Tropical river suspended sediment and solute dynamics in storms during an extreme drought

Droughts, which can strongly affect both hydrologic and biogeochemical systems, are projected to become more prevalent in the tropics in the future. We assessed the effects of an extreme drought during 2015 on stream water composition in the Luquillo Mountains of Puerto Rico. We demonstrated that drought base flow in the months leading up to the study was sourced from trade-wind orographic rainfall, suggesting a resistance to the effects of an otherwise extreme drought. In two catchments (Mameyes and Icacos), we sampled a series of four rewetting events that partially alleviated the drought. We collected and analyzed dissolved constituents (major cations and anions, organic carbon, and nitrogen) and suspended sediment (inorganic and organic matter (particulate organic carbon and particulate nitrogen)). The rivers appeared to be resistant to extreme drought, recovering quickly upon rewetting, as (1) the concentration-discharge (C-Q) relationships deviated little from the long-term patterns; (2) “new water” dominated streamflow during the latter events; (3) suspended sediment sources had accumulated in the channel during the drought flushed out during the initial events; and (4) the severity of the drought, as measured by the US drought monitor, was reduced dramatically after the rewetting events. Through this interdisciplinary study, we were able to investigate the impact of extreme drought through rewetting events on the river biogeochemistry

Soil Aggregates as a Source of Dissolved Organic Carbon to Streams: An Experimental Study on the Effect of Solution Chemistry on Water Extractable Carbon

Over the past two decades, headwater streams of the northern hemisphere have shown increased amounts of dissolved organic carbon (DOC), coinciding with decreased acid deposition. The exact nature of the mechanistic link between precipitation composition and stream water DOC is still widely debated in the literature. We hypothesize that soil aggregates are the main source of stream water DOC and that DOC release is greater in organic rich, riparian soils vs. hillslope soils. To test these hypotheses, we collected soils from two main landscape positions (hillslope and riparian zones) from the acid-impacted Sleepers River Research Watershed in northeastern Vermont. We performed aqueous soil extracts with solutions of different ionic strength (IS) and composition to simulate changes in soil solution. We monitored dynamic changes in soil particle size, aggregate architecture and composition, leachate DOC concentrations, dissolved organic matter (DOM) characteristics by fluorescence spectroscopy and trends in bioavailability. In low IS solutions, extractable DOC concentrations were significantly higher, particle size (by laser diffraction) was significantly smaller and organic material was separated from mineral particles in scanning electron microscope observations. Furthermore, higher DOC concentrations were found in Na+ compared to Ca2+ solutions of the same IS. These effects are attributed to aggregate dispersion due to expanding diffuse double layers in decreased IS solutions and to decreased bridging by divalent cations. Landscape position impacted quality but not quantity of released DOC. Overall, these results indicate that soil aggregates might be one important link between Critical Zone inputs (i.e., precipitation) and exports in streams

Does stream water composition at sleepers river in vermont reflect dynamic changes in soils during recovery from acidification?

Stream water pH and composition are widely used to monitor ongoing recovery from the deposition of strong anthropogenic acids in many forested headwater catchments in the northeastern United States. However, stream water composition is a function of highly complex and coupled processes, flowpaths, and variations in soil and bedrock composition. Spatial heterogeneity is especially pronounced in headwater catchments with steep topography, potentially limiting stream water composition as an indicator of changes in critical zone (CZ) dynamics during system recovery. To investigate the link between catchment characteristics, landscape position, and stream water composition we used long-term data (1991–2015) from the Sleepers River Research Watershed (SRRW) in northeastern Vermont. We investigated trends with time in stream water and trends with time, depth, and landscape position (upslope, midslope, and riparian zone) in groundwater (GW) and soil solution. We further determined soil elemental composition and mineralogy on archived (1996) and modern (2017) soil samples to assess changes in composition with time. SRRW is inherently well-buffered by calcite in bedrock and till, but soils had become acidified and are now recovering from acidification. Although base cations, especially Ca, decrease progressively with time in GW, riparian soils have become more enriched in Ca, due to a mixture of lateral and vertical transfers. At the same time stream water Ca fluxes increased over the past two decades, likely due to the leaching of (transient) legacy Ca from riparian zones and increased water fluxes. The stream water response therefore reflects the dynamic changes in soil chemistry, flow routing and water inputs

