Während der In-situ-Grundwassersanierung entstehen viele wichtige reaktive Mineralien; konventionelle, bohrkernbasierte Methoden stellen jedoch häufig Herausforderungen bei der Gewinnung dieser Minerale dar. Dieser Artikel bietet Techniken zur Nutzung des Min-Trap, eines innovativen passiven Probenahmegeräts, um reaktive Minerale effektiv aus herkömmlichen Überwachungsbrunnen zu sammeln und zu messen.
Methodenartikel
Einsatz und Bergung von Mineralprobennehmern
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Unterirdische chemische, geochemische und mikrobiologische Wechselwirkungen wie reaktive Mineralbildung, Gaserzeugung und Schadstoffabsorption spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung von Sanierungsstrategien. Die Bewertung dieser Prozesse auf Feldebene ist jedoch oft durch die Kosten und Invasivität traditioneller Probenahmemethoden begrenzt. Der Mineralfallen-Probenehmer bietet eine praktische, kostengünstige Alternative zur In-situ-Überwachung reaktiver Mineralienformationen, ohne dass zusätzliches Bohren oder Kernentnahme erforderlich ist. Im Screen-Intervall eines Überwachungsbohrlochs sammelt der Probenehmer passiv mineralische Niederschläge und mikrobielle Biomasse über einen Zeitraum von mindestens dreißig Tagen. Nach der Bergung wird der Sammler vakuumversiegelt und auf Eis in ein Labor transportiert, um mit standardisierten kommerziellen Techniken analysiert zu werden. Diese Innovation ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, sowohl die Rate als auch die räumliche Verteilung der Mineralniederschlagsabgabe zu bewerten und liefert wertvolle Einblicke in die unterirdischen Bedingungen. Durch die Bereitstellung verwertbarer Daten zur Mineralbildung und mikrobieller Aktivität unterstützt der Mineralfallen-Probenehmer Leistungsbewertungen und hilft bei der Steuerung von Optimierungsstrategien für Sanierungssysteme. Seine Einfachheit und Erschwinglichkeit machen es zu einem nützlichen Werkzeug zur Verbesserung der Standortcharakterisierung und langfristigen Managements.
Einleitung
Die Grundwassersanierung chlorierter Lösungsmittel und Metallkontaminanten hängt oft von der in situ bildenden, lösenden oder umwandelnden reaktiven Mineralien ab, die Schadstoffe abbauen oder binden. Die Injektion organischer Kohlenstoffquellen (z. B. Laktat, Melasse, emulgiertes Pflanzenöl) stimuliert einheimische Eisen- und Sulfatreduktionsbakterien, die Schwefelwasserstoff und reduziertes Eisen erzeugen. Diese reagieren und bilden Eisensulfidminerale – hauptsächlich Mackinawite (FeS) und Pyrit (FeS 2), die abiotisch chlorierte flüchtige organische Verbindungen (CVOCs) umwandeln.
Die direkte Feldverifikation der Bildung von zielreaktiven Mineralen kann die Optimierung von Sanierungsstrategien verbessern, indem Bedingungen gefördert werden, die die Mineralentwicklung maximieren und damit das abiotische Abbaupotenzial chlorierter flüchtiger organischer Verbindungen (CVOCs) erhöhen. Mineralisierungsbewertungen werden jedoch typischerweise aus wässrigen Phasenindikatoren (d. h. Grundwasseranalysen) abgeleitet, aufgrund der erheblichen logistischen und finanziellen Einschränkungen bei der Entnahme von Festphasenproben 7,8. Die konventionelle Bewertung der reaktiven Mineralbildung basiert auf der Ableitung von Festphasenänderungen aus wässrigen Messungen. Direkte Festphasenproben können entnommen werden, dies erfordert jedoch hochkostige, diskrete Bohrungen oder Kernbohrungen für Boden-/Gesteinsproben, was typischerweise mit begrenzter räumlicher Abdeckung und der Unfähigkeit verbunden ist, wiederholte Proben zu entnehmen, um Veränderungen im Zeitverlauf zu beurteilen. Darüber hinaus ist das Bohren mit erhöhten Zeit-, Arbeits- und Gesundheitssicherheitsrisiken verbunden. Diese Einschränkungen behindern oft die rechtzeitige Optimierung von Sanierungsstrategien und den endgültigen Nachweis des Vorhandenseins reaktiver Mineralien.
