Биоблоггинг - Bioclogging

Биоблоггинг или же биологическое засорение забивается поровое пространство в почве по микробной биомассе; их тело и их побочные продукты, такие как внеклеточное полимерное вещество (EPS). Микробная биомасса блокирует путь воды в поровое пространство, образуя определенную толщину непроницаемого слоя в почве, и снижает скорость проникновение воды замечательно.

Биоблокирование наблюдается при непрерывной инфильтрации в водоемах в различных полевых условиях, таких как искусственные пруды подпитки, перколяционная траншея, орошение канал, очистка сточных вод система и вкладыш для свалки. Это также влияет на сток грунтовых вод в водоносный горизонт, Такие как проницаемый реактивный барьер и повышение нефтеотдачи с помощью микробов. В ситуации, когда необходима инфильтрация воды с соответствующей скоростью, биозагрязнение может быть проблематичным, и принимаются контрмеры, такие как регулярная сушка системы. В некоторых случаях можно использовать биоблокировку, чтобы создать непроницаемый слой, чтобы минимизировать скорость инфильтрации.

Общее описание

Изменение проницаемости со временем

Биоблокирование наблюдается по снижению скорости инфильтрации. Снижение скорости инфильтрации при прудовой инфильтрации наблюдалось в 1940-х годах при изучении инфильтрации искусственного пруда подпитки и распределения воды на сельскохозяйственных почвах.[1] Когда почвы постоянно погружены, проницаемы или насыщены гидравлическая проводимость изменения в 3 этапа, что объяснялось следующим образом.

  1. Проницаемость снижается на 10-20 дней, возможно, из-за физических изменений структуры почвы.
  2. Проницаемость увеличивается за счет растворения захваченного в почве воздуха в просачивающейся воде.
  3. Проницаемость снижается на 2–4 недели из-за распада агрегатов и биологического забивания пор почвы микробными клетками и продуктами их синтеза, слизью или полисахаридами.

Эти 3 этапа не обязательно различны в каждом поле биоблогов; когда второй этап не ясен, проницаемость просто продолжает снижаться.

Различные типы засоров

Изменение проницаемости во времени наблюдается в различных полевых условиях. В зависимости от состояния поля могут быть разные причины изменения гидравлическая проводимость, резюмируемый следующим образом.[2]

  1. Физические причины: физическое засорение взвешенные вещества или физические изменения почв, такие как разрушение совокупной структуры. Растворение захваченного воздуха в почве в просачивающейся воде является физической причиной увеличения гидравлической проводимости.
  2. Химические причины: изменение электролит концентрация или коэффициент адсорбции натрия в водной фазе, что вызывает разброс и припухлость частиц глины.
  3. Биологические причины: Обычно биоблог означает первое из следующего, в то время как биоблог в более широком смысле означает все следующее.
    1. Биоблокирование телами микробных клеток (например, бактерии,[3][4][5][6] водоросли[7] и грибок[8][9]) и их синтезированные побочные продукты, такие как внеклеточное полимерное вещество (EPS)[10] (также называемый слизью), которые образуют биопленка[11][12][13] или же микроколония агрегирование[14] на почвенных частицах - прямые биологические причины снижения гидравлической проводимости.
    2. Улавливание пузырьков газа, например метан[15] произведено метанпродуцирующие микроорганизмы забивают поры почвы и способствуют снижению гидравлической проводимости. Поскольку газ также является побочным продуктом микробного происхождения, его также можно рассматривать как биоблокировку.
    3. Железные бактерии стимулируют оксигидроксиды железа отложения, которые могут вызвать закупоривание пор почвы.[16] Это косвенная биологическая причина снижения гидравлической проводимости.

Полевое наблюдение

Под затопленной инфильтрацией

Полевая проблема и меры противодействия

Биологическое заболачивание наблюдается при непрерывном водоеме. проникновение в таких местах как искусственные пруды подпитки[17] и перколяционная траншея.[18] Снижение скорости инфильтрации из-за биологического забивания на инфильтрирующей поверхности снижает эффективность таких систем. Чтобы свести к минимуму эффекты биобезопасности, предварительная обработка воды для уменьшения взвешенные вещества, питательные вещества и органический углерод могут быть необходимы. Регулярная сушка системы и физическое удаление забивающего слоя также могут быть эффективными мерами противодействия. Даже при такой осторожной работе, биоблокировка все еще может произойти из-за микробиологического роста на инфильтрирующей поверхности.

Септические дренажные поля также восприимчивы к биоблокам, потому что богатые питательными веществами Сточные Воды течет непрерывно.[19][20] Материал биоблоков в септик иногда называют биомат.[21] Предварительная обработка воды фильтрация или снижение нагрузки на систему может отсрочить отказ системы из-за биоблокировки. Медленный песочный фильтр система также страдает от биоблоков.[22] Помимо упомянутых выше контрмер, очистка или промывка песок можно использовать для удаления биопленки и восстановления проницаемости песка.

