Controls on suppression of methane flux from a peat bog subjected to simulated acid rain sulfate deposition

The effect of acid rain SO42− deposition on peatland CH4 emissions was examined by manipulating SO42− inputs to a pristine raised peat bog in northern Scotland. Weekly pulses of dissolved Na2SO4 were applied to the bog over two years in doses of 25, 50, and 100 kg S ha−1 yr−1, reflecting the range of pollutant S deposition loads experienced in acid rain-impacted regions of the world. CH4 fluxes were measured at regular intervals using a static chamber/gas chromatographic flame ionization detector method. Total emissions of CH4 were reduced by between 21 and 42% relative to controls, although no significant differences were observed between treatments. Estimated total annual fluxes during the second year of the experiment were 16.6 g m−2 from the controls and (in order of increasing SO42− dose size) 10.7, 13.2, and 9.8 g m−2 from the three SO42− treatments, respectively. The relative extent of CH4 flux suppression varied with changes in both peat temperature and peat water table with the largest suppression during cool periods and episodes of falling water table. Our findings suggest that low doses of SO42− at deposition rates commonly experienced in areas impacted by acid rain, may significantly affect CH4 emissions from wetlands in affected areas. We propose that SO42− from acid rain can stimulate sulfate-reducing bacteria into a population capable of outcompeting methanogens for substrates. We further propose that this microbially mediated interaction may have a significant current and future effect on the contribution of northern peatlands to the global methane budget.

Methanogenic potential and microbial community of anaerobic batch reactors at different ethylamine/sulfate ratios

Methylamine and sulfate are compounds commonly found in wastewaters. This study aimed to determine the methanogenic potential of anaerobic reactors containing these compounds and to correlate it with their microbial communities. Batch experiments were performed at different methylamine/sulfate ratios of 0.71, 1.26 and 2.18 (with respect to mass concentration). Control and experimental runs were inoculated with fragmented granular sludge. The maximum specific methane formation rates were approximately 2.3 mmol CH4 L-1 g TVS-1 day-1 for all conditions containing methylamine, regardless of sulfate addition. At the end of the experiment, total ammonium-N and methane formation were proportional to the initial concentrations of methylamine. In the presence of methylamine and sulfate, Firmicutes (46%), Deferribacteres (13%) and Proteobacteria (12%) were the predominant phyla of the Bacteria domain, while Spirochaetes (40%), Deferribacteres (17%) and Bacteroidetes (16%) predominated in the presence of methylamine only. There was no competition for methylamine between sulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea.

Changes in Community Structure of Sediment Bacteria Along the Florida Coastal Everglades Marsh–Mangrove–Seagrass Salinity Gradient

Community structure of sediment bacteria in the Everglades freshwater marsh, fringing mangrove forest, and Florida Bay seagrass meadows were described based on polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) patterns of 16S rRNA gene fragments and by sequencing analysis of DGGE bands. The DGGE patterns were correlated with the environmental variables by means of canonical correspondence analysis. There was no significant trend in the Shannon–Weiner index among the sediment samples along the salinity gradient. However, cluster analysis based on DGGE patterns revealed that the bacterial community structure differed according to sites. Not only were these salinity/vegetation regions distinct but the sediment bacteria communities were consistently different along the gradient from freshwater marsh, mangrove forest, eastern-central Florida Bay, and western Florida Bay. Actinobacteria- and Bacteroidetes/Chlorobi-like DNA sequences were amplified throughout all sampling sites. More Chloroflexi and members of candidate division WS3 were found in freshwater marsh and mangrove forest sites than in seagrass sites. The appearance of candidate division OP8-like DNA sequences in mangrove sites distinguished these communities from those of freshwater marsh. The seagrass sites were characterized by reduced presence of bands belonging to Chloroflexi with increased presence of those bands related to Cyanobacteria, γ-Proteobacteria, Spirochetes, and Planctomycetes. This included the sulfate-reducing bacteria, which are prevalent in marine environments. Clearly, bacterial communities in the sediment were different along the gradient, which can be explained mainly by the differences in salinity and total phosphorus.