Surficial weathering of iron sulfide mine tailings under semi-arid climate

Mine wastes introduce anthropogenic weathering profiles to the critical zone that often remain unvegetated for decades after mining cessation. As such, they are vulnerable to wind and water dispersion of particulate matter to adjacent ecosystems and residential communities. In sulfide-rich ore tailings, propagation to depth of the oxidative weathering front controls the depth-variation in speciation of major and trace elements. Despite the prevalence of surficial mine waste deposits in arid regions of the globe, few prior studies have been conducted to resolve the near-surface profile of sulfide ore tailings weathered under semi-arid climate. We investigated relations between gossan oxidative reaction-front propagation and the molecular speciation of iron and sulfur in tailings subjected to weathering under semi-arid climate at an EPA Superfund Site in semi-arid central Arizona (USA). Here we report a multi-method data set combining wet chemical and synchrotron-based X-ray diffraction (XRD) and X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES) methods to resolve the tight coupling of iron (Fe) and sulfur (S) geochemical changes in the top 2 m of tailings. Despite nearly invariant Fe and S concentration with depth (130-140 and 100-120 g kg-1, respectively), a sharp redox gradient and distinct morphological change was observed within the top 0.5 m, associated with a progressive oxidative alteration of ferrous sulfides to (oxyhydr)oxides and (hydroxy)sulfates. Transformation is nearly complete in surficial samples. Trends in molecular-scale alteration were co-located with a decrease in pH from 7.3 to 2.3, and shifts in Fe and S lability as measured via chemical extraction. Initial weathering products, ferrihydrite and gypsum, transform to schwertmannite, then jarosite-group minerals with an accompanying decrease in pH. Interestingly, thermodynamically stable phases such as goethite and hematite were not detected in any samples, but ferrihydrite was observed even in the lowest pH samples, indicating its metastable persistence in these semiarid tailings. The resulting sharp geochemical speciation gradients in close proximity to the tailings surface have important implications for plant colonization, as well as mobility and bioavailability of co-associated toxic metal(loid)s.24 month embargo; published online: 5 June 2014This item from the UA Faculty Publications collection is made available by the University of Arizona with support from the University of Arizona Libraries. If you have questions, please contact us at [email protected]

A Tale of Two Oxidation States: Bacterial Colonization of Arsenic-Rich Environments

Microbial biotransformations have a major impact on contamination by toxic elements, which threatens public health in developing and industrial countries. Finding a means of preserving natural environments—including ground and surface waters—from arsenic constitutes a major challenge facing modern society. Although this metalloid is ubiquitous on Earth, thus far no bacterium thriving in arsenic-contaminated environments has been fully characterized. In-depth exploration of the genome of the β-proteobacterium Herminiimonas arsenicoxydans with regard to physiology, genetics, and proteomics, revealed that it possesses heretofore unsuspected mechanisms for coping with arsenic. Aside from multiple biochemical processes such as arsenic oxidation, reduction, and efflux, H. arsenicoxydans also exhibits positive chemotaxis and motility towards arsenic and metalloid scavenging by exopolysaccharides. These observations demonstrate the existence of a novel strategy to efficiently colonize arsenic-rich environments, which extends beyond oxidoreduction reactions. Such a microbial mechanism of detoxification, which is possibly exploitable for bioremediation applications of contaminated sites, may have played a crucial role in the occupation of ancient ecological niches on earth

Nature and role of the solid suspended matter in the dynamic of pollutant transfer

