Tijdens de sanering van grondwater in situ worden veel belangrijke reactieve mineralen gevormd; Conventionele boorkernmethoden vormen echter vaak uitdagingen bij het verzamelen van deze mineralen. Dit artikel biedt technieken voor het gebruik van de Min-Trap, een innovatief passief bemonsteringsapparaat, om effectief reactieve mineralen uit conventionele monitoringsputten te verzamelen en te meten.
Methodenartikel
Inzet en terugwinning van minerale monsterapparatuur
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Ondergrondse chemische, geochemische en microbiologische interacties, zoals reactieve mineralenvorming, gasvorming en sorptie van verontreinigingen, spelen een cruciale rol bij het vormgeven van saneringsstrategieën. Het evalueren van deze processen op veldschaal wordt echter vaak beperkt door de kosten en invasieve werking van traditionele bemonsteringsmethoden. De minerale trapmonsteraar biedt een praktisch, goedkope optie voor in situ monitoring van reactieve minerale formaties zonder extra boring of kernextractie. Ingezet binnen het screeninterval van een monitoringsput, verzamelt de monsteraar passief mineraalprecipitaten en microbiële biomassa gedurende een periode van minstens dertig dagen. Na het terughalen wordt de monsteraar vacuüm verpakt en op ijs naar een laboratorium vervoerd voor analyse met standaard commerciële technieken. Deze innovatie stelt wetenschappers en ingenieurs in staat zowel de snelheid als de ruimtelijke verspreiding van mineraalneerslag te beoordelen, wat waardevolle inzichten biedt in de ondergrondse omstandigheden. Door bruikbare gegevens te leveren over minerale vorming en microbiële activiteit ondersteunt de minerale trap sampler prestatie-evaluaties en helpt hij optimalisatiestrategieën voor saneringssystemen te sturen. De eenvoud en betaalbaarheid maken het een nuttig hulpmiddel om de karakterisering van de locatie en het langetermijnbeheer te verbeteren.
Inleiding
De grondwaterremediatie van gechloreerde oplosmiddelen en metaalverontreinigingen is vaak afhankelijk van de in situ vorming, oplossing of transformatie van reactieve mineralen die verontreinigende stoffen afbreken of vastleggen. Injectie van organische koolstofbronnen (bijv. lactaat, melasse, geëmulgeerde plantaardige olie) stimuleert inheemse ijzer- en sulfaatreducerende bacteriën, die waterstofsulfide en gereduceerd ijzer produceren. Deze reageren en vormen ijzersulfidemineralen – voornamelijk mackinawite (FeS) en pyriet (FeS2), die abiotisch gechloreerde vluchtige organische verbindingen (CVOC's) omzetten1,2,3,4,5,6.
Directe veldverificatie van de vorming van doelreactieve mineralen kan de optimalisatie van saneringsstrategieën verbeteren door omstandigheden te bevorderen die de minerale ontwikkeling maximaliseren en daarmee het abiotische afbraakpotentieel van gechloreerde vluchtige organische verbindingen (CVOC's). Minerale formatiebeoordelingen worden echter doorgaans afgeleid uit waterfase-indicatoren (d.w.z. grondwateranalyses), vanwege de aanzienlijke logistieke en financiële beperkingen die gepaard gaan met het verkrijgen van vaste-fase monsters 7,8. Conventionele beoordeling van reactieve mineraalvorming is gebaseerd op het afleiden van veranderingen in de vaste fase uit metingen in de waterige fase. Directe monsters uit vaste fase kunnen worden verzameld, maar dit vereist duur, discreet boren of kernen voor bodem-/rotsmonsters, wat ook typisch gepaard gaat met beperkte ruimtelijke dekking en het onvermogen om herhaalde monsters te verzamelen om veranderingen in de tijd te beoordelen. Bovendien gaat boren gepaard met meer tijd, arbeid en gezondheidsrisico's. Deze beperkingen belemmeren vaak de tijdige optimalisatie van saneringsstrategieën en het definitief bewijs van de aanwezigheid van reactieve mineralen.
