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Development of new concepts and methods to simulate reactive transport of microbes and microbe-influenced reactions in porous aquifers

Knabe, Dustin

Microbes (or microorganisms) are a key part of ecosystems, including surface and groundwater. They are defined by their microscopic size (nm to µm) and the term ‘microbes’ includes species from all three branches of the tree of life (bacteria, archaea, eucaryotes) but also viruses. Microbes play a key role in the cycling of nutrients and enable higher forms of life. In water, some microbes are contaminants (e.g., pathogenic microbes) or are producing contaminants (e.g., cyanobacteria). Other microbes can reduce anthropogenic contaminants. With these positive and negative aspects, microbes significantly influence the quality of surface water and groundwater. In water, microbes are transported as bio-colloids due to their size. Colloids are transported in groundwater by advection, diffusion, and dispersion, similar to solutes. However, because of their bigger size, interactions of colloids with solid surfaces have a stronger kinetic aspect. Colloids attach to and detach from solid surfaces, which is governed by a complex set of pore- and nanoscale forces. Other relevant transport processes for colloids in groundwater are blocking (limitation of attachment spots), straining (physical filtration at small pores), and co-transport (transport attached to other colloids). Microbes are further affected by processes related to their metabolism. Microbes grow (in numbers) given adequate nutrients and environment. However, they can also inactivate (loss of growth ability) and decay (destruction of the microbe particle). Because of these different processes, many parameters influence microbe transport such as water flow velocity, grain size, microbe size, microbe species, temperature, solution ionic strength, surface charge of sediment grain and microbe, pH, and even nanoscale chemical heterogeneity of sediment grains. While in general microbe transport processes are known, uncertainty remains for example regarding the dominant processes in a given scenario and differences among microbe species. The general aim of this thesis was to develop new concepts and methods to simulate reactive transport of microbes and microbe-influenced reactions in porous aquifers. Since microbes in groundwater is a very broad subject area, this thesis focused on two topics: (A) denitrification as an example for microbe-influenced reactions, and (B) induced bank filtration as an example for transport of pathogenic microbes in groundwater. Both are important for the quality of our ground- and drinking water. Denitrification is the key process for removal of nitrate, which is a common groundwater contaminant, because of its presence in fertilizers. Denitrifying microbes reduce nitrate by oxidizing electron donors such as organic carbon and pyrite. Induced bank filtration is a method for drinking water production indirectly from surface water. In this, wells close to surface water bodies extract water that has undergone a subsurface passage. During this, physical, chemical, and biological processes lead to a cleaning of the water and a reduction of pathogenic microbe concentrations. Specific research questions with regard to these topics are: (A) “How is denitrification progressing in natural sediments with multiple electron donors? How does this impact long-term denitrification potential in aquifers? How can subsurface chemical heterogeneity influencing such reactions be detected?” — (B) “How are seasonal changes impacting microbe removal in induced bank filtration? What are the transport differences between different microbe species? Are the employed indicator species adequate to estimate transport of pathogens?