Die Min-Trap, im Folgenden als Mineralfalle bezeichnet, ist ein kostengünstiges, in-situ-Probenahmegerät, das für Überwachungsbohrlöcher mit einem Durchmesser von 2 Zoll oder größer entwickelt wurde. Sie besteht aus Nylon-Netz-"Kissen", die mit einer Festphasenmatrix (z. B. Siliziumsand oder Geländematerial) gefüllt sind und in einem geschlitzten PVC-Gehäuse9 eingeschlossen sind. Für Wochen bis Monate unter natürlichem Grundwasserstrom eingesetzt, fangen Mineralfallen ausfällende Mineralien ohne invasives Bohren auf. Nach dieser Inkubationsphase werden die Mineralfallen aus dem Überwachungsbrunnen entfernt und die Sandkissen im PVC-Gehäuse zur Laboranalyse zur Identifizierung und Quantifizierung der während der Verteilung eingefangenen Mineralien eingereicht. Weitere Details zu den Designspezifikationen der Mineralfallfalle sowie zu den Ergebnissen von Labor-Tankexperimenten und ersten Feldergebnissen, einschließlich des Vergleichs mit Bodenkernproben zur Validierung vor Ort, sind verfügbar10.
Die wichtigsten Vorteile des Mineralfallansatzes umfassen Folgendes: direkte physikalische Belege für reaktive Mineralbildung, Beseitigung teurer, arbeitsintensiver Kernbohrungen, wiederholbare Probenahmen zur Nachverfolgung des Behandlungsverlaufs, breite Anpassungsfähigkeit an jede mineralbildende Behandlung und Anpassbarkeit der Kissenmatrix (z. B. Sand, Ton, Standortboden, Standortboden mit zusätzlichem Zusatz usw.).
Mineralogische Daten aus den Mineralfallen können alle Phasen eines Sanierungsprogramms leiten, von der ersten Standortcharakterisierung und Machbarkeitsprüfung bis hin zur Optimierung der Abhilfe und langfristiger Überwachung. Durch die Bereitstellung eines kosteneffizienten Werkzeugs zur Dokumentation und Überprüfung mineralgetriebener Aufbereitungsverfahren erhöht die Mineralfalle die Zuverlässigkeit und Transparenz der Grundwassersanierung. Die Mineralfalle ist besonders anwendbar zur Überwachung der reaktiven Mineralbildung während der in situ chemischen Reduktion (ISCR) und/oder verstärkter reduktiver Dechlorierung (ERD) zur Behandlung von CVOCs. Daten aus über die Zeit gesammelten Mineralfallen können genutzt werden, um Übergänge von aktiven zu passiven Sanierungsphasen zu informieren.
Darüber hinaus wird die Mineralfalle derzeit angepasst, um die Messung der Verteilungskoeffizienten des Schadstofffeldes (K-d-Feld) zu erleichtern, um die Machbarkeit der immobilisierenden Verunreinigungsmittel wie Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) im Untergrund als Behandlungsstrategie zu bewerten. Laufende Experimente verwenden Mineralfallprobenproben als im Feld eingesetzte Mikrokosmos, um dasK-d-Feld von unbearbeitetem Geländeboden mit mit kolloidalen Kohlenstoffprodukten bearbeitetem Boden zu vergleichen. Der Einsatz eines Mineralfallen-Probenehmers in diesem Ansatz zeigt klare Grenzvorteile, da er direkte in situ Vergleiche von Grundwasser und Bodenverteilung von Schadstoffen zwischen dem Bodengebiet des natürlichen Standorts und die Zugabe von sorbentbasierten Ergänzungen ermöglicht. Diese Anpassung kann wichtige Hinweise für die Gestaltung der kolloidalen Kohlenstoffanwendung im Untergrund sowie für andere potenzielle Anwendungen liefern.
Der Mineralfall-Probenehmer kann verwendet werden, um Mineralpräzipitationsproben aus verschiedenen geochemischen Umgebungen zu entnehmen und verschiedene Sanierungsprozesse zu bewerten. Das unten beschriebene Protokoll ist generisch und im Allgemeinen für die meisten Anwendungen geeignet. Spezifische Aspekte wie Inkubationszeiten, Probenahmehäufigkeit, Material der Unterstützungsmatrix und verwendete Analysemethoden sollten jedoch auf die erwarteten geochemischen Prozess- und Standortbedingungen zugeschnitten werden.
Protokoll
Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Ausrüstung sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Planung der Standortbewertung
- Wählen Sie die Matrix aus, die in den Mineralfallen verwendet werden soll. Weitere Informationen zu Mineralfallenmatrizen finden Sie im Diskussionsbereich. Wenn die Standard-Sandmatrix von Ottawa verwendet wird, geht man zur Feldeinsatz. Wenn Geländeerde verwendet wird, fahren Sie zu den Schritten 1.1.1-1.1.2 fort.
