複合COを用いたカーボンベースの汚染鉱化作用を測定します 2フラックスと放射性炭素分析
2016年10月21日
有機汚染物質(石油原料由来)から鉱化したCO2の生分解をトラップし、定量化し、14C含有量を分析するプロトコルが説明されています。CO2 キャプチャ ゾーンの空間範囲を決定するためのモデルが開発されます。空間的および時間的測定により、汚染物の鉱化率を統合して、修復の範囲と時間を予測できます。
この二酸化炭素フラックス放射性炭素含有量と影響範囲を組み合わせたモデリング手法の全体的な目標は、最終分解生成物である二酸化炭素中の枯渇した放射性炭素信号を使用して、石油由来の汚染物質の劣化をその場で追跡することです。この方法は、バイオレメディエーションと環境評価の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。例えば、現場ではどの程度の封じ込めが劣化しているのか?
自然減衰を通じて、または工学的修復アプローチと組み合わせて。この手法の主な利点は、証拠として複数の間接的な測定を行うのではなく、実際の封じ込めバックボーンから得られる炭素の測定に依存していることです。この方法により、実際のin situ生分解率を計算できます。
フィールド点滴のために、次のようにエアポンプを準備します。まず、ポンプハウジングに穴を開けて、直径1/16インチのプラスチックガス不透過性チューブの短い部分を開けます。穴に5〜6インチの長さのチューブを挿入します。
次に、ポンプのすべての外部部品をマリンシーラントで密封します。続いてシリコンシーラントのコートが続きます。次に、密閉されたポンプの圧力テストを行います。
チューブをそっと吹き込み、流出をブロックします。次に、各回収井の炭酸ガストラップとコントロールを準備します。100ミリリットルの血清ボトルに25グラムの水酸化ナトリウムを入れます。
セラムボトルにセプタムをはめ、しっかりと圧着します。次に、電気リード線を取り付けます。現場では、各井戸への電力供給には、各ポンプへの長いラインが必要です。
フィールドウェル内では、ガスライン用の2つの1/16インチの穴を備えた変更されたキャップを使用して出力をキャップします。井戸では、下げられたガスラインは地下水位よりわずかに上に設定され、リターンラインはキャップのすぐ下に設定されます。次に、ホースとキャップガスケットを真空グリースでシールして、すべての表面が気密シールを提供するようにします。
井戸から、下部チューブをポンプ入口に配線し、ポンプからのガスラインを二酸化炭素トラップに配線します。16ゲージの針を使用して中隔を突き刺します。次に、別の針を使用して、トラップからガスラインまで、キャップのすぐ下にリターンラインを配線します。
次に、セットアップを操作して、30ウェルボリュームの初期コレクションを作成します。後で、最初のトラップを破棄します。中隔から針を引き出し、新しいボトルに入れます。
次に、収集の開始時刻をログに記録します。収集したガスを分析するには、水サンプルに閉じ込められた二酸化炭素を電量計で測定します。まず、1ミリリットルのサブサンプルをセプタムでキャップした40ミリリットルの血清バイアルに三重に移します。
次に、各サブサンプルを50体積%のリン酸1ミリリットルで酸性化します。ラインを過塩素酸マグネシウムトラップに送ります。次に、60オングストロームメッシュのシリカゲルトラップを使用します。
次に、ガス流をクーロメトリーセルに泡立て、測定されたクーロンを使用して二酸化炭素レベルを定量化します。収集を開始してから2週間から2か月後に、トラップを収集します。ポンプの電源をシャットダウンし、針を取り外します。
必要に応じて、長期保管のためにトラップを密封します。トラップを分析するには、残っている未使用の固体水酸化ナトリウムを水で溶解します。二酸化炭素をスクラブしたヘリウムガスで水を散布し、溶存した二酸化炭素を取り除きます。
次いで、完全液化したトラップ内容物を組み合わせ、総量を計測した。次に、5〜10ミリリットルのサブサンプルをセプタム付きの40ミリリットルのバイアルに移します。次に、サブサンプルを体積50%のリン酸で酸性化します。
