Denitrification with pyrite for bioremediation of nitrate contaminated groundwater

Abstract

In the last decades, nitrate pollution has become a major threat to groundwater quality. The consequences include health concerns and environmental impacts. Nitrate contamination is mainly derived from agricultural practices, such as the application of manure as fertilizer. The Osona area (NE Spain) is one of the areas vulnerable to nitrate pollution from agricultural sources. Nitrate is derived from intensive farming activities and the high nitrate content results in a loss of water availability for domestic uses. The most important natural nitrate attenuation process is denitrification. Denitrifying bacteria are generally heterotrophic and use carbon compounds as the electron donor. Nevertheless, a limited number of bacteria are able to carry out chemolithotrophic denitrification, and to utilize inorganic compounds. Several field studies have suggested by means of geochemical and/or isotopic data that denitrification in some aquifers is controlled by pyrite oxidation. However, the feasibility of pyrite-driven denitrification has been questioned several times in laboratory studies. This thesis is concerned with the role of pyrite in denitrification and its potential use as a bioremediation strategy.

Earlier studies showed the occurrence of denitrification processes in a small area located in the northern part of the Osona region and suggested that sulfide oxidation had an important role in natural attenuation. Therefore, the first part of this thesis deals with the characterization of the denitrification processes occurring in the Osona aquifer and their spatial and temporal variations. Denitrification processes linked to pyrite oxidation were identified in some zones of the studied area by means of multi-isotopic methods integrated with classical hydrogeological methods.

Nitrate removal from groundwater can be accomplished by the enhancement of in situ biological denitrification. One such bioremediation strategy is biostimulation, which involves the addition of suitable electron donors and/or energy sources to stimulate indigenous denitrifying microorganisms. The second part of this thesis is devoted to clarify the role of pyrite as electron donor for denitrification and to evaluate the feasibility of a bioremediation strategy based on pyrite addition to stimulate native denitrifying bacteria. Nitrate consumption in experiments amended with pyrite and inoculated with “Thiobacillus denitrificans” demonstrated that this bacterium is able to reduce nitrate using pyrite as the electron donor. The efficiency in nitrate removal and the nitrate reduction rate depended on the initial nitrate concentration, pH and pyrite grain size. High nitrate removal efficiency was attained in long-term flow-through experiments under laboratory conditions similar to those found in slow-moving, nitrate-contaminated groundwater. In addition, biostimulation experiments performed with sediments and groundwater from the Osona aquifer showed that the addition pyrite stimulated the activity of the indigenous microbial community and enhanced the nitrate removal. Furthermore, the long-term efficiency of the process was demonstrated. Hence, biostimulation with pyrite could be considered to remediate nitrate contamination in groundwater in future water management strategies, although further research is needed, especially at field scale. It is critical for the success of the bioremediation strategy that not only the processes but also the microbial populations and their changes induced by the bioremediation treatment be well understood. The addition of pyrite resulted in an increase in the proportion of denitrifying bacteria and both autotrophic and heterotrophic denitrifiers were stimulated. Bacterial populations closely related to the “Xanthomonadaceae” might probably be the dominant autotrophic denitrifiers that used pyrite as the electron donor in the biostimulated experiments.

The N and O isotopic enrichment factors associated with the pyrite‐driven denitrification were computed and used to recalculate the extent of the natural nitrate attenuation in the Osona aquifer. This refinement becomes useful to predict the evolution of the contaminant in the aquifer, and it should be taken into account for potential implementation of induced remediation techniques. The isotopic approach was proved to be an excellent tool to identify and quantify natural denitrification processes in the field, and to monitor the efficacy of bioremediation strategies in the laboratory.

In order to improve the long-term performance of potential bioremediation strategies based on pyrite-driven denitrification, it is necessary to know the contribution of attached and free-phase denitrifying bacteria to this process in aquifers. The last part of this thesis addresses the ability of “T. denitrificans” to grow and colonize pyrite surfaces. In the colonization experiments, attachment onto pyrite surface was required for at lest a small number of the cells in order to accomplish pyrite-driven denitrification. Nevertheless, both attached and planktonic cells probably contributed to the overall denitrification. However, the details of the relative roles of the two phases and the specific mechanisms remain to be addressed.

A les darreres dècades, la contaminació de nitrat de l’aigua subterrània ha esdevingut un dels principals problemes que afecten la qualitat dels recursos hídrics subterranis. La presència de nitrat a l’aigua subterrània està relacionada, principalment, amb pràctiques agrícoles, com per exemple, l’ús intensiu de purins com a fertilitzant orgànic. La comarca d’Osona (Catalunya) és una de les àrees declarades vulnerables a la contaminació per nitrat d’origen agrícola. El nitrat procedeix principalment de la intensa activitat agrícola i ramadera.