- Bohren, Kernen oder andere Mittel verwenden, um 250–300 g Material zu sammeln.
- Senden Sie sie an den Verkäufer zur Integration in den Sampler.
HINWEIS: Je nach Projektzielen müssen die Kerne möglicherweise unter anaeroben Bedingungen mit vakuumversiegelten Beuteln und Sauerstoff-Scavenger-Päckchen transportiert werden.
2. Einsatz im Feld
- Holen Sie das Gerät vom Händler. Siehe Abbildung 1 für ein Bild des vom Anbieterbereitgestellten Samplers 11.
- Reinigen Sie den Brunnen, als würden Sie eine Probe nehmen.
- Binden Sie ein Nylonseil an den Augenbolzen oben auf dem Mineralfallgehäuse und verbinden Sie mit einer Seillänge, die den gewünschten Endpunkt im Brunnenschirm erreicht.
- Setzen Sie Mineralfallen direkt innerhalb des gesichteten Intervalls des Überwachungsbohrlochs ein, ähnlich wie andere kommerziell erhältliche passive Diffusionsproben, wie passive Diffusionsproben (https ://itrcweb.org/teams/projects/diffusion-passive-samplers), Bio-Trap-Probenahmen (https ://microbe.com/bio-trap-samplers/) und Hydrasleeve-Probenahmen (https ://hydrasleeve.com/).
HINWEIS: Zusätzliche Mineralfallen können in einer "Daisy Chain"-Form miteinander verbunden werden. - Befestigen Sie bei Bedarf ein Gewicht am unteren Augenbolzen, um tiefere Tiefen im Bildschirm zu erreichen.
Abbildung 1: Mineralfallen-Probenehmer. Mineral Trap auf der Seite (oben rechts), vollständig montiert (oben) und bereit für den Einsatz in einem Überwachungsbrunnen und geöffnet (unten), zeigt mehrere verschiedene sandgefüllte "Kissen", die einzeln entfernt und zur Laboranalyse eingereicht werden können. Viele Aspekte der Mineralfall-Probenehmer sind je nach Projektbedarf modifizierbar. Dazu gehören die Länge der Gehäuseeinheit, die Abmessungen des Netzeinsatzes sowie Anzahl, Maße und Material der Kissen. Adaptiert von Divine et al.11. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
3. Bergung und Erhaltung
- Lassen Sie den Mineralfallen-Probenehmer für das gewünschte Einsatzintervall (typischerweise 1–2 Monate) im Überwachungsbohrloch auf.
HINWEIS: Um einen optimalen Einsatzzeitraum zu bestimmen, können Projektleiter bestehende Literatur zu idealen geochemischen Bedingungen für die Eisensulfidbildung in verbesserten Reduktionssanierungsstrategienkonsultieren 12. - Fügen Sie folgende Materialien für die Bergung zusammen, wie in Abbildung 2 gezeigt, darunter: Vakuum- und Vakuumbeutel (alternativ können auch anaeroben GEN-Beutel verwendet werden), elektrische Stromquelle (falls nötig), Schere, Kamera, eine Whiteboard (mindestens 24 Zoll breit), Whiteboard-Marker, Lineal, permanente Marker, 1-Gallonen-Polyethylenbeutel, Papiertücher, Kühlboxen, Und Eis.
- Richten Sie den Arbeitsbereich so an, dass eine schnelle und effiziente Bergung der Mineralfallfalle gewährleistet ist.
- Fülle die Kühlboxen mit Eis.
- Beschriften Sie den Probenbeutel mit dem Standortnamen, dem Bohrlochnamen, dem Probenahmedatum, dem Ziellabor, der gewünschten Analyse und den Initialen des Probenehmers.
- Wenn ein Vakuumbeutel statt eines GENbag verwendet wird, versiegeln Sie drei der vier Seiten des Beutels, wobei eine Seite offen bleibt, um die Mineralfallproben einzusetzen.
- Starten Sie einen Timer, um sicherzustellen, dass weniger als 15 Minuten vergehen, seit das Gerät aus dem Brunnen gezogen wird, bis die Kissen vakuumversiegelt sind.13 Minuten.
- Ziehen Sie vorsichtig die Nylonleine heraus, um die Mineralfalle aus dem Brunnen zu entfernen.
- Bezeichnen Sie jeden Ausschlag (d. h. graues, schwarzes oder braunes Material) auf oder Gerüche aus dem Mineralfallgehäuse.
- Fotografieren Sie das Erscheinungsbild des Wohnhauses.
