Contaminant Minéralisation de mesure à base de carbone Utilisation combinée CO 2 Flux et radiocarbone Analyses
21 octobre 2016
Un protocole est décrit dans lequel la biodégradation duCO2 minéralisé à partir de contaminants organiques (dérivé de matières premières pétrolières) est piégée, quantifiée et analysée pour déterminer la teneur en 14C. Un modèle est développé pour déterminer l’étendue spatiale de la zone de capture du CO2. Les mesures spatiales et temporelles permettent d’intégrer les taux de minéralisation des contaminants pour prédire l’étendue et le temps de l’assainissement.
L’objectif global de cette méthode combinée de modélisation du flux de dioxyde de carbone, de la teneur en radiocarbone et de la zone d’influence est de suivre la dégradation in situ des contaminants dérivés du pétrole à l’aide du signal de radiocarbone appauvri dans le dioxyde de carbone, un produit final de dégradation. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la biorestauration et de l’évaluation environnementale. Par exemple, dans quelle mesure le confinement est-il dégradé sur le site ?
Soit par atténuation naturelle, soit en conjonction avec des approches d’assainissement techniques. Le principal avantage de cette technique est qu’elle repose sur la mesure du carbone dérivé du squelette de confinement réel, plutôt que sur la réalisation de multiples mesures indirectes à titre de sources de preuves. La méthode permet de calculer le taux réel de biodégradation in situ.
Pour l’instillation sur le terrain, préparez les pompes à air comme suit. Tout d’abord, percez un trou dans le corps de la pompe pour un petit morceau de tube en plastique imperméable aux gaz de 1/16 de pouce de diamètre. Insérez une longueur de tube de cinq à six pouces dans le trou.
Ensuite, scellez toutes les parties externes de la pompe avec un mastic marin. Suivi d’une couche de mastic silicone. Ensuite, testez la pression des pompes scellées.
Soufflez doucement dans le tube tout en bloquant l’écoulement. Ensuite, préparez un piège à dioxyde de carbone pour chaque puits de collecte et un contrôle. Pesez 25 grammes d’hydroxyde de sodium dans une bouteille de sérum de 100 millilitres.
Fermez le flacon de sérum avec un septum et sertissez-le fermement. Maintenant, fixez les fils électriques. Sur le terrain, l’alimentation de chaque puits nécessite de longues conduites pour chaque pompe.
À l’intérieur des puits de champ, bouchez leur sortie à l’aide de capuchons modifiés avec deux trous de 1/16 de pouce pour les conduites de gaz. Dans le puits, la conduite de gaz abaissée est placée légèrement au-dessus du niveau de l’eau souterraine et la conduite de retour est placée juste en dessous du bouchon. Ensuite, scellez les tuyaux et le joint du bouchon avec de la graisse sous vide afin que toutes les surfaces soient étanches au gaz.
À partir du puits, acheminez le tube inférieur dans l’entrée de la pompe et acheminez la conduite de gaz de la pompe au piège à dioxyde de carbone. À l’aide d’une aiguille de calibre 16 pour percer le septum. Ensuite, à l’aide d’une autre aiguille, acheminez une conduite de retour du piège à la conduite de gaz et juste en dessous du bouchon.
Maintenant, utilisez la configuration pour faire une collection initiale de 30 volumes de puits. Plus tard, jetez les pièges initiaux. Retirez les aiguilles du septum et mettez-les dans une nouvelle bouteille.
Ensuite, enregistrez l’heure de début de la collection. Pour analyser le gaz collecté, mesurez le dioxyde de carbone piégé dans les échantillons d’eau à l’aide de la coulométrie. Tout d’abord, transférez des sous-échantillons triples d’un millilitre dans des flacons de sérum de 40 millilitres recouverts de septa.
Ensuite, acidifiez chaque sous-échantillon avec un millilitre d’acide phosphorique à 50 % volume par volume. Introduisez le fil dans un piège à perchlorate de magnésium. Et ensuite, utilisez un piège en gel de silice avec un maillage de 60 angström.