Биоблогинг в реки может повлиять на пополнение водоносного горизонта, особенно в засушливых регионах, где часто истощаются реки.[23]

Выгода

В некоторых случаях биоблог может иметь положительный эффект. Например, в прудах стабилизации молочных отходов, используемых для очистки сточных вод молочных ферм, биозагрязнение эффективно закрывает дно пруда.[24] Водоросли и бактерии могут быть привиты, чтобы способствовать биоблокированию в орошение канал для контроля просачивания.[25]

Биоблоггинг также полезен в вкладыш для свалки такие как уплотненные глиняные вкладыши. Глиняные футеровки обычно используются на свалках, чтобы свести к минимуму загрязнение фильтрат со свалок к окружающей почвенной среде. Гидравлическая проводимость глиняных футеровок становится ниже первоначального значения из-за биологического забивания, вызванного микроорганизмами в фильтрах и поровых пространствах глины.[26][27] Биоблогинг в настоящее время изучается для применения в геотехническая инженерия.[28]

В водоносном горизонте

Забор воды из скважины

Биологическое забивание может наблюдаться, когда вода забирается из водоносный горизонт (ниже уровня грунтовых вод) через колодец с водой.[29] По прошествии месяцев и лет непрерывной эксплуатации водяных скважин они могут постепенно снижать производительность из-за биозагрязнения или других механизмов засорения.[30]

Биоремедиация

Образование биопленок полезно в биоремедиация[31] биологически разлагаемых загрязнение подземных вод. Проницаемый реактивный барьер[32] формируется для сдерживания потока грунтовых вод путем биоблокировки, а также для уменьшения загрязнения микробами.[33] Поток загрязняющих веществ должен быть тщательно проанализирован, поскольку предпочтительный путь потока в преграде может снизить эффективность восстановления.[34]

