MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a378.1
■1001  ▼aLiu,  Yutong.
■24510▼aStrategies  to  Stimulate  Biosulfidogenesis  in  the  Deep  Layer  of  a  Meromictic  Acidic  Pit  Lake  for  Environmental  Remediation
■260    ▼a[Sl]▼bThe  Pennsylvania  State  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a208  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-01,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Burgos,  William  D.;Macalady,  Jennifer  L.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Pennsylvania  State  University,  2025.
■520    ▼aAcidic  pit  lakes  are  formed  by  the  flooding  of  abandoned  open  pit  mines,  where  the  polymetallic  sulfide  ores  are  exposed  to  water,  and  oxidants,  such  as  oxygen  (O₂)  and  ferric  iron  (Fe³⁺),  catalyze  their  oxidative  dissolution.  They  posed  significant  environmental  challenges  over  the  past  few  decades,  particularly  after  periods  of  intense  mining  activity  and  the  closure  of  mining  sites  without  proper  protection  and  restoration  measures,  resulting  in  the  collection  of  significantly  metal(loid)-rich  and  acidic  water  in  open  ponds.  The  water  in  acidic  pit  lakes  is  widely  regarded  as  a  pressing  environmental  issue  requiring  remediation.  This  Ph.D.  research  focused  on  studying  processes  occurring  in  the  deep  layer  of  the  well-studied  meromictic  acidic  pit  lake,  Cueva  de  la  Mora  (CM),  located  in  Huelva  Province  in  southwestern  Spain.Chapters  2  and  3  focused  on  strategies  for  the  removal  of  harmful  metal(loid)s  and  the  neutralization  of  lake  water.  Traditional  remediation  methods  primarily  employ  alkaline  addition,  such  as  soda  ash  or  lime,  to  raise  pH  and  immobilize  such  metal(loid)s  by  forming  metal  hydroxide  and/or  metal  carbonate  precipitates.  However,  this  approach  can  be  expensive  and  generate  secondary  pollutants,  such  as  bulky  sludge  (Johnson  et  al.,  2019).  Herein,  we  stimulated  biogenic  dissimilatory  sulfate  reduction  (biosulfidogenesis)  as  an  alternative  approach  to  immobilize  harmful  metal(loid)s  by  precipitating  them  as  low-solubility  metal(loid)-sulfide  compounds.  A  challenge  with  this  approach,  however,  is  the  lack  of  electron  donors  in  the  deep  layer  of  CM  to  facilitate  dissimilatory  sulfate  reduction.  Furthermore,  although  previous  research  has  revealed  the  presence  of  sulfate-reducing  bacteria  (SRB)  and  genes  regulating  dissimilatory  sulfate  reduction  in  the  deep  layer  of  CM,  the  relative  abundance  of  SRB  is  below  1%,  and  the  gene  abundance  is  lower  than  that  of  other  major  metabolic  pathways.  This  leads  to  uncertainty  regarding  the  growth  of  SRB  to  functionally  significant  levels.Chapter  2  aimed  to  promote  biosulfidogenesis  by  supplying  substrates  that  are  lacking  in  the  deep  layer  of  CM  in  a  lab-based  study.  Glycerol  was  selected  as  the  organic  substrate  and  electron  donor,  demonstrating  its  effectiveness  in  promoting  biosulfidogenesis  in  this  layer.  The  combined  addition  of  glycerol  and  elemental  sulfur  (S(0))  further  increased  sulfide  production  rates  and  enhanced  the  removal  of  metal(loid)s.  This  suggested  that  acid-tolerant  sulfate-reducing  microorganisms  in  the  deep  layer  of  CM  can  also  utilize  S(0)  as  an  electron  acceptor  to  produce  sulfide,  provided  that  suitable  electron  donors  are  available.  Notably,  sulfur  disproportionation  did  not  occur  in  the  presence  of  S(0)  on  its  own.  From  a  microbiological  perspective,  the  addition  of  glycerol  enriched  the  acid-tolerant  SRB  genus  Desulfosporosinus(76%-96%  relative  abundance);  even  more  efficient  sulfide  production  were  observed  in  microcosms  containing  both  glycerol  and  S(0),  along  with  a  higher  enrichment  of  Desulfosporosinus(93-99%).  