次に、前述のように、得られたガス流を電量計で散布して分析します。後でこのサンプリング期間の計算を行うときは、他のウェルで測定された収集率から最も低い収集率を手動で差し引くことにより、平衡速度論を必ず考慮してください。ModelMuseインターフェースを介してMT3DMSとMODFLOW 2005を組み合わせて使用し、ウェルスクリーンに関連する平衡状態での二酸化炭素拡散をシミュレートします。
ModelMuse を MODFLOW プログラムの場所で設定します。これを行うには、[モデル]メニューをクリックし、[MODFLOWプログラムの場所]を選択します。次に、プログラムを MODFLOW 2005 プログラム点滴ディレクトリにポイントします。
同じダイアログで、MT3DMS プログラムの場所で ModelMuse を構成します。次に、[モデル]メニューでMODFLOWパッケージとプログラムを設定します。オプション flow で、Layer Property Flow パッケージが選択されていることを確認します。
境界条件の下で、指定ヘッドを選択します。次に、CHD Time-Variant Specified Head パッケージを選択します。次に、MT3DMSとBTN Basic-Transportパッケージを選択します。
次に、[Mobile Species] を [Carbon dioxide] に設定します。次に、MODFLOW オプションを設定します。「モデル」メニューから「MODFLOW オプション」を選択し、モデルの単位を設定します。
次に、MODFLOW時間を設定します。[モデル]メニューから[MODFLOW Time]を選択します。360度の長さのストレス期間は、シミュレーションを15日間実行します。
次に、MODFLOW データ・セットを構成します。「データ」メニューから、「データ・セット」を選択します。次に、関心のあるサイトのデータを入力します。
[Hydrology] で、k 値を 3 次元で入力します。MODFLOW初期ヘッドとMODFLOW指定ヘッド。MT3DMSの場合は、拡散係数、二酸化炭素、初期濃度二酸化炭素、および縦方向の分散性を入力します。
最後に、グローバル変数を編集します。[データ] メニューから [グローバル変数] を選択し、サイトで使用される二酸化炭素収集率を入力して、初期二酸化炭素濃度を入力します。次に、シミュレーションを実行します。
上部のアイコンバーにある緑色の矢印を押して、シミュレーションを開始します。次に、プロンプトが表示されたら入力ファイルを保存すると、シミュレーションが実行されます。実行後、ファイルメニューを選択し、次にエクスポートしてからMT3DMS入力ファイルを選択して、データをコンパイルしてエクスポートします。
モデルの結果を観察して出力するには、視覚化アイコンをクリックします。次に、シミュレーションを選択し、影響領域の境界値を 3D 座標で出力します。試験現場では、歴史的な塩素化炭化水素汚染は中央の井戸クラスター内で最も高くなっています。
測定された二酸化炭素排出量は、1日あたり0〜34ミリグラムの範囲であり、歴史的な汚染が最も高かった中央の井戸クラスターで最も低かった。PHカルシウムやその他の陽イオン濃度などのサイトの地球化学的パラメータは、炭酸塩の溶解を示さなかったため、ラジオカーボン測定の解釈に偏りが生じる可能性がありました。その後の計算のために、2週間の乾季の測定値を2回平均化しました。
呼吸と放射性炭素の測定値は、2週間の期間間で大きく変化しませんでした。二酸化炭素溶質特性の地下水流動性に関する以前のレポートを使用して、影響範囲モデルを生成しました。影響範囲モデルからの推定値を使用して、各井戸での塩素化炭化水素の質量除去を計算しました。
最終的に、敷地周辺部近くの井戸では、塩素化炭化水素の分解と二酸化炭素の生成が最も高く、モデルはこの観察を裏付けました。この手順を試みる際には、迅速にキャッピングし、大気との接触を最小限に抑えることにより、大気中の二酸化炭素による汚染を最小限に抑えることを覚えておくことが重要です。すべての希釈剤は、溶解したCO2を除去するために不活性ガスで散布する必要があります。
この手順に続いて、現場の生物地球化学的条件を決定するなどの他の方法を準備して、その場での劣化速度を制御するものなどの追加の質問に答えることができますか?
