Role of Biogeochemical Processes during Groundwater Deferrization

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper is devoted to the biogeochemical aspects of the treatment of iron-bearing groundwater, which are associated with the formation of biofouling in the pore space around wells after aeration of the aquifer and on technological equipment. Structure and activity characteristics of microbial complexes as a result of pumping groundwater from production and observation wells under changing redox conditions are presented. Scanning electron microscopy was used to study the microstructure and elemental composition of biofilm growths. It has been established that the accumulation of iron and manganese by microbial biomass occurs due to the encrustation of the surface of bacterial cells immersed in a polymer matrix represented by a constant base of three elements: Al, Si, and Ca. The survival of microbial complexes in biofouling is due to the high natural potential and ability to carry out biogeochemical processes in a wide range of oxygen concentrations (aerobic and anaerobic conditions).

About the authors

Z. N. Litvinenko

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, 680000, Khabarovsk, Russia

Email: zoyana2003@mail.ru
Россия, 680000, Хабаровск, ул. Дикопольцева, 56

L. M. Kondratyeva

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, 680000, Khabarovsk, Russia

Author for correspondence.
Email: zoyana2003@mail.ru
Россия, 680000, Хабаровск, ул. Дикопольцева, 56

References

  1. Болдырев К.А., Кузьмин В.В., Куранов Н.П., Билек Ф. (2012) Геохимическое моделирование внутрипластового обезжелезивания и деманганации подземных вод. Водоснабжение и Санитарная Техника. (4), 49-55.
  2. Вернадский В.И. (1989) Биосфера и ноосфера. М.: Наука, 261 с.
  3. Голубева Е.М., Кондратьева Л.М., Комарова В.С., Абражевич А.В. (2017) Биогеохимические факторы формирования железосодержащих биоминералов. Литосфера. (2), 115-124.
  4. Квартенко А.Н., Говорова Ж.М. (2013) Модернизированные технологии комплексного кондиционирования подземных вод. Вестник МГСУ. (5), 118-123.
  5. Кондратьева Л.М., Голубева Е.М., Литвиненко З.Н. (2016) Микробиологические факторы формирования биоминералов. Сибирский экологический журн. (3), 377-389.
  6. Кулаков В.В., Кондратьева Л.М. (2008) Биогеохимические аспекты очистки подземных вод Приамурья. Тихоокеанская геология. 27(1), 109-118.
  7. Кулаков В.В., Стеблевский В.И. (2012) Ввод в эксплуатацию альтернативного подземного источника водоснабжения Хабаровска. Водоснабжение и санитарная техника. (7), 41-44.
  8. Кучер М.И., Френкель Е.Э., Кучер С.Г. (2011) Коэволюция биосферы как фундаментальная экологическая концепция современности. Актуальные проблемы гуманитарных и социально-экономических наук. (5), 64-66.
  9. Литвиненко З.Н. Кондратьева Л.М., Коновалова Н.С. (2022) Исследование формирования и состава в наземной системе водоподготовки железосодержащих подземных вод. Биотехнология. 38(3), 70-81.
  10. Рыженко Б.Н., Крайнов С.Р., Шваров Ю.В. (2003) Физико-химические факторы формирования состава природных вод (верификация модели “порода-вода”). Геохимия. (6), 630-640.
  11. Ryzhenko B.N., Krainov S.R., Shvarov Yu.V. (2003) Physicochemical Factors Forming the Composition of Natural Waters: Verification of the Rock–Water Model. Geochem. Int. 41(6), 565-575.
  12. Рыженко Б.Н., Мироненко М.В., Лиманцева О.А. (2019) Равновесно-кинетическое моделирование обезжелезивания и деманганации подземных вод. Геохимия. (12), 1247-1260.
  13. Ryzhenko B.N., Mironenko M.V., Limantseva O.A. (2019) Equilibrium and Kinetic Simulation of Groundwater Deironing and Demanganation. Geochem. Int. 57(12), 1306-1319.
  14. Braun B., Schröder J., Knecht H., Szewzyk U. (2016) Unraveling the microbial community of a cold groundwater catchment system. Water Res. 107(15), 113-126.
  15. Das T., Sehar S., Koop L., Wong Y.K., Ahmed S. (2014) Influence of calcium in extracellular DNA mediated bacterial aggregation and biofilm formation. Plos one. 9(3), 1-11.
  16. Desmond P., Huisman K.T., Sanawar H., Farhat N.M., et al. (2022) Controlling the hydraulic resistance of membrane biofilms by engineering biofilm physical structure. Water Research. 210(e-118031). https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.118031
  17. Flemming H.-C., Wuertz S. (2019) Bacteria and archaea on Earth and their abundance in biofilms. Nat. Rev. Microbiol. 17(4), 247-260.
  18. Ghernaout D., Elboughdiri N., Ghareba S. (2020) Fenton Technology for Wastewater Treatment: Dares and Trends. Open Access Libr. J. (7), 1-28.
  19. Goode C., Allen D.G. (2011) Effect of calcium on moving-bed biofilm reactor biofilms. Water Environment Research. 83(3), 220-232.
