Use of particulate surrogates for assessing microbial mobility in subsurface ecosystems

Abstract

Mass fluxes from the ground surface can play a vital role in influencing groundwater ecosystems. Rates of delivery may influence intact ecosystem composition, while fluxes of substances associated with anthropogenic activity may critically alter the functioning of associated microbial assemblages. Field-based tracing experiments offer a valuable means of understanding mass transport rates and mechanisms, particularly in complex heterogeneous epikarst systems overlying vulnerable fissured aquifers. A short-term tracer experiment monitoring solute and particle tracer concentrations after they passed through a 10-m-thick sequence of limestone, capped by a thin soil, revealed rapid travel times and variable attenuation rates for the substances employed. Results demonstrated that particle tracers have shorter average travel times and can reach the subsurface in higher concentrations and over shorter times than non-reactive solutes. High recovery rates for the bacterial tracer Ralstonia eutropha H16 contrasted strongly with those of similarly sized fluorescent polystyrene microspheres, highlighting the importance of physico-chemical surface characteristics of particle tracers. Complementary laboratory batch experiments examined the role played by organic and inorganic soil/rock surfaces on particle tracer attenuation. Findings suggest that biofilms may significantly promote transport of particulate material below ground, i.e., the delivery of allochthonous microorganisms to karst groundwater.

Résumé

Les flux de masse depuis la surface peuvent jouer un rôle vital en influençant les écosystèmes des eaux souterraines. Les taux de restitution peuvent influencer des constitutions intactes d’écosystèmes, alors que les flux de substances associés aux activités anthropiques peuvent gravement altérer le fonctionnement des groupements microbiologiques associés. Les essais de traçage sur le terrain constituent une méthode précieuse pour comprendre les proportions et les mécanismes des transports de masse, notamment dans les systèmes epikarstiques complexes et hétérogènes recouvrant des aquifères fissurés et vulnérables. Un essai de traçage à court terme à travers une tranche de 10 m de calcaire recouverte par un sol peu épais, avec suivi des concentrations en traceurs particulaires et dissous, a mis en évidence des temps de transit rapides, et des taux d’atténuation variables selon les substances employées. Les résultats démontrent que les traceurs particulaires ont des temps de transit moyen plus courts, et peuvent atteindre la subsurface en concentrations plus élevées et en des temps plus courts que les solutés inertes. Les taux de restitution élevés du traceur bactérien Ralstonia eutropha H16 différaient de ceux des microsphères de polystyrène fluorescentes de taille identique, soulignant l’importance des caractéristiques physico-chimiques superficielles des traceurs particulaires. Des expériences complémentaires en laboratoire ont examiné le rôle des surfaces organiques et inorganiques des roches et sols dans l’atténuation des traceurs particulaires. Les resultats suggèrent que les biofilms sont susceptibles de favoriser significativement le transport des matériaux particulaires dans le sous-sol, c’est-à-dire l’apport de microorganismes allochtones aux eaux souterraines karstiques.

Zusammenfassung

Stoffeintrag von der Oberfläche stellt für Grundwasserökosysteme einen maßgeblichen Faktor sowohl für deren natürliche Zusammensetzung, als auch für negative Auswirkungen durch anthropogene Einflüsse dar. Tracerversuche können in diesem Zusammenhang einen substantiellen Beitrag zur Charakterisierung des Stofftransportes und zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen leisten. Dies gilt vor allem für komplexe heterogene Systeme, wie z.B. Epikarst als Teil vulnerabler Grundwasserleiter in Karbonatgesteinen. In der vorliegenden Studie wurde der Stofftransport in den obersten 10 m der vadosen Zone eines nur von einer dünnen Bodenschicht bedeckten Karstgrundwasserleiters untersucht. Die Eingabe von löslichen und partikulären Tracern in das System ergab insgesamt hohe Fließgeschwindigkeiten mit allerdings sehr unterschiedlichem Transportverhalten für die einzelnen Stoffe. Dabei erreichten die Partikeltracer den Untergrund schneller und zum Teil in höheren relativen Konzentrationen als der konservative lösliche Tracer. Insbesondere wies der mikrobielle Tracer Ralstonia eutropha H16 einen deutlich höheren Wiedererhalt als gleichgroße Mikrosphären auf, was die Bedeutung der spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Partikeloberflächen auf das Transportverhalten verdeutlicht. Ergänzende Laborversuche zeigten zudem, dass die Eigenschaften der Boden- und Gesteinsoberflächen für den Rückhalt von Partikeln eine entscheidende Rolle spielen. Insgesamt lassen die Ergebnisse den Schluss zu, dass die Ausbildung eines Biofilms die Mobilität von Partikeln in signifikanter Weise erhöhen und somit den Eintrag von allochthonen Mikroorganismen in den Karstgrundwasserleiter begünstigen kann.

