Molti minerali reattivi importanti si formano durante la bonifica in situ delle acque sotterranee; tuttavia, i metodi convenzionali basati su carote di perforazione spesso presentano difficoltà nella raccolta di questi minerali. Questo articolo offre tecniche per utilizzare il Min-Trap, un innovativo dispositivo di campionamento passivo, per raccogliere e misurare efficacemente minerali reattivi provenienti da pozzi di monitoraggio convenzionali.
Articolo metodologico
Dispiegamento e recupero di campioni minerali
In questo articolo
Sommario
Abstract
Le interazioni chimiche, geochimiche e microbiologiche sottosuflue, come la formazione di minerali reattivi, la generazione di gas e l'assorbimento di contaminanti, svolgono un ruolo fondamentale nella definizione delle strategie di bonifica. Tuttavia, la valutazione di questi processi su scala di campo è spesso limitata dal costo e dall'invasività dei metodi tradizionali di campionamento. Il campione per trappole minerarie offre un'alternativa pratica e a basso costo per il monitoraggio in situ della formazione di minerali reattivi senza richiedere ulteriori perforazioni o estrazioni di carota. Impiegato all'interno dell'intervallo di schermo di un pozzo di monitoraggio, il campionatore raccoglie passivamente precipitati minerali e biomassa microbica per un periodo di almeno trenta giorni. Una volta recuperato, il campionatore viene sigillato sottovuoto e trasportato su un laboratorio per l'analisi utilizzando tecniche commerciali standard. Questa innovazione consente a scienziati e ingegneri di valutare sia il tasso che la distribuzione spaziale delle precipitazioni minerali, fornendo preziose informazioni sulle condizioni del sottosuolo. Fornendo dati operativi sulla formazione minerale e sull'attività microbica, il campione di trappola minerale supporta le valutazioni delle prestazioni e aiuta a guidare strategie di ottimizzazione per i sistemi di bonifica. La sua semplicità e convenienza lo rendono uno strumento utile per migliorare la caratterizzazione del sito e la gestione a lungo termine.
Introduzione
La bonifica delle acque sotterranee di solventi clorurati e contaminanti metallici spesso dipende dalla formazione, dissoluzione o trasformazione in situ di minerali reattivi che degradano o sequestrano gli inquinanti. L'iniezione di fonti di carbonio organico (ad esempio, lattato, melassa, olio vegetale emulsionato) stimola batteri indigeni riducenti di ferro e solfati, che generano idrogeno solforato e ferro ridotto. Questi reagiscono formando minerali solfurati di ferro — principalmente mackinawite (FeS) e pirite (FeS 2), che trasformano abioticamente i composti organici volatili clorurati (CVOCs)1,2,3,4,5,6.
La verifica diretta sul campo della formazione dei minerali reattivi target può migliorare l'ottimizzazione delle strategie di bonifica promuovendo condizioni che massimizzano lo sviluppo minerale e, di conseguenza, il potenziale di degradazione abiotica dei composti organici volatili clorurati (CVOC). Tuttavia, le valutazioni delle formazioni minerarie sono tipicamente dedotte da indicatori in fase acquosa (cioè analisi delle acque sotterranee), a causa dei notevoli vincoli logistici e finanziari associati all'acquisizione di campioni in fasesolida 7,8. La valutazione convenzionale della formazione di minerali reattivi si basa sull'inferenza di variazioni di fase solida da misurazioni in fase acquosa. Possono essere raccolti campioni diretti in fase solida, ma ciò richiede un elevato costo di perforazione o carotaggio discreto per il campionamento di suolo/rocce, che è tipicamente associato a una copertura spaziale limitata e all'impossibilità di raccogliere campioni ripetuti per valutare i cambiamenti nel tempo. Inoltre, la perforazione è associata a un aumento dei rischi per il tempo, il lavoro e la sicurezza sanitaria. Questi vincoli spesso ostacolano l'ottimizzazione tempestiva delle strategie di correzione e la prova definitiva della presenza di minerali reattivi.
