تتكون العديد من المعادن التفاعلية المهمة أثناء معالجة المياه الجوفية في الموقع ؛ ومع ذلك، غالبا ما تواجه الطرق التقليدية القائمة على لب الحفر تحديات في جمع هذه المعادن. تقدم هذه المقالة تقنيات لاستخدام جهاز Min-Trap، وهو جهاز مبتكر لأخذ عينات سلبية، لجمع وقياس المعادن التفاعلية من آبار المراقبة التقليدية بفعالية.
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
تلعب التفاعلات الكيميائية والجيوكيميائية والميكروبيولوجية تحت السطح، مثل تكوين المعادن التفاعلية، وتوليد الغازات، وامتصاص الملوثات، دورا حاسما في تشكيل استراتيجيات المعالجة. ومع ذلك، فإن تقييم هذه العمليات على نطاق الملعب غالبا ما يكون محدودا بتكلفة وتدخل طرق العينات التقليدية. يوفر جهاز أخذ المعادن بديلا عمليا ومنخفض التكلفة لمراقبة تكوين المعادن التفاعلية في الموقع دون الحاجة إلى حفر إضافي أو استخراج النواة. يتم نشره ضمن فترة الشاشة لبئر المراقبة، حيث يجمع العنة بشكل سلبي الرواسب المعدنية والكتلة الحيوية الميكروبية على مدى ما لا يقل عن ثلاثين يوما. بعد استرجاعها، يتم إغلاق العينة بالتفريغ ونقلها على الثلج إلى المختبر للتحليل باستخدام تقنيات تجارية قياسية. تمكن هذه الابتكارات العلماء والمهندسين من تقييم معدل وتوزيع المساحة لأمطار المعادن، مما يوفر رؤى قيمة حول الظروف تحت السطحية. من خلال تقديم بيانات قابلة للتنفيذ حول تكوين المعادن والنشاط الميكروبي، يدعم جهاز أخذ عينات المصائد المعدنية تقييمات الأداء ويساعد في توجيه استراتيجيات التحسين لأنظمة المعالجة. بساطته وإمكانية تحملها تجعلها أداة مفيدة لتحسين توصيف الموقع وإدارته على المدى الطويل.
المقدمة
غالبا ما تعتمد معالجة المياه الجوفية للمذيبات المكلورة والملوثات المعدنية على تكوين أو ذوبان أو تحول المعادن التفاعلية التي تحلل أو تختصر الملوثات في الموقع. حقن مصادر الكربون العضوي (مثل اللاكتات، دبس السكر، زيت النبات المستحلب) يحفز البكتيريا المحلية التي تقلل الحديد والكبريتات، والتي تولد كبريتيد الهيدروجين والحديد المختزل. تتفاعل هذه المعادن لتكوين معادن كبريتيد الحديد - وبشكل رئيسي ماكيناويت (FeS) والبريت (FeS2)، والتي تحول بشكل غير حيوي المركبات العضوية المتطايرة المكلورة (CVOCs) 1,2,3,4,5,6.
يمكن أن يعزز التحقق المباشر من تكوين المعادن التفاعلية المستهدفة في الميدان تحسين استراتيجيات المعالجة من خلال تعزيز الظروف التي تعظم تطور المعادن وبالتالي إمكانية التحلل اللاحيوي للمركبات العضوية المتطيرة المكلورة (CVOCs). ومع ذلك، عادة ما تستنتج تقييمات تكوين المعادن من مؤشرات الطور المائي (أي تحليلات المياه الجوفية)، بسبب القيود اللوجستية والمالية الكبيرة المرتبطة بالحصول على عينات ذات الطور الصلب7،8. يعتمد التقييم التقليدي لتكوين المعادن التفاعلية على استنتاج تغيرات الطور الصلب من قياسات الطور المائي. يمكن جمع عينات الطور الصلب، لكن ذلك يتطلب حفرا أو حفر سطحيا عالي التكلفة لأخذ عينات التربة والصخور، وهو ما يرتبط عادة بتغطية مكانية محدودة وعدم القدرة على جمع عينات متكررة لتقييم التغيرات مع مرور الوقت. علاوة على ذلك، يرتبط الحفر بزيادة الوقت والعمالة ومخاطر السلامة الصحية. غالبا ما تعيق هذه القيود تحسين استراتيجيات العلاجات في الوقت المناسب والإثبات الحاسم لوجود المعادن التفاعلية.
فخ المين، الذي يشار إليه لاحقا بفخ المعادن، هو جهاز أخذ عينات منخفض التكلفة في الموقع مصمم لآبار المراقبة بقطر 2 بوصة أو أكبر. يتكون من "وسائد" من شبكة نايلون معبأة بمصفوفة طور صلبة (مثل رمل السيليكا أو مادة الموقع) محاطة بغلاف PVC مشقوق9. تنشر المصائد المعدنية لأسابيع إلى أشهر تحت تدفق المياه الجوفية المحلية، حيث تلتقط المعادن المتسمرة دون حفر متطفل. بعد فترة الحضانة هذه، تزال المصائد المعدنية من بئر المراقبة، وتقدم الوسائد الرملية داخل غلاف PVC للتحليل المخبري لتحديد وقياس المعادن التي تم التقاطها أثناء النشر. تتوفر تفاصيل إضافية حول مواصفات تصميم مصيدة المعادن ونتائج تجارب خزانات المختبر والنتائج الميدانية الأولية، بما في ذلك المقارنة مع عينات قلب التربة في الموقع للتحقق،10.