- Schrauben Sie die Oberseite der Mineralfalle ab, um das innere Netz der materialgefüllten Kissen freizulegen (Abbildung 3).
- Kennzeichnen Sie und/oder fotografieren Sie jeden Niederschlag auf dem Netzeinsatz.
- Verwenden Sie eine Schere, um die Schlaufe oder den Kabelbinder abzuschneiden, der den Netzeinsatz oben am Gehäuse befestigt.
- Lege den Netzeinsatz in den GENbag oder den Vakuumbeutel und verdichte ihn sofort.
- Packen Sie den Probiergerät doppelt in eine große (also eine Gallone große) Tüte mit Reißverschluss.
- Fotografiere die Probe.
- Legen Sie die Probe sofort auf Eis in die Kühlbox.
- Stoppen Sie den Timer und notieren Sie die vergangene Zeit im Feldbuch.
- Wiederholen Sie das bei jedem Brunnen bei Bedarf und achten Sie darauf, die Proben immer auf Eis zu lassen.
- Schließen Sie die Beweiskette ab.
- Verpacken Sie die Kühlbox sicher und schicken Sie sie zur Übernachtlieferung in die Labore.
HINWEIS: Die maximale Wartezeit vor Erreichen des Labors beträgt 48 Stunden. Stellen Sie sicher, dass die Proben niemals kälter als -18 °C sind. Die kryogene Probenlagerung (etwa -78°C) kann die Umwandlung von Mackinawit in Pyrit vor Analyseninduzieren 14. Dieser Effekt zeigte sich nicht, wenn die Proben unter mäßigen Gefrierbedingungen (-18 °C) gelagert wurden.15. Mit Mineralfallen entnommene Proben sind für viele Analysen geeignet. Tabelle 1 unten zeigt analytische Methoden, die bei Mineralfallproben verwendet wurden, sowie gegebenenfalls Referenzen. Der hohe Quarzgehalt der Standard-Siliziumsandmatrix kann die Verwendung von XRD-Analysen ausschließen, daher könnten alternative Trägermedientypen in Betracht gezogen werden, um eine effektivere Verwendung von XRD zu ermöglichen.
Abbildung 2: Foto mit Feldausrüstung (im Uhrzeigersinn von der oberen linken Ecke). (A) Whiteboard; (B) Whiteboard-Marker; (C) Schere (grün und blau); (D) Vakuumier; (E) Schachtel Latexhandschuhe; (F) Vakuumbeutel; (G) Lebensmittelspeicher-Sauerstoffabsorberpakete; und (H) Feldnotizbuch. Adaptiert von Divine et al.11. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 3: Fotografien, die Feldausrüstung zeigen (im Uhrzeigersinn von der oberen linken Ecke). (A) Entfernung von Mineralfallen aus dem Überwachungsbrunnen; (B) das Schneiden und Trennen einzelner Mineralfall-Kissen; (C) zwei Mineralfall-Kissenproben, die mit einem Sauerstoffabsorber versiegelt wurden; (D) zwei Mineralfall-Kissenproben, die mit einem Sauerstoffabsorptionsmittel versiegelt sind (beachten Sie die schwarze Färbung, die auf das Vorhandensein von Eisensulfidmineralien hinweist); (E) zwei geborgenen und geöffneten Mineralfallen vor der Probenahme (beachten Sie die schwarze Färbung, die auf das Vorhandensein von Eisensulfidmineralien hinweist). Adaptiert von Divine et al.11. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Ergebnisse
Vier repräsentative Beispielanwendungen von Mineralfallen zur Dokumentation der Bildung von Zielmineralien werden unten vorgestellt.
Beispiel 1
In-situ-Bioremediation wird seit über 10 Jahren am Standort durch die Injektion einer löslichen, fermentierbaren Kohlenstoffquelle zur Behandlung von Trichlorethen und verwandten Verbindungen durchgeführt. Wässrige geochemische Daten aus Überwachungsbohrlöchern zeigen, dass sulfatreduzierende Bedingungen viele Jahre bestehen haben, während erhöhte Konzentrationen von cis-1,2-DCE und anderen Tochterprodukten bestätigen, dass mikrobiell vermittelte reduktive Dechlorierungsprozesse gut etabliert sind. Zur Überprüfung der aktiven Eisensulfidbildung wurden an der Fundstelle Mineralfallprobenproben installiert. Die Mineralfallen-Probenehmer wurden etwa fünf Monate lang in Überwachungsbohrungen installiert, danach wurden die Proben auf Gesamteisen-, AMIBA- und Rasterelektronenmikroskopie-Energie-Dispersive Röntgenspektroskopie (SEM-EDS) analysiert. Erhöhte Konzentrationen von Gesamt-Fe (100 mg/kg), CrES Fe²⁺ (44 mg/kg) und CrES (41 mg/kg) wurden beobachtet. Elementare Kartierung aus SEM-EDS-Bildern (Abbildung 4) zeigt deutlich die Kolokalisierung von Eisen und Schwefel. Zusammen liefern diese Ergebnisse starke Belege dafür, dass Sanierungsmaßnahmen zu einer aktiven in-situ-Ausfällung von Eisensulfiden geführt haben. Im Gegensatz dazu deutet das Fehlen von extrahierbarem Fe²⁺ und Sulfid sowie das Fehlen von kolokalisiertem Eisen und Schwefel in SEM-EDS-Analysen darauf hin, dass Eisensulfide in der Probe nicht vorhanden waren.