Afin de caractériser la nature et le rôle des particules fines et colloïdales (PFC) dans les milieux de subsurface, le suivi dans le temps des PFC contenues à la fois dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration et la détermination des facteurs contrôlant la distribution et l'évolution des PFC dans l'environnement a été réalisée. La démarche utilisée est basée essentiellement sur des observations in situ et consiste à prélever mensuellement, sur le terrain, les PFC contenues dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration d'un sol. L'étude en MET/EDX des PFC individuelles à permis de réaliser une caractérisation typologique et physicochimiques et d'étudier leur abondance et leur réactivité face aux contaminants. Par ailleurs, la connaissance des paramètres environnementaux de chacun des sites et l'étude statistique détaillée de l'évolution de PFC a permis de proposer un modèle conceptuel de la l'évolution dynamique (distribution, réactivité) des PFC dans les environnements considérés. Les résultats obtenus en microscopie montrent que la très grande majorité des particules ont un diamètre inférieur à 0,45 m. L'étude systématique au MET et à l'EDX des échantillons a permis de caractériser les particules présentes et de différencier plusieurs types récurrents dans des contextes environnementaux distincts, ainsi les PFC sont, (i) minérales et constituées par des argiles plus ou moins altérées, des oxy-hydroxydes et des sels (sulfures, chlorures) avec la présence ponctuelle de carbonates et de tectosilicates, ou (ii) organiques et constituées par des bactéries ou de la matière organique non-vivante (exsudats de bactérie et matière organique dégradée), ou encore (iii) des associations mixtes de particules organiques et minérales formant des micro-agrégats organominéraux. Au-delà de l'étude typologique, la caractérisation des propriétés physico-chimiques des différents types de PFC a permis d'en identifier les sources, l'abondance et la réactivité. L'étude de la distribution au cours du temps des PFC des retombées atmosphériques et la connaissances des facteurs environnementaux sur les deux sites étudiés a permis de mettre en évidence les facteurs clefs contrôlant la distribution des PFC. Ainsi, il apparaît, dans un premier temps, que l'intensité et la hauteur de pluie sont les facteurs principaux mis en jeu. Cependant, la localisation et le mode d'occupation des sols influent également en modifiant, en amont, les sources de PFC et en aval l'action de la pluie. En effet, si l'étude de la dynamique des PFC des retombées atmosphériques sur les deux sites montre une influence très nette de la pluie, les deux sites montrent une réponse différente. L'acteur majeur contrôlant les dépôts de PFC est la pluie, modifié par la présence de couvert végétal qui induit un enrichissement en éléments et l'agrégation des PFC sur les feuilles. L'acteur majeur contrôlant les PFC dans les eaux d'infiltration du sol étudié est la dynamique hydrique du sol et donc les fluctuations de son état de saturation en fonction de la profondeur considérée et de la pluviosité. Enfin, ce travail permet de souligner trois résultats importants que sont : la mise au point d'une méthodologie efficace, la mise en évidence d'un vecteur de contaminants essentiel et souvent négligé que sont les bactéries, via les observations in situ et des expériences en laboratoire et l'importance des mécanismes d'agrégation dans le transport des PFC.Pas de résum

Nature et rôle des matières solides en suspension dans la dynamique du transfert des éléments polluants