The use of phospholipid fatty acid analysis to measure impact of acid rock drainage on microbial communities in sediments

The impact of acid rock drainage (ARD) and eutrophication on microbial communities in stream sediments above and below an abandoned mine site in the Adelaide Hills, South Australia, was quantified by PLFA analysis. Multivariate analysis of water quality parameters, including anions, soluble heavy metals, pH, and conductivity, as well as total extractable metal concentrations in sediments, produced clustering of sample sites into three distinct groups. These groups corresponded with levels of nutrient enrichment and/or concentration of pollutants associated with ARD. Total PLFA concentration, which is indicative of microbial biomass, was reduced by >70% at sites along the stream between the mine site and as far as 18 km downstream. Further downstream, however, recovery of the microbial abundance was apparent, possibly reflecting dilution effect by downstream tributaries. Total PLFA was >40% higher at, and immediately below, the mine site (0-0.1 km), compared with sites further downstream (2.5-18 km), even after accounting for differences in specific surface area of different sediment samples. The increased microbial population in the proximity of the mine source may be associated with the presence of a thriving iron-oxidizing bacteria community as a consequence of optimal conditions for these organisms while the lower microbial population further downstream corresponded with greater sediments' metal concentrations. PCA of relative abundance revealed a number of PLFAs which were most influential in discriminating between ARD-polluted sites and the rest of the sites. These PLFA included the hydroxy fatty acids: 2OH12:0, 3OH12:0, 2OH16:0; the fungal marker: 18:2ω6; the sulfate-reducing bacteria marker 10Me16:1ω7; and the saturated fatty acids 12:0, 16:0, 18:0. Partial constrained ordination revealed that the environmental parameters with the greatest bearing on the PLFA profiles included pH, soluble aluminum, total extractable iron, and zinc. The study demonstrated the successful application of PLFA analysis to rapidly assess the toxicity of ARD-affected waters and sediments and to differentiate this response from the effects of other pollutants, such as increased nutrients and salinity.

Rice husk filtrate as a nutrient medium for the growth of Desulfotomaculum nigrificans: characterisation and sulfate reduction studies

The filtrate obtained by interacting a known amount of rice husk with deionised, Milli-Q water was assessed as a carbon source and nutrient medium for the growth of Desulfotomaculum nigrificans, a typical sulfate-reducing bacterium. The filtrate contained essential growth constituents such as magnesium, potassium, phosphorous apart from calcium, sodium, chloride and sulfate ions. Based on the 1H and 13C NMR characterization studies, the organic composition of the components dissolved from the rice husk, was found to be: (i) 66% lignocellulosic material, (ii) 24% xylose + arabinose and (iii) 10% galactose. The growth studies indicated a 15-fold increase in the bacterial cell number in about 20 days. Nearly 81% and 66% reduction in sulfate concentration could be achieved in about 28 days, from the solutions containing initial sulfate concentrations of 550 mg/l and 1200 mg/l respectively. In both the cases studied, the iron concentration could be reduced by over 85%.

Microbial aspects of acid generation and bioremediation with relevance to indian mining

The role of Acidithiobacillus group of bacteria in acid generation and heavy metal dissolution was studied with relevance to some Indian mines. Microorganisms implicated in acid generation such as Acidithiobacillus Acidithicibacillus thiooxidans and Leptospirillum ferrooxidans were isolated from abandoned mines, waste rocks and tailing dumps. Arsenite oxidizing Thiomonas and Bacillus group of bacteria were isolated and their ability to oxidize As (111) to As (V) established. Mine isolated Sulfate reducing bacteria were used to remove dissolved copper, zinc, iron and arsenic from solutions.

Sulfur-Cycling in Methane-Rich Ecosystems: Uncovering Microbial Processes and Novel Niches