تشمل المزايا الرئيسية لنهج مصيدة المعادن ما يلي: الأدلة الفيزيائية المباشرة على تكوين المعادن التفاعلي، القضاء على الحفر المكلف والكثيف الجهد، أخذ عينات متكررة لتتبع تقدم المعالجة، قابلية التكيف الواسعة لأي معالجة لتشكيل المعادن، وتخصيص مصفوفة الوسائد (مثل الرمل، الطين، تربة الموقع، تربة الموقع مع إضافة تعديل، إلخ).
يمكن للبيانات المعدنية من مصائد المعادن أن توجه جميع مراحل البرنامج العلاجي، بدءا من توصيف الموقع الأولي واختبارات الجدوى وصولا إلى تحسين العلاج والمراقبة طويلة الأمد. من خلال توفير أداة فعالة من حيث التكلفة لتوثيق والتحقق من عمليات المعالجة المدفوعة بالمعادن، يعزز مصيدة المعادن من موثوقية وشفافية معالجة المياه الجوفية. ينطبق هذا المصيد المعدني بشكل خاص على مراقبة تكوين المعادن التفاعلية أثناء الاختزال الكيميائي في الموقع (ISCR) و/أو إزالة الكلور المحسنة (ERD) لعلاج CVOCs. يمكن استخدام البيانات من مصائد المعادن التي جمعت مع مرور الوقت لتوجيه الانتقالات من مراحل المعالجة النشطة إلى المعالجة السلبية.
بالإضافة إلى ذلك، يتم حاليا تعديل مصيدة المعادن لتسهيل قياس معاملات توزيع حقل الملوثات (حقل K d) لتقييم جدوى تثبيت الملوثات مثل المواد البير- والبوليفلوروألكيل (PFAS) في السطح كاستراتيجية علاج. تستخدم التجارب الجارية عينات المصائد المعدنية كنماذج مصغرة منشورة ميدانيا لمقارنةحقل K d من تربة الموقع غير المعدلة بالتربة المعدلة بمنتجات كربونية غروية. يظهر استخدام جهاز أخذ مصائد المعادن في هذا النهج فوائد هامشية واضحة من خلال توفير مقارنات مباشرة لتوزيع المياه الجوفية/التربة الملوثة في الموقع بين التربة الأصلية وإضافة تعديلات قائمة على الماصات. يمكن أن يوفر هذا التكيف أدلة مهمة لتصميم تطبيق الكربون الغروي على السطح السفلي بالإضافة إلى تطبيقات محتملة أخرى.
يمكن استخدام جهاز أخذ عينات المخاطب المعدنية لجمع عينات من ترسيب المعادن من بيئات جيوكيميائية متنوعة وتقييم عمليات المعالجة المختلفة. البروتوكول الموضح أدناه عام ومناسب عموما لمعظم التطبيقات. ومع ذلك، يجب تخصيص الجوانب المحددة، مثل أوقات الحضانة، وتكرار العينات، ومواد المصفوفة الداعمة، والطرق التحليلية المستخدمة، لتناسب العملية الجيوكيميائية المتوقعة وظروف الموقع المتوقعة.
البروتوكول
الكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة مدرجة في جدول المواد.
1. تخطيط تقييم الموقع
- اختر المصفوفة التي ستستخدم داخل المصائد المعدنية. راجع قسم النقاش لمزيد من المعلومات حول مصفوفات المصائد المعدنية. إذا تم استخدام مصفوفة رمل أوتاوا القياسية، انتقل إلى النشر الميداني. إذا تم استخدام تربة الموقع، انتقل إلى الخطوات 1.1.1-1.1.2.
- الحفر أو النواة أو استخدام وسائل أخرى لجمع 250-300 جرام من المواد.
- أرسلها إلى البائع لدمجه في السامبلر.
ملاحظة: اعتمادا على أهداف المشروع، قد تحتاج النوى إلى الشحن تحت ظروف لاهوائية باستخدام أكياس مغلقة بالفراغ وحزم كنز الأكسجين.
2. النشر الميداني
- احصل على الوحدة من البائع. راجع الشكل 1 لصورة السامبلر المقدمة من البائع11.
- تطهر البئر، كما لو كان يأخذ عينا.
- اربط حبل نايلون بمسمار العين في أعلى غلاف مصيدة المعادن واتصل بغطاء البئر باستخدام طول حبل يصل إلى نقطة النهاية المطلوبة داخل شاشة البئر.