“. For this, different modelling and experimental studies were conducted. Regarding denitrification (A), this includes: i) a model-based analysis of a 6-month column experiment with progressive denitrification in natural sediment containing organic carbon and pyrite, and ii) the development of a comparative tracer tomography approach to identify reaction hotspots in aquifers. Regarding pathogen transport in induced bank filtration (B), a 15-month monitoring was conducted at an induced bank filtration site (waterworks Flehe in Düsseldorf, Germany) to investigate removal of bacteria and viruses at changing environmental conditions. Based on this monitoring dataset (2018/2019) and an older dataset (2003/2004), two modelling studies were conducted to analyse pathogen transport processes in induced bank filtration. (A) The results of the denitrification column experiment showed a temporal evolution of the dominant denitrification pathway. Heterotrophic denitrification (with organic carbon) preceded autolithotrophic denitrification (with pyrite) by 60 days. Denitrification rates were up to 4 times higher during autolithotrophic denitrification, while the highest microbial growth yield was achieved during heterotrophic denitrification. After 6 months, denitrification was slowed to a third of its maximum rate with a downward trend. At this time, only about 50% of pyrite and less than 1% of total organic carbon was consumed. These results show that in aquifer sediments not all electron donors are available for reaction, and that microbe preference for specific electron donors can lead to a temporal evolution of the denitrification pathway with varying denitrification rates. A comparative tracer tomography method was developed that allows to identify regions with higher reaction rates in the subsurface (reaction hotspots). Building upon the conventional tracer tomography method, the new method compares the tomographic inversion of a conservative and a reactive tracer to identify reaction hotspots. The method was proven by using a denitrification model to simulate the tracer tomography experiment in a heterogeneous aquifer. The method worked well to identify the reaction hotspots under realistic conditions. As with other tracer tomography methods, the level of detail is limited, and low flow zones are not well characterized. (B) Microbe transport models were set up for the induced bank filtration site which included attachment, detachment, inactivation, straining and blocking. Sensitivity analysis of the highly parameterized bacteria transport model (2003/2004 dataset) showed that elimination processes (inactivation, straining) were more sensitive (important) than attachment to and detachment from the sediment. The 2018/2019 dataset allowed to compare the removal of different microbe types (coliforms, coliphages, adenovirus) in induced bank filtration. Overall, removal in bank filtration varied over time in a similar range for all measured microbes from about 1 to 4 log-removals (at 40 m travel distance). However, removal trends over time differed. Removal of coliphages was mainly driven by travel time (short travel times reduce removal), while removal of coliforms was additionally affected by changes to the colmation layer permeability. Removal of adenovirus was independent of changing environmental factors and only dependent on travel distance in the subsurface. Low oxygen concentrations and denitrifying conditions in the summer led to a slightly reduced removal of coliforms in both datasets. Because of the differences in transport behaviour, coliforms and coliphages appear as non-ideal indicators for pathogenic viruses such as adenovirus. However, adenovirus removal was high with sufficient travel distance (60+ m), so that concentrations of indicators (coliforms, coliphages) would precede an adenovirus breakthrough. Heavy rain events were identified as the most critical environmental conditions. Following such events, river level increased, which led to fast travel times in the subsurface and erosion of the colmation layer. Both resulting in reduced removal of bacteria and bacteriophages. The results of this thesis contribute to improving our understanding and the modelling of transport of microbes in groundwater.