Добыча нефти

В добыча нефти, техника повышенная нефтеотдача реализован для увеличения количества нефти, добываемой на нефтяном месторождении. Закачиваемая вода вытесняет нефть в пласте, которая транспортируется к добывающим скважинам. Поскольку коллектор неоднороден по проницаемости, закачиваемая вода имеет тенденцию проходить через зону с высокой проницаемостью и не проходит через зону, где остается нефть. В этой ситуации метод модификации бактериального профиля,[35] который вводит бактерии в зону с высокой проницаемостью, чтобы способствовать биозасорению. Это тип повышение нефтеотдачи с помощью микробов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эллисон, Л. (1947). «Влияние микроорганизмов на проницаемость почвы при длительном погружении». Почвоведение. 63 (6): 439–450. Bibcode:1947 г.ПочваS..63..439A. Дои:10.1097/00010694-194706000-00003. S2CID  97693977.
  2. ^ Baveye, P .; Vandevivere, P .; Hoyle, B.L .; DeLeo, P.C .; де Лосада, Д.С. (2006). «Воздействие на окружающую среду и механизмы биологического засорения насыщенных грунтов и водоносных горизонтов» (PDF ). Критические обзоры в области науки об окружающей среде и технологий. 28 (2): 123–191. Дои:10.1080/10643389891254197.
  3. ^ Gupta, R.P .; Свартцендрубер, Д. (1962). «Снижение гидравлической проводимости кварцевого песка, связанное с потоком». Журнал Американского общества почвоведов. 26 (1): 6–10. Bibcode:1962SSASJ..26 .... 6G. Дои:10.2136 / sssaj1962.03615995002600010003x.
  4. ^ Frankenberger, W.T .; Troeh, F.R .; Dumenil, L.C. (1979). «Бактериальное воздействие на гидравлическую проводимость почв». Журнал Американского общества почвоведов. 43 (2): 333–338. Bibcode:1979SSASJ..43..333F. Дои:10.2136 / sssaj1979.03615995004300020019x.
  5. ^ Vandevivere, P .; Бавай, П. (1992). «Снижение насыщенной гидравлической проводимости, вызванное аэробными бактериями в песчаных столбах» (PDF ). Журнал Американского общества почвоведов. 56 (1): 1–13. Bibcode:1992SSASJ..56 .... 1V. Дои:10.2136 / sssaj1992.03615995005600010001x.
  6. ^ Xia, L .; Чжэн, X .; Shao, H .; Xin, J .; Солнце, З .; Ван, Л. (2016). «Влияние бактериальных клеток и двух типов внеклеточных полимеров на биоблокировку песчаных столбов». Журнал гидрологии. 535: 293–300. Bibcode:2016JHyd..535..293X. Дои:10.1016 / j.jhydrol.2016.01.075.
  7. ^ Gette-Bouvarot, M .; Mermillod-Blondin, F .; Angulo-Jaramillo, R .; Delolme, C .; Lemoine, D .; Lassabatere, L .; Loizeau, S .; Волатье, Л. (2014). «Объединение гидравлических и биологических измерений подчеркивает ключевое влияние водорослевой биопленки на работу инфильтрационного бассейна» (PDF ). Экогидрология. 7 (3): 950–964. Дои:10.1002 / eco.1421.
  8. ^ Секи, К .; Миядзаки, Т .; Накано, М. (1996). «Снижение гидравлической проводимости из-за микробного воздействия» (PDF ). Труды Японского общества инженеров ирригации, дренажа и мелиорации. 181: 137–144. Дои:10.11408 / jsidre1965.1996.137.
  9. ^ Секи, К .; Миядзаки, Т .; Накано, М. (1998). «Влияние микроорганизмов на снижение гидропроводности при инфильтрации» (PDF). Европейский журнал почвоведения. 49 (2): 231–236. Дои:10.1046 / j.1365-2389.1998.00152.x.
  10. ^ Jiang, Y .; Мацумото, С. (1995). «Изменение микроструктуры забитого грунта при очистке почвенных сточных вод при длительном погружении». Почвоведение и питание растений. 41 (2): 207–213. Дои:10.1080/00380768.1995.10419577.
  11. ^ Taylor, S.W .; Milly, P.C.D .; Jaffé, P.R. (1990). «Рост биопленок и связанные с ним изменения физических свойств пористой среды: 2. Проницаемость». Исследование водных ресурсов. 26 (9): 2161–2169. Bibcode:1990WRR .... 26.2161T. Дои:10.1029 / WR026i009p02161.
  12. ^ Zhao, L .; Zhu, W .; Тонг, В. (2009). «Процессы засорения, вызванные ростом биопленки и накоплением органических частиц в заболоченных территориях лабораторного масштаба с вертикальным потоком» (PDF ). Журнал экологических наук. 21 (6): 750–757. Дои:10.1016 / S1001-0742 (08) 62336-0. PMID  19803078.
  13. ^ Kim, J .; Choi, H .; Пачепский, Ю.А. (2010). «Морфология биопленок в связи с засорением пористой среды» (PDF ). Водные исследования. 44 (4): 1193–1201. Дои:10.1016 / j.watres.2009.05.049. PMID  19604533.
  14. ^ Секи, К .; Миядзаки, Т. (2001). «Математическая модель биологического забивания однородных пористых сред» (PDF). Исследование водных ресурсов. 37 (12): 2995–2999. Bibcode:2001WRR .... 37.2995S. Дои:10.1029 / 2001WR000395.
  15. ^ Reynolds, W.D .; Brown, D.A .; Mathur, S.P .; Оверенд, Р. П. (1992). «Влияние газонакопления на гидравлическую проводимость торфа». Почвоведение. 153 (5): 397–408. Bibcode:1992ПочваS.153..397R. Дои:10.1097/00010694-199205000-00007. S2CID  93225879.
  16. ^ Houot, S .; Бертелин, Дж. (1992). «Субмикроскопические исследования залежей железа в полевых дренажах: формирование и эволюция». Геодермия. 52 (3–4): 209–222. Bibcode:1992 Геод ... 52..209H. Дои:10.1016/0016-7061(92)90037-8.