- نشر المصائد المعدنية مباشرة ضمن الفترة الزمنية المخصصة لبئر المراقبة، مشابها لأجهزة الانتشار السلبي التجارية الأخرى، مثل عينات الانتشار السلبي (https ://itrcweb.org/teams/projects/diffusion-passive-samplers)، وعينات Bio-Trap (https ://microbe.com/bio-trap-samplers/)، وعينات Hydrasleeve (https ://hydrasleeve.com/).
ملاحظة: يمكن ربط مصائد معدنية إضافية معا بطريقة "سلسلة الأقحوان". - قم بتثبيت وزن على مسمار العين السفلي إذا لزم الأمر للمساعدة في الوصول إلى أعماق أعمق داخل الشاشة.
الشكل 1: عينة من فخ المعادن. مطعم معدني على جانبه (أعلى إلى اليمين)، مجمع بالكامل (في الأعلى)، وجاهز للنشر في بئر مراقبة ومفتوح (في الأسفل)، ويظهر عدة "وسائد" مميزة مملوءة بالرمل يمكن إزالتها بشكل فردي وتقديمها للتحليل المخبري. العديد من جوانب عينات مصائد المعادن قابلة للتعديل حسب احتياجات المشروع. يشمل ذلك طول وحدة السكن، وأبعاد الإدخال الشبكي، وعدد وأبعاد ومادة الوسائد. مقتبس من ديفاين وآخرون 11. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
3. الاسترجاع والحفظ
- اترك جهاز أخذ المعادن في بئر المراقبة لفترة النشر المطلوبة (عادة من شهر إلى شهرين).
ملاحظة: لتحديد فترة نشر مثالية، يمكن لمديري المشاريع الرجوع إلى الأدبيات الحالية حول الظروف الجيوكيميائية المثالية لتكون كبريتيد الحديد في استراتيجيات معالجة الاختزال المعززة12. - قم بتجميع المواد التالية للاسترجاع كما هو موضح في الشكل 2، بما في ذلك: أكياس الختم بالتفريغ وأكياس الختم بالتفريغ (بدلا من ذلك، يمكن استخدام أكياس جين لاهوائية أيضا)، مصدر طاقة كهربائي (إذا لزم الأمر)، مقص، كاميرا، سبورة بيضاء (على الأقل 24 بوصة عرضا)، أقلام تحديد المسح الجاف، المسطرة، أقلام التحديد الدائمة، أكياس البولي إيثيلين القابلة للإغلاق بسعة جالون واحد، مناشف ورقية، مبردات، وثلج.
- رتب منطقة العمل لضمان استرجاع مصائد المعادن بسرعة وفعالية.
- املأ المبردات بالجليد.
- ضع علامة على كيس العينة باسم الموقع، اسم البئر، تاريخ أخذ العينة، مختبر الوجهة، التحليل المطلوب، واختصارات العينة.
- إذا كان يتم استخدام جهاز تفريغ الهواء بدلا من GENbag، أغلق ثلاثة من الجوانب الأربعة للكيس، مع ترك أحد الجوانب مفتوحا لإدخال عينات المصائد المعدنية.
- ابدأ مؤقتا لضمان مرور أقل من 15 دقيقة من وقت سحب الوحدة من البئر حتى ختم الوسائد بالتفريغ13.
- اسحب خط النايلون بحذر لإزالة مخاطب المعادن من البئر.
- تشير إلى أي ترسيب (أي مادة رمادية أو سوداء أو بنية) على أو روائح من غلاف المصيدة المعدنية.
- صور مظهر السكن الداخلي.
- قم بفك الجزء العلوي من المصيدة المعدنية لكشف الشبكة الداخلية للوسائد المملوءة بالمواد (الشكل 3).
- قم بتحديد و/أو تصوير أي ترسيب على الإدخال الشبكي.
- استخدم المقص لقطع الحلقة أو ربطة البلاستيك التي تثبت إدخال الشبك في أعلى وحدة الهيكل.
- ضع الإدخال الشبكي داخل كيس الجين أو كيس الإغلاق الفراغي وأغلقه فورا.
- ضع العينة في كيس مزدوج في كيس كبير (أي جالون واحد) بسحاب.
- صور العينة.
- ضع العينة في المبرد على الثلج فورا.
- أوقف المؤقت وسجل الوقت المنقضي في سجل الميدان.
- كرر ذلك حسب الحاجة لكل بئر، مع التأكد دائما من إبقاء العينات في حالة تجميد.
- أكمل سلسلة الحيازة.
- قم بتغليف المبرد بأمان وشحنه إلى المختبرات للتسليم الليلي.
