Bacteriophages as surface and ground water tracers

Abstract

Abstract. Bacteriophages are increasingly used as tracers for quantitative analysis in both hydrology and hydrogeology. The biological particles are neither toxic nor pathogenic for other living organisms as they penetrate only a specific bacterial host. They have many advantages over classical fluorescent tracers and offer the additional possibility of multi-point injection for tracer tests. Several years of research make them suitable for quantitative transport analysis and flow boundary delineation in both surface and ground waters, including karst, fractured and porous media aquifers. This article presents the effective application of bacteriophages based on their use in differing Swiss hydrological environments and compares their behaviour to conventional coloured dye or salt-type tracers. In surface water and karst aquifers, bacteriophages travel at about the same speed as the typically referenced fluorescent tracers (uranine, sulphurhodamine G extra). In aquifers of interstitial porosity, however, they appear to migrate more rapidly than fluorescent tracers, albeit with a significant reduction in their numbers within the porous media. This faster travel time implies that a modified rationale is needed for defining some ground water protection area boundaries. Further developments of other bacteriophages and their documentation as tracer methods should result in an accurate and efficient tracer tool that will be a proven alternative to conventional fluorescent dyes.

Characterizing Water Circulation and Contaminant Transport in Lake Geneva Using Bacteriophage Tracer Experiments and Limnological Methods

“…These phages can be easily produced in large quantities (e.g., 10 15 phages in 10 L) but detected at extremely low levels (∼1 phage in 2 mL); furthermore, they are not harmful to humans and the aquatic environment. Phages are particularly useful to simulate transport and attenuation processes in saturated and un-saturated porous media, either by means of column or batch experiments in the laboratory (8,9) or field experiments in sand and gravel aquifers (10)(11)(12)(13)(14), flowing surface waters (12), waste stabilization ponds (15), or constructed wetland areas (16). Naturally occurring phages that infect fecal or patho-genic bacteria are increasingly used as contamination indicators (17).…”

Review: Microbial biocenoses in pristine aquifers and an assessment of investigative methods

“…bacteriophages to simulate viruses, and microspheres to simulate bacteria and protozoans (e.g. Auckenthaler et al 2002;Craun et al 2002;DeBorde et al 1998;Edberg et al 1997;Flanigan and Rodgers 2003;Flynn 2003;Golas et al 2002;Herwaldt et al 1992;Lillis and Bissonnette 2001;Lisle and Rose 1995;Mahler et al 2000;Nasser et al 1993;Rossi et al 1998;Schaffter and Parriaux 2002;Szewzyk et al 2000).…”

Traçadores: o uso de agentes químicos para estudos hidrológicos, ambientais, petroquímicos e biológicos

“…De modo geral, os traçadores biológicos devem apresentar as seguintes características: fácil crescimento em grandes culturas, não serem patogênicos (para animais, plantas e humanos), não estarem presentes no meio em estudo, não terem movimento próprio, entre outros. 34,49,50 Os principais micro-organismos utilizados como traçadores são: vírus, bactérias, leveduras, protozoários e esporos. As bactérias são os microrganismos comumente utilizados em estudos hidrológicos, enquanto o uso de leveduras e protozoários é limitado devido ao tamanho e tempo de sobrevivência; os vírus apresentam o inconveniente de alguns serem patogênicos aos seres humanos.…”

“…No entanto, estes agentes têm como inconvenientes sua forte interação com o meio físico (não são conservativos) e a necessidade de um alto grau de sofisticação para sua cultura. 34,49,50…”

“…8,34,35 Outros exemplos da aplicação ambiental de traçadores fluorescentes podem ainda ser citados: a rodamina tem sido utilizada para avaliar a deposição de pesticidas e xenobióticos no solo por apresentar adsorção diferenciada, 36 rodamina-B e complexos com íons lantanídeos são utilizados no estudo do transporte de colóides em meios porosos, na contaminação de águas subterrâneas e solo; 37 no estudo da erosão e morfodinâmica de rochas costeiras. 38 É destacável o uso recente de traçadores fluorescentes neurais, ou trans-sinápticos, como a 5-benzofurancarboximiamida, o 39,40 FE e FR -que são, na verdade, tipos de dextran conjugados -dextranfluoresceína (FE) e dextran-tetrametilrodamina (FR) (o polissacarí-deo dextran é obtido a partir da solução de açúcar infectada com a bactéria Leuconostoc mesenteroides e possui uma pressão osmótica similar ao plasma sanguíneo).…”