Role of bacterial biofilms and extracellular polymeric substances in the colloidal stability and transport of hematite nanoparticles in synthetic porous media

Narvekar, Sneha Pradip GND

Mikrobielle Biofilme sind aufgrund ihrer vielfältigen Interaktionen mit mobilen Kolloiden und mit immobilen Oberflächen und den daraus entstehenden organo-mineralischen Verbindungen von sehr großer Bedeutung für den Transport von anorganischen Kolloiden durch den porösen Untergrund. In dieser Arbeit wurden Experimente auf Laborskala durchgeführt, um die verschiedenen Möglichkeiten zu untersuchen, wie mikrobielle Biofilme und extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) den Transport von Nanopartikeln durch poröse Medien beeinflussen. Mit komplementären experimentellen Ansätzen wurde dabei (1) der Effekt von mikrobiellen EPS auf die Kolloidstabilität von Nanopartikeln, (2a.) der Transport von EPS-freien Nanopartikeln durch Biofilm-beschichtete und EPS-beschichtete poröse Medien, (2b.) der Transport von EPS-beschichteten Nanopartikeln durch ein unbeschichtetes poröses Medium, (2c.) der Transport von EPS-beschichteten Kolloiden durch Biofilm- und EPS-beschichteten porösen Medien und (3) die Remobilisierung von abgelagerten Kolloiden durch EPS untersucht. Dafür wurden synthetischer Hämatit als Nanopartikel (HNP) und Bacillus subtilis 168 (DSM 402) als Biofilm-produzierende Mikroorganismen ausgewählt. In den Untersuchungen des EPS-Effekts auf die Kolloidstabilität wurden HNP mit drei EPSKonzentrationen (50, 200, 500 mg C/l) behandelt. Das entsprach EPS:HNP-Verhältnissen von 1:5 (HNP 1:5), 2:1 (HNP 2:1) beziehungsweise 5:1 (HNP 5:1). Die jeweiligen Zeta-Potentiale (ZP) und Verschiebungen des isoelektrischen Punkts und der kritischen Koagulationskonzentration (CCC) unter Zugabe von NaCl und CaCl2 deuteten auf die Bildung von stabilen organo-mineralischen Kolloiden in den HNP 2:1- und HNP 5:1- Behandlungen hin. Geringere EPS-Konzentrationen (HNP 1:5) begünstigten jedoch eine Aggregation der HNP. Mittels Kreislauf-Säulenexperimenten wurde der Transport von unbeschichteten und EPSbeschichteten HNP bei bodentypischen pH-Bedingungen in drei künstlichen porösen Medien untersucht (unbeschichtete, Biofilm-beschichtete und PS-beschichtete Glaskugeln). Es wurden keine drastischen Änderungen im pH-Wert und der elektrischen Leitfähigkeit während der Transportexperimente festgestellt. Allerdings wurde eine konstante Menge an organischer Substanz und Bakterienzellen kontinuierlich aus den Glaskugelbeschichtungen freigesetzt. Positiv geladene, unbeschichtete HNP wurden durch die unbeschichteten Glaskugeln zurückgehalten und dadurch immobilisiert. Im Gegensatz dazu wurde eine mobile Fraktion von negativ geladenen HNP in den Experimenten mit Biofilm- und EPSbeschichteten Glasperlen beobachtet. Die aus den Beschichtungen freigesetzten organischen Substanzen adsorbierten dabei an den HNP, was in einer Umkehrung der Nettoiv Oberflächenladung und damit zur Bildung von negativ geladenen, organo-mineralischen HNP resultierte. Die Mobilität von EPS-beschichteten HNP sowohl in beschichteten als auch in unbeschichteten porösen Medien unterstrich die Bedeutung der Kolloidstabilität für den Transport unter wassergesättigten Bedingungen. Durch elektrostatische Abstoßungskräfte zwischen gleichgeladenen Oberflächen war eine Fraktion von stabilen, EPS-beschichteten HNP (HNP 2:1 und HNP 5:1) dauerhaft mobil in den drei untersuchten porösen Medien.Im Gegensatz dazu waren instabile, EPS-beschichtete HNP (HNP 1:5) immobil in unbeschichteten und EPS-beschichteten porösen Medien. Diese instabilen HNP waren jedoch teilweise mobil im porösen biofilm-beschichteten Medium, da ein Teil dieser Partikel zu stabilen Kolloiden umgewandelt wurde (|ZP| > 20 mV). Diese Änderung in der kolloidalen Stabilität könnte aus dem Überschuss an organischen Substanzen resultieren, welche von den Biofilm-beschichteten Oberflächen freigesetzt wurden. Die Experimente bezüglich der Remobilisierung von HNP durch EPS-haltige Lösungen zeigten eine Desorption von HNP, welche vorher an unbeschichteten Glaskugeln zurückgehalten wurden. Diese Beobachtung wird mit der hohen Affinität von EPS für HNP erklärt, was zur Bildung von negativ geladenen, organo-mineralischen EPS-HNP-Kolloiden führte. Schlussfolgernd beeinflussen Biofilme und EPS die Mobilität von HNP. Diese HNP wären immobil bei Absenz von Biofilmen. Diese Arbeit unterstreicht damit die Signifikanz von Biofilmen und EPS hinsichtlich der Transformation von Nanopartikeln zu organomineralischen Kolloiden, was deren kolloidale Stabilität und damit ihr Transportverhalten bestimmt. Solche Transformationen haben demnach ebenfalls eine Umweltrelevanz hinsichtlich des kolloid-gekoppelten Transports von Kontaminanten.