ملاحظة: أقصى مدة انتظار قبل الوصول إلى المختبر هي 48 ساعة. تأكد من أن العينات لا تكون أبرد أبدا عن -18 درجة مئوية. قد يؤدي تخزين العينات بالتجميد (حوالي -78°م) إلى تحويل الماكيناويت إلى البيريت قبل التحليلات14. لم يظهر هذا التأثير عند تخزين العينات في ظروف تجميد معتدلة (-18 درجة مئوية).15. العينات التي تم جمعها باستخدام مصائد المعادن صالحة للعديد من التحليلات. يقدم الجدول 1 أدناه طرق تحليلية تم استخدامها على عينات مصائد المعادن، بالإضافة إلى المراجع حسب الاقتضاء. قد يمنع المحتوى العالي من الكوارتز في مصفوفة رمل السيليكا القياسية استخدام تحليلات XRD، لذا يمكن النظر في أنواع وسائط الدعم البديلة للسماح باستخدام XRD بشكل أكثر فعالية.
الشكل 2: صورة فوتوغرافية تظهر معدات الميدان (باتجاه عقارب الساعة من الزاوية العلوية اليسرى). (أ) السبورة البيضاء؛ (ب) أقلام المسح الجاف؛ (ج) مقص (أخضر وأزرق)؛ (د) جهاز تفريغ الهواء؛ (ه) صندوق قفازات لاتكس؛ (و) أكياس الختم الفراغي؛ (G) عبوات امتصاص الأكسجين لتخزين الطعام؛ و(H) دفتر ميداني. مقتبس من ديفاين وآخرون 11. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: صور تظهر معدات الميدان (باتجاه عقارب الساعة من الزاوية العلوية اليسرى). (أ) إزالة مصائد المعادن من بئر المراقبة؛ (ب) قطع وفصل وسائد المصيدة المعدنية الفردية؛ (ج) عينتان من وسادة مصائد معدنية مغلقتان بمادة ماصة للأكسجين؛ (د) عينتان من وسادة مصيدة معدنية مغلقتان بمادة ماصة للأكسجين (لاحظ اللون الأسود الذي يدل على وجود معادن كبريتيد الحديد); (ه) اثنان تم استعادهما وفتحهما مصيدة معدنية قبل أخذ العينة (لاحظ اللون الأسود الذي يدل على وجود معادن كبريتيد الحديد). مقتبس من ديفاين وآخرون 11. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
النتائج
أربعة أمثلة على تطبيقات مصائد المعادن لتوثيق تكوين المعادن المستهدفة معروضة أدناه.
المثال 1
تم تنفيذ المعالجة الحيوية في الموقع لأكثر من 10 سنوات من خلال حقن مصدر كربون قابل للذوبان وقابل للتخمير لمعالجة ثلاثي كلورو إيثين والمركبات ذات الصلة. تشير البيانات الجيوكيميائية المائية من آبار المراقبة إلى أن ظروف تقليل الكبريتات استمرت لسنوات عديدة، بينما تؤكد التركيزات المرتفعة من CIS-1,2-DCE ومنتجات أخرى أن عمليات إزالة الكلور الاختزالي الميكروبي راسخة جيدا. للتحقق من تكوين كبريتيد الحديد النشط، تم نشر عينات مصائد المعادن في الموقع. تم تركيب عينات المصائد المعدنية في آبار المراقبة لمدة تقارب خمسة أشهر، ثم تم تحليل العينات للكشف عن الحديد الكلي، والأميبا، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة بالطاقة بالميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM-EDS). لوحظت تركيزات مرتفعة من إجمالي الحديد (100 ملغ/كغ)، وCrES Fe²⁺ (44 ملغ/كغ)، وCrES (41 ملغ/كغ). تظهر الخرائط العنصرية من صور SEM-EDS (الشكل 4) بوضوح التواجد المشترك بين الحديد والكبريت. وبشكل جماعي، توفر هذه النتائج أدلة قوية على أن أنشطة المعالجة أدت إلى ترسيب نشط في الموقع لكبريتيدات الحديد. على النقيض من ذلك، فإن غياب الحديد والكبريتيد القابلين للاستخراج، إلى جانب نقص الحديد والكبريت في نفس الموقع في تحليلات SEM-EDS، يشير إلى عدم وجود كبريتيدات الحديد في العينة.
