Biogeochemical evolution of a marine shore tailings deposit during bioremediation

Summary : Mining activities produce enormous amounts of waste material known as tailings which are composed of fine to medium size particles. These tailings often contain sulfides, which oxidation can lead to acid and metal contamination of water; therefore they need to be remediated. In this work a tailings bioremediation approach was investigated by an interdisciplinary study including geochemistry, mineralogy and microbiology. The aim of the work was to study the effect of the implementation of wetland above oxidizing tailings on the hydrogeology and the biogeochemical element cycles, and to assess the system evolution over time. To reach these goals, biogeochemical processes occurring in a marine shore tailings deposit were investigated. The studied tailings deposit is located at the Bahìa de Ite, Pacific Ocean, southern Peru, where between 1940 and 1996 the tailings were discharged from the two porphyry copper mines Cuajone and Toquepala. After the end of deposition, a remediation approach was initiated in 1997 with a wetland implementation above the oxidizing tailings. Around 90% of the tailings deposits (total 16 km2) were thus remediated, except the central delta area and some areas close to the shoreline. The multi-stable isotope study showed that the tailings were saturated with fresh water in spite of the marine setting, due to the high hydraulic gradient resulting from the wetland implementation. Submarine groundwater discharge (SGD) was the major source of SO4 2-, C1-, Na+, Fe2+, and Mn2+ input into the tailings at the original shelf-seawater interface. The geochemical study (aquatic geochemistry and X-Ray diffraction (XRD) and sequential extractions from the solid fraction) showed that iron and sulfur oxidation were the main processes in the non-remediated tailings, which showed a top a low-pH oxidation zone with strong accumulation of efflorescent salts at the surface due to capillary upward transport of heavy metals (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co, and Ni) in the arid climate. The study showed also that the implementation of the wetland resulted in very low concentrations of heavy metals in solution (mainly under the detection limit) due to the near neutral pH and more reducing conditions (100-150 mV). The heavy metals, which were taken from solution, precipitated as hydroxides and sulfides or were bound to organic matter. The bacterial community composition analysis by Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) and cloning and sequencing of 16S rRNA genes combined with a detailed statistical analysis revealed a high correlation between the bacterial distribution and the geochemical variables. Acidophilic autotrophic oxidizing bacteria were dominating the oxidizing tailings, whereas neutrophilic and heterotrophic reducing bacteria were driving the biogeochemical processes in the remediated tailings below the wetland. At the subsurface of the remediated tailings, an iron cycling was highlighted with oxidation and reduction processes due to micro-aerophilic niches provided by the plant rhizosphere in this overall reducing environment. The in situ bioremediation experiment showed that the main parameter to take into account for the effectiveness was the water table and chemistry which controls the system. The constructed remediation cells were more efficient and rapid in metal removal when saturation conditions were available. This study showed that the bioremediation by wetland implementation could be an effective and rapid treatment for some sulfidic mine tailings deposits. However, the water saturation of the tailings has to be managed on a long-term basis in order to guarantee stability. Résumé : L'activité minière produit d'énormes quantités de déchets géologiques connus sous le nom de « tailings » composées de particules de taille fine à moyenne. Ces déchets contiennent souvent des sulfures dont l'oxydation conduit à la formation d'effluents acides contaminés en métaux, d'où la nécessité d'effectuer une remédiation des sites de stockage concernés. Le but de ce travail est dans un premier temps d'étudier l'effet de la bio-remédiation d'un dépôt de tailings oxydés sur l'hydrogéologie du système et les cycles biogéochimiques des éléments et en second lieu, d'évaluer l'évolution du processus de remédiation dans le temps. Le site étudié dans ce travail est situé dans la Bahía de Ite, au sud du Pérou, au bord de l'Océan Pacifique. Les déchets miniers en question sont déposés dans un environnement marin. De 1940 à 1996, les déchets de deux mines de porphyre cuprifère - Cuajone et Toquepala - ont été acheminés sur le site via la rivière Locumba. En 1997, une première remédiation a été initiée avec la construction d'une zone humide sur les tailings. Depuis, environ 90% de la surface du dépôt (16 km2) a été traité, les parties restantes étant la zone centrale du delta du Locumba et certaines zones proches de la plage. Malgré la proximité de l'océan, les études isotopiques menées dans le cadre de ce travail ont montré que les tailings étaient saturés en eau douce. Cette saturation est due à la pression hydraulique résultant de la mise en place des zones humides. Un écoulement d'eau souterrain sous-marin a été à détecté à l'interface entre les résidus et l'ancien fond marin. En raison de la géologie locale, il constitue une source d'entrée de SO4 2-, Cl-, Na+, FeZ+, et Mn2+ dans le système. L'analyse de la géochimie aquatique, la Diffraction aux Rayons X (XRD) et l'extraction séquentielle ont montré que l'oxydation du fer et .des sulfures est le principal processus se produisant dans les déchets non remédiés. Ceci a entraîné le développement d'une zone d'oxydation à pH bas induisant une forte accumulation des sels efflorescents, conséquence de la migration capillaire des métaux lourds (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co et Ni) de la solution vers la surface dans ce climat aride. Cette étude a montré également que la construction de la zone humide a eu comme résultats une précipitation des métaux dans des phases minérales en raison du pH neutre et des conditions réductrices (100-150mV). Les métaux lourds ont précipité sous la forme d'hydroxydes et de sulfures ou sont adsorbés à la matière organique. L'analyse de la composition de la communauté bactérienne à l'aide la technique T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) et par le clonage/séquençage des gènes de l'ARNr 16S a été combinée à une statistique détaillée. Cette dernière a révélé une forte corrélation entre la distribution de bactéries spécifiques et la géochimie : Les bactéries autotrophes acidophiles dominent dans les déchets oxydés non remédiés, tandis que des bactéries hétérotrophes neutrophiles ont mené les processus microbiens dans les déchets remédiés sous la zone humide. Sous la surface de la zone humide, nos analyses ont également mis en évidence un cycle du fer par des processus d'oxydoréduction rendus possibles par la présence de niches micro-aérées par la rhizosphère dans cet environnement réducteur. L'expérience de bio-remédiation in situ a montré que les paramètres clés qui contrôlent l'efficacité du traitement sont le niveau de la nappe aquifère et la chimie de l'eau. Les cellules de remédiation se sont montrées plus efficaces et plus rapides lorsque le système a pu être saturé en eau. Finalement, cette étude a montré que la bio-remédiation de déchets miniers par la construction de zones humides est un moyen de traitement efficace, rapide et peu coûteux. Cependant, la saturation en eau du système doit être gérée sur le long terme afin de garantir la stabilité de l'ensemble du système.