Abbildung 4: SEM-EDS-Elementkarten dieser Mineralfallprobe zeigen die räumlichen Standorte von Fe und S (Mitte und rechts). Skalenbalken: 25 μm. Adaptiert nach Divine et al.15. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Beispiel 2
Grundwasser, das mit gelöstem Nickel kontaminiert war, wurde durch die Injektion einer löslichen, fermentierbaren Kohlenstoffquelle behandelt, um die mineralische Niederschlagung von Nickel durch mikrobiell vermittelte Bildung von Festphasen-Nickelsulfiden (NiS) zu fördern. In Überwachungsbohrlöchern wurden Rückgänge der gelösten Nickelkonzentrationen beobachtet, und Mineralfallenprobennehmer wurden verwendet, um zu bestätigen, dass diese Abnahmen auf Nickelausfällung als NiS zurückzuführen sind. Mineralfallen mit sterilem Sand wurden 64 Tage lang in Überwachungsbohrungen eingesetzt, danach wurden die Proben auf Gesamtnickel und Nickel analysiert, gemessen durch Simultaneously-Extracted Metals/Acid Volatile Sulfid (SEM/AVS)-Analyse, die auf Ni-S-Komplexe hinweist, sowie auf Rasterelektronenmikroskopie-Energie-Dispersive Röntgenspektroskopie (SEM-EDS). Erhöhte Nickelkonzentrationen wurden in allen Mineralfallproben nachgewiesen, mit einem Gesamtnickelgehalt von 5,2 bis 89 mg/kg und SEM/AVS-abnehmbarem Nickel von 3,7 bis 100 mg/kg. Die Elementarkartierung aus einem SEM-EDS-Bild einer Probe (Abbildung 5) zeigt die Ko-Lokalisierung von Nickel und Schwefel. Zusammengenommen bestätigen diese Ergebnisse, dass Sanierungsmaßnahmen zur in-situ-Niederschlagung und -speicherung von Nickel führten, einschließlich als NiS. Darüber hinaus deuten Gesamteisenmessungen und andere SEM-Daten darauf hin, dass ein Teil des Nickels auch mit nicht-sulfidhaltigen Eisenmineralien assoziiert sein könnte (Daten nicht gezeigt).
Abbildung 5: SEM-EDS-Elementkarten einer Mineralfallprobe zeigen die räumlichen Standorte von S (links) und Ni (rechts). Skalenbalken: 1 μm. Adaptiert von Divine et al.11. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Beispiel 3
Eine Mineralfalle mit sterilem Boden wurde an einer Stelle eingesetzt, an der eine lösliche fermentierbare Kohlenstofflösung injiziert wurde, und der Untergrund wurde mäßig erhitzt (Temperaturanstieg um etwa 5–15 °C), um die Bioremediation16 vor Ort zu fördern. Nach einer Inkubationszeit von etwa vier Monaten wurde die Mineralfallprobe mit den fortschrittlichen qPCR-Methoden von Microbial Insight, bekannt als QuantArray-MIC und CENSUS qPCR-AHY-Analysen (https://microbe.com/quantarray-mic/), auf mikrobiologische Eigenschaften analysiert. Diese Daten (Abbildung 6) geben Einblicke in Redox-Poise-/geochemische Bedingungen und die Häufigkeit wichtiger mikrobieller Gruppen, die für die Bildung reaktiver Eisenmineralarten relevant sind. Die Mineralfallmatrix war bei der Aussetzung steril, sodass alle durch qPCR entdeckten Mikroorganismen in situ Kolonisatoren darstellen, die sich während der Inkubationszeit etabliert haben. So wurden beispielsweise drei der häufigsten Ziele in der Mineralfallgrube als Fermenter (FER), IRB und SRB (in Abbildung 6 als APS bezeichnet) identifiziert, was auf aktive mikrobielle Prozesse hinweist, die mit den beobachteten Redoxbedingungen übereinstimmen. Fermenter sind anaerbe Bakterien, die organische Kohlenstoffsubstrate metabolisieren, um organische Säuren und Wasserstoff zu produzieren. Die Wasserstoffproduktion unterstützt wiederum das Wachstum anderer MIC-assoziierter Organismen, darunter SRB. IRB reduziert unlösliches Eiseneisen zu löslichem