Il Min-Trap, d'ora in poi chiamato trappola minerale, è un dispositivo di campionamento in situ a basso costo progettato per pozzi di monitoraggio di 2 pollici o di diametro maggiore. È costituito da "cuscini" in rete di nylon riempiti con una matrice di fase solida (ad esempio, sabbia di silice o materiale del sito) racchiusa in un alloggiamento in PVC afessure 9. Impiegate per settimane o mesi sotto flusso di acqua sotterranea nativa, le trappole minerali catturano i minerali precipitanti senza perforazioni intrusive. Dopo questo periodo di incubazione, le trappole minerali vengono rimosse dal pozzo di monitoraggio e i cuscini di sabbia all'interno del rivestimento in PVC vengono sottoposti ad analisi di laboratorio per identificare e quantificare i minerali catturati durante il dispiegamento. Ulteriori dettagli sulle specifiche di progettazione della trappola minerale e sui risultati degli esperimenti in vasca di laboratorio e i risultati iniziali sul campo, incluso il confronto con i campioni di carote del suolo del sito per la validazione, sono disponibili 10.
I principali vantaggi dell'approccio a trappola minerale includono: evidenza fisica diretta della formazione di minerali reattivi, eliminazione di carote costose e laboriose, campionamento ripetibile per monitorare la progressione del trattamento, ampia adattabilità a qualsiasi trattamento di formazione minerale e personalizzazione della matrice di cuscino (cioè sabbia, argilla, suolo del sito, suolo del sito con un emendamento aggiuntivo, ecc.).
I dati mineralogici delle trappole minerarie possono guidare tutte le fasi di un programma di bonifica, dalla caratterizzazione iniziale del sito e i test di fattibilità fino all'ottimizzazione dei rimedi e al monitoraggio a lungo termine. Fornendo uno strumento conveniente per documentare e verificare i processi di trattamento basati sui minerali, la trappola minerale aumenta l'affidabilità e la trasparenza della bonifica delle acque sotterranee. La trappola minerale è particolarmente utile per monitorare la formazione di minerali reattivi durante la riduzione chimica in situ (ISCR) e/o la declorazione riduttiva potenziata (ERD) per trattare i CVOC. I dati delle trappole minerarie raccolte nel tempo possono essere utilizzati per informare le transizioni dalle fasi di bonifica attiva a quelle passive.
Inoltre, la trappola minerale è attualmente in fase di adattamento per facilitare la misurazione dei coefficienti di distribuzione del campo contaminante (campo K d) al fine di valutare la fattibilità di immobilizzare contaminanti, come sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS), nel sottosuolo come strategia di trattamento. Esperimenti in corso stanno utilizzando campionatori di trappole minerali come microcosmo dispiegati sul campo per confrontare ilcampo K in d del suolo non modificato con il suolo modificato con prodotti a carbonio colloidale. L'impiego di un campionatore di trappole minerali in questo approccio mostra chiari benefici marginali fornendo confronti diretti in situ tra la distribuzione delle acque sotterranee e del suolo tra il suolo del sito nativo e l'aggiunta di emendamenti a base di sorbenti. Questo adattamento può fornire prove importanti per la progettazione dell'applicazione di carbonio colloidale nel sottosuolo, così come per altre potenziali applicazioni.
Il campionatore a trappola minerale può essere utilizzato per raccogliere campioni di precipitati minerali da diversi ambienti geochimici e valutare diversi processi di bonifica. Il protocollo descritto di seguito è generico ed è generalmente appropriato per la maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, aspetti specifici, come i tempi di incubazione, la frequenza di campionamento, il materiale della matrice di supporto e i metodi analitici utilizzati, devono essere adattati al processo geochimico previsto e alle condizioni del sito.
Protocollo
I reagenti e le attrezzature utilizzate in questo studio sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Pianificazione della valutazione del sito
- Seleziona la matrice da utilizzare all'interno delle trappole minerali. Vedi la sezione Discussione per maggiori informazioni sulle matrici di trappola minerale. Se viene utilizzata la matrice standard di sabbia Ottawa, procedere al Dispiegamento sul Campo. Se viene utilizzato il terreno del sito, procedere ai passaggi 1.1.1-1.1.2.