In order to characterize the nature and the role of fine and colloidal particles (FCP) in subsurface environments, a time-monitoring of FCP from atmospheric deposition and soil infiltration water and the determination of key factors controlling the distribution of the FCP were performed. The methodology is essentially based on in situ observations and consists on month-scale sampling of the FCP from atmospheric deposition (under a forest and over a vineyard) and soil infiltration water (in the vineyard). TEM/EDX study of individual FCP permitted a typological and physical-chemical characterization as well as the study of their abundance and reactivity facing contaminants. Moreover knowing the environmental parameters of each sampling sites and detailed statistical study of FCP evolution permitted to propose a conceptual model of the dynamic evolution (distribution, reactivity) of the FCP in the sampled environments. Microscopic observations showed that the majority of particles have a diameter inferior to 0.45 µm. Systematic investigations on the samples using TEM and EDX permitted to characterize particles and differentiate several recurrent types in the distinct environments. Then FCP are (i) mineral-types composed of automorphous and altered clays, oxi-hydroxides and salts (sulphur and chlorine) including rare tectosilicates and carbonates, or (ii) organic-types composed of bacteria and non-living organic matter (bacterial products and altered organic matter), or (iii) association of organic and mineral types forming organo-mineral micro-aggregates. Additionally, the characterization of physical and chemical properties of the different types of FCP permitted to identify their source, abundance and reactivity. The study of the time-distribution of the atmospheric FCP combined with the knowledge of environmental factors on the two sampling sites permitted to determine the key-factors that control the FCP distribution. Then, it appears that the amount and the intensity of the rain are the primarily factors. However, geographical position and occupation mode of the soils also have an influence by modifying, before the sources and after the rain action. Indeed, even if the study of the dynamic of the atmospheric FCP shows a strong influence of the rain, both sites have a different answer. The main actor controlling FCP from atmospheric deposition is the rain, modify by the vegetal cover which lead to a chemical enrichment and aggregation onto the leaves. The main actor controlling FCP from the soil infiltration water is the hydrological properties of the soil and so the fluctuation of the saturated state according to depth leading to aggregation processes. Finally, this work highlighted three important results: (i) the development of an efficient methodology, (ii) the evidence of an essential and often neglected contaminant vector, which are bacteria, via in situ observations and batch experiments, and (iii) the importance of the micro-aggregation processes in the transport of the FPC.Afin de caractériser la nature et le rôle des particules fines et colloïdales (PFC) dans les milieux de subsurface, le suivi dans le temps des PFC contenues à la fois dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration et la détermination des facteurs contrôlant la distribution et l'évolution des PFC dans l'environnement a été réalisée. La démarche utilisée est basée essentiellement sur des observations in situ et consiste à prélever mensuellement, sur le terrain, les PFC contenues dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration d'un sol. L'étude en MET/EDX des PFC individuelles à permis de réaliser une caractérisation typologique et physico-chimiques et d'étudier leur abondance et leur réactivité face aux contaminants. Par ailleurs, la connaissance des paramètres environnementaux de chacun des sites et l'étude statistique détaillée de l'évolution de PFC a permis de proposer un modèle conceptuel de la l'évolution dynamique (distribution, réactivité) des PFC dans les environnements considérés. Les résultats obtenus en microscopie montrent que la très grande majorité des particules ont un diamètre inférieur à 0,45 µm. L'étude systématique au MET et à l'EDX des échantillons a permis de caractériser les particules présentes et de différencier plusieurs types récurrents dans des contextes environnementaux distincts, ainsi les PFC sont, (i) minérales et constituées par des argiles plus ou moins altérées, des oxy-hydroxydes et des sels (sulfures, chlorures) avec la présence ponctuelle de carbonates et de tectosilicates, ou (ii) organiques et constituées par des bactéries ou de la matière organique non-vivante (exsudats de bactérie et matière organique dégradée), ou encore (iii) des associations mixtes de particules organiques et minérales formant des micro-agrégats organo-minéraux. Au-delà de l'étude typologique, la caractérisation des propriétés physico-chimiques des différents types de PFC a permis d'en identifier les sources, l'abondance et la réactivité. L'étude de la distribution au cours du temps des PFC des retombées atmosphériques et la connaissances des facteurs environnementaux sur les deux sites étudiés a permis de mettre en évidence les facteurs clefs contrôlant la distribution des PFC. Ainsi, il apparaît, dans un premier temps, que l'intensité et la hauteur de pluie sont les facteurs principaux mis en jeu. Cependant, la localisation et le mode d'occupation des sols influent également en modifiant, en amont, les sources de PFC et en aval l'action de la pluie. En effet, si l'étude de la dynamique des PFC des retombées atmosphériques sur les deux sites montre une influence très nette de la pluie, les deux sites montrent une réponse différente. L'acteur majeur contrôlant les dépôts de PFC est la pluie, modifié par la présence de couvert végétal qui induit un enrichissement en éléments et l'agrégation des PFC sur les feuilles. L'acteur majeur contrôlant les PFC dans les eaux d'infiltration du sol étudié est la dynamique hydrique du sol et donc les fluctuations de son état de saturation en fonction de la profondeur considérée et de la pluviosité. Enfin, ce travail permet de souligner trois résultats importants que sont : la mise au point d'une méthodologie efficace, la mise en évidence d'un vecteur de contaminants essentiel et souvent négligé que sont les bactéries, via les observations in situ et des expériences en laboratoire et l'importance des mécanismes d'agrégation dans le transport des PFC

Nature and role of the solid suspended matter in the dynamic of pollutant transfer

Afin de caractériser la nature et le rôle des particules fines et colloïdales (PFC) dans les milieux de subsurface, le suivi dans le temps des PFC contenues à la fois dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration et la détermination dePas de résum