Microbial sulfur cycling communities were investigated in two methane-rich ecosystems, terrestrial mud volcanoes (TMVs) and marine methane seeps, in order to investigate niches and processes that would likely be central to the functioning of these crucial ecosystems. Terrestrial mud volcanoes represent geochemically diverse habitats with varying sulfur sources and yet sulfur-cycling in these environments remains largely unexplored. Here we characterized the sulfur-metabolizing microorganisms and activity in 4 TMVs in Azerbaijan, supporting the presence of active sulfur-oxidizing and sulfate-reducing guilds in all 4 TMVs across a range of physiochemical conditions, with diversity of these guilds being unique to each TMV. We also found evidence for the anaerobic oxidation of methane coupled to sulfate reduction, a process which we explored further in the more tractable marine methane seeps. Diverse associations between methanotrophic archaea (ANME) and sulfate-reducing bacterial groups (SRB) often co-occur in marine methane seeps, however the ecophysiology of these different symbiotic associations has not been examined. Using a combination of molecular, geochemical and fluorescence in situ hybridization coupled to nano-scale secondary ion mass spectrometry (FISH-NanoSIMS) analyses of in situ seep sediments and methane-amended sediment incubations from diverse locations, we show that the unexplained diversity in SRB associated with ANME cells can be at least partially explained by preferential nitrate utilization by one particular partner, the seepDBB. This discovery reveals that nitrate is likely an important factor in community structuring and diversity in marine methane seep ecosystems. The thesis concludes with a study of the dynamics between ANME and their associated SRB partners. We inhibited sulfate reduction and followed the metabolic processes of the community as well as the effect of ANME/SRB aggregate composition and growth on a cellular level by tracking 15N substrate incorporation into biomass using FISH-NanoSIMS. We revealed that while sulfate-reducing bacteria gradually disappeared over time in incubations with an SRB inhibitor, the ANME archaea persisted in the form of ANME-only aggregates, which are capable of little to no growth when sulfate reduction is inhibited. These data suggest ANME are not able to synthesize new proteins when sulfate reduction is inhibited.

Monitoramento microbiológico e físico-químico de tanques de armazenamento de óleo e água

A injeção da água do mar nos campos marítimos (offshore), processo este conhecido como recuperação secundária de petróleo, gera muitos resíduos e efluentes. Dentre estes, pode-se destacar a água produzida, que consiste de água de formação, água naturalmente presente na formação geológica do reservatório de petróleo, e água de injeção, aquela normalmente injetada no reservatório para aumento de produção. Sete tanques de armazenamento de água/óleo de um terminal foram monitorados quanto à presença de micro-organismos e teores de sulfato, sulfeto, pH e condutividade. Particularmente, as bactérias redutoras de sulfato (BRS), que agem às expensas da atividade de outras espécies, reduzindo sulfato à sulfeto, constituindo-se num problema-chave. Os tanques de óleo codificados como Verde, Ciano, Roxo, Cinza, Vermelho, Amarelo e Azul, apresentaram comportamentos distintos quanto aos parâmetros microbiológicos e físico-químicos. Após este monitoramento, de acordo com valores referência adotados, e levando-se em conta como principais parâmetros classificatórios concentrações de BRS, bactérias anaeróbias totais e sulfeto, os dois tanques considerados mais limpos do monitoramento foram os tanques roxo e ciano. Analogamente, por apresentarem os piores desempenhos frente aos três principais parâmetros, os tanques amarelo e cinza foram considerados os mais sujos de todo o monitoramento. Após esta segregação, esses três principais parâmetros, mais a concentração de sulfato, foram inter-relacionados a fim de se corroborar esta classificação. Foi possível observar que o sulfeto instantâneo não foi o parâmetro mais adequado para se avaliar o potencial metabólico de uma amostra. Por este motivo, foram verificados os perfis metabólicos das BRS presentes nas amostras, confirmando a segregação dos tanques, baseada em parâmetros em batelada

Avaliação da corrosão microbiológica do aço carbono 1020 em água do mar sintética na presença de bactérias redutoras de sulfato