- Forare, carotare o usare altri mezzi per raccogliere 250-300 g di materiale.
- Spedite al fornitore per l'incorporazione nel campionatore.
NOTA: A seconda degli obiettivi del progetto, i nuclei potrebbero dover essere spediti in condizioni anaerobiche utilizzando sacchetti sigillati sottovuoto e bustine di recupero di ossigeno.
2. Impiego sul campo
- Ottieni l'unità dal venditore. Consulta la Figura 1 per un'immagine del campione fornita dal fornitore11.
- Purifica il pozzo, come se stessi campionando.
- Legare la corda di nylon all'occhiello sulla parte superiore della custodia del sifone minerale e collegare al tappo del pozzo usando una lunghezza di corda che raggiunga il punto finale desiderato all'interno dello schermo del pozzo.
- Installare trappole minerali direttamente all'interno dell'intervallo schermato del pozzo di monitoraggio, simile ad altri campionatori di diffusione passiva disponibili commercialmente, come i campionatori di diffusione passiva (https ://itrcweb.org/teams/projects/diffusion-passive-samplers), i campionatori Bio-Trap (https ://microbe.com/bio-trap-samplers/) e i campionatori Hydrasleeve (https ://hydrasleeve.com/).
NOTA: Ulteriori trappole minerali possono essere collegate insieme in forma di "catena di margherite". - Fissa un peso all'occhiello inferiore se necessario per aiutare a raggiungere profondità più profonde all'interno dello schermo.
Figura 1: Campionatore di trappola minerale. Trappola minerale su un fianco (in alto a destra), completamente assemblata (in alto), pronta per essere installata in un pozzo di monitoraggio e aperta (in fondo), mostrando molteplici distinti "cuscini" riempiti di sabbia che possono essere rimossi individualmente e sottoposti all'analisi di laboratorio. Molti aspetti dei campioni per trappole minerarie sono modificabili in base alle esigenze del progetto. Questo include la lunghezza dell'unità di alloggiamento, le dimensioni dell'inserto a rete e il numero, le dimensioni e il materiale dei cuscini. Adattato da Divine et al.11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Recupero e conservazione
- Lasciare il campione di strappola minerale nel pozzo di monitoraggio per l'intervallo di distribuzione desiderato (tipicamente 1-2 mesi).
NOTA: Per determinare un periodo ottimale di implementazione, i project manager possono consultare la letteratura esistente sulle condizioni geochimiche ideali per la formazione di solfuro di ferro nelle strategie di bonifica della riduzioneavanzata 12. - Assemblare i seguenti materiali per il recupero come mostrato nella Figura 2, inclusi: sacchetti sottovuoto e sottovuoto (in alternativa, possono essere usati anche sacchetti GENbag anaerobici), fonte di alimentazione elettrica (se necessario), forbici, macchina fotografica, una lavagna bianca (di almeno 24 pollici di diametro), pennarelli cancellabili a secco, righello, pennarelli permanenti, sacchetti in polietilene sigillabili da 1 gallone, carta assorbente, frigorifere, e ghiaccio.
- Organizza l'area di lavoro per garantire un recupero rapido ed efficiente delle trappole minerali.
- Riempi i frigoriferi con ghiaccio.
- Etichetta il sacchetto campione con il nome del sito, il nome del pozzo, la data del campionamento, il laboratorio di destinazione, l'analisi desiderata e le iniziali del campione.
- Se si utilizza un sigillatore sottovuoto invece di una GENbag, sigilla tre dei quattro lati della busta, lasciando un lato aperto per inserire i campioni della trappola minerale.
- Avvia un timer per assicurarti che passino meno di 15 minuti dal momento in cui l'unità viene estratta dal pozzo fino a quando i cuscini vengono sigillatisottovuoto.
- Tira con attenzione la linea di nylon per rimuovere la trappola minerale dal pozzo.
- Indica qualsiasi precipitato (cioè materiale grigio, nero o marrone) o odore proveniente dalla custodia della trappola minerale.