  17. ^ Бауэр, Х. (2002). «Искусственное питание подземных вод: гидрогеология и инженерия» (PDF). Гидрогеологический журнал. 10 (1): 121–142. Bibcode:2002HydJ ... 10..121B. Дои:10.1007 / s10040-001-0182-4. S2CID  38711629.
  18. ^ Furumai, H .; Jinadasa, H.K.P.K .; Мураками, М .; Накадзима, Ф .; Ариал, Р. (2005). «Модельное описание функций хранения и инфильтрации инфильтрационных сооружений для анализа городских стоков с помощью распределенной модели» (PDF ). Водные науки и технологии. 52 (5): 53–60. Дои:10.2166 / wst.2005.0108. PMID  16248180.
  19. ^ Кристиансен, Р. (1981). «Желоба песочно-фильтровальные для очистки стоков септиков: I. Механизм засорения и физическая среда почвы». Журнал качества окружающей среды. 10 (3): 353–357. Дои:10.2134 / jeq1981.00472425001000030020x.
  20. ^ Nieć, J .; Спыхала, М .; Завадски, П. (2016). «Новый подход к моделированию засорения песочного фильтра стоками септика» (PDF). Журнал экологической инженерии. 17 (2): 97–107. Дои:10.12911/22998993/62296.
  21. ^ «Септик Биомат: определение, свойства». InspectAPedia. Получено 22 марта, 2017.
  22. ^ Mauclaire, L .; Schürmann, A .; Thullner, M .; Гамметр, S .; Зейер, Дж. (2004). «Медленная фильтрация песка на водоочистной станции: биологические параметры, ответственные за засорение». Журнал водоснабжения: исследования и технологии. 53 (2): 93–108. Дои:10.2166 / aqua.2004.0009.
  23. ^ Новичок, M.E .; Hubbard, S.S .; Fleckenstein, J.H .; Maier, U .; Schmidt, C .; Thullner, M .; Ульрих, С .; липо, N .; Рубин Ю. (2016). «Моделирование эффектов биоблоков на динамическую проницаемость русла и инфильтрацию». Исследование водных ресурсов. 52 (4): 2883–2900. Bibcode:2016WRR .... 52.2883N. Дои:10.1002 / 2015WR018351.
  24. ^ Davis, S .; Фэрбенкс, В .; Weisheit, H. (1973). «Пруды для молочных отходов эффективно самоуплотняющиеся». Сделки ASAE. 16 (1): 69–71. Дои:10.13031/2013.37447.
  25. ^ Ragusa, S.R .; de Zoysa, D.S .; Ренгасами, П. (1994). «Влияние микроорганизмов, засоления и мутности на гидравлическую проводимость почвы оросительного канала». Ирригационная наука. 15 (4): 159–166. Дои:10.1007 / BF00193683. S2CID  35184810.
  26. ^ Камон, М .; Zhang, H .; Кацуми, Т. (2002). «Редокс-эффект на гидравлическую проводимость глиняной футеровки» (PDF ). Почвы и фундаменты. 42 (6): 79–91. Дои:10.3208 / sandf.42.6_79.
  27. ^ Tang, Q .; Wang, H.Y .; Chen, H .; Li, P .; Tang, X.W .; Кацуми, Т. (2015). «Долговременная гидравлическая проводимость уплотненной глины, пропитанной фильтрами полигонов» (PDF ). Специальная публикация Японского геотехнического общества. 2 (53): 1845–1848. Дои:10.3208 / jgssp.CHN-52.
  28. ^ Иванов, В .; Стабников, В. (2017). «Глава 8: Биологическое заблуждение и биологические почвы». Строительная биотехнология: биогеохимия, микробиология и биотехнология строительных материалов и процессов.. Нью-Йорк: Спрингер. С. 139–178. ISBN  978-9811014444.
  29. ^ van Beek, C.G.E.M .; ван дер Коой, Д. (1982). «Сульфатредуцирующие бактерии в грунтовых водах из-за засорения и незаполнения неглубоких колодцев в речном регионе Нидерландов». Грунтовые воды. 20 (3): 298–302. Дои:10.1111 / j.1745-6584.1982.tb01350.x.
  30. ^ «Ремонт и реабилитация скважин». Groundwater Engineering Limited. Получено 22 марта, 2017.
  31. ^ Ли, доктор медицины; Thomas, J.M .; Borden, R.C .; Bedient, P.B .; Ward, C.H .; Уилсон, Дж. (1998). «Биовосстановление водоносных горизонтов, загрязненных органическими соединениями» (PDF ). Критический обзор экологического контроля. 18 (1): 29–89. Дои:10.1080/10643388809388342.
  32. ^ Naftz, D .; Моррисон, S.J .; Fuller, C.C .; Дэвис, Дж. (2002). Справочник по восстановлению подземных вод с использованием проницаемых реактивных барьеров: приложения к радионуклидам, следовым металлам и питательным веществам. Кембридж, Массачусетс: Academic Press. ISBN  978-0125135634.
  33. ^ Komlos, J .; Каннингем, А.Б .; Camper, A.K .; Шарп, Р.Р. (2004). «Биопленочные барьеры для удержания и разложения растворенного трихолорэтилена». Экологические процессы. 23 (1): 69–77. Дои:10.1002 / ep.10003.
  34. ^ Секи, К .; Thullner, M .; Hanada, J .; Миядзаки, Т. (2006). «Умеренное биоблокирование, ведущее к предпочтительным путям потока в биобарьерах» (PDF). Мониторинг и восстановление подземных вод. 26 (3): 68–76. Дои:10.1111 / j.1745-6592.2006.00086.x.
  35. ^ Lappan, R.E .; Фоглер, H.S. (1996). «Снижение проницаемости пористой среды на месте leuconostoc mesenteroides рост и производство декстрана ». Биотехнологии и биоинженерия. 50 (1): 6–15. CiteSeerX  10.1.1.1017.5978. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-0290 (19960405) 50: 1 <6 :: AID-BIT2> 3.0.CO; 2-L. PMID  18626894.