De Min-Trap, hierna aangeduid als een minerale trap, is een goedkope, in situ bemonsteringsapparaat ontworpen voor monitoringputten met een diameter van 2 inch of groter. Het bestaat uit nylon-mesh "kussens" gevuld met een vaste-fase matrix (bijv. silicazand of plaatsmateriaal) die is ingesloten in een gesleufde PVC-behuizing9. Ingezet gedurende weken tot maanden onder de natuurlijke grondwaterstroming, vangen mineraalvallen neerslagmineralen op zonder intrusief boren. Na deze incubatieperiode worden de mineraalvallen uit de monitoringsput verwijderd en worden de zandkussens in de PVC-behuizing voorgelegd aan laboratoriumanalyse om mineralen die tijdens de inzet zijn gevangen te identificeren en te kwantificeren. Meer details over de ontwerpspecificaties van de mineraalvallen en de resultaten van laboratoriumexperimenten en de eerste veldresultaten, inclusief vergelijking met bodemkernmonsters ter validatie, zijn beschikbaar10.
De belangrijkste voordelen van de minerale valbenadering zijn onder andere: direct fysiek bewijs van reactieve mineraalvorming, eliminatie van dure, arbeidsintensieve kernboringen, herhaalbare bemonstering om de voortgang van de behandeling te volgen, brede aanpassing aan elke mineraalvormende behandeling, en aanpasbaarheid van kussenmatrix (bijv. zand, klei, locatiegrond, locatiegrond met een toegevoegde aanpassing, enz.).
Mineralogische gegevens van de mineraalvallen kunnen alle fasen van een saneringsprogramma sturen, van de eerste locatiekarakterisering en haalbaarheidstesten tot verbeteringsoptimalisatie en langdurige monitoring. Door een kosteneffectief hulpmiddel te bieden voor het documenteren en verifiëren van mineraalgedreven behandelingsprocessen, verbetert de mineraalvanger de betrouwbaarheid en transparantie van grondwatersanering. De mineraalval is bijzonder toepasbaar voor het monitoren van reactieve mineralenvorming tijdens in situ chemische reductie (ISCR) en/of versterkte reductieve dechlorering (ERD) om CVOC's te behandelen. Gegevens van mineraalvallen die in de loop van de tijd zijn verzameld, kunnen worden gebruikt om overgangen van actieve naar passieve saneringsfasen te informeren.
Daarnaast wordt de mineraalval momenteel aangepast om de meting van verontreinigingsveldverdelingscoëfficiënten (Kd-veld) te vergemakkelijken om de haalbaarheid te beoordelen van immobiliserende verontreinigingen, zoals per- en polyfluoroalkylstoffen (PFAS), in de ondergrond als behandelingsstrategie. Lopende experimenten maken gebruik van mineraalvallenmonsters als in het veld ingezette microkosmoss om hetK-d-veld van niet-gemodificeerde terreinbodem te vergelijken met bodem die is aangepast met colloïdale koolstofproducten. Het gebruik van een minerale trapmonsteraar in deze aanpak toont duidelijke marginale voordelen door directe in situ verontreinigingsverdelingen van grondwater/bodemverdeling tussen inheemse bodembodems en de toevoeging van sorbent-gebaseerde aanpassingen te bieden. Deze aanpassing kan belangrijk bewijs leveren voor het ontwerp van colloïdale koolstoftoepassing op de ondergrond, evenals andere potentiële toepassingen.
De mineraalvanger kan worden gebruikt om mineraalprecipitatiemonsters uit diverse geochemische omgevingen te verzamelen en verschillende saneringsprocessen te beoordelen. Het hieronder beschreven protocol is generiek en over het algemeen geschikt voor de meeste toepassingen. Specifieke aspecten, zoals incubatietijden, bemonsteringsfrequentie, ondersteuningsmatrixmateriaal en gebruikte analysemethoden, moeten echter worden afgestemd op de verwachte geochemische proces- en locatieomstandigheden.
Protocol
De reagentia en de gebruikte apparatuur in deze studie zijn vermeld in de Materiaalkunde.
1. Planning van locatiebeoordeling
- Selecteer de matrix die in de mineraalvallen wordt gebruikt. Zie de Discussiesectie voor meer informatie over mineraalvalmatrices. Als de standaard zandmatrix van Ottawa wordt gebruikt, ga dan door naar Field Deployment. Als er site soil wordt gebruikt, ga dan door naar stappen 1.1.1-1.1.2.
- Boor, boren of op andere manieren 250-300 g materiaal verzamelen.
- Verzend naar de leverancier voor opname in de sampler.