الشكل 4: خرائط عناصر SEM-EDS لهذه العينة من مصيدة المعادن توضح المواقع المكانية ل Fe و S (في الوسط واليمين). أشرطة القياس: 25 ميكرومتر. مقتبس من ديفاين وآخرون 15. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
المثال 2
تمت معالجة المياه الجوفية الملوثة بالنيكل المذاب عن طريق حقن مصدر كربون قابل للذوبان وقابل للتخمير لتعزيز ترسيب المعادن للنيكل عبر تكوين كبريتيدات النيكل ذات الطور الصلب (NiS) بوساطة ميكروبية. لوحظت انخفاضات في تركيزات النيكل المذاب في آبار المراقبة، واستخدمت عينات مصائد المعادن لتأكيد أن هذه الانخفاض ناتج عن ترسيبات النيكل كنيكل NiS. تم نشر مصائد معدنية تحتوي على رمل معقم في آبار المراقبة لمدة 64 يوما، ثم تم تحليل العينات بحثا عن إجمالي النيكل، والنيكل المقاس بواسطة تحليل المعادن المستخرجة في نفس الوقت/كبريتيد الحمض المتطاير (SEM/AVS)، والذي يشير إلى مركبات نيكل-S، والتحليل الطيفي للأشعة السينية بالمجهر الإلكتروني الماسح والطاقة المشتتة (SEM-EDS). تم اكتشاف تركيزات مرتفعة للنيكل في جميع عينات المصيدة المعدنية، حيث تراوح إجمالي النيكل بين 5.2 إلى 89 ملغ/كجم، ونيكل قابل للاستخراج بواسطة SEM/AVS بين 3.7 إلى 100 ملغ/كغ. تظهر الرسم العنصري من صورة SEM-EDS لعينة واحدة (الشكل 5) التواجد المشترك بين النيكل والكبريت. وعند جمع هذه النتائج معا، تؤكد أن أنشطة المعالجة أدت إلى هطول وهطول النيكل في الموقع واحتساب، بما في ذلك كنيكل NiS. بالإضافة إلى ذلك، تشير قياسات الحديد الكلي وبيانات SEM الأخرى إلى أن جزءا من النيكل قد يكون مرتبطا أيضا بمعادن الحديد غير الكبريتيدية (البيانات غير معروضة).
الشكل 5: خرائط عناصر SEM-EDS لعينة من مصيدة معدنية تظهر المواقع المكانية ل S (يسار) والنيكل (يمين). أشرطة القياس: 1 ميكرومتر. مقتبس من ديفاين وآخرون 11. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
المثال 3
تم نشر مصيدة معدنية تحتوي على تربة معقمة في موقع حقن محلول كربوني قابل للتخمير القابل للذوبان، وتم تسخين الطبقة تحت السطحية بشكل معتدل (ارتفاع درجات الحرارة بين حوالي 5-15 درجة مئوية) لتعزيز المعالجة الحيوية في الموقع 16. بعد فترة حضانة تقارب أربعة أشهر، تم تحليل عينة المصيدة المعدنية للكشف عن خصائصها الميكروبيولوجية عبر طرق qPCR المتقدمة من Microbial Insight المعروفة بتحليلات QuantArray-MIC وCENSUS qPCR-AHY (https://microbe.com/quantarray-mic/). توفر هذه البيانات (الشكل 6) رؤى حول توازن الأكسدة والاختزال/الظروف الجيوكيميائية ووفرة المجموعات الميكروبية الرئيسية ذات الصلة بتكوين أنواع المعادن التفاعلية للحديد. كانت مصفوفة المصيدة المعدنية معقمة عند النشر، لذا فإن جميع الكائنات الدقيقة التي اكتشفها qPCR تمثل مستعمرات ميدانية تأسست خلال فترة الحضانة. على سبيل المثال، تم تحديد ثلاثة من أكثر الأهداف وفرة في عينة مصيدة المعادن وهي المخمرات (FER)، وIRB، وSRB (المحددة كAPS في الشكل 6)، والتي تشير إلى عمليات ميكروبية نشطة تتوافق مع ظروف الأكسدة المحازنة المرصودة. المخمرات هي بكتيريا لا هوائية تقوم باستقلاب ركائز الكربون العضوية لإنتاج الأحماض العضوية والهيدروجين. يدعم إنتاج الهيدروجين، بدوره، نمو الكائنات الأخرى المرتبطة ب MIC، بما في ذلك SRB. يقلل IRB من الحديد الحديدي غير القابل للذوبان إلى الحديد الحديدي القابل للذوبان، مما قد يسهل توفر الحديد الحديدي لتكوين المعادن التفاعلية. يستهلك SRB الهيدروجين وينتج كبريتيد الهيدروجين. يمكن لكبريتيد الهيدروجين، بدوره أن يتفاعل مع الحديد الحديدي المتوفر لتكوين كبريتيدات الحديد التفاعلية. بينما لا تقيس الطرق القائمة على الحمض النووي نشاط الإنزيمات بشكل مباشر، فإن وجود وسيطرة هذه الكائنات في ركيزة كانت معقمة سابقا يدعم بقوة التفاعلات الكيميائية الحيوية المستمرة التي تساهم في تكوين المعادن التفاعلية. بشكل عام، توفر النتائج رؤية مفيدة حول الوفرة النسبية للمجموعات الميكروبية الرئيسية المشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال وتكوين معادن كبريتيد الحديد التفاعلية. تتوافق هذه النتائج مع وتفسر انخفاض تركيزات CVOC بأكثر من 99.9٪ في هذا البئر وتحول كبير في الكتلة المولية إلى الإيثين والإيثان (الشكل 7)، والانخفاض المصاحب في عدد الكلور (متوسط عدد الكلور للإثينات المكلورة المقاسة في العينة). تسلط هذه النتائج الضوء على أن إزالة الكلور الاختزالي قد تم تعزيزها ويتم تطويرها من خلال إزالة السموم.
