobacillus (identified both by molecular and cultivation methods). Acidithiobacillus ferrooxidans was also detected, albeit in relatively small numbers. Heterotrophic acidophiles related to Acidobacterium capsulatum were found by molecular methods, while another Acidobacterium-like bacterium and an Acidiphilium sp. were isolated from oxidation zone samples. A conceptual model was developed, based on microbiological and geochemical data derived from the tailings, to account for the biogeochemical evolution of the Piuquenes tailings impoundment.

Retrospektive Analyse der Mixantron-Behandlung bei Multipler Sklerose von Juli 2000 bis Juni 2007

Résumé :Introduction : La mitoxantrone est un anthracénédione cytostatique aux ef¬fets immunosuppresseurs et -modulateurs qui est administré entre autre dans les évolutions graves de la sclérose en plaques (SEP). Peu d'études concernant l'efficacité et la tolérance de la mitoxantrone ont été publiées. Un travail de re¬cherche statistique s'imposait en raison du nombre de patients souffrant de SEP traités par ce médicament dans le service de neurologie de l'hôpital cantonal d'Aarau.Méthode : Au total, 66 patients souffrant de SEP ont été traités par la mi¬toxantrone dans la période 07/2000-06/2007. 48 d'entre eux avaient reçu préa¬lablement une autre substance modifiant l'évolution de la maladie (« prétrai¬tement » : interféron bêta-la/b, glatirameracétate, azathioprine). Dans cette étude rétrospective, nous avons comparé l'effet de la mitoxantrone par rapport au prétraitement mentionné ci-dessus. Les paramètres appliqués concernaient l'évolution de l'expanded disability status scale (EDSS) et le nombre annuel de poussées pendant la durée du traitement. Une influence du type de SEP, de l'âge au début du traitement par la mitoxantrone, du sexe, de la durée de la théra¬pie et de la maladie ainsi que de la dose cumulative de la mitoxantrone a été recherchée. Nous avons également discuté des éventuels effets indésirables surve¬nus. Nous n'avons pas différencié les substances du prétraitement, étant donné qu'elles avaient été appliquées dans des combinaisons multiples. L'évaluation sta¬tistique a été effectuée en respectant les indications du test de Mann-Whitney ainsi que du Wilcoxon signed-rank test.Résultats : En moyenne, l'EDSS s'est stabilisée (-0,05/année chez tous les 66 patients) tandis que la maladie avait progressé de 0,32/année sous le pré¬traitement (la différence est significative avec p=0,0004 au Wilcoxon signed- rank test bilatéral). Sous le prétraitement, les patients avaient subi en moyenne 1,72 poussées par année, sous la mitoxantrone 0,26 (différence significative avec p<0,0001). La thérapie a dû être arrêtée à cause d'effets indésirables chez quatre patients sous la mitoxantrone (deux avec une granulocytopénie, deux avec une diminution de la fraction d'éjection cardiaque).Discussion : La mitoxantrone s'est avéré une substance particulièrement ef¬ficace même dans les situations dans lesquelles le décours de la maladie n'a pas pu être influencé par d'autres médicaments. Ses effets indésirables doivent être pondérés par rapport à la progression de la maladie et aux effets indési¬rables des autres substances. Les schémas d'application varient beaucoup dans la littérature et doivent être mieux définis.Zusammenfassung :Einleitung: Mitoxantron ist ein zytostatisches Anthracenedion mit immunsup- pressiven und -modulatorischen Eigenschaften, das unter anderem bei schwe¬ren Verläufen der Multiplen Sklerose eingesetzt wird. Bisher befassten sich nur wenige randomisierte und plazebokontrollierte Studien mit Wirksamkeit und Tolerabilität des Medikamentes.Methoden: 66 MS-Patienten der neurologischen Klinik des Kantonsspitals Aar- au wurden zwischen Juli 2000 und Juni 2007 mit Mitoxantron behandelt. 48 davon erhielten zuvor eine MS-spezifische Behandlung mit Interferon ß-1 a oder b, Glatirameracetat oder Azathioprin. Anhand der Veränderung der Expanded Disability Status Scale (EDSS) und der jährlichen Schubrate und mit Hilfe von MRI-Aufnahmen zeichneten wir retrospektiv die Wirksamkeit der Behandlung nach und stellten sie in Beziehung zu einer eventuell erfolgten Vorbehandlung. Des weiteren wurde die Effektivität in Verhältnis zu den Faktoren Verlaufsform, Alter bei Behandlungsbeginn, Behandlungszeit sowie weiteren Parametern ge¬bracht. Wir verglichen die Wirkung von Mitoxantron bei den noch laufenden Behandlungen mit der bei den bereits abgeschlossenen und wir diskutierten die Veränderung von MRI-Aufnahmen des ZNS unter der Therapie mit Mitoxan¬tron. Nebenwirkungen wurden erwähnt.Resultate: Im Durchschnitt wurde der EDSS-Wert stabilisiert (-0, 05/Jahr bei allen 66 Patienten), während die Krankheit unter der verlaufsmodifizierenden Vorbehandlung um durchschnittlich 0,32/Jahr fortschritt (Unterschied signifi¬kant mit p=0,0004 im zweiseitigen Wilcoxon signed-rank test). Die Schubrate betrug 0,26 unter Mitoxantron gegenüber 1,72/Jahr unter Vorbehandlung (Un¬terschied signifikant mit p<0,0001). Bei vier Patienten musste die Therapie auf¬grund von Nebenwirkungen abgebrochen werden (zweimal Granulozytopenie, zweimal verminderte kardiale Auswurffraktion).Diskussion: Mitoxantron ist offensichtlich selbst dann eine äusserst effektive verlaufsmodifizierende Substanz, wenn die Krankheit durch andere Medikamen¬te nicht zu beeinflussen ist. Die Risiken des Medikamentes müssen gegen das Krankheitsfortschreiten und die Nachteile anderer verlaufsmodifizierender Sub¬stanzen abgewogen werden. Die Anwendungsalgorithmen für Mitoxantron vari¬ieren in der Literatur sehr und müssen besser definiert werden.