Ensuite, faites buller le flux gazeux dans la cellule coulométrique et utilisez les coulombs mesurés pour quantifier les niveaux de dioxyde de carbone. Deux semaines à deux mois après le début de la collecte, récupérez les pièges. Coupez l’alimentation des pompes et retirez les aiguilles.
Si nécessaire, scellez les pièges pour un stockage à long terme. Pour analyser le piège, dissolvez tout hydroxyde de sodium solide non utilisé avec de l’eau. Arrosez l’eau avec de l’hélium gazeux lavé au dioxyde de carbone pour éliminer le dioxyde de carbone dissous.
Ensuite, combinez le contenu du piège entièrement liquéfié et mesurez le volume total. Ensuite, transférez des sous-échantillons de cinq à 10 millilitres dans des flacons de 40 millilitres avec septa. Ensuite, acidifiez les sous-échantillons avec 50 % d’acide phosphorique volume par volume.
Maintenant, barbotez et analysez le flux de gaz résultant par coulométrie comme décrit précédemment. Plus tard, lorsque vous effectuerez vos calculs pour cette période d’échantillonnage, assurez-vous de tenir compte de la cinétique d’équilibre en soustrayant manuellement le taux de collecte le plus bas du taux de collecte mesuré sur les autres puits. Utilisez MT3DMS couplé à MODFLOW 2005 via l’interface ModelMuse pour simuler la diffusion de dioxyde de carbone à l’équilibre associée au tamis de puits.
Configurez ModelMuse avec l’emplacement du programme MODFLOW. Pour ce faire, cliquez sur le menu Modèle, puis sélectionnez Emplacements du programme MODFLOW. Pointez ensuite le programme vers le répertoire d’instillation du programme MODFLOW 2005.
Dans la même boîte de dialogue, configurez ModelMuse avec l’emplacement du programme MT3DMS. Ensuite, configurez les packages et les programmes MODFLOW dans le menu Modèle. Sous l’option Flux, assurez-vous que le package Flux de propriétés de couche est sélectionné.
Sous Conditions aux limites, sélectionnez En-tête spécifié. Sélectionnez ensuite le package CHD Time-Variant Specified Head. Ensuite, sélectionnez MT3DMS et BTN Basic-Transport.
Ensuite, réglez l’espèce mobile sur dioxyde de carbone. Maintenant, configurez les options MODFLOW. Dans le menu Modèle, sélectionnez Options MODFLOW et définissez les unités du modèle.
Ensuite, configurez MODFLOW Time. Dans le menu Modèle, sélectionnez MODFLOW Time. Une période de stress de 360 minutes fera fonctionner la simulation pendant 15 jours.
Ensuite, configurez les ensembles de données MODFLOW. Dans le menu Données, sélectionnez Ensembles de données. Ensuite, entrez les données du site qui vous intéresse.
Pour Hydrologie, entrez les valeurs k en trois dimensions. Tête initiale MODFLOW et tête spécifiée MODFLOW. Pour MT3DMS, entrez le coefficient de diffusion, le dioxyde de carbone, la concentration initiale de dioxyde de carbone et la dispersivité longitudinale.
Enfin, modifiez les variables globales. Dans le menu Données, sélectionnez Variables globales et entrez le taux de collecte de dioxyde de carbone utilisé sur le site et entrez la concentration initiale de dioxyde de carbone. Exécutez maintenant la simulation.
Appuyez sur la flèche verte sur la barre d’icônes supérieure pour démarrer la simulation. Ensuite, enregistrez les fichiers d’entrée lorsque vous y êtes invité et la simulation s’exécutera. Après l’exécution, compilez et exportez les données en sélectionnant le menu Fichier, puis exportez, puis les fichiers d’entrée MT3DMS.
Pour observer et générer les résultats du modèle, cliquez sur l’icône Visualiser. Sélectionnez ensuite la simulation et générez les valeurs limites de la zone d’influence en coordonnées 3D. Sur le site d’essai, la contamination historique par les hydrocarbures chlorés a été la plus élevée dans le groupe de puits centraux.