الشكل 6: ناتج qPCR-AHY في QuantArray-MIC وتعداد التعداد عن مصيدة معدنية جمعت من بئر مراقبة بعد فترة حضانة استمرت 4 أشهر. مقتبس من ديفاين وآخرون 11. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 7: التغيرات في الزمن في الكتلة المولية من الإيثينات المكلورة إلى الإيثين والإثان في تركيزات المياه الجوفية، والانخفاض المصاحب في عدد الكلور (متوسط عدد الكلور للإثينات المكلورة المقاسة في العينة). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
المثال 4
يمكن استخدام المصائد المعدنية في الموقع لقياس توزيع الملوثات النسبي بين التربة والمياه الجوفية بكفاءة. نظرا لأن عينات المصائد المعدنية تعمل تحت ظروف ميدانية نشطة بيولوجيا كيميائية متدفقة، فإن القيم تمثل معاملات توزيع فعالة (Kd-eff) تشمل عمليات الاحتفاظ الممتصة والميكروبية بدلا من معايير امتصاص دفعات التوازن. وبالتالي، قد يكون Kd-eff أكثر فائدة من قيم Kd المشتقة من المختبر لأنه يمثل سلوك الامتصاص الفعلي المرصود في الحقل. كدراسة تجريبية، تم نشر مصائد معدنية مع مصفوفة دعم مخصصة في موقع ملوث بمواد بير-فلورو وبولي فلورو ألكيل (PFAS) لحساب قيم PFAS Kd-eff الخاصة بالموقع وتحديد فعالية امتصاص الملوثات على منتج كربوني غرويدي. في هذا التصميم التجريبي، تم نشر ثلاث مصائد معدنية في آبار منفصلة لمدة 30 يوما. تم ملء وسائد المصيدة المعدنية إما بتربة الموقع، أو رمل أوتاوا (لتحديد مدى ملاءمة الرمل كبديل لتربة الموقع)، أو تربة الموقع ممزوجة بمنتج معالجة الكربون النشط. عند استخراج المصائد، تم جمع المياه الجوفية من كل بئر، وتم تحليل المياه الجوفية وثلاثة مصفوفات من كل موقع باستخدام طريقة وكالة حماية البيئة رقم 1633. تم حساب معاملات امتصاص PFAS الفردية ومجموعها عن طريق قسمة التركيز في المادة الصلبة (mg/kg) على التركيز في المياه الجوفية (mg/L). القيم المجمعة ل PFAS Kd-eff، المحسوبة لكل بئر مراقبة ومصفوفة، موضحة في الشكل 8 أدناه.
الشكل 8: معاملات الامتصاص لمجموعات PFAS المجمعة حسب الموقع والمصفوفة. تظهر هذه النتائج أن منتج معالجة الكربون المنشط زاد بشكل كبير من امتصاص الملوثات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
كما تم إجراء تسلسل أمببلكونات 16S rRNA على كل مصفوفة من كل موقع لأغراض استكشافية. بينما يبدو أن تركيب المجتمعات الميكروبية مرتبط بشكل أوثق مع مصفوفة الدعم منه بموقع الآبار (الشكل 9)، من المتوقع أن توضح المزيد من مجموعات البيانات أنماطا في البكتيريا المرتبطة ب PFAS.
الشكل 9: مخطط تجميع هرمي لتصنيفات الجنس من عينات مصائد المعادن. العينات التي تكون أكثر تشابها مع بعضها البعض تجمع معا، لذا فإن الأشرطة الأقصر تدل على تشابه أكبر. على سبيل المثال، كربون MW-7 عينة مشابه لكربون MW-1 لكنه مختلف جدا عن رمل MW-8. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
وعند جمع هذه النتائج مجتمعة، تظهر قيمة أجهزة أخذ عينات المصائد المعدنية في معالجة الملوثات الناشئة وتوجيه استراتيجيات المعالجة. يتيح هذا النهج قياس امتصاص الملوثات الفعال وأخذ عينات ميدانية من المجتمعات الميكروبية في المياه الجوفية المتأثرة ب PFAS. ومن المهم أن هذه التقنية مفيدة بشكل أكبر كأداة مقارنة، مثل تقييم الأداء النسبي للمواد الماصة المختلفة بين الفخاخ، بدلا من كونها وسيلة لتعكس ظروف التوازن مباشرة داخل السطح.
| التحليل | الهدف | دراسة الاستخدام | |
| تقييم المعالجة الحيوية المائية والمعدنية الجوهرية (AMIBA) • الكبريتيد الحمضي المتطاير (AVS) • الكبريتيدات القابلة للاستخراج من الكروم (CrES) • الحديد الحديدي والحديدي القابل للذوبان الحمضي القوي (SAS-Fe) • الحديد الحديدي والحديدي القابل للذوبان في الحمض الضعيف (WAS-Fe) | الكيمياء الحيوية للحديد والكبريت | أولريش وآخرون (2021أ) ديفاين وآخرون (2023أ) | |
| المجهر الإلكتروني الماسح/مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM/EDS) | علم المعادن وتركيب العناصر | ديفاين وآخرون (2023أ) | |
| المعادن الكلية، بما في ذلك الحديد الكلي (طرق USEPA 3050B و6020) | تركيب المعادن | ديفاين وآخرون (2023أ) | |
| حيود الأشعة السينية (XRD)* | تحديد المعادن البلورية | ||
| القابلية المغناطيسية | تركيب المغنيتيت | ||
| تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) وQuantArray | تركيز الميكروبات | ديفاين وآخرون (2023أ) | |
| تسلسل الحمض النووي (16S rRNA، ITS) | تكوين مجتمع الميكروبات | ||
الجدول 1: التحليلات المحتملة المطبقة على العينات المجمعة باستخدام عينات المصائد المعدنية.