eisenhaltigem Eisen, was möglicherweise die Verfügbarkeit von eisenhaltigem Eisen für die Bildung reaktiver Eisenminerale erleichtert. SRB verbraucht Wasserstoff und produziert Schwefelwasserstoff. Schwefelwasserstoff kann wiederum mit verfügbarem eisenhaltigen Eisen reagieren und reaktive Eisensulfide bilden. Obwohl DNA-basierte Methoden die Enzymaktivität nicht direkt quantifizieren, unterstützen das Vorkommen und die Dominanz dieser Organismen in einem zuvor sterilen Substrat die laufenden biogeochemischen Reaktionen, die zur Bildung reaktiver Minerale beitragen. Insgesamt bieten die Ergebnisse nützliche Einblicke in die relative Häufigkeit wichtiger mikrobieller Gruppen, die an Redoxreaktionen und der Bildung reaktiver Eisensulfidminerale beteiligt sind. Diese Ergebnisse stimmen mit und erklären die mehr als 99,9 % Reduktion der CVOC-Konzentrationen an diesem Bohrloch sowie eine signifikante Verschiebung der molaren Masse zu Ethen und Ethan (Abbildung 7) sowie den damit verbundenen Rückgang der Chloranzahl (die durchschnittliche Anzahl der Chlorine für die in der Probe gemessenen chlorierten Ethene). Diese Ergebnisse zeigen, dass die reduktive Entchlorung verbessert wurde und durch Entgiftung voranschreitet.
Abbildung 6: Ergebnisse von QuantArray-MIC und CENSUS qPCR-AHY aus einer Mineralfalle, die nach einer 4-monatigen Inkubationszeit aus einem Überwachungsbohrloch entnommen wurde. Adaptiert von Divine et al.11. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 7: Zeitliche Veränderungen der molaren Masse von mehr chlorierten Ethenen zu Ethen und Ethan in den Grundwasserkonzentrationen sowie die damit verbundene Abnahme der Chloranzahl (die durchschnittliche Anzahl der Chlore für die in der Probe gemessenen chlorierten Ethene). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Beispiel 4
Mineralfallen können in situ eingesetzt werden, um die relative Schadstoffverteilung zwischen Boden und Grundwasser effizient zu messen. Da Mineralfallen-Probenehmer unter fließenden, biogeochemisch aktiven Feldbedingungen arbeiten, stellen die Werte effektive Verteilungskoeffizienten (Kd-eff) dar, die sowohl sorptive als auch mikrobiell vermittelte Retentionsprozesse umfassen und nicht Gleichgewichts-Batch-Sorptionsparameter. Daher kann Kd-eff nützlicher sein als laborabgeleitete K-d-Werte, da es das tatsächliche Sorptionsverhalten im Feld repräsentiert. Als Pilotstudie wurden Mineralfallen mit einer individuell angepassten Unterstützungsmatrix an einem mit Per- und Polyfluoralkylstoffen (PFAS) kontaminierten Standort eingesetzt, um standortspezifische PFAS Kd-eff-Werte zu berechnen und die Wirksamkeit der Schadstoffabsorption auf ein kolloidales Kohlenstoffprodukt zu bestimmen. In diesem experimentellen Design wurden drei Mineralfallen für 30 Tage in separaten Brunnen eingesetzt. Die Mineralfall-Kissen wurden entweder mit Boden, Ottawa-Sand (um die Eignung des Sandes als Stellvertreter für den Standortboden zu bestimmen) oder mit einem Aktivkohle-Sanierungsprodukt gefüllt. Nach der Bergung der Fallen wurde auch Grundwasser aus jedem Brunnen gesammelt, und das Grundwasser sowie drei Matrizen von jedem Ort wurden mit der EPA-Methode 1633 analysiert. Die einzelnen und summierten PFAS-Sorptionskoeffizienten wurden berechnet, indem die Konzentration im Feststoff (mg/kg) durch die Konzentration im Grundwasser (mg/L) geteilt wurde. Die summierten PFAS Kd-eff-Werte, berechnet für jede Überwachungsbohrloch und Matrix, sind in Abbildung 8 unten dargestellt.