La production de dioxyde de carbone mesurée variait de zéro à 34 milligrammes par jour et était la plus faible dans un groupe de puits centraux où la contamination historique était la plus élevée. Les paramètres géochimiques du site, tels que le PH, le calcium et d’autres concentrations de cations, n’ont pas indiqué de dissolution de carbonate, ce qui pourrait biaiser l’interprétation des mesures de radiocarbone. Deux mesures de la saison sèche de deux semaines ont été moyennées pour les calculs ultérieurs.
Les mesures de la respiration et du radiocarbone n’ont pas varié considérablement entre les périodes de deux semaines. À l’aide de rapports antérieurs pour l’hydraulique des eaux souterraines dans les propriétés des solutés de dioxyde de carbone, un modèle de zone d’influence a été généré. À l’aide des estimations du modèle de zone d’influence, l’élimination massive d’hydrocarbures chlorés à chaque puits a été calculée.
En fin de compte, les puits situés près de la périphérie du site présentaient la plus forte dégradation des hydrocarbures chlorés et la production de dioxyde de carbone, et les modèles ont confirmé cette observation. Lors de cette procédure, il est important de se rappeler de minimiser la contamination par le dioxyde de carbone atmosphérique en bouchant rapidement et en minimisant le contact avec l’atmosphère. Tout diluant doit être aspergé d’un gaz inerte pour éliminer le CO2 dissous.
À la suite de cette procédure, d’autres méthodes, comme la détermination des conditions biogéochimiques du site, peuvent être utilisées afin de répondre à des questions supplémentaires, comme qu’est-ce qui contrôle les taux de dégradation in situ ?
Aperçu
Cet article présente une méthode permettant de suivre la dégradation de contaminants d'origine pétrolière en mesurant la teneur en carbone 14 du dioxyde de carbone produit lors de la biodégradation. L'approche intègre des données spatiales et temporelles afin de modéliser l'ampleur des zones de captation du CO2 et de prédire les délais de remédiation.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Science de l'environnement
- Biorémédiation
- Cycle du carbone
Contexte
- Les contaminants pétroliers posent des risques environnementaux importants.
- Comprendre les processus de biodégradation est essentiel pour une remédiation efficace.
- Les méthodes traditionnelles s'appuient souvent sur des mesures indirectes.
- La présente étude introduit une approche de mesure directe utilisant l'analyse au radiocarbone.
Objectif de l'étude
- Développer un protocole pour quantifier le CO2 provenant de la dégradation des contaminants.
- Modéliser l'étendue spatiale des zones de captation du CO2.
- Améliorer les prévisions concernant l'efficacité et les délais de la remédiation.
Méthodes utilisées
- Installation sur le terrain de pompes à air et de pièges à CO2.
- Prélèvement et analyse d'échantillons de gaz par coulométrie.
- Simulation de la diffusion du CO2 à l'aide de MT3DMS et MODFLOW.
- Intégration des données pour évaluer les taux de biodégradation.
Résultats principaux
- Les taux de production de CO2 mesurés variaient considérablement selon les sites.
- La méthode a fourni une preuve directe de la biodégradation in situ.
- Les résultats de la modélisation indiquaient l'étendue spatiale des zones de captation de CO2.
- Les résultats soutiennent l'efficacité de la méthode proposée pour les évaluations environnementales.
Conclusions
- La méthode développée améliore la compréhension de la dégradation des contaminants pétroliers.
- Elle offre une approche fiable pour surveiller les efforts de bioremédiation.