المناقشة
تعد عدة خطوات في البروتوكول ضرورية لنجاحه. أولا، جميع الإجراءات التحضيرية التي تمكن من استرجاع المصائد المعدنية بسرعة وكفاءة ضرورية لمنع تعرض العينات والحفاظ على سلامتها. والأهم من ذلك، يجب وضع المصائد المعدنية تحت ظروف لاهوائية في أقرب وقت ممكن بعد الاسترجاع.
قد تكون هناك حاجة لتعديلات البروتوكول لاستيعاب شراء مصفوفة مصيدة المعادن إذا تم اختيار مصفوفة غير قياسية. التصميم القياسي يستخدم رمل السيليكا في أوتاوا. تشمل مزايا هذه المصفوفة توصيلتها الهيدروليكية العالية ومساميتها، وتشابهها مع المواد في العديد من طبقات المياه الرملية الرملية، وغياب محتوى الحديد الحديدي9. تربة الموقع هي مصفوفة غير قياسية شائعة، لذا تم تضمين تعليمات الحصول على تربة الموقع ضمن البروتوكول الرئيسي. قد يستخدم أيضا التربة أو الرمل الممزوج بمنتجات المعالجة مثل الكربون الغروي في المصائد المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، قد يتم تعديل البروتوكول ليعكس أفضل الممارسات لفرق الميدان المختلفة، مع الأخذ في الاعتبار متطلبات الأفراد والتوثيق.
يعالج جهاز أخذ المصائد المعدنية العديد من التحديات المرتبطة بالحفر والحفر للعينات المعدنية، لكنه أيضا له حدوده الخاصة. أولا، قد لا تمثل مصفوفة أخذ العينات داخل مصيدة المعادن بدقة مادة الطبقة الجوفية في الموقع. على سبيل المثال، يعمل الرمل القياسي في أوتاوا بشكل جيد في طبقات المياه الرملية لكنه أقل تمثيلا للبيئات الطينية أو الغنية بالطين. غالبا ما تستخدم تربة الموقع كبديل، رغم أنه قد يكون من الصعب الحصول عليها. بالإضافة إلى ذلك، وبما أنه يجب نشر المصائد المعدنية في آبار المراقبة، فإن مواقع أخذ العينات تقتصر على الآبار أو الآبار الموجودة فقط. أخيرا، لا ينبغي اعتبار بيانات عينات المصائد المعدنية بديلا مباشرا لأخذ العينات الجيوكيميائية بالجملة.
للمصائد المعدنية عدة تطبيقات إضافية محتملة تتجاوز الأمثلة المذكورة أعلاه. تشمل هذه الطرق المعالجة التي تهدف إلى ترسيب ملوثات معدنية أخرى مثل الزرنيخ والكروم واليورانيوم مثل الكبريتيدات وأكاسيد الحديد أو معادن الفوسفات من خلال حقن المختزلات والأكسدات والفوسفات و/أو المحاليل الحمضية أو القاعدية. من المتوقع أن تكون الإجراء الموضح أعلاه قابلا للتطبيق على نطاق واسع؛ ومع ذلك، قد تكون هناك حاجة إلى طرق تحليلية بديلة لتحليل العينة اعتمادا على الملوث المستهدف وطور المعادن.
الإفصاحات
يعمل المؤلفان تاجارت ووارد في شركة Microbial Insights، التي ترخص حصريا لتصنيع وبيع Min-traps. يعمل المؤلفون ديفاين، جوستيسيا-ليون، مارتن تيلتون، كارتر، وزاردوزيان لدى شركة أركاديس، وهي صاحب براءة اختراع مين-تراب.
شكر وتقدير
تم توفير التمويل والدعم لهذا العمل من خلال برنامج Satellite، وهو برنامج الابتكار العالمي لأركاديس (http://www.lovinklaan.nl/en/programs/imagine-satellite/)، وESTCP (مشروع ER19-5190).