Use of the frc gene as a molecular marker to characterize oxalate-oxidizing bacterial abundance and diversity structure in soil.

Oxalate catabolism, which can have both medical and environmental implications, is performed by phylogenetically diverse bacteria. The formyl-CoA-transferase gene was chosen as a molecular marker of the oxalotrophic function. Degenerated primers were deduced from an alignment of frc gene sequences available in databases. The specificity of primers was tested on a variety of frc-containing and frc-lacking bacteria. The frc-primers were then used to develop PCR-DGGE and real-time SybrGreen PCR assays in soils containing various amounts of oxalate. Some PCR products from pure cultures and from soil samples were cloned and sequenced. Data were used to generate a phylogenetic tree showing that environmental PCR products belonged to the target physiological group. The extent of diversity visualised on DGGE pattern was higher for soil samples containing carbonate resulting from oxalate catabolism. Moreover, the amount of frc gene copies in the investigated soils was detected in the range of 1.64x10(7) to 1.75x10(8)/g of dry soil under oxalogenic tree (representing 0.5 to 1.2% of total 16S rRNA gene copies), whereas the number of frc gene copies in the reference soil was 6.4x10(6) (or 0.2% of 16S rRNA gene copies). This indicates that oxalotrophic bacteria are numerous and widespread in soils and that a relationship exists between the presence of the oxalogenic trees Milicia excelsa and Afzelia africana and the relative abundance of oxalotrophic guilds in the total bacterial communities. This is obviously related to the accomplishment of the oxalate-carbonate pathway, which explains the alkalinization and calcium carbonate accumulation occurring below these trees in an otherwise acidic soil. The molecular tools developed in this study will allow in-depth understanding of the functional implication of these bacteria on carbonate accumulation as a way of atmospheric CO(2) sequestration.