Abbildung 8: Sorptionskoeffizienten summierter PFAS nach Standort und Matrix. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Aktivkohle-Sanierungsprodukt die Sorption der Schadstoffe dramatisch erhöhte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Eine 16S-rRNA-Amplicon-Sequenzierung wurde ebenfalls an jeder Matrix von jedem Standort aus zu erkundlichen Zwecken durchgeführt. Während die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften eher mit der Unterstützungsmatrix als mit der Bohrlochlokalisierung korreliert scheint (Abbildung 9), werden weitere Datensätze erwartet, um Muster bei PFAS-bezogenen Bakterien aufzuklären.
Abbildung 9: Ein hierarchisches Clustering-Dendrogramm der Gattungsklassifikationen aus den Mineralfallproben. Die Proben, die sich ähnlicher sind, werden zusammengefasst, sodass kürzere Balken mehr Ähnlichkeit anzeigen. Zum Beispiel ist die Probe MW-7 Kohlenstoff ähnlich wie MW-1 Kohlenstoff, aber sehr unterschiedlich zu MW-8 Sand. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse den Wert von Mineralfallen-Probenehmern zur Bekämpfung neuer Schadstoffe und zur Unterstützung von Sanierungsstrategien. Der Ansatz ermöglicht die Quantifizierung der effektiven Schadstoffsorption und die In-situ-Probenahme mikrobieller Gemeinschaften im von PFAS beeinflussten Grundwasser. Wichtig ist, dass die Technik am nützlichsten als vergleichendes Werkzeug ist, zum Beispiel zur Bewertung der relativen Leistungsfähigkeit verschiedener Sorbenten zwischen Fallen, anstatt als direkte Spiegelung der Gleichgewichtsbedingungen im Untergrund zu dienen.
| Analyse | Ziel | Nutze Studie | |
| Bewertung der wässrigen und mineralischen intrinsischen Bioremediation (AMIBA) • Saures flüchtiges Sulfid (AVS) • Chromextraktionssulfide (CrES) • Stark säurelösliches Eisen- und Eiseneisen (SAS-Fe) • Schwaches säurelösliches Eisen- und Eiseneisen (WAS-Fe) | Eisen- und Schwefelbiogeochemie | Ulrich et al. (2021a) Divine et al. (2023a) | |
| Rasterelektronenmikroskopie/Energiedispersive Röntgenspektroskopie (SEM/EDS) | Mineralogie und elementare Zusammensetzung | Divine et al. (2023a) | |
| Gesamtmetalle, einschließlich Gesamteisen (USEPA-Methoden 3050B und 6020) | Metallzusammensetzung | Divine et al. (2023a) | |
| Röntgenbeugung (XRD)* | Kristalline Mineralidentifizierung | ||
| Magnetische Suszeptibilität | Magnetit-Zusammensetzung | ||
| Quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) und QuantArray | Mikrobielle Populationskonzentration | Divine et al. (2023a) | |
| DNA-Sequenzierung (16S rRNA, ITS) | Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft | ||
Tabelle 1: Potenzielle Analysen, die auf Proben anwendbar sind, die mit Mineralfallstellern entnommen wurden.
Diskussion
Mehrere Schritte im Protokoll sind entscheidend für seinen Erfolg. Erstens sind alle Vorbereitungsmaßnahmen, die eine schnelle und effiziente Bergung von Mineralfallen ermöglichen, unerlässlich, um eine Probenexposition zu verhindern und die Integrität zu wahren. Am wichtigsten ist, dass Mineralfallen so schnell wie möglich nach der Entnahme unter anaeroben Bedingungen gestellt werden müssen.
Protokolländerungen zur Berücksichtigung der Beschaffung der Mineralfallmatrix können notwendig sein, wenn eine nicht-standardisierte Matrix ausgewählt wird. Das Standarddesign verwendet Ottawa-Siliziumsand. Vorteile dieser Matrix sind ihre hohe hydraulische Leitfähigkeit und Porosität, die Ähnlichkeit mit Materialien in vielen sandigen alluvialen Aquiferen sowie das Fehlen eines eisenhaltigen Eisengehalts9. Standortboden ist eine gängige, nicht standardisierte Matrix, daher sind Anweisungen zur Beschaffung von Bodenbeschaffung vor Ort in das Hauptprotokoll aufgenommen. Boden oder Sand, vermischt mit Sanierungsprodukten wie kolloidalem Kohlenstoff, kann ebenfalls in Mineralfallen verwendet werden. Zusätzlich kann das Protokoll angepasst werden, um Best Practices für verschiedene Feldteams unter Berücksichtigung von Personal- und Dokumentationsanforderungen widerzuspiegeln.