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| مسطرة ستانلس لسلس بقياس 18 بوصة | ستيبلز (www.staples.com) | 2772901 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| أكياس البولي إيثيلين القابلة للإغلاق بسعة 1 جالون | ستيبلز (www.staples.com) | 24401543 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| مولد هوندا بقوة 2200 واط | هوم ديبوت (www.homedepot.com)) | 316604378 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| أكياس امتصات الأكسجين لتخزين الطعام بسعة 5 جرام من جل السيليكا | أمازون (www.amazon.com) | 7.47607E+11 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| المبردات | ستيبلز (www.staples.com) | 24299978 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| الكاميرا الرقمية | قد تكون النماذج البديلة مقبولة | ||
| أقلام المسح الجاف | ستيبلز (www.staples.com) | 24398946 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| سبورة بيضاء قابلة للمسح الجاف (عرضها لا يقل عن 24 بوصة) و | ستيبلز (www.staples.com) | 814930 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| جينباج لاهوائية | bioMé ريو (https://biomerieuxdirect.com/biomerieux) | 45534 | يمكن استخدامها كبديل لمادة الختم الفراغي، حيث يمكن استخدام أكياس GENbags اللاهوائية (https://biomerieuxdirect.com/)، وهي أكياس محكمة الإغلاق تحتوي على كيس مولد يمتص الأكسجين ويطلق ثاني أكسيد الكربون، لإنتاج غلاف جوي لاهوائي بسرعة لحفظ وتخزين عينات Min-Trap. |
| آيس | متجر صغير محلي | ||
| سامبلر Min-Trap | Microbial Insights, Inc. (https://microbe.com/min-trap-sampler/) | NA | (براءة اختراع أمريكية رقم 11,002,643 B1) |
| حبل النايلون | ستيبلز (www.staples.com) | 191591 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| مناشف ورقية | ستيبلز (www.staples.com) | 2126874 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| علامة دائمة | ستيبلز (www.staples.com) | 125328 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| المقص | ستيبلز (www.staples.com) | 24380498 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| جهاز التفريغ | كابيلاس (www.cabelas.com) | 100113832 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
| لفة كيس الختم بالتفريغ (8 أي) | كابيلاس (www.cabelas.com) | 2514954 | قد تكون النماذج البديلة مقبولة |
المراجع
- He, Y. T., Wilson, J. T., Su, C., Wilkin, R. T. Review of abiotic degradation of chlorinated solvents by reactive iron minerals in aquifers. Ground Water Monit Remediat. 35, 57-75 (2015).
- Horst, J., et al. New tools for assessing reactive mineral-mediated abiotic contaminant transformation. Ground Water Monit Remediat. 39 (2), 12-21 (2019).
- Horst, J., Munholland, J., Hegele, P., Klemmer, M., Gattenby, J. In situ thermal remediation for source areas: technology advances and a review of the market from 1988-2020. Ground Water Monit Remediat. 41, 17-31 (2021).
- Jeong, H. Y., Hayes, K. F. Reductive dechlorination pathways of tetrachloroethylene and trichloroethylene and subsequent transformation of their dechlorination products by mackinawite (FeS) in the presence of metals. Environ Sci Technol. 41 (22), 7736-7743 (2007).
- Lee, W., Batchelor, B. Abiotic reductive dechlorination of chlorinated ethylenes by iron-bearing minerals. 1. Pyrite and magnetite. Environ Sci Technol. 36 (23), 5147-5154 (2002).
- Lee, W., Batchelor, B. Abiotic reductive dechlorination of chlorinated ethylenes by iron-bearing minerals. 2. Green rust. Environ Sci Technol. 36 (24), 5348-5354 (2002).
- Whiting, K., et al. Factors controlling in situ biogeochemical transformation of trichloroethene: field study. Ground Water Monit Remediat. 34, 79-94 (2014).
- Lebrón, T. H., et al. Development and validation of a quantitative framework and management expectation tool for the selection of bioremediation approaches at chlorinated ethene sites. ESTCP Project ER-201129. , (2015).
- Ulrich, S., et al. Laboratory and initial field testing of the Min-Trap for tracking reactive iron sulfide mineral formation during in situ remediation. Remediat J. 31 (3), 35-48 (2021).
- In-situ device for collecting minerals. United States Patent. , US 11002643 B1 (2021).
- Divine, C., et al. Field methods and example applications for the Min-Trap mineral sampler. Remediat J. 33, 209-216 (2023).
- Horst, J., McCaughey, M., Justicia-Leon, S., Tillotson, J., Divine, C. Viewing the end from the beginning: designing for the transition to long-term passive phases of in situ chlorinated solvent treatment. Ground Water Monit Remediat. , (2022).
- Wilkin, R. T. Mineralogical preservation of solid samples collected from anoxic subsurface environments. EPA/600/R-06/112. , (2006).
- Hua, H., et al. Impacts of cryogenic sampling processes on iron mineral coatings in contaminated sediment. Sci Total Environ. 765, 142796(2021).
- Divine, C., et al. Min-Trap samplers to passively monitor in-situ iron sulfide mineral formation for chlorinated solvent treatment. Ground Water Monit Remediat. 43 (3), 57-69 (2023).
- Divine, C., et al. Final project report: Demonstration of mineral traps to passively evaluate and monitor in-situ reactive minerals for chlorinated solvent treatment. ESTCP Project ER19-5190. , (2019).
إعادة الطباعة والأذونات
الوسوم