- Fotografa l'aspetto della custodia.
- Svitare la parte superiore del sifone minerale per esporre l'inserto interno in rete dei cuscini riempiti di materiale (Figura 3).
- Indica e/o fotografa qualsiasi precipitato sull'inserto a rete.
- Usa forbici per tagliare l'anello o la fascetta che fissa l'inserto a rete alla sommità dell'unità abitativa.
- Metti l'inserto a rete all'interno del GENbag o del sacchetto sottovuoto e sigillalo immediatamente.
- Doppia busta il campione in una grande busta (cioè da un gallone) con zip.
- Fotografa il campione.
- Metti subito il campione nel frigorifero sul ghiaccio.
- Ferma il timer e registra il tempo trascorso nel registro di campo.
- Ripeti secondo necessità per ogni pozzo, assicurandoti sempre di tenere i campioni sul ghiaccio.
- Completa la catena di custodia.
- Imballa in modo sicuro il frigorifero e spedilo ai laboratori per la consegna notturna.
NOTA: Il tempo massimo di attesa prima di raggiungere il laboratorio è di 48 ore. Assicurati che i campioni non siano mai più freddi di -18 °C. La conservazione criogenica dei campioni (circa -78°C) può indurre la conversione della mackinawite in pirite prima delle analisi14. Questo effetto non è stato evidenziato quando i campioni sono stati conservati in condizioni di congelamento moderate (-18 °C).15. I campioni raccolti con trappole minerarie sono validi per molte analisi. La Tabella 1 sottostante fornisce metodi analitici utilizzati su campioni di trappole minerali, oltre a riferimenti quando applicabile. L'elevato contenuto di quarzo della matrice standard di sabbia di silice potrebbe escludere l'uso di analisi XRD, quindi si potrebbero considerare tipi alternativi di supporto per consentire un uso più efficace della XRD.
Figura 2: Fotografia che mostra l'attrezzatura da campo (in senso orario dall'angolo in alto a sinistra). (A) Lavagna bianca; (B) pennarelli cancellabili; (C) forbici (verde e blu); (D) sigillatrice sottovuoto; (E) scatola di guanti in lattice; (F) sacchetti sottovuoto; (G) bustine di ossigeno per la conservazione del cibo; e (H) quaderno da campo. Adattato da Divine et al.11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Fotografie che mostrano l'attrezzatura da campo (in senso orario dall'angolo in alto a sinistra). (A) Rimozione della trappola minerale dal pozzo di monitoraggio; (B) tagliare e separare i singoli cuscini minerali per trappola; (C) due campioni di cuscino minerale con trappola sigillati con un assorbente di ossigeno; (D) due campioni di cuscino minerale sigillati con un assorbente di ossigeno (nota la colorazione nera indicativa della presenza di minerali solfuro di ferro); (E) due trappole minerali recuperate e aperte prima del campionamento (nota la colorazione nera indicativa della presenza di minerali solfurati di ferro). Adattato da Divine et al.11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Risultati
Di seguito sono presentate quattro applicazioni rappresentative di trappole minerali per documentare la formazione dei minerali bersaglio.
Esempio 1
La biorisanazione in situ è stata implementata nel sito da oltre 10 anni tramite l'iniezione di una fonte di carbonio solubile e fermentabile per trattare il tricloroetene e composti correlati. I dati geochimici acquosi provenienti dai pozzi di monitoraggio indicano che le condizioni riducenti dei solfati sono persistite per molti anni, mentre concentrazioni elevate di cis-1,2-DCE e altri prodotti figli confermano che i processi di declorazione riduttiva mediati dai microbi sono ben consolidati. Per verificare la formazione attiva di solfuro di ferro, sono stati impiegati campioni per trappole minerali sul sito. I campionatori per trappole minerarie sono stati installati nei pozzi di monitoraggio per circa cinque mesi, dopo di che i campioni sono stati analizzati per il ferro totale, AMIBA e la Spettroscopia a Dispersione di Energia per Microscopia Elettronica (SEM-EDS). Sono state osservate concentrazioni elevate di Fe totale (100 mg/kg), CrES Fe²⁺ (44 mg/kg) e CrES (41 mg/kg). La mappatura elementare dalle immagini SEM-EDS (Figura 4) dimostra chiaramente la co-localizzazione di ferro e zolfo. Collettivamente, questi risultati forniscono forti prove che le attività di bonifica hanno portato a una precipitazione attiva in situ di solfuri di ferro. Al contrario, l'assenza di Fe²⁺ e solfuri estraibili, insieme alla mancanza di ferro e zolfo co-localizzati nelle analisi SEM-EDS, indicherebbe che i solfuri di ferro non erano presenti nel campione.