This  chapter  was  accepted  for  publication  in  Frontiers  in  Microbiologyin  September  2024.Chapter  3  evaluated  high-density  biomass  as  the  substrate  and  electron  donors  to  stimulate  biosulfidogenesis  in  the  deep  layer  of  CM  in  a  lab-based  study.  Solid-phase  amendments  were  selected  because  they  can  be  pressed  into  pelletized  form  that  is  dense  enough  to  settle  into  the  deep  layer  of  a  stratified  lake.  This  'direct  delivery'  of  electron  donor  overcomes  the  current  'indirect  method'  to  stimulate  algae  growth  in  the  upper  layer  of  the  lake  and  wait  for  it  to  die  and  settle  into  the  deep  layer.  Solid-phase  amendments  tested  were  two  acid-tolerant  microalgae  and  one  aquatic  plant.  Coccomyxa,the  dominant  microalgal  genus  in  the  surface  layer  and  chemocline  of  CM,  was  introduced  in  dry  powder  form  as  the  organic  substrate.  Additionally,  other  types  of  solid-phase  biomass,  including  the  acid-tolerant  microalgae  Euglena,  and  duckweed  (Lemnoideae  minor)  were  evaluated.  All  types  of  solid-phase  biomass  tested  promoted  the  growth  of  acid-tolerant  SRB  and  enhanced  sulfide  production.  Biocomponents  of  these  complex  amendments  were  assessed  to  better  understand  the  stimulatory  effects  of  amino  acids,  sugars,  and  long-chain  fatty  acids.  Amino  acids  emerged  as  the  preferred  biocomponent  for  sulfate  reduction  in  the  deep  layer  of  CM,  based  on  the  shorter  adaptation  period,  while  sugar  monomers  demonstrated  a  sulfide  production  rate  comparable  to  that  of  amino  acids  once  dissimilatory  sulfate  reduction  commenced.Chapter  4  addressed  another  potential  limiting  factor  leading  to  low  sulfide  accumulation  and  metal(loid)  removal  in  the  deep  layer  of  CM:  the  suspected  continuous  input  of  trace  amounts  of  oxygen  due  to  groundwater  recharge.  According  to  the  chemical  profiles  of  this  lake,  sulfide  was  produced  and  accumulated  under  strictly  anoxic  conditions  but  underwent  biogenic  re-oxidation  upon  the  introduction  of  trace  oxygen.  Simultaneously,  metal(loid)s,  particularly  arsenic,  which  had  been  immobilized  under  anoxic  conditions,  re-dissolved  upon  oxygen  exposure.  Biologically,  the  acid-tolerant  SRB  genus  Desulfosporosinuswas  significantly  enriched  under  anoxic  conditions  but  its  growth  was  inhibited  under  oxic  conditions.  In  contrast,  the  acid-tolerant  sulfur-oxidizing  bacterial  genus  Acidithiobacillusproliferated  under  oxic  conditions,  increasing  in  abundance  with  an  increasing  number  of  redox  oscillation  phases.  Genetic  analysis  via  quantitative  polymerase  chain  reaction  (qPCR)  revealed  the  high  abundance  of  dissimilatory  sulfate  reduction  genes  under  anoxic  conditions  but  their  inhibition  upon  the  introduction  of  trace  amounts  of  oxygen.  Conversely,  sulfur-oxidizing  genes  remained  undetected  until  oxygen  was  introduced,  and  their  abundance  gradually  increased  with  prolonged  oxygen  exposure.  In  conclusion,  this  research  demonstrated  that  biogenic  sulfur  oxidation,  stimulated  by  the  continuous  input  of  trace  amounts  of  oxygen,  is  a  critical  factor  limiting  sulfide  accumulation  and,  consequently,  suppressing  metal(loid)  removal.  To  the  best  of  our  knowledge,  this  is  the  first  laboratory  study  investigating  the  complete  S  cycle  in  acidic  pit  lakes.
■590    ▼aSchool  code:  0176.
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■71020▼aThe  Pennsylvania  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-01B.
■790    ▼a0176
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358651▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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