OPMERKING: Afhankelijk van de projectdoelen moeten kernen mogelijk onder anaerobe omstandigheden worden verzonden met vacuümverpakte zakken en zuurstofscavenger-zakken.
2. Veldinzet
- Haal het apparaat bij de leverancier. Zie Figuur 1 voor een afbeelding van de sampler geleverd door leverancier11.
- Maak de put schoon, alsof je monstert.
- Bind nylon touw aan de oogbout bovenop de mineraalvalhuisvesting en verbind met de putkap met een touwlengte die het gewenste eindpunt binnen het putscherm bereikt.
- Zet minerale vallen direct in binnen het gescreende interval van de monitoringput, vergelijkbaar met andere commercieel verkrijgbare passieve diffusiemonsters, zoals passieve diffusiemonsters (https ://itrcweb.org/teams/projects/diffusion-passive-samplers), Bio-Trap monsteraars (https ://microbe.com/bio-trap-samplers/) en Hydrasleeve monsterapparaten (https ://hydrasleeve.com/).
OPMERKING: Extra mineraalvallen kunnen in een "daisy chain"-vorm aan elkaar worden bevestigd. - Bevestig indien nodig een gewicht aan de onderste oogbout om diepere dieptes in het scherm te bereiken.
Figuur 1: Mineral Trap sampler. Minerale val op zijn zijkant (boven rechts), volledig gemonteerd (boven), klaar voor inzet in een monitoringsput en geopend (onder), met meerdere verschillende zandgevulde "kussens" die individueel verwijderd en voor laboratoriumanalyse kunnen worden ingediend. Veel aspecten van de minerale trapmonsters zijn aanpasbaar op basis van de projectbehoeften. Dit omvat de lengte van de behuizing, de afmetingen van het gaasinzetstuk en het aantal, de afmetingen en het materiaal van de kussens. Aangepast van Divine et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Terugwinning en behoud
- Laat de minerale trapmonsteraar in de monitoringsput voor het gewenste inzetinterval (meestal 1-2 maanden).
OPMERKING: Om een optimale inzetperiode te bepalen, kunnen projectmanagers bestaande literatuur raadplegen over ideale geochemische omstandigheden voor ijzersulfidevorming in strategieën voor verbeterde reductie-remediatie12. - Verzamel de volgende materialen voor terugwinning zoals weergegeven in Figuur 2, waaronder: vacuümverzeder en vacuümverzegerzakken (alternatief kunnen ook anaërobe GEN-zakken worden gebruikt), elektrische stroombron (indien nodig), schaar, camera, een whiteboard (minstens 24 inch breed), whiteboard-stiften, liniaal, permanente stiften, 1-gallon afsluitbare polyethyleenzakken, keukenpapier, koelers, en ijs.
- Organiseer het werkgebied om een snelle en efficiënte winning van de mineraalval te garanderen.
- Vul de koelboxen met ijs.
- Label de monsterzak met de naam van de locatie, putnaam, bemonsteringsdatum, bestemmingslaboratorium, gewenste analyse en initialen van de monsternemer.
- Als er een vacuümsealer wordt gebruikt in plaats van een GENbag, sluit dan drie van de vier zijden van de zak af, waarbij één kant open blijft om de minerale valmonsters in te brengen.
- Start een timer om ervoor te zorgen dat er minder dan 15 minuten verstreken is vanaf het moment dat het apparaat uit de put wordt gehaald tot de kussens vacuüm zijnverpakt. 13 minuten.
- Trek voorzichtig aan de nylonlijn om de mineraalval uit de put te verwijderen.
- Duid elk neerslag aan (d.w.z. grijs, zwart of bruin materiaal) op of geuren uit de mineraalvalhuis.
- Neem een foto van het uiterlijk van de behuizing.
- Schroef de bovenkant van de mineraalval los om het binnenste gaasinzetstuk van met materiaal gevulde kussens bloot te leggen (Figuur 3).
- Geef een eventuele neerslag aan op de mesh-insert en/of fotografeer iets.
- Gebruik een schaar om de lus of kabelbinder door te knippen die het gaasinzetstuk aan de bovenkant van de behuizing bevestigt.
- Plaats het gaasinzetstuk in de GENbag of vacuümzak en sluit het meteen.
- Doe de sampler dubbel in een grote (dus een gallon) tas met rits.