Figura 4: Mappe elementali SEM-EDS di questo campione di trappola minerale che mostrano le posizioni spaziali di Fe e S (centro e destra). Barre di scala: 25 μm. Adattato da Divine et al.15. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Esempio 2
Le acque sotterranee contaminate da nichel disciolto venivano trattate iniettando una fonte di carbonio solubile e fermentabile per favorire la precipitazione minerale del nichel tramite la formazione mediata da microbi di solfuri di nichel in fase solida (NiS). Riduzioni nelle concentrazioni di nichel disciolto furono osservate nei pozzi di monitoraggio, e furono utilizzati campioni a trappole minerarie per confermare che queste diminuzioni erano dovute alla precipitazione di nichel come NiS. Trappole minerarie contenenti sabbia sterile sono state impiegate nei pozzi di monitoraggio per 64 giorni, dopo di che i campioni sono stati analizzati per ottenere nichel totale, nichel misurato tramite analisi SEM/AVS (Simultaneous Extracted Metals/Acid Volatile Sulfure), che indica complessi Ni-S, e Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM-EDS). Sono state rilevate concentrazioni elevate di nichel in tutti i campioni di trappole minerali, con nichel totale che variava da 5,2 a 89 mg/kg e il nichel estraibile da SEM/AVS da 3,7 a 100 mg/kg. La mappatura elementare da un'immagine SEM-EDS di un campione (Figura 5) dimostra la co-localizzazione di nichel e zolfo. Sommati, questi risultati confermano che le attività di bonifica hanno portato alla precipitazione e al sequestro in situ del nichel, incluso il NiS. Inoltre, le misurazioni del ferro totale e altri dati SEM suggeriscono che una parte del nichel potrebbe essere associata anche a minerali di ferro non solfuri (dati non mostrati).
Figura 5: Mappe elementali SEM-EDS di un campione di trappola minerale che mostrano le posizioni spaziali di S (a sinistra) e Ni (a destra). Barre di scala: 1 μm. Adattato da Divine et al.11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Esempio 3
Una trappola minerale contenente terreno sterile è stata installata in un sito dove è stata iniettata una soluzione di carbonio fermentabile solubile, e il sottosuolo è stato riscaldato moderatamente (aumento delle temperature di circa 5-15 °C) per favorire la biorimediazione in situ 16. Dopo un periodo di incubazione di circa quattro mesi, il campione di trappola minerale è stato analizzato per le caratteristiche microbiologiche tramite i metodi avanzati qPCR di Microbial Insight noti come analisi qPCR-AHY QuantArray-MIC e CENSUS qPCR-AHY (https://microbe.com/quantarray-mic/). Questi dati (Figura 6) forniscono una comprensione delle condizioni di redox poise/geochimiche e dell'abbondanza di gruppi microbici chiave rilevanti per la formazione di specie minerali reattive del ferro. La matrice della trappola minerale era sterile al momento del dispiegamento, quindi tutti i microrganismi rilevati dalla qPCR rappresentano colonizzatori in situ che si sono stabiliti durante il periodo di incubazione. Ad esempio, tre dei bersagli più abbondanti nel campione di trappola minerale sono stati identificati come fermentatori (FER), IRB e SRB (identificati come APS nella Figura 6), che indicano processi microbici attivi coerenti con le condizioni redox osservate. I fermentatori sono batteri anaerobi che metabolizzano substrati di carbonio organico per produrre acidi organici e idrogeno. La produzione di idrogeno, a sua volta, supporta la crescita di altri organismi associati alla MIC, inclusi gli SRB. L'IRB riduce il ferro ferrico insolubile in ferro ferroso