Bactérias redutoras de sulfato (BRS) possuem um papel importante na corrosão de ligas metálicas expostas em hábitats marinhos, óleos e solos úmidos. A redução do sulfato por estas bactérias resulta na produção de H2S, podendo influenciar os processos anódico e catódico na corrosão de materiais. Neste trabalho, o comportamento da corrosão microbiológica no aço carbono AISI 1020 foi avaliada em meio Postgate C, na presença e na ausência de BRS, as quais foram isoladas da camada de ferrugem presente numa tubulação submersa da Baía de Guanabara RJ. A taxa de corrosão e o comportamento eletroquímico do aço nas duas condições foram investigados através dos métodos de perda de massa e de polarização potenciodinâmica. A formação do biofilme e dos produtos de corrosão na superfície do aço foram observados por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por espectroscopia de energia dispersiva (EDS). Em complementação, foi realizada a quantificação das BRS (planctônicas e sésseis) pelo método do número mais provável (NMP). A presença de BRS no meio ocasionou o deslocamento do potencial de corrosão para valores mais negativos em todos os tempos de ensaio estudados, indicando um aumento no processo corrosivo. Nos ensaios de perda de massa, a taxa de corrosão do aço carbono foi maior na ausência de BRS, provavelmente devido à formação de um biofilme na superfície do metal nos ensaios com inóculo, e a uma menor tendência de haver corrosão generalizada neste tipo de meio. As micrografias de MEV revelaram a presença de agregado celular na superfície do aço carbono durante o experimento, e a presença de pites profundos após remoção do biofilme, mostrando prevalência deste tipo de corrosão. Com 35 dias de ensaio, a densidade de corrente de corrosão aumentou na presença de BRS

Emprego de microscopia de fluorescência para a quantificação microbiana em amostras salinas da indústria do petróleo

Os micro-organismos constituem um grande problema em termos econômicos para a indústria petrolífera. Estes são responsáveis pela produção de substâncias corrosivas e a formação de biofilmes, que causam deterioração dos materiais metálicos. Os principais grupos microbianos presentes em amostras ambientais da indústria do petróleo são as bactérias anaeróbias heterotróficas totais (BANHT) e as bactérias redutoras de sulfato (BRS). Atualmente, a quantificação desses grupos microbianos é realizada através da técnica do Número Mais Provável (NMP) que estima o resultado em aproximadamente 28 dias. Neste trabalho foi otimizada uma metodologia para a microscopia de fluorescência de amostras salinas provenientes de tanques de armazenamento de água/óleo. As condições testadas foram o tipo de óleo de imersão, o tipo de diluente, o volume do corante, o volume da amostra corada e a concentração do fixador (glutaraldeído) numa tentativa de correlacionar com resultados de quantificação de BANHT e BRS através da técnica convencional do NMP. Nesse caso, as células totais foram quantificadas por microscopia de fluorescência utilizando o corante fluorescente laranja de acridina (AO). Verificou-se que houve uma correlação entre os resultados da quantificação de células totais por microscopia de fluorescência e os resultados de BANHT pela técnica do NMP, devido a pouca variação de valores expressos em ambas as quantificações. Entretanto, não foi possível correlacionar os resultados da quantificação de células totais com os resultados de BRS por NMP devido à grande variação dos valores de quantificação de BRS. Na microscopia de fluorescência, foi possível, quantificar os micro-organismos em aproximadamente 30 minutos e através das fotografias, verificou-se ainda que as amostras apresentaram-se nítidas e os micro-organismos com uma boa fluorescência

Efeito de surfactantes na estimativa da densidade bacteriana em amostras de petróleo

Foi examinado o efeito dos surfactantes polisorbato 60 (Tween 60), polisorbato 80 (Tween 80), brometo de cetil trimetil amônio (CTAB) e lauril sulfato de sódio (SDS) na estimativa da densidade de Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS) e Bactérias Anaeróbias Heterotróficas Totais (BANHT) em amostras de petróleo. Para a realização dos experimentos, foram selecionadas três amostras com diferentes proporções de óleo e água de forma a representar amostras reais. A primeira amostra contém uma alta proporção de óleo, a segunda uma proporção média e a última amostra uma baixa proporção de óleo. A densidade bacteriana foi estimada através do método do Número Mais Provável (NMP). As concentrações dos surfactantes empregadas neste estudo foram estabelecidas através de estudo anterior. Os resultados demonstram que nas amostras com alta e média proporção de óleo, a adição dos surfactantes não foi favorável a um aumento na quantificação de BRS. Por outro lado, o Tween 60 e o Tween 80 mostraram um aumento significativo na quantificação de BANHT quando aplicados na concentração de 0,01% e 0,03% m/v, respectivamente. O CTAB favoreceu o crescimento de BRS e BANHT na amostra com baixa proporção de óleo quando sua concentração foi de 0,001% m/v e 0,0001% m/v, respectivamente