Resumen

Los flujos de masa desde la superficie del suelo pueden jugar un papel vital influenciando los ecosistemas de aguas subterráneas. Las tasas de distribución pueden influenciar la composición de ecosistemas intactos, mientras que los flujos de sustancias asociadas con la actividad antrópica pueden alterar críticamente el funcionamiento de los conjuntos microbiológicos asociados. Experimentos de trazadores basados en campo ofrecen un valioso método para comprender las tasas de transporte de masa y sus mecanismos, particularmente en sistemas epikársticos complejos y heterogéneos cubiertos por acuíferos fracturados vulnerables. Un experimento con trazador a corto plazo monitorizando el soluto y las concentraciones de partículas trazadoras después que pasaron a través de una secuencia de calizas de 10 metros de potencia, cubierto por un suelo poco potente, reveló la existencia de tiempos de tránsito rápidos y tasas de atenuación variables para las sustancias empleadas. Los resultados demostraron que las partículas trazadoras tienen tiempos de tránsito medios más cortos y pueden alcanzar el subsuelo en concentraciones más altas y en tiempos más cortos que los solutos no reactivos. Tasas de recuperación altas para el trazador bacteriano Ralstonia eutropha H16 contrastaron de forma notable con micro esferas de poliestireno fluorescente de un tamaño similar, poniendo de manifiesto la importancia de las características de la superficie físicoquímica en los trazadores particulados. Experimentos batch complementarios en laboratorio estudiaron el papel que juegan las superficies orgánicas e inorgánicas suelo/roca en la atenuación de los trazadores particulados. Los tests sugieren que los biofilms pueden fomentar significantemente el transporte de material particulado bajo el suelo, esto es, la llegada de microorganismos alóctonos al agua subterránea cárstica.

摘要

来自地面的物质流可以对地下水生态系统产生重要影响。流速可能会影响生态系统的完整性, 而与人类活动有关的物质流则可能使微生物组合的功能发生重大改变。野外示踪实验为研究质量流率提供了一种重要手段, 尤其对于下伏脆性裂隙含水层的非均质岩溶系统, 更是如此。在10 m厚的石灰岩层中开展了短期示踪试验, 岩层上覆薄层粘土, 让溶质和颗粒示踪剂通过岩层并对其浓度进行监测。试验表明运移速度很快, 示踪剂衰减程度各处不同。结果表明, 较之非反应溶质, 颗粒示踪剂在较短的时间和以较高的浓度到达地下。细菌示踪剂Ralstonia eutropha H16的高回收率与具有相似粒径的荧光聚丙乙烯微球形成强烈对比, 突显颗粒示踪剂表面物理化学性质重要性。补充的实验室批量实验检验了有机和无机土壤/岩石表面对于颗粒示踪剂的消减作用。试验表明生物膜可能会显著促进颗粒物质在地下的运移, 即 allochtonous 微有机体向岩溶地下水的迁移。

Resumo

Os fluxos mássicos a partir da superfície do terreno podem ter um papel vital na afectação dos ecossistemas em águas subterrâneas. As taxas de fornecimento podem influenciar a composição de ecossistemas intactos, enquanto o fluxo de substâncias associadas à actividade antropogénica podem alterar de forma crítica o funcionamento das associações microbiológicas associadas. Os ensaios de campo com traçadores oferecem um valioso meio de compreensão das taxas e mecanismos de transporte mássico, particularmente em sistemas epicársicos heterogéneos complexos sobrepostos a aquíferos fissurados vulneráveis. Um ensaio de curta duração com traçadores, que monitorizou as concentrações de solutos e de partículas como traçadores depois de passarem através de uma sequência de calcário com 10 metros de espessura recoberta por um solo delgado, revelou, para as substâncias empregues, tempos de trânsito curtos e taxas de atenuação variáveis. Os resultados demonstram que as partículas traçadoras têm tempos de trânsito médio mais baixos e podem atingir a sub-superfície em maiores concentrações e em tempos mais curtos que solutos não reactivos. As altas taxas de recuperação do traçador bacteriano Ralstonia eutropha H16 contrastam fortemente com as obtidas com micro-esferas fluorescentes de poliestireno com dimensões similares, destacando a importância das características físico-químicas das superfícies das partículas dos traçadores. Experiências seriadas de laboratório examinaram o papel das superfícies solo/rochas orgânicas e inorgânicas na atenuação das partículas de traçador. Os ensaios sugerem que os biofilmes podem promover significativamente o transporte de material particulado abaixo da superfície, i.e., o fornecimento de microrganismos alóctones à água subterrânea cársica.