, Volume 8, Issue 1, pp 47-62

Microbial control of mineral–groundwater equilibria:Macroscale to microscale

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macroscale

processes that perturb general groundwater chemistry and therefore mineral–water equilibria; and microscale interactions, where attached organisms locally perturb mineral–water equilibria, potentially releasing limiting trace nutrients from the dissolving mineral.

In the contaminated unconfined glacio-fluvial aquifer near Bemidji, Minnesota, USA, carbonate chemistry is influenced primarily at the macroscale. Under oxic conditions, respiration by native aerobic heterotrophs produces excess carbon dioxide that promotes calcite and dolomite dissolution. Aerobic microorganisms do not colonize dolomite surfaces and few occur on calcite. Within the anoxic groundwater, calcite overgrowths form on uncolonized calcite cleavage surfaces, possibly due to the consumption of acidity by dissimilatory iron-reducing bacteria. As molecular oxygen concentration increases downgradient of the oil pool, aerobes again dominate and residual hydrocarbons and ferrous iron are oxidized, resulting in macroscale carbonate-mineral dissolution and iron precipitation.

Feldspars, in contrast, weather exclusively at the microscale near attached microorganisms, principally in the anoxic region of the plume. Native organisms preferentially colonize feldspars that contain trace phosphorus as apatite inclusions, apparently as a consequence of the low P concentration in the groundwater. These feldspars weather rapidly, whereas nearby feldspars without trace P are uncolonized and unweathered. Feldspar dissolution is accompanied by the precipitation of secondary minerals, sometimes on the bacterial cell wall itself.

These observations suggest a tightly linked biogeochemical system whereby microbial processes control mineral diagenesis at many scales of interaction, and the mineralogy and mineral chemistry influence microbial ecology. Only the macroscale interaction, however, is easily observable by standard geochemical methods, and documentation of the microscale interactions requires microscopic examination of microorganisms on mineral surfaces and the locally intense diagenetic reactions that result.

Dans l'aquifère libre pollué du fluvio-glaciaire près de Bemidji (Minnesota, États-Unis), la chimie des carbonates est influencée d'abord à l'échelle macroscopique. Sous des conditions oxiques, la respiration d'hétérotrophes indigènes aérobies produit du dioxyde de carbone en excès, qui provoque la dissolution de la calcite et de la dolomite. Les micro-organismes aérobies ne colonisent pas la surface de la dolomite et sont peu présentes sur la calcite. Dans les eaux souterraines anoxiques, la croissance de la calcite forme sur la calcite non colonisée des plans de clivages, probablement dus à la consommation d'acidité par des bactéries simulant la réduction du fer. Comme la concentration d'oxygène moléculaire augmente en aval de la pollution pétrolière, les organismes aérobies dominent à nouveau et les hydrocarbures résiduels et le fer ferreux sont oxydés, ce qui provoque la dissolution des minéraux carbonatés et la précipitation du fer à l'échelle macroscopique.

Les feldspaths au contraire sont altérés uniquement à l'échelle microscopique à proximité des micro-organismes fixés, principalement dans la partie anoxique du panache. Les organismes indigènes colonisent de préférence les feldspaths qui contiennent des traces de phosphore sous forme d'inclusions d'apatite, apparemment à cause de la faible concentration en P des eaux souterraines. Ces feldspaths s'altèrent rapidement, tandis que les feldspaths voisins sans traces de P ne sont ni colonisés, ni altérés. La dissolution des feldspaths s'accompagne de la précipitation de minéraux secondaires, quelquefois sur la paroi cellulaire elle-même de ces bactéries.

Ces observations suggèrent un système de faible lien biogéochimique dans lequel les processus microbiens contrôlent la diagenèse minérale à plusieurs échelles d’interaction, de même que la minéralogie et la chimie minérale influencent l’écologie microbienne. Seule l’interaction à l’échelle macroscopique est cependant observable par les méthodes géochimiques classiques; l’obtention d’informations sur les interactions à l’échelle microscopique exige des analyses microscopiques des micro-organismes sur les surfaces des minéraux et des réactions diagénétiques localement intenses qui en résultent.

El acuífero libre, de origen glacio-fluvial, y localizado cerca de Bemidji, Minnesota, EEUU, es un ejemplo de acuífero contaminado donde la química del carbono está influida principalmente por procesos macroescalares. En condiciones óxicas, la respiración de los organismos aerobios heterótrofos produce un exceso de CO2 que da lugar a la disolución de calcita y dolomita. Los microorganismos anaerobios no aparecen en las dolomitas y apenas en las calcitas. En las aguas subterráneas anóxicas se forman recrecimientos de calcita en zonas de fracturación preferente no colonizadas previamente. Estos recrecimientos posiblemente se deban al consumo de la acidez por bacterias ferro-reductoras. Como la concentración de oxígeno crece hacia aguas abajo del penacho de petróleo, los microorganismos aerobios vuelven a dominar, oxidando los hidrocarburos residuales y el Fe(II), produciendo disolución de carbonatos y precipitación de hierro. Por el contrario, los feldespatos se meteorizan sólo al nivel de microescala, principalmente en la región anóxica del penacho. Los organismos colonizan y meteorizan de modo preferente aquellos feldespatos en los que aparecen trazas de fósforo en forma de inclusiones de apatita, aparentemente como consecuencia de las bajas concentraciones de fósforo en las aguas subterráneas. Los feldespatos sin fósforo no son colonizados ni meteorizados. La disolución de los feldespatos está acompañada por la precipitación de minerales secundarios, algunas veces en la propia pared celular de la bacteria.

En resumen existe un sistema biogeoquímico estrechamente ligado, donde los procesos microbianos controlan la diagénesis mineral a diversas escalas, y donde la mineralogía y la geoquímica influencian la ecología microbiana. Sin embargo, sólo las interacciones macroescalares son observables con métodos estándar, mientras que las microescalares requieren el uso de microscopio para examinar la presencia de microorganismos en las superficies y las reacciones diagenéticas.

Received, May 1999/Revised, October 1999/Accepted, October 1999