Monitoramento microbiológico e físico-químico de tanques de armazenamento de óleo e água

A injeção da água do mar nos campos marítimos (offshore), processo este conhecido como recuperação secundária de petróleo, gera muitos resíduos e efluentes. Dentre estes, pode-se destacar a água produzida, que consiste de água de formação, água naturalmente presente na formação geológica do reservatório de petróleo, e água de injeção, aquela normalmente injetada no reservatório para aumento de produção. Sete tanques de armazenamento de água/óleo de um terminal foram monitorados quanto à presença de micro-organismos e teores de sulfato, sulfeto, pH e condutividade. Particularmente, as bactérias redutoras de sulfato (BRS), que agem às expensas da atividade de outras espécies, reduzindo sulfato à sulfeto, constituindo-se num problema-chave. Os tanques de óleo codificados como Verde, Ciano, Roxo, Cinza, Vermelho, Amarelo e Azul, apresentaram comportamentos distintos quanto aos parâmetros microbiológicos e físico-químicos. Após este monitoramento, de acordo com valores referência adotados, e levando-se em conta como principais parâmetros classificatórios concentrações de BRS, bactérias anaeróbias totais e sulfeto, os dois tanques considerados mais limpos do monitoramento foram os tanques roxo e ciano. Analogamente, por apresentarem os piores desempenhos frente aos três principais parâmetros, os tanques amarelo e cinza foram considerados os mais sujos de todo o monitoramento. Após esta segregação, esses três principais parâmetros, mais a concentração de sulfato, foram inter-relacionados a fim de se corroborar esta classificação. Foi possível observar que o sulfeto instantâneo não foi o parâmetro mais adequado para se avaliar o potencial metabólico de uma amostra. Por este motivo, foram verificados os perfis metabólicos das BRS presentes nas amostras, confirmando a segregação dos tanques, baseada em parâmetros em batelada

Desenvolvimento de metodologias para a determinação da atividade biogênica de bactérias redutoras de sulfato

A corrosão causada por H2S biogênico frequentemente resulta em danos extensos na indústria do petróleo. O presente trabalho avaliou parâmetros de crescimento microbiano e aplicou metodologias de determinação de sulfetos por técnicas espectrofotométrica na região da luz visível e radiorespirométrica para avaliação da atividade metabólica, correlacionando com a população de bactérias redutoras de sulfato, determinada através da técnica do Número Mais Provável (NMP). Amostras de água de formação e consórcio de BRS foram avaliadas através do arraste de sulfetos estáveis produzidos biogenicamente e quantificados por espectrofotometria. O cálculo das velocidades instantâneas e específicas de produção de sulfetos permitiu avaliar de que maneira alguns parâmetros de crescimento microbiano podem afetar o metabolismo das BRS. A detecção de concentrações traço de sulfetos biogênicos pode ser realizada através de ensaios radiorespirométricos. Para isto, diluições em série de água do mar sintética com três amostras distintas foram avaliadas. Os testes realizados indicam que o acréscimo do tempo de incubação de cultura microbiana anaeróbia mista contribuiu para o aumento das capacidades de redução de sulfato, assim como o aumento das fontes de carbono. Ambas as técnicas provaram ser um rápido teste para a detecção de sulfetos biogênicos, particularmente aqueles associados aos produtos de corrosão, sendo uma ferramenta muito útil para monitoração e controle de tanques de armazenamento de água e óleo, plataformas continentais de petróleo e diversos tipos de reservatórios. O presente trabalho prevê a continuidade dos experimentos, através de avaliação de um maior universo de amostras da indústria do petróleo e medições menos espaçadas da técnica espectrofotométrica, além da avaliação radiorespirométrica em modo contínuo, evitando os efeitos inibitórios do H2S

Avaliação de biocidas no controle da corrosão microbiologicamente induzida do aço carbono 1020 por bactérias redutoras de sulfato

