Acetate stimulated microbial iron and sulfate reduction and methanogenesis in saturated soil columns affected by dissolution of cement debris

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Construction and Demolition Wastes (CDWs) have become a significant environmental concern due to urbanization and population growth. CDWs are commonly disposed to landfill sites and can generate high pH leachate with various organic and inorganic constituents such as acetate and sulfate, which may affect biogeochemical properties in surrounding environments. Previous studies have mainly focused on changes in geochemical properties and contaminant concentrations. However, the impact of CDW leachate on microbial reactions and communities in subsurface environments remains poorly understood. Here we investigated the continuous impact of CDW leachate on subsurface environments using columns composed of two soil layers: the top layer with cement debris and the bottom layer without cement debris. The columns were fed with artificial groundwater with or without acetate and/or sulfate. The pH of the bottom layer in all columns rapidly increased to 8 - 10 within 28 d. Fe(III)- and sulfate-reduction did not occur in the columns without acetate. However, in the column with acetate alone, Fe(II) was produced with increase in relative abundance of Fe(III)-reducing bacteria followed by increase in methanogenic archaea, Methanosarcina, indicating potential methanogenesis. In the column with both acetate and sulfate, Fe(III) and sulfate were reduced simultaneously along with increase in both Fe(III)- and sulfate-reducing bacteria, and then Methanosarcina appeared at the later time. The results demonstrate that microbial Fe(III)- and sulfate-reduction as well as acetoclastic methanogenesis can occur even in soils with high alkaline pH resulting from the dissolution of cement debris. These results provide insights into the relationship between CDW leachate and subsurface microorganisms and emphasize the need for further research to thoroughly understand the impact of various types of CDW leachates on subsurface biogeochemistry.

국문 초록 (Abstract)

건설폐기물은 도시화와 인구 증가로 인해 주요한 환경문제로 대두되고 있다. 건설폐기물은 일반적으로 매립지를 통해 처리되며, 다양한 유기 및 무기 성분을 포함하며 높은 pH 침출수를 생성하며 주변 환경의 생지구화학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 이전 연구는 주로 지화학적 특성과 오염 물질의 농도 변화에 초점을 맞추었다. 그러나 침출수가 지중 환경의 미생물학적 반응과 군집에 미치는 영향에 대해 여전히 잘 알려져 있지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 두 개의 토양층으로 구성된 컬럼을 이용하여 침출수가 지중 환경에 미치는 영향을 조사했다. 토양층은 시멘트 잔해를 포함하는 상단 층과 시멘트 잔해가 없으며 매립지 하부 지층을 모사하는 하부층으로 구성되어 있다. 침출수는 아세테이트와 황산염의 유무에 따라 다른 조성의 인공 지하수를 통해 모사하였다. 모든 컬럼의 토양층에서 pH는 28일 이내 8 - 10으로 빠르게 증가하였다. 아세테이트가 없는 컬럼에서는 철 환원과 황산염 환원이 발생하지 않았다. 아세테이트가 있는 컬럼에서는 Fe(II) 농도 증가와 철 환원 박테리아의 상대 풍부도의 증가가 관찰되었으며, 이후 아세테이트를 통해 메탄생성을 하는 고세균인 Methanosarcina가 증가함으로 메탄생성 과정이 일어났음을 보여 주었다. 아세테이트와 황산염을 모두 포함한 컬럼에서는 철 환원과 황산염 환원 박테리아의 상대 풍부도가 동시에 증가하며, 이후 Methanosarcina가 관찰되었다. 연구 결과, 시멘트 파편의 용해로 인한 높은 pH 환경에서도 미생물학적 철 환원, 황산염 환원 및 메탄생성과정이 발생할 수 있음을 보여준다. 이러한 결과는 건설폐기물 매립지에서 발생한 침출수와 지중환경 내 미생물 활동 관계에 대한 통찰력을 제시하며 향후 다양한 조성의 침출수가 지중환경 내 생지구화학적 인자에 미치는 영향에 대한 추가 연구의 필요성을 강조한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• 국문초록 iii
• ACKNOWLEGMENTS v
• TABLE OF CONTNETS vi
• LIST OF TABLES viii
• LIST OF FIGURES ix
• 1. INTRODUCTION 1
• 2. MATERIALS AND METHODS 4
• 2.1 Column design and operation 4
• 2.2 Geochemical analysis 9
• 2.3 Microbial community analysis 10
• 3. RESUTLS 12
• 3.1 Changes in geochemical properties during the column experiment 12
• 3.2 Microbial community diversity and composition 17
• 4. DISCUSSIONS 30
• 4.1 The potential impacts of sodium sulfate and/or sodium acetate on dissolution of cement debris 30
• 4.2 The impacts of alkaline leachate on microbial iron and sulfate reduction and methanogenesis in CDW landfill subsurface environments 32
• 4.3 Constraints and characteristics of microbial communities in high pH environments due to cement dissolution 35
• 4.4 Differential alkaline stress response in attached and planktonic bacteria community structure exposed to dissolution of cement 37
• 5. CONCLUSION 39
• 6. REFURENCES 40