Der Mineralfallen-Probenehmer adressiert viele Herausforderungen beim Bohren und Bohren für mineralogische Probenahmen, hat aber auch seine eigenen Einschränkungen. Erstens kann die Probenahmematrix innerhalb der Mineralfalle das Aquifermaterial des Standorts nicht genau widerspiegeln. Zum Beispiel funktioniert der Standardsand von Ottawa gut in sandigen Grundwasserleitern, ist aber weniger repräsentativ für schluffigen oder tonreichen Umgebungen. Erde vor Ort wird oft als Alternative verwendet, obwohl sie schwer zu bekommen sein kann. Außerdem sind Mineralfallen, da Mineralfallen in Überwachungsbrunnen eingesetzt werden müssen, die Probenahmestandorte auf bestehende Bohrlöcher oder Bohrlöcher beschränkt. Schließlich sollten Daten von Mineralfallen-Probenehmern nicht als direkter Ersatz für massengeochemische Probenahmen betrachtet werden.
Mineralfallen haben mehrere weitere potenzielle Anwendungen über die oben beschriebenen Beispiele hinaus. Dazu gehören Sanierungsmethoden, die darauf abzielen, andere Metallkontaminanten wie Arsen, Chrom und Uran wie Sulfide, Eisenoxide oder Phosphatminerale durch die Injektion von Reduktierenden, Oxidanten, Phosphaten und/oder Säure- oder Basenlösungen auszufällen. Das oben beschriebene Verfahren wird voraussichtlich weitgehend anwendbar sein; für die Probenanalyse können jedoch alternative analytische Methoden erforderlich sein, abhängig von der Ziel-Schadstoff- und Mineralphase.
Offenlegungen
Die Autoren Taggart und Ward sind bei Microbial Insights beschäftigt, das exklusiv zur Herstellung und zum Verkauf von Min-Traps lizenziert ist. Die Autoren Divine, Justicia-León, Martin Tilton, Carter und Zardouzian sind bei Arcadis beschäftigt, dem Min-Trap-Patentabtreiber.
Danksagungen
Die Finanzierung und Unterstützung für diese Arbeit wurden durch Satellite, das globale Innovationsprogramm für Arcadis (http://www.lovinklaan.nl/en/programs/imagine-satellite/), und ESTCP (Projekt ER19-5190) bereitgestellt.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 18-Zoll-Edelstahllineal | Staples (www.staples.com) | 2772901 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| 1-Gallonen-Abdichtbare Polyethylenbeutel | Staples (www.staples.com) | 24401543 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| 2200-Watt-Honda-Generator | Home Depot (www.homedepot.com)) | 316604378 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| 5-GM-Lebensmittelspeicher-Silikagel-Sauerstoffsorbentpäckchen | Amazon (www.amazon.com) | 7.47607E+11 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Kühlboxen | Staples (www.staples.com) | 24299978 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Digitalkamera | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein | ||
| Whiteboard-Marker | Staples (www.staples.com) | 24398946 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Whiteboard mit abwischbarem Druck (mindestens 24 Zoll breit) und | Staples (www.staples.com) | 814930 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| GENbag Anaerobic | bioMé Rieux (https://biomerieuxdirect.com/biomerieux) | 45534 | Als Alternative zu einem Vakuumversiegler können anaerobe GENbags (https://biomerieuxdirect.com/), luftdichte Beutel mit einem Generatorbeutel, der Sauerstoff absorbiert und Kohlendioxid freisetzt, verwendet werden, um schnell eine anaerobe Atmosphäre für die Konservierung und Lagerung von Min-Trap-Proben zu erzeugen. |
| Eis | Lokaler Kiosk | ||
| Min-Trap-Sampler | Mikrobielle Erkenntnisse, Inc. (https://microbe.com/min-trap-sampler/) | NA | (US-Patent 11.002.643 B1) |
| Nylonseil | Staples (www.staples.com) | 191591 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Papiertücher | Staples (www.staples.com) | 2126874 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Permanentmarker | Staples (www.staples.com) | 125328 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Schere | Staples (www.staples.com) | 24380498 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Vakuumierer | Cabelas (www.cabelas.com) | 100113832 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
| Vakuumbeutelrolle (8-on) | Cabelas (www.cabelas.com) | 2514954 | Alternative Modelle könnten akzeptabel sein |
Referenzen
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Nachdrucke und Genehmigungen