概要
本記事では、生物分解中に生成される二酸化炭素中の放射性炭素含有量を測定することにより、石油由来汚染物質の分解を追跡する方法を紹介します。このアプローチでは、空間的および時間的なデータを統合してCO2回収範囲をモデル化し、浄化にかかる時間を予測します。
研究の主要構成要素
科学分野
- 環境科学
- バイオレメディエーション
- 炭素循環
背景
- 石油系汚染物質は、環境に重大なリスクをもたらします。
- 効果的な環境修復には、生物分解プロセスの理解が不可欠です。
- 従来の手法は、間接的な測定に依存することが多くありました。
- 本研究では、放射性炭素分析を用いた直接測定法を導入します。
研究目的
- 汚染物質の分解に伴うCO2を定量化するためのプロトコルを開発すること。
- CO2回収ゾーンの空間的範囲をモデル化すること。
- 浄化の有効性とタイムラインの予測精度を向上させること。
使用した手法
- エアポンプおよびCO2トラップの現場設置。
- クーロメトリーを用いたガスサンプルの採取および分析。
- MT3DMSおよびMODFLOWを用いたCO2拡散のシミュレーション。
- 生物分解速度を評価するためのデータ統合。
主な結果
- 測定されたCO2生成速度は、地点によって大きく異なっていた。
- 本手法により、in situでの生分解の直接的な証拠が得られた。
- モデリングの結果から、CO2回収ゾーンの空間的な範囲が示された。
- これらの知見は、環境評価における提案手法の有効性を裏付けるものである。
結論
- 開発された手法は、石油汚染物質の分解に関する理解を深めるものです。
- 本手法は、バイオレメディエーションの取り組みをモニタリングするための信頼性の高いアプローチを提供します。
- 今後の応用により、環境管理戦略を改善できる可能性があります。
よくある質問
業界における実用的な関連性
本手法は、汚染物質の無機化によって生じる放射性炭素欠乏CO2を測定することにより、石油由来汚染物質のin situ生分解を直接定量することを可能にします。これにより、環境運命評価のためのメカニスティックなリスク低減ツールが提供され、バイオレメディエーションの有効性に関する予測の信頼性が向上し、間接的な証拠への依存度が低減されます。また、このアプローチは、浄化完了までの推定時間の算出や、サイト管理および環境債務評価のためのポートフォリオ決定に有用な情報を提供します。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： 最終代謝産物としてのCO2への無機化を追跡することにより、汚染物質の分解経路の解析を可能にする。
- 運用上の価値： 化石由来の汚染物質に含まれる内因性同位体シグナル（14Cの欠如）を利用するため、外因性トレーサーを用いる必要がない。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 定量的なCO2フラックスおよび放射性炭素データを生成し、汚染物質由来の呼吸率（%）を算出する。
- 運用的価値： ガス捕捉法とクーロメトリーを組み合わせることで、複数のサンプル点における生物分解速度の標準化された再現性のある測定を可能にする。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値： 影響圏（Zone of Influence）モデリングを通じて、汚染物質の質量減少をCO2生成に結びつけることで、疾患に関連するシステムモデリングを支援します。
- 運用的価値： マイクロコスムからフィールドスケールの評価まで、生物分解速度の空間的および時間的なスケーリングを可能にします。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、探索段階の汚染物質の運命解析と予測モデリングを統合し、環境浄化ワークフローにおける実行・中止（go/no-go）の意思決定を支援します。
- 発見生物学：炭化水素骨格のCO2への無機化を追跡し、汚染物質の分解に関する直接的な証拠を提供します。
- スクリーニング：定量的なCO2呼吸速度と同位体分配を導き出し、条件間の比較分析を可能にします。
- 分析：クーロメトリーによるCO2定量と放射性炭素測定を用い、2端成分混合モデルによるソースアポーションメント（発生源分画）を実現します。
- トランスレーショナルリサーチ：MT3DMSおよびMODFLOWを用いた影響圏（Zone of Influence）シミュレーションを通じて、地点測定値をプルームスケールの分解へと結びつけます。
- エンタープライズ再利用：浄化プロジェクト全体における長期モニタリングおよび比較サイト評価のための標準化されたプロトコルを確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： プロセスに依存しない安定した同位体エンドポイントを測定することにより、汚染物質の無機化に関する予測信頼性を提供する。
- 運用的価値： 標準化されたガス捕捉、酸処理、およびクーロン検出ステップを通じて再現性を確保する。
- 戦略的価値： 生分解仮説の早期かつ直接的な検証を可能にすることで、後段階の浄化リスクを低減する。
- ポートフォリオへの影響： 定量化された分解速度とモデル化された影響範囲に基づき、リスク調整済みのサイト優先順位付けを支援する。
実施上の考慮事項
- 放射性炭素分析、ガスクロマトグラフィー、および地下水モデリングの専門知識が必要です。
- CO2トラップ（NaOHトラップ）、クーロン分析、およびMODFLOW/MT3DMSシミュレーションのためのインフラストラクチャに依存します。
- 現場サンプリング、ラボ分析、およびモデリンググループ間でのチーム横断的な標準化が必要です。
- 土壌の種類、地下水の流れ、およびバックグラウンドの放射性炭素レベルの違いに応じた適応上の検討事項が含まれます。
- サンプリング中の潜在的な大気中CO2汚染や、試薬への不活性ガススパージングの必要性などの実用的な制限事項が含まれます。
バイオファーマFAQ
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