- Des applications futures pourraient améliorer les stratégies de gestion environnementale.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Cette méthode permet la quantification directe de la biodégradation in situ de contaminants d'origine pétrolière en mesurant le CO2 appauvri en carbone 14 provenant de la minéralisation des contaminants. Elle constitue un outil mécanistique de réduction des incertitudes pour l'évaluation du devenir environnemental, renforçant la fiabilité prédictive de l'efficacité de la bioremédiation et réduisant la dépendance à l'égard d'indicateurs indirects. L'approche fournit des estimations du temps nécessaire à la remédiation ainsi que des éléments d'information pour les décisions portant sur la gestion des sites et l'évaluation des responsabilités environnementales.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet d'étudier les voies de dégradation des contaminants en suivant la minéralisation en CO2 en tant que métabolite terminal.
- Valeur opérationnelle : Exploite un signal isotopique endogène (absence de 14C) dans les contaminants d'origine fossile, éliminant ainsi le besoin de traceurs exogènes.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Génère des données quantitatives sur le flux de CO2 et sur le radiocarbone afin de calculer le pourcentage de respiration provenant des contaminants.
- Valeur opérationnelle : Associe le piégeage des gaz et la coulométrie pour une mesure standardisée et reproductible des taux de biodégradation entre différents points d'échantillonnage.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Permet la modélisation de systèmes pertinents pour les maladies en associant la perte de masse des contaminants à la production de CO2 par modélisation de la zone d'influence.
- Valeur opérationnelle : Permet une extrapolation spatiale et temporelle des taux de biodégradation, depuis les évaluations en microcosme jusqu'aux échelles de terrain.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode intègre une analyse du devenir des contaminants à un stade de découverte avec une modélisation prédictive afin d'aider à prendre des décisions d'aller/arrêt dans les procédures de remédiation environnementale.
- Découverte en biologie : Suit la minéralisation du squelette carboné des hydrocarbures en CO2, fournissant une preuve directe de la dégradation des contaminants.
- Évaluation : Fournit des taux quantitatifs de respiration en CO2 et le fractionnement isotopique pour une analyse comparative des conditions.
- Analytique : Utilise la quantification coulométrique du CO2 et la mesure du carbone 14 pour permettre l'attribution des sources par des modèles de mélange à deux composantes.
- Recherche translationnelle : Relie les mesures ponctuelles à la dégradation à l'échelle du panache grâce à la simulation de la zone d'influence à l'aide de MT3DMS et MODFLOW.
- Réutilisation institutionnelle : Établit un protocole standardisé pour la surveillance à long terme et l'évaluation comparative des sites dans le cadre de projets de remédiation.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Fournit une confiance prédictive dans la minéralisation des contaminants en mesurant un point final isotopique stable et indépendant du processus.
- Valeur opérationnelle : Garantit la reproductibilité grâce à des étapes standardisées de piégeage des gaz, d'acidification et de détection coulométrique.
- Valeur stratégique : Réduit le risque de remédiation en phase avancée en permettant une validation précoce et directe des hypothèses de biodégradation.
- Impact sur le portefeuille : Soutient la priorisation ajustée au risque des sites en fonction des taux de dégradation quantifiés et des zones d'influence modélisées.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Requiert une expertise en analyse de radiocarbone, en chromatographie en phase gazeuse et en modélisation des eaux souterraines.
- Dépend des infrastructures nécessaires au piégeage du CO2 (pièges à NaOH), à la coulométrie et aux simulations MODFLOW/MT3DMS.
- Nécessite une standardisation entre équipes impliquant les groupes d’échantillonnage sur le terrain, d’analyse en laboratoire et de modélisation.
- Implique des adaptations à prendre en compte selon les types de sols, les écoulements des eaux souterraines et les niveaux de radiocarbone de fond.
- Comprend des limitations pratiques telles qu’un risque potentiel de contamination par le CO2 atmosphérique lors de l’échantillonnage et la nécessité de dégazage des réactifs à l’aide d’un gaz inerte.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
Chapters in this video
0:05
Title
0:55
Preparation and Field Installation
3:16
Measure Dissolved Inorganic Carbon (DIC)
4:03
Measure CO2 Production Rate Occurring On-site
5:24
Model a Zone of Influence to Estimate the Soil Volume Sampled for CO2
9:09
Results: Detailed Emission Data from a Site of Known Contamination
10:36
Conclusion