El principal procés d’atenuació natural del nitrat és la desnitrificació. La majoria dels bacteris desnitrificants són heteròtrofs i usen compostos orgànics com a font d’electrons. Tanmateix, també existeixen bacteris desnitrificants autòtrofs que són capaços d’usar compostos inorgànics, com a donants d’electrons. Estudis de camp previs han demostrat a partir de dades geoquímiques i/o isotòpiques que en alguns aqüífers la desnitrificació està controlada per l’oxidació de pirita. Tot i així, hi ha estudis de laboratori que qüestionen la viabilitat de la desnitrificació lligada a l’oxidació de pirita (compost inorgànic donant d’electrons).

En aquesta tesi s’estudia el paper de la pirita en la desnitrificació i la seva possible aplicació com a estratègia de bioremediació d’aigües contaminades amb nitrat. Estudis previs demostraren l’ocurrència de processos de desnitrificació a Osona, en una petita àrea situada en el sector nord de la zona d’estudi. Els resultats d’aquests estudis suggereixen que l’oxidació de sulfurs hi juga un paper molt important en l’atenuació natural. A la primera part de la tesi s’exposa la caracterització dels processos de desnitrificació que tenen lloc en l’aqüífer d’Osona, així com de les seves variacions temporals i espacials. S’han usat mètodes multi-isotòpics integrats amb mètodes hidrogeològics clàssics, que han servit per identificar l’existència de processos de desnitrificació lligats a l’oxidació de pirita en algunes zones de l’àrea d’estudi.

L’eliminació del nitrat de l’aigua subterrània pot aconseguir-se mitjançant estratègies que incentiven la desnitrificació biològica in situ. Una de les estratègies de bioremediació in situ és la bioestimulació, que consisteix en afegir donants d’electrons o fonts d’energia apropiades per tal d’estimular l’activitat de bacteris desnitrificants existents en el medi. En la segona part de la tesi s’esbrina el paper de la pirita com a potencial donant d’electrons en els procés de desnitrificació i s’avalua la viabilitat d’una estratègia de bioremediació, basada en l’addició de pirita per estimular l’activitat de bacteris desnitrificants autòctons. Experiments amb pirita i inoculats amb “Thiobacillus denitrificans” han demostrat que aquest bacteri és capaç de reduir el nitrat utilitzant la pirita com a donant d’electrons. A més a més, s’ha determinat que l’eficiència i la velocitat de reducció del nitrat depèn de la seva concentració inicial, del pH i de la mida de gra de la pirita. En experiments de flux continu, de llarga durada que simulen el flux d’aigües subterrànies contaminades amb nitrat, s’han aconseguit altes eficiències en l’eliminació del nitrat. A més a més, s’han realitzat experiments de bioestimulación amb pirita usant aigua subterrània i sediments de l’aqüífer d’Osona. Aquests experiments han demostrat que afegint pirita s’aconsegueix d’estimular l’activitat dels bacteris desnitrificants autòctons i, per tant, induir i/o augmentar la desnitrificació. També, s’ha provat l’alta eficiència d’aquest procés a llarg termini. Per tant, l’ús de la pirita podria tenir-se en compte com a estratègia per a l’eliminació de nitrat en properes mesures de gestió dels recursos hídrics. Tanmateix, cal més investigació, i especialment, a escala de camp.

Per aconseguir l’èxit amb la bioremediació cal conèixer amb detall els processos i les poblacions microbiològiques que intervenen en els canvis poblacionals associats al tractament de bioremediació. Els resultats dels experiments de bioestimulació han demostrat que els bacteris desnitrificants autòtrofs dominants en el sistema són probablement poblacions relacionades amb Xanthomonadaceae. L’addició de pirita puposa un increment en la proporció de bacteris desnitrificants i produeix l’estimulació tant dels desnitrificants autòtrofs com dels heteròtrofs.

A més a més, s’han calculat els factors d’enriquiment isotòpic de N i O associats al procés de desnitrificació per oxidació de pirita. Aquests factors d’enriquiment s’han usat per recalcular el grau d’atenuació natural del nitrat que té lloc en l’aqüífer d’Osona. Aquest recàlcul pot ser d’utilitat a l’hora de predir l’evolució de la contaminació en l’aqüífer i cal tenir-lo en compte a l’hora d’implementar possibles tècniques de remediació induïda. Per tant, la metodologia isotòpica ha demostrat ser una eina excel∙lent per identificar i quantificar processos de desnitrificació natural i per monitoritzar l’eficàcia d’estratègies de bioremediació en el laboratori.

Per millorar el rendiment i la durabilitat de potencials estratègies de bioremediació basades en la desnitrificació i oxidació de pirita és necessari conèixer la contribució relativa dels bacteris desnitrificants planctònics i dels bacteris adherits als sediments. Així, a l’última part de la tesi l’interès s’enfoca en l’avaluació de l’habilitat de “T. denitrificans” en colonitzar i créixer sobre la superfície de la pirita. Els resultats experimentals de colonització suggereixen que per aconseguir la desnitrificació amb pirita com a donant d’electrons, cal que una part dels bacteris s’adhereixi a la superfície de la pirita. No obstant, sembla que ambdós bacteris, adherits i planctònics, contribueixen al procés global. Tanmateix, queda pendent d’examinar el paper específic de cada tipus en la desnitrificació.