solubile, facilitando potenzialmente la disponibilità di ferro ferroso per la formazione di minerali ferrosi reattivi. Gli SRB consumano idrogeno e producono solfuro di idrogeno. Il solfuro di idrogeno, a sua volta, può reagire con il ferro ferroso disponibile per formare solfuri di ferro reattivi. Sebbene i metodi basati sul DNA non quantifichino direttamente l'attività enzimatica, la presenza e la dominanza di questi organismi in un substrato precedentemente sterile supportano fortemente le reazioni biogeochimiche in corso che contribuiscono alla formazione di minerali reattivi. Nel complesso, i risultati forniscono utili informazioni sull'abbondanza relativa dei principali gruppi microbici coinvolti nelle reazioni redox e nella formazione di minerali reattivi di solfuro di ferro. Questi risultati sono coerenti e spiegano la riduzione superiore del 99,9% delle concentrazioni di CVOC in questo pozzo e un significativo spostamento della massa molare verso etene ed etano (Figura 7), e la relativa diminuzione del numero di cloro (il numero medio di clori per gli eteni clorati misurati nel campione). Questi risultati evidenziano che la declorazione riduttiva è stata potenziata e sta procedendo attraverso la disintossicazione.
Figura 6: QuantArray-MIC e CENSUS qPCR-AHY risultano da una trappola minerale raccolta da un pozzo di monitoraggio dopo un periodo di incubazione di 4 mesi. Adattato da Divine et al.11. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Variazioni temporali della massa molare da più eteni clorati a eteni e etano nelle concentrazioni di acquifere sotterranee, e la relativa diminuzione del numero di cloro (il numero medio di clori per gli eteni clorati misurati nel campione). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Esempio 4
Le trappole minerali possono essere utilizzate in situ per misurare in modo efficiente la distribuzione relativa dei contaminanti tra suolo e falde acquifere. Poiché i campionatori di trappole minerarie operano in condizioni di campo in flusso e biogeochimicamente attive, i valori rappresentano coefficienti di distribuzione effettivi (Kd-eff) che comprendono sia processi di ritenzione sorptivi che mediati da microbi, piuttosto che parametri di sorpzione a lotti di equilibrio. Di conseguenza, Kd-eff può essere più utiledei valori K d derivati in laboratorio, poiché rappresenta il comportamento effettivo di sorbimento osservato sul campo. Come studio pilota, trappole minerali con una matrice di supporto personalizzata sono state installate in un sito contaminato da sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) per calcolare i valori specifici di PFASK d-eff e per determinare l'efficacia dell'assorbimento di contaminanti su un prodotto di carbonio colloidale. In questo progetto sperimentale, tre trappole minerali furono installate in pozzi separati per 30 giorni. I cuscini per trappola minerale erano riempiti con terra del sito, sabbia di Ottawa (per determinare l'idoneità della sabbia come proxy del suolo del sito), o suolo del sito miscelato con un prodotto di bonifica a carbone attivo. Dopo il recupero delle trappole, venivano raccolte anche acque sotterranee da ogni pozzo, e le acque sotterranee e tre matrici di ciascuna posizione venivano analizzate tramite il metodo EPA 1633. I coefficienti di sorbimento individuale e sommato dei PFAS sono stati calcolati dividendo la concentrazione nel solido (mg/kg) per quella nelle acque sotterranee (mg/L). I valori sommati dei PFAS Kd-eff , calcolati per ogni pozzo di monitoraggio e matrice, sono mostrati nella Figura 8 qui sotto.