Mikroben (oder Mikroorganismen) sind ein wichtiger Bestandteil von Ökosystemen, auch von Oberflächen- und Grundwasser. Sie werden über ihre mikroskopische Größe (nm bis µm) definiert und der Begriff „Mikroben“ schließt Arten aus den drei Domänen der Lebewesen (Bakterien, Archaeen, Eukaryoten) aber auch Viren ein. Mikroben spielen eine Schlüsselrolle im Nährstoffkreislauf und ermöglichen höhere Lebensformen. Im Wasser werden einige Mikroben als Schadstoffe angesehen (u.a. pathogene Mikroben) oder produzieren Schadstoffe (z. B. Cyanobakterien). Andere Mikroben hingegen können anthropogene Schadstoffe abbauen. Mit diesen positiven und negativen Aspekten haben Mikroben einen erheblichen Einfluss auf die Qualität von Oberflächen- und Grundwasser. Im Wasser werden Mikroben aufgrund ihrer Größe als Bio-Kolloide transportiert. Kolloide werden im Grundwasser durch Advektion, Diffusion und Dispersion transportiert, ähnlich wie gelöste Stoffe. Kolloide sind größer als gelöste Stoffe. Deswegen sind die Wechselwirkungen von Kolloiden mit festen Oberflächen kinetischer. Kolloide sorbieren an und desorbieren von festen Oberflächen, was von einer komplexen Reihe von Kräften auf der Poren- und Nanoskala beeinflusst wird. Weitere relevante Transportprozesse für Kolloide im Grundwasser sind „blocking“ (Begrenzung der Sorptionsstellen), „straining“ (physikalische Filtration an kleinen Poren) und Co-Transport (Transport mit anderen Kolloiden). Mikroben werden außerdem durch Prozesse im Zusammenhang mit ihrem Stoffwechsel beeinflusst. Mikroben wachsen (zahlenmäßig), wenn sie angemessene Nährstoffe und eine geeignete Umgebung vorfinden. Sie können jedoch auch inaktiviert werden (Verlust der Wachstumsfähigkeit) und zerfallen (Zerstörung des Mikrobenpartikels). Aufgrund dieser unterschiedlichen Prozesse beeinflussen viele Parameter den Transport von Mikroben, wie z. B. die Strömungsgeschwindigkeit, die Korngröße, die Mikrobengröße, die Mikrobenspezies, die Temperatur, die Ionenstärke des Wassers, die Oberflächenladung von Sediment und Mikrobe, der pH-Wert und sogar die chemische Heterogenität der Sedimentkörner auf der Nanoskala. Die Prozesse des Transports von Mikroben im Grundwasser sind im Allgemeinen bekannt, aber es besteht Unsicherheit darüber, welche Prozesse in einem bestimmten Szenario vorherrschen und wie sich der Transport von Mikrobenarten unterscheidet. Das allgemeine Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Konzepte und Methoden zur Simulation des reaktiven Transports von Mikroben und von Mikroben gesteuerten Reaktionen in porösen Aquiferen. Da „Mikroben im Grundwasser“ ein sehr weites Themengebiet ist, konzentrierte sich diese Arbeit auf zwei Themen: (A) die Denitrifikation als Beispiel für eine von Mikroben gesteuerte Reaktion und (B) die induzierte Uferfiltration als Beispiel für den Transport von pathogenen Mikroben im Grundwasser. Beide Prozesse sind wichtig für die Qualität unseres Grund- und Trinkwassers. Die Denitrifikation ist der Schlüsselprozess zur Entfernung von Nitrat, das aufgrund seines Vorkommens in Düngemitteln ein häufiger Schadstoff im Grundwasser ist. Denitrifizierende Mikroben reduzieren Nitrat durch Oxidation von Elektronendonatoren wie organischem Kohlenstoff und Pyrit. Die induzierte Uferfiltration ist eine Methode zur Trinkwassergewinnung. Dabei wird durch Brunnen in der Nähe von Oberflächengewässern Wasser gefördert, das eine Untergrund-Passage durchlaufen hat. Dabei führen physikalische, chemische und biologische Prozesse zu einer Reinigung des Wassers und zu einer Verringerung der Konzentrationen pathogener Mikroben. Spezifische Forschungsfragen dieser Arbeit in Bezug auf diese Themen sind: (A) "Wie läuft Denitrifikation ab in natürlichen Sedimenten mit mehreren Elektronendonatoren? Wie wirkt sich dies auf das langfristige Denitrifikationspotenzial in Grundwasserleitern aus? Wie kann die chemische Heterogenität des Untergrunds für solche Reaktionen besser erkannt werden?" — (B) "Wie wirken sich saisonale Veränderungen auf die Entfernung von Mikroben bei der induzierten Uferfiltration aus? Welche Transportunterschiede gibt es zwischen verschiedenen Mikrobenarten? Sind die üblicherweise verwendeten Indikatormikroben geeignet, um den Transport von humanpathogenen Mikroben abzuschätzen?". Zur Beantwortung dieser Fragen wurden verschiedene Modellierungs- und experimentelle Studien durchgeführt. In Bezug auf die Denitrifikation (A) umfasste dies: i) eine modellgestützte Analyse eines 6-monatigen Säulenexperiments mit fortschreitender Denitrifikation in natürlichem Sediment, das organischen Kohlenstoff und Pyrit enthält, und ii) die Entwicklung einer vergleichenden Tracer-Tomographie-Methode zur Identifizierung von Reaktionshotspots im Untergrund. Bezüglich des Pathogentransports in der induzierten Uferfiltration (B) wurde eine 15-monatige Monitoringstudie am Wasserwerk Flehe in Düsseldorf (Deutschland) durchgeführt, um die Wirkung der Uferfiltration auf Bakterien und Viren bei wechselnden