  20. Hallberg R., Ferris F.G. (2004) Biomineralization by Gallionella. Geomicrobiol. J. (21), 325-330.
  21. Herlitzius J., Sumpf H., Grischek T. (2012) German-Russian cooperation for clean drinking water. Int. J. Water Manag. Bluefacts. 76-81.
  22. Kappler A., Schink B., Newman D.K. (2005) Fe(III) mineral formation and cell encrustation by the nitrate-dependent Fe(II)-oxidizing strain BoFeN1. Geobiology. (3), 235-245.
  23. Khatri N., Tyagi S., Rawtani D. (2017) Recent strategies for the removal of iron from water: A review. J. Water Process Eng. (19), 291-304.
  24. Kokare C.R., Chakraborty S., Khopade A.N., Mahadik K.R. (2009) Biofilm: Importance and Applications. Indian J. Biotechnology. (8), 159-168.
  25. Krupińska I. (2015) Importance of humic substances for methods of groundwater treatment. Pol. J. Soil Sci. (48), 161-172.
  26. Krupińska I. (2017) Effect of organic substances on the efficiency of Fe(II) to Fe(III) oxidation and removal of iron compounds from groundwater in the sedimentation process. CEER. (26), 15-29.
  27. Krupińska I. (2020) Impact of the oxidant type on the efficiency of the oxidation and removal of iron compounds from groundwater containing humic substances. Molecules. 25(15), 3380.
  28. Li J., Peng X., Zhou H, Li J., and Sun Z. (2013) Molecular evidence for microorganisms participating in Fe, Mn and S biogeochemical cycling in two low-temperature hydrothermal fields at the Southwest Indian Ridge. J. Geophys. Res. Biogeosci. (118), 665-679.
  29. Liu G., Zhang Y., Knibbe W.J., Feng C., Liu W., Medema G., van der Meer W. (2017) Potential impacts of changing supply-water quality on drinking water distribution: A review. Water Res. (116), 135-148.
  30. Makris K.C., Andra S.S., Botsaris G. (2014) Pipe scales and biofilms in drinking-water distribution systems: undermining finished water quality. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. (44), 1477-1523.
  31. Munter R., Overbeck P., Sutt J. (2008) Which is the Best Oxidant for Complexed Iron Removal from Groundwater: The Kogalym Case. Ozone-Sci. Eng. (30), 73-80.
  32. Paufler S., Grischek T., Adomat Y., Herlitzius J., Hiller K., Metelica Y. (2018) Effective range of chlorine transport in an aquifer during disinfection of wells: from laboratory experiments to field application. J. Hydrology. (559), 711-720.
  33. Peng C.Y., Korshin G.V., Valentine R.L., Hill A.S., Friedman M.J., Reiner S.H. (2010) Characterization of elemental and structural composition of corrosion scales and deposits formed in drinking water distribution systems. Water Res. 44(15), 4570-4580.
  34. Perez A., Rossano S., Trcera N., Huguenot D., Fourdrin C., Vernery-Carron A., et al. (2016). Bioalteration of synthetic Fe(III)-, Fe(II)-bearing basaltic glasses and Fe-free glass in the presence of the heterotrophic bacteria strain Pseudomonas aeruginosa: impact of siderophores. Geochim. Cosmochim. Acta. (188), 147-162.
  35. Stewart P.S. (2003) Diffusion in biofilms J. Bacteriol. (185), 1485-1491.
  36. Sudek L.A., Wanger G., Templeton A.S., Staudigel H., Tebo B.M. (2017) Submarine Basaltic Glass Colonization by the Heterotrophic Fe(II)-Oxidizing and Siderophore-Producing Deep-Sea Bacterium Pseudomonas stutzeri VS-10: The Potential Role of Basalt in Enhancing Growth. Front. Microbiol. (8), 363.
  37. Summers Z.M., Gralnick J.A., Bond D.R. (2013) Cultivation of an obligate Fe(II)-oxidizing lithoautotrophic bacterium using electrodes. MBio. (4), e 420-12.
  38. Wang Z., Liu L., Yao J., Cai W. (2006) Effects of extracellular polymeric substances on aerobic granulation in sequencing batch reactors. Chemosphere. 63(10), 1728-1735.
  39. Wolska M. (2018) Removal of precursors of chlorinated organic compounds in selected water treatment processes. Desalin. Water Treat. (52), 3938-3946.
  40. Wu B., Amelung W., Xing Y., Bol R., Berns A.E. (2019) Iron cycling and isotope fractionation in terrestrial ecosystems. Earth-Science Reviews. (190), 323-352.
  41. Zhurina M.V., Gannesen A.V., Plakunov V.K., Zdorovenko E.L. (2014) Composition and functions of the extracellular polymer matrix of bacterial biofilms. Microbiology. 83(6), 713-722.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (352KB)
Indexing metadata
3.

Download (378KB)
Indexing metadata
4.

Download (790KB)
Indexing metadata
5.

Download (718KB)
Indexing metadata
6.

Download (595KB)
Indexing metadata
7.

Download (925KB)
Indexing metadata
8.

Download (1011KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 З.Н. Литвиненко, Л.М. Кондратьева

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».