Development of a new chlamydiales-specific real-time PCR and its application to respiratory clinical samples.

Originally composed of the single family Chlamydiaceae, the Chlamydiales order has extended considerably over the last several decades. Chlamydia-related bacteria were added and classified into six different families and family-level lineages: the Criblamydiaceae, Parachlamydiaceae, Piscichlamydiaceae, Rhabdochlamydiaceae, Simkaniaceae, and Waddliaceae. While several members of the Chlamydiaceae family are known pathogens, recent studies showed diverse associations of Chlamydia-related bacteria with human and animal infections. Some of these latter bacteria might be of medical importance since, given their ability to replicate in free-living amoebae, they may also replicate efficiently in other phagocytic cells, including cells of the innate immune system. Thus, a new Chlamydiales-specific real-time PCR targeting the conserved 16S rRNA gene was developed. This new molecular tool can detect at least five DNA copies and show very high specificity without cross-amplification from other bacterial clade DNA. The new PCR was validated with 128 clinical samples positive or negative for Chlamydia trachomatis or C. pneumoniae. Of 65 positive samples, 61 (93.8%) were found to be positive with the new PCR. The four discordant samples, retested with the original test, were determined to be negative or below detection limits. Then, the new PCR was applied to 422 nasopharyngeal swabs taken from children with or without pneumonia; a total of 48 (11.4%) samples were determined to be positive, and 45 of these were successfully sequenced. The majority of the sequences corresponded to Chlamydia-related bacteria and especially to members of the Parachlamydiaceae family.

Bloodstream and endovascular infections due to Abiotrophia defectiva and Granulicatella species.

BACKGROUND: Abiotrophia and Granulicatella species, previously referred to as nutritionally variant streptococci (NVS), are significant causative agents of endocarditis and bacteraemia. In this study, we reviewed the clinical manifestations of infections due to A. defectiva and Granulicatella species that occurred at our institution between 1998 and 2004. METHODS: The analysis included all strains of NVS that were isolated from blood cultures or vascular graft specimens. All strains were identified by 16S rRNA sequence analysis. Patients' medical charts were reviewed for each case of infection. RESULTS: Eleven strains of NVS were isolated during the 6-year period. Identification of the strains by 16S rRNA showed 2 genogroups: Abiotrophia defectiva (3) and Granulicatella adiacens (6) or "para-adiacens" (2). The three A. defectiva strains were isolated from immunocompetent patients with endovascular infections, whereas 7 of 8 Granulicatella spp. strains were isolated from immunosuppressed patients, mainly febrile neutropenic patients. We report the first case of "G. para-adiacens" bacteraemia in the setting of febrile neutropenia. CONCLUSION: We propose that Granulicatella spp. be considered as a possible agent of bacteraemia in neutropenic patients.

The dermatophyte species Arthroderma benhamiae: intraspecies variability and mating behaviour.