The heterogeneous physicochemical properties of biofilm and extracellular polymeric substances (EPS) play an important role in deciding the fate of transport of nanoparticles in subsurface. However, contrasting results have been observed for the mobility of different nanoparticle transport in porous media coated with biofilms. Also, no comparative studies ave been done linking the effect of biofilms on colloidal stability and mobility of colloids to date. Laboratory scale experiments were conducted to obtain insights into different ways bacterial biofilms and EPS can influence the transport of nanoparticles in porous media. Using complementary experimental approaches, we investigated (1) the effect of microbial EPS on the colloidal stability of nanoparticles, (2a.) the transport of uncoated colloidal nanoparticles in biofilm and EPS-coated porous media, (2b.) the transport of EPS-coated colloidal nanoparticles in uncoated porous media (2c), the combined transport of EPS-coated colloids in biofilm and EPS-coated porous media, and finally (3) the remobilization of deposited colloidal nanoparticles by EPS. Laboratory synthesized hematite nanoparticles (HNP) and Bacillus subtilis 168 (DSM 402) were used as nanoparticles and biofilm forming bacterium respectively. To study the effect of EPS on the colloidal stability, HNP were amended with three increasing concentrations of EPS (20, 200 and 500 mg/l carbon) resulting in carbon:iron ratios 1:5, 2:1 and 5:1, respectively. The zeta potential (ZP), the shift in isoelectric point and the change in the critical coagulation concentration (CCC) for NaCl and CaCl2 showed formation of colloidally stable organo-mineral colloids at higher concentrations of EPS (200 mg/l and 500 mg/l of carbon, HNP2:1, HNP 5:1). However, lower concentrations of EPS (20 mg/l carbon, HNP 1:5) resulted into aggregation of HNP. The transport of uncoated and EPS-coated HNP colloids at environmental pH was studied with closed flow columns experiments in three different synthetic porous media, i.e., uncoated, biofilm-coated, and EPS-coated glass beads. No drastic change was observed in the pH and the electrical conductivity of the system during the transport experiments. However, a constant amount of organic matter and bacterial cells were continuously released from the porous media coatings. In the first scenario, positively charged uncoated HNP were immobile and retained in uncoated-glass bead porous media. Contrary, a mobile fraction of negatively charged HNP was observed in biofilms and EPS-coated porous media. The charge reversal of HNP during transport is due to adsorption of organic matter released from the coatings forming organomineral associations of HNP and components of the biofilm or EPS.

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Narvekar, Sneha: Role of bacterial biofilms and extracellular polymeric substances in the colloidal stability and transport of hematite nanoparticles in synthetic porous media. Jena 2017.

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