- Maak een foto van het monster.
- Leg het monster onmiddellijk in de koelbox op ijs.
- Stop de timer en noteer de verstreken tijd in het veldlogboek.
- Herhaal dit indien nodig voor elke put, waarbij je altijd de monsters op ijs houdt.
- Maak de keten van bewaring compleet.
- Verpak de koelbox veilig en stuur deze naar de laboratoria voor levering per nacht.
OPMERKING: De maximale wachttijd voordat het laboratorium wordt bereikt is 48 uur. Zorg ervoor dat de monsters nooit kouder zijn dan -18 °C. Cryogene monsteropslag (ongeveer -78°C) kan de omzetting van mackinawiet naar pyriet veroorzaken vóór de analyses14. Dit effect was niet waargenomen wanneer monsters werden opgeslagen onder bescheiden vriesomstandigheden (-18 °C).15. Monsters verzameld met mineraalvallen zijn geschikt voor veel analyses. Tabel 1 hieronder geeft analytische methoden die zijn gebruikt op minerale valmonsters, evenals referenties waar van toepassing. Het hoge kwartsgehalte van de standaard silicazandmatrix kan het gebruik van XRD-analyses uitsluiten, dus alternatieve ondersteuningsmediatypen kunnen worden overwogen om effectiever gebruik van XRD mogelijk te maken.
Figuur 2: Foto met velduitrusting (met de klok mee vanaf linksboven). (A) Whiteboard; (B) whiteboardmarkers; (C) schaar (groen en blauw); (D) vacuümverzeger; (E) doos latex handschoenen; (F) vacuümzakken; (G) voedselopslag zuurstofabsorberende pakketten; en (H) veldnotitieboek. Aangepast van Divine et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Foto's van velduitrusting (met de klok mee vanaf linksboven). (A) Verwijdering van mineraalvallen uit de monitoringsput; (B) het snijden en scheiden van individuele minerale valkussens; (C) twee monsters van een mineraalvalkussen die zijn afgesloten met een zuurstofabsorber; (D) twee monsters van een mineraalvalkussen die zijn afgesloten met een zuurstofabsorberend middel (let op de zwarte kleur die wijst op de aanwezigheid van ijzersulfidemineralen); (E) twee vonden en openden mineraalval vóór bemonstering (let op de zwarte kleuring die wijst op de aanwezigheid van ijzersulfidemineralen). Aangepast van Divine et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Resultaten
Vier representatieve voorbeeldtoepassingen van mineraalvallen om de vorming van doelmineralen te documenteren, worden hieronder gepresenteerd.
Voorbeeld 1
In situ bioremediatie wordt al meer dan 10 jaar op de locatie toegepast door de injectie van een oplosbare, fermenteerbare koolstofbron om trichlooretheen en verwante verbindingen te behandelen. Waterige geochemische gegevens uit monitoringsputten geven aan dat sulfaatreducerende omstandigheden al vele jaren aanhouden, terwijl verhoogde concentraties van cis-1,2-DCE en andere dochterproducten bevestigen dat microbieel gemedieerde reductieve dechloreringsprocessen goed gevestigd zijn. Om de vorming van actieve ijzersulfide te verifiëren, werden er minerale vallenmonsters op de locatie geplaatst. De minerale trapmonsters werden ongeveer vijf maanden in monitoringsputten geïnstalleerd, waarna de monsters werden geanalyseerd voor totale ijzer-, AMIBA- en Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM-EDS). Verhoogde concentraties van totale Fe (100 mg/kg), CrES Fe²⁺ (44 mg/kg) en CrES (41 mg/kg) werden waargenomen. Elementaire mapping uit SEM-EDS-beelden (Figuur 4) toont duidelijk de colocatie van ijzer en zwavel. Gezamenlijk leveren deze bevindingen sterk bewijs dat saneringsactiviteiten hebben geleid tot actieve in situ neerslag van ijzersulfiden. Daarentegen zou het ontbreken van extracteerbare Fe²⁺ en sulfide, samen met het ontbreken van geco-lokaliseerd ijzer en zwavel in SEM-EDS-analyses, erop wijzen dat ijzersulfiden niet aanwezig waren in het monster.