Arthroderma benhamiae is a zoophilic dermatophyte belonging to the Trichophyton mentagrophytes species complex. Here, a population of A. benhamiae wild strains from the same geographical area (Switzerland) was studied by comparing their morphology, assessing their molecular variability using internal transcribed spacer (ITS) and 28S rRNA gene sequencing, and evaluating their interfertility. Sequencing of the ITS region and of part of the 28S rRNA gene revealed the existence of two infraspecific groups with markedly different colony phenotypes: white (group I) and yellow (group II), respectively. For all strains, the results of mating type identification by PCR, using HMG (high-mobility group) and α-box genes in the mating type locus as targets, were in total accordance with the results of mating type identification by strain confrontation experiments. White-phenotype strains were of mating type + (mt+) or mating type - (mt-), whilst yellow-phenotype strains were all mt-. White and yellow strains were found to produce fertile cleistothecia after mating with A. benhamiae reference tester strains, which belonged to a third group intermediate between groups I and II. However, no interfertility was observed between yellow strains and white strains of mt+. A significant result was that white strains of mt- were able to mate and produce fertile cleistothecia with the white A. benhamiae strain CBS 112371 (mt+), the genome of which has recently been sequenced and annotated. This finding should offer new tools for investigating the biology and genetics of dermatophytes using wild-type strains.

Estado reproductivo de la anchoveta peruana engraulis ringens durante los veranos 1996 y 1997

Mediante el análisis histológico de gónadas se muestra la variabilidad del estado reproductivo de la anchoveta peruana en distintas latitudes. En el año 1996 las áreas en las que se observó mayor actividad reproductiva estuvieron entre los grados 4°-14°S y 16° -18°S. El área 14°-16° se caracterizó por el predominio del estado de reposo sexual. En el año 1997 las áreas en las que hubo mayor actividad reproductiva fueron 4°-6°S y 8°-12°S; el estado de reposo sexual fue el predominante. Se observó un mayor porcentaje de hembras en desove en 1996 que en 1997, probablemente debido a que el verano de 1996 fue frío. Las hembras mayores de 14 cm fueron reproductivamente más activas que las de 12 a 14 cm.

Characterization of a new clinical yeast species, Candida tunisiensis sp. nov., isolated from a strain collection from Tunisian hospitals.

From a collection of yeast isolates isolated from patients in Tunisian hospitals between September 2006 and July 2010, the yeast strain JEY63 (CBS 12513), isolated from a 50-year-old male that suffered from oral thrush, could not be identified to the species level using conventional methods used in clinical laboratories. These methods include matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS), germ tube formation, and the use of CHROMagar Candida and metabolic galleries. Sequence analysis of the nuclear rRNA (18S rRNA, 5.8S rRNA, and 26S rRNA) and internal transcribed spacer regions (ITS1 and ITS2) indicated that the ribosomal DNA sequences of this species were not yet reported. Multiple gene phylogenic analyses suggested that this isolate clustered at the base of the Dipodascaceae (Saccharomycetales, Saccharomycetes, and Ascomycota). JEY63 was named Candida tunisiensis sp. nov. according to several phenotypic criteria and its geographical origin. C. tunisiensis was able to grow at 42°C and does not form chlamydospores and hyphae but could grow as yeast and pseudohyphal forms. C. tunisiensis exhibited most probably a haploid genome with an estimated size of 10 Mb on at least three chromosomes. Using European Committee for Antimicrobial Susceptibility Testing (EUCAST) and Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI) Candida albicans susceptibility breakpoints as a reference, C. tunisiensis was resistant to fluconazole (MIC = 8 μg/ml), voriconazole (MIC = 0.5 μg/ml), itraconazole (MIC = 16 μg/ml), and amphotericin B (MIC = 4 μg/ml) but still susceptible to posaconazole (MIC = 0.008 μg/ml) and caspofungin (MIC = 0.5 μg/ml). In conclusion, MALDI-TOF MS permitted the early selection of an unusual isolate, which was still unreported in molecular databases but could not be unambiguously classified based on phylogenetic approaches.