Figura 8: Coefficienti di sorzione dei PFAS sommati per posizione e matrice. Questi risultati dimostrano che il prodotto di bonifica al carbone attivo ha aumentato drasticamente l'assorbimento dei contaminanti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Il sequenziamento degli ampliconi 16S rRNA è stato inoltre condotto su ogni matrice da ogni posizione a scopo esplorativo. Sebbene la composizione delle comunità microbiche sembri correlata più strettamente alla matrice di supporto che alla localizzazione del pozzo (Figura 9), si prevede che più dataset possano elucidare i modelli nei batteri correlati ai PFAS.
Figura 9: Un dendrogramma gerarchico a clustering delle classificazioni a livello di genere dai campioni di trappola minerale. I campioni più simili tra loro sono raggruppati insieme, quindi battute più corte indicano maggiore somiglianza. Ad esempio, il campione di MW-7 Carbon è simile a MW-1 Carbon ma molto diverso dalla MW-8 Sand. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questi risultati insieme, dimostrano il valore dei campioni a trappola minerale per affrontare i contaminanti emergenti e informare strategie di bonifica. L'approccio consente la quantificazione dell'assorbimento efficace dei contaminanti e il campionamento in situ di comunità microbiche nelle acque sotterranee influenzate dai PFAS. È importante sottolineare che la tecnica è più utile come strumento comparativo, ad esempio per valutare le prestazioni relative dei diversi sorbibenti tra trappole, piuttosto che come mezzo per riflettere direttamente le condizioni di equilibrio all'interno del sottosuolo.
| Analisi | Obiettivo | Usa lo studio | |
| Valutazione della Biorisanizzazione Intrinseca Acquosa e Minerale (AMIBA) • Solfuro acido volatile (AVS) • Solfuri estraribili di cromo (CrES) • Ferro ferroso e ferrico fortemente acidosolubile (SAS-Fe) • Ferro ferroso e ferrico debolmente solubile in acidi (WAS-Fe) | Biogeochimica del ferro e dello zolfo | Ulrich et al. (2021a) Divine et al. (2023a) | |
| Microscopia elettronica a scansione/Spettroscopia a Raggi X a dispersione di energia (SEM/EDS) | Mineralogia e composizione elementare | Divine et al. (2023a) | |
| Metalli totali, incluso il ferro totale (metodi USEPA 3050B e 6020) | Composizione metallica | Divine et al. (2023a) | |
| Diffrazione dei raggi X (XRD)* | Identificazione dei minerali cristallini | ||
| Suscettibilità magnetica | Composizione della magnetite | ||
| Reazione a catena quantitativa della polimerasi (qPCR) e QuantArray | Concentrazione della popolazione microbica | Divine et al. (2023a) | |
| Sequenziamento del DNA (16S rRNA, ITS) | Composizione della comunità microbica | ||
Tabella 1: Analisi potenziali applicabili ai campioni raccolti con campionatori a trappola minerale.
Discussione
Diversi passaggi del protocollo sono fondamentali per il suo successo. Innanzitutto, tutte le azioni preparatorie che permettono un recupero rapido ed efficiente con trappole minerali sono essenziali per prevenire l'esposizione del campione e mantenere l'integrità. Soprattutto, le trappole minerali devono essere posizionate in condizioni anaerobiche il prima possibile dopo il prelievo.
Modifiche al protocollo per consentire l'acquisizione della matrice della trappola minerale possono essere necessarie se viene selezionata una matrice non standard. Il design standard utilizza sabbia di silice Ottawa. I vantaggi di questa matrice includono la sua elevata conducibilità e porosità idraulica, la somiglianza con i materiali presenti in molte falde acquifere alluvionali sabbiose e l'assenza di contenuto di ferroferroso 9. Il suolo del sito è una matrice non standard comune, quindi le istruzioni per l'approvvigionamento del suolo del sito sono state incluse nel protocollo principale. Il suolo o la sabbia mescolati con prodotti di bonifica come il carbonio colloidale possono essere utilizzati anche nelle trappole minerali. Inoltre, il protocollo può essere adattato per riflettere le migliori pratiche per diversi equipaggi sul campo, tenendo conto dei requisiti di personale e documentazione.