Umweltbedingungen zu untersuchen. Basierend auf diesem Monitoring-Datensatz (2018/2019) und einem älteren Datensatz aus den Jahren 2003/2004 wurden zwei Modellierungsstudien durchgeführt, um den Transport von Pathogenen in der Uferfiltration zu analysieren. (A) Für das Denitrifikationsexperiment zeigten die Ergebnisse eine zeitliche Entwicklung des vorherrschenden Denitrifikationsweges. Die heterotrophe Denitrifikation (mit organischem Kohlenstoff) ging der autolithotrophen Denitrifikation (mit Pyrit) um 60 Tage voraus. Allerdings waren die Raten während der autolithotrophen Denitrifikation bis zu viermal höher. Der höchste mikrobielle Wachstumsertrag wurde jedoch während der heterotrophen Denitrifikation erzielt. Nach 6 Monaten verlangsamte sich die Denitrifikation auf ein Drittel ihrer maximalen Geschwindigkeit mit abnehmender Tendenz. Zu diesem Zeitpunkt waren nur etwa 50 % des Pyrits und weniger als 1 % des gesamten organischen Kohlenstoffs verbraucht. Diese Ergebnisse zeigen, dass in Aquifersedimenten nicht alle Elektronendonatoren für die Reaktion zur Verfügung stehen und dass die Präferenz der Mikroben für bestimmte Elektronendonatoren zu einer zeitlichen Evolution des Denitrifikationspfads mit unterschiedlichen Denitrifikationsraten führen kann. In einer anderen Studie wurde eine vergleichende Tracer-Tomographie-Methode entwickelt, die es ermöglicht, Regionen mit höheren Reaktionsraten im Untergrund (Reaktions-Hotspots) zu identifizieren. Aufbauend auf der konventionellen Tracer-Tomographie-Methode vergleicht die neue Methode die tomographische Inversion eines konservativen und eines reaktiven Tracers, um Reaktions-Hotspots zu identifizieren. Die Methode wurde anhand eines Denitrifikationsmodells zur Simulation eines Tracer-Tomographie-Experiments in einem heterogenen Grundwasserleiter erprobt. Die Methode funktionierte gut, um die Reaktions-Hotspots bei realistischen Bedingungen zu identifizieren. Wie bei anderen Tracer-Tomographie-Inversionen ist der Detailgrad jedoch begrenzt, und Zonen mit geringer Durchlässigkeit sind nicht gut charakterisiert. (B) Für die induzierte Uferfiltration wurden Modelle für den Transport von Mikroben erstellt, die Sorption, Desorption, Inaktivierung, „straining“ und „blocking“ beinhalten. Die Sensitivitätsanalyse des hoch parametrisierten Bakterientransportmodells (Datensatz von 2003/2004) zeigte, dass die Eliminierungsprozesse (Inaktivierung und „straining“) sensitiver (wichtiger) waren als die Sorption an und Desorption vom Sediment. Der Datensatz von 2018/2019 ermöglichte den Vergleich der Konzentrationsreduzierung verschiedener Mikrobenspezies (Coliforme, Coliphagen, Adenoviren) in der induzierten Uferfiltration. Insgesamt schwankte die Reduzierung im Laufe der Zeit für alle gemessenen Mikroben in einem ähnlichen Bereich von etwa 1 bis 4 log-Stufen (bei 40 m Transportstrecke). Der Verlauf der Konzentrationsreduzierung über die Zeit war jedoch unterschiedlich. Die Reduzierung von Coliphagen wurde hauptsächlich durch die Transportzeit bestimmt (kurze Transportzeiten führen zu einer geringeren Reduzierung), während die Reduzierung von coliformen Bakterien zusätzlich durch Veränderungen der Durchlässigkeit der Kolmationsschicht beeinflusst wurde. Die Reduzierung von Adenoviren war unabhängig von den sich ändernden Umweltfaktoren und nur von der zurückgelegten Strecke im Untergrund abhängig. Niedrige Sauerstoffkonzentrationen und denitrifizierende Bedingungen im Sommer führten in beiden Datensätzen zu einer leicht verringerten Reduzierung von Coliformen. Aufgrund des unterschiedlichen Transportverhaltens sind Coliforme und Coliphagen keine idealen Indikatoren für pathogene Viren wie Adenoviren. Die Reduzierung von Adenoviren war jedoch bei ausreichender Transportdistanz (60+ m) hoch, so dass die Konzentrationen von Indikatoren (Coliforme, Coliphagen) einem Durchbruch von Adenoviren vorausgehen würden. Starkregenereignisse wurden als die kritischsten Umweltbedingungen ermittelt. Nach solchen Ereignissen stieg der Wasserstand im Fluss an, was zu schnellen Transportzeiten im Untergrund und zur Erosion der Kolmationsschicht führte. Dies hatte wiederum eine geringere Reduzierung von Bakterien und Bakteriophagen zur Folge. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, unser Verständnis und die Modellierung des Transports von Mikroben im Grundwasser zu verbessern.