Características del ambiente marino frente a la costa peruana

El ambiente marino frente al Perú es modificado considerablemente por eventos transcendentes de características opuestas: El Niño y La Niña, los mismos que se presentan alternadamente, con diferente intensidad y duración. La temperatura presenta sus máximos y mínimos valores en verano e invierno, respectivamente;ambos E:xtremos dela salinidad se registran en el verano; los nutrientes presentan sus mínimos valores en verano y máximos en el invierno, intensificándose el afloramiento. Frente a la costa peruana se presentan masas de aguas superficiales y subsuperficiales procedentes de la región subtropical, tropical, ecuatorial y de la región subantártica. La Corriente Peruana, se subdivide en Corriente Costera Peruana y Corriente Oceánica Peruana. En la capa subsuperficial se presentan la Corriente Peruana Subsuperficial y la Extensión Sur de la Corriente de Cromwell. El afloramiento, mecanismo esencial de la alta producción marina, se produce sobre todo en las zonas de los 4-5°S,7-8°S, 11-12°S y 14-15°S. Durante las últimas tres décadas tres eventos El Niño y dos Niñas de gran intensidad han afectado severamente el ecosistema marino peruano.

Cambios en el área de distribución de la merluza peruana: efecto de la pesquería y El Niño

La distribución y la talla de la merluza Merluccius gayi peruanus, frente a la costa peruana, exhiben dos patrones: (a) La distribución está determinada por la variación de la Corriente de Cromwell, causada por cambios estacionales (invierno - verano) y a efectos interanuales relacionados con El Niño; (b) Las tallas están relacionadas a la latitud, con individuos grandes en el norte y más pequeños al sur. Desde el inicio de la fuerte pesquería de arrastre de fondo en 1973, la merluza peruana ha sufrido reducción en la biomasa, además de cambios en la distribución y en la estructura poblacional. En este estudio se ha utilizado información obtenida en los cruceros de los años 1970, y también la frecuencia de longitudes y características biológicas anotadas por las flotas activas en diferentes latitudes, y colectadas por el Instituto del Mar del Perú (IMARPE) en Paita (5°S), Chimbote (9°S) y Callao (12°S). Los datos sobre distribución de la merluza adulta obtenidos de cruceros científicos en diferentes períodos, y un tratamiento separado de longitudes registradas en varios puertos, permitieron reconstruir la distribución de tallas en la serie de tiempo para los tres puertos de desembarque mencionados. Durante los años 1970 se halló merluzas grandes, con talla media >40 cm (edad 4+), hasta el Callao por el sur. Se discute la presencia de estas tallas en aquella área con relación al efecto directo de las pesquerías combinadas de arrastre y cerco, sobre la biomasa de esta especie y su rango de distribución. Se discuten posibles efectos indirectos sobre la merluza, a corto y largo plazo, ocasionados por cambios en biomasa y distribución de la anchoveta, y por los cambios a largo plazo (decadales) del ambiente físico.

Madurez sexual, frecuencia de desove y fecundidad de la anchoveta peruana durante invierno-primavera de 1997

Analiza tres aspectos importantes en el estudio de la biología reproductiva de la anchoveta Engraulis ringens: el estado reproductivo por grado latitudinal (entre 16° y 5°S), la frecuencia de desove y la fecundidad parcial. El desove fue más intenso en el área comprendida entre los grados 10°S y 12°S. La frecuencia de desove fue 0,071, disminuyendo en 32,0% en comparación al cálculo del año anterior.

Biomasas de especies pelágicas en el mar peruano a comienzos de otoño de 1998. Crucero BIC Humboldt 9803-05 de Tumbes a Tacna

Se estimó la biomasa de las especies pelágicas anchoveta, sardina, jurel, caballa y samasa mediante la técnica Hidroacústica, entre el 20 de marzo y el 7 de mayo de 1998, a bordo del BIC Humboldt, desde Caleta La Cruz, Tumbes hasta Los Palos, Tacna. El diseño para la obtención de datos fue el sistemático paralelo con transectos perpendiculares a la costa con una separación entre ellos de 12 mn. El equipo utilizado fue la ecosonda científica EK-500 SIMRAD de 38 y 120 kHz de frecuencia, en un rango de detección de 3,5 a 400 m de profundidad. Las calibraciones hidroacústicas se realizaron tanto en la isla Lobos de Afuera (6°55,2 'S y 80°43,7 'W) como en el Callao (12°S). La obtención de la biomasa se determinó por el método de estratificación por áreas isoparalitorales. Las ecuaciones de fuerza de blanco utilizadas fueron las determinadas en noviembre de 1997 por MAC LENNAN et al. y, en este crucero, por GUTIÉRREZ y MAC LENNAN.