Il campionatore a trappola minerale affronta molte sfide associate alla perforazione e al carotaggio per il campionamento mineralogico, ma presenta anche le sue limitazioni. Innanzitutto, la matrice di campionamento all'interno della trappola minerale potrebbe non rappresentare accuratamente il materiale acquiferico del sito. Ad esempio, la sabbia standard di Ottawa funziona bene nelle falde acquifere sabbiose ma è meno rappresentativa di ambienti limosi o ricchi di argilla. Il terreno del sito viene spesso utilizzato come alternativa, anche se può essere difficile da ottenere. Inoltre, poiché le trappole minerali devono essere installate nei pozzi di monitoraggio, le località di campionamento sono limitate ai pozzi o ai pozzi esistenti. Infine, i dati provenienti dai campionatori di trappole minerali non devono essere considerati un sostituto diretto del campionamento geochimico in massa.
Le trappole minerali hanno diverse ulteriori potenziali applicazioni oltre agli esempi sopra descritti. Questi includono approcci di bonifica volti a precipitare altri contaminanti metallici, come arsenico, cromo e uranio, come solfuri, ossidi di ferro o minerali fosfatici, tramite l'iniezione di riduttori, ossidanti, fosfati e/o soluzioni acido-basiche. La procedura sopra descritta si prevede essere ampiamente applicabile; tuttavia, possono essere necessari metodi analitici alternativi per l'analisi del campione a seconda del contaminante bersaglio e della fase minerale.
Dichiarazioni
Gli autori Taggart e Ward sono impiegati da Microbial Insights, che è autorizzata esclusivamente per produrre e vendere Min-Trap. Gli autori Divine, Justicia-León, Martin Tilton, Carter e Zardouzian sono impiegati da Arcadis, che è il Cessionario del Brevetto Min-Trap.
Ringraziamenti
Finanziamenti e supporto per questo lavoro sono stati forniti tramite Satellite, il programma globale di innovazione per Arcadis (http://www.lovinklaan.nl/en/programs/imagine-satellite/), e ESTCP (Progetto ER19-5190).
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Righello in acciaio inox da 18 pollici | Staples (www.staples.com) | 2772901 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Sacchetti in polietilene sigillabili da 1 gal | Staples (www.staples.com) | 24401543 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Generatore Honda da 2200 watt | Home Depot (www.homedepot.com)) | 316604378 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Bustine di ossigeno da 5 g per conservazione alimentare in gel di silica | Amazon (www.amazon.com) | 7.47607E+11 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Raffreddatori | Staples (www.staples.com) | 24299978 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Fotocamera digitale | Modelli alternativi possono essere accettabili | ||
| Pennarelli cancellabili a secco | Staples (www.staples.com) | 24398946 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Lavagna bianca cancellabile a secco (almeno 24 pollici di diametro) e | Staples (www.staples.com) | 814930 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| GENbag Anaerobica & nbsp; | bioMé rieux (https://biomerieuxdirect.com/biomerieux) | 45534 | Possono essere usati come alternativa a un sigillatore sottovuoto, i GENbags anaerobici (https://biomerieuxdirect.com/), che sono sacchetti ermetici che contengono una bustina generatore che assorbe ossigeno e rilascia anidride carbonica, possono essere impiegati per produrre rapidamente un'atmosfera anaerobica per la conservazione e la conservazione dei campioni Min-Trap. |
| Ghiaccio | Negozio di alimentari locale | ||
| Campionatori Min-Trap | Microbial Insights, Inc. (https://microbe.com/min-trap-sampler/) | NA | (Brevetto USA 11.002.643 B1) |
| Corda di nylon | Staples (www.staples.com) | 191591 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Asciugamani di carta | Staples (www.staples.com) | 2126874 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Pennarello inattivo | Staples (www.staples.com) | 125328 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Forbici | Staples (www.staples.com) | 24380498 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Sigillatrice sottovuoto | Cabelas (www.cabelas.com) | 100113832 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
| Rullo di sacchetti sottovuoto (da 8 in poi) | Cabelas (www.cabelas.com) | 2514954 | Modelli alternativi possono essere accettabili |
Riferimenti
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Ristampe e permessi