Bactérias redutoras de sulfato (BRS) são os principais micro-organismos envolvidos na corrosão microbiologicamente induzida (CMI). Estas bactérias reduzem o sulfato, tendo como resultado a produção de H2S, o que pode influenciar os processos anódico e catódico na corrosão de materiais metálicos em ambientes marinhos, óleos e solos úmidos. Uma das formas de prevenir e controlar esse tipo de corrosão é a adição de biocidas ao meio corrosivo. Esta dissertação tem como objetivo avaliar o uso de biocidas no controle da CMI do aço AISI 1020 por BRS. Para isto, o comportamento da CMI no aço foi avaliado em água do mar sintética, em condições de anaerobiose, na ausência e na presença de uma cultura mista contendo BRS. Um biocida natural (óleo de alho) e outro comercial (glutaraldeído) foram utilizados para controlar a corrosão causada por estas bactérias. Duas formas de adição de biocida foram avaliadas: antes da formação do biofilme e após sua formação na superfície do metal. O crescimento microbiano na superfície do aço foi avaliado através da quantificação das BRS sésseis, pelo método do número mais provável (NMP). O comportamento eletroquímico do aço, na ausência e na presença de BRS e também para os ensaios com biocidas, foi estudado através das técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e polarização potenciodinâmica, sempre usando água do mar sintética como meio eletrolítico. A formação de biofilme e de produtos de corrosão na superfície do aço foi observada através da microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados mostraram que o aço exposto ao meio contendo BRS apresentou um processo corrosivo mais acelerado, quando comparado aos sistemas na ausência de micro-organismo. Esse processo foi evidenciado por um decréscimo na magnitude do arco capacitivo, nos ensaios de EIE, e um aumento da densidade de corrente de corrosão (Icorr), nos ensaios de polarização. Na análise de MEV, foi possível observar a formação de corrosão localizada após a remoção do biofilme da superfície. Os ensaios com biocidas, adicionados antes da formação de biofilmes, mostraram uma redução no número de bactérias sésseis, quando comparados com os ensaios sem biocida realizados pelo mesmo período de tempo (7 dias). Foi verificado também um decréscimo do processo corrosivo do aço, evidenciado através de aumento nos arcos capacitivos, nos ensaios de EIE e pelos menores valores de Icorr nos ensaios de polarização, quando comparados com o biofilme formado sem biocidas, nas mesmas condições. Apesar de não ter inibido completamente o crescimento das BRS sésseis, o óleo de alho apresentou maior redução no processo corrosivo quando comparado ao glutaraldeído, indicando sua possível aplicação como biocida natural nestas condições. Os ensaios realizados com biocidas adicionados após a formação do biofilme mostraram que o glutaraldeído apresentou alta eficácia em reduzir o número de células sésseis. Já o óleo de alho exibiu uma ação menos efetiva, sugerindo que este composto não conseguiu penetrar completamente a matriz do biofilme. Entretanto, ambos causaram aceleração do processo corrosivo do aço no meio estudado após 7 dias de exposição

Fatty-acids and their C-13 signatures in seep carbonates from hydrocarbon seeps on the upper (GC 185) and lower (AC 645) continental slope of the Gulf of Mexico

Here we reported the fatty-acids and their δ 13C values in seep carbonates collected from Green Canyon lease block 185 (GC 185; Sample GC-F) at upper continental slope (water depth: ∼540 m), and Alaminos Canyon lease block 645 (GC 645; Sample AC-E) at lower continental slope (water depth: ∼2200 m) of the Gulf of Mexico. More than thirty kinds of fatty acids were detected in both samples. These fatty acids are maximized at C16. There is a clear even-over-odd carbon number predominance in carbon number range. The fatty acids are mainly composed of n-fatty acids, iso-/anteiso-fatty acids and terminally branched odd-numbered fatty acids (iso/anteiso). The low δ 13C values (−39.99‰ to.32.36‰) of n-C12:0, n-C13:0, i-C14:0and n-C14:0 suggest that they may relate to the chemosynthetic communities at seep sites. The unsaturated fatty acids n-C18:2 and C18:1Δ9 have the same δ 13C values, they may originate from theBeggiatoa/Thioploca. Unlike other fatty acids, the terminally branched fatty acids (iso/anteiso) show lowerδ 13C values (as low as −63.95‰) suggesting a possible relationship to sulfate reducing bacteria, which is common during anaerobic oxidation of methane at seep sites.