Estado reproductivo de la anchoveta peruana, Engraulis ringens; la sardina, Sardinops sagax sagax y la caballa, Scomber japonicus peruanus durante el crucero BIC Humboldt 9808-09

Estudio del estado reproductivo de la anchoveta, Engraulis ringens; la sardina Sardinops sagax sagax y la caballa Scomber japonicus peruanus, a través del análisis histológico, por grados latitudinales. Los resultados de la muestra fueron ponderados a las capturas por grados latitudinales. La anchoveta, distribuida básicamente entre los grados 14°S y 18°S y la sardina, entre los grados 9°S y 12°S, se la encontró desovando intensamente, mientras que a la caballa se la encontró, fundamentalmente, en una etapa de maduración. La fecundidad de la anchoveta fue estimada en 14.137 ovocitos por bache de desove por hembra.

Características oceanográficas durante el crucero pelágico BIC Humboldt y BIC Jose Olaya Balandra 9808-09 de Paita a los Palos (Tacna)

La temperatura de la superficie del mar entre el 20 de agosto al 18 de setiembre de 1998, presentó valores próximos a los promedios de los meses mencionados. Sólo por fuera de las 60 mn entre Salaverry y Huamey se presentaron anomalías mayores a 2°C por encima del patrón, en las áreas ocupadas por las Aguas Subtropicales Superficiales (ASS), registrándose los máximos valores. Las altas concentraciones de salinidad de las ASS entre los 05-12°S, que llegaron alcanzar profundidades mayores de 150 m y valores de hasta 35,98 ups, frente a Pimentel, así como la influencia que vienen ejerciendo las Aguas Templadas de la Subantártica (ATSA) al sur de los 12°S (bajas temperaturas y salinidades), han sido factores limitantes para la concentración de la anchoveta en el área de estudio.

Hábitos alimentarios de la anchoveta frente al litoral peruano durante la primavera 1998. Crucero BIC José Olaya Balandra 9811-12

Entre el 30 de noviembre y 21 de diciembre de 1998, se colectó un total de 462 estómagos de anchoveta, observándose que se alimentó principalmente de copépodos, presentando variaciones latitudinales. Durante el crucero 9811-12, al sur de 12°S se detectó el mayor número de items-presa. De acuerdo a la talla de las anchovetas la proporción general de las diatomeas disminuyó en la dieta, en cambio los dinoflagelados y copépodos se incrementaron. No se observó una similaridad significativa entre la dieta de los ejemplares < de 16,0 cm y el rango de 16,0-16,5 cm. Los mayores pesos promedio de los estómagos por grupos de talla se registraron al norte de 80S yal sur de 16°S. El canibalismo sobre sus huevos se registró aunque con valores muy bajos (promedio general: 0,01 huevos/ind.), pero se notó un incremento en relación al crucero 9808-09 realizado en el invierno. En los individuos> de 16 cm se observó un promedio de 0,22 huevos/estómago. Asimismo, la ración alimenticia aumentó ligeramente en 18,75 %.

Condición reproductiva de la anchoveta durante la primavera 2005

Durante el crucero BIC Olaya 0511-12, el rango de LT de la anchoveta fue de 7,0 a 18,0 cm. La mayor actividad desovante se registró en la franja cercana a la costa. Se observó una alta variabilidad por grados latitudinales con algunas zonas importantes de desove (6 - 10°S y 12°S).