Figuur 4: SEM-EDS elementkaarten van dit mineraalvalmonster die de ruimtelijke locaties van Fe en S tonen (midden en rechts). Schaalbalken: 25 μm. Aangepast van Divine et al.15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Voorbeeld 2
Grondwater dat besmet was met opgelost nikkel werd behandeld door een oplosbare, fermenteerbare koolstofbron te injecteren om de mineraalprecipitatie van nikkel te bevorderen via microbieel gemedieerde vorming van vaste-fase nikkelsulfiden (NiS). Er werden dalingen in opgeloste nikkelconcentraties waargenomen in monitoringsputten, en minerale vallenmonsters werden gebruikt om te bevestigen dat deze dalingen het gevolg waren van nikkelprecipitatie als NiS. Minerale vallen met steriel zand werden 64 dagen lang ingezet in monitoringsputten, waarna de monsters werden geanalyseerd op totale nikkel en nikkel, gemeten met Simultaneous Extracted Metals/Acid Volatile Sulfide (SEM/AVS)-analyse, wat Ni-S-complexen aangeeft, en Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM-EDS). Verhoogde nikkelconcentraties werden in alle minerale trapmonsters gedetecteerd, met een totale nikkelconcentratie variërend van 5,2 tot 89 mg/kg en SEM/AVS-extracteerbaar nikkel van 3,7 tot 100 mg/kg. Elementaire mapping van een SEM-EDS-afbeelding van één monster (Figuur 5) toont de colocatie van nikkel en zwavel. Gezamenlijk bevestigen deze resultaten dat saneringsactiviteiten hebben geleid tot de in situ neerslag en opslag van nikkel, waaronder als NiS. Daarnaast suggereren totale ijzermetingen en andere SEM-gegevens dat een deel van het nikkel ook geassocieerd kan zijn met niet-sulfide ijzermineralen (gegevens niet getoond).
Figuur 5: SEM-EDS elementkaarten van een mineraalvalmonster die de ruimtelijke locaties van S (links) en Ni (rechts) tonen. Schaalbalken: 1 μm. Aangepast van Divine et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Voorbeeld 3
Een mineraalval met steriele grond werd geplaatst op een locatie waar een oplosbare, fermenteerbare koolstofoplossing werd geïnjecteerd, en de ondergrond werd matig verwarmd (temperatuurstijging van ongeveer 5-15 °C) om in situ bioremediatie16 te bevorderen. Na een incubatieperiode van ongeveer vier maanden werd het mineraalvalmonster geanalyseerd op microbiologische kenmerken met behulp van Microbial Insight's geavanceerde qPCR-methoden, bekend als QuantArray-MIC en CENSUS qPCR-AHY analyses (https://microbe.com/quantarray-mic/). Deze gegevens (Figuur 6) geven inzicht in redoxpoise/geochemische omstandigheden en de overvloed van belangrijke microbiële groepen die relevant zijn voor de vorming van reactieve ijzermineralensoorten. De minerale trapmatrix was steriel bij de inzet, dus alle micro-organismen die door qPCR werden gedetecteerd, zijn in situ kolonisten die zich tijdens de incubatieperiode hebben gevestigd. Zo werden drie van de meest voorkomende doelwitten in het mineraalvalmonster geïdentificeerd als fermenters (FER), IRB en SRB (aangeduid als APS in Figuur 6), wat actieve microbiële processen aangeeft die overeenkomen met de waargenomen redoxcondities. Fermentators zijn anaërobe bacteriën die organische koolstofsubstraten metaboliseren om organische zuren en waterstof te produceren. Waterstofproductie ondersteunt op zijn beurt de groei van andere MIC-geassocieerde organismen, waaronder SRB. IRB vermindert onoplosbaar ijzer tot oplosbaar ijzer, wat mogelijk de beschikbaarheid van ferro-ijzer voor reactieve ijzervorming vergemakkelijkt. SRB verbruikt waterstof en produceert waterstofsulfide. Waterstofsulfide kan op zijn beurt reageren met beschikbaar ferro-ijzer om reactieve ijzersulfiden te vormen. Hoewel DNA-gebaseerde methoden de enzymactiviteit niet direct kwantificeren, ondersteunen de aanwezigheid en dominantie van deze organismen in een voorheen steriel substraat sterk de voortdurende biogeochemische reacties die bijdragen aan reactieve mineralenvorming. Al met al bieden de resultaten nuttig inzicht in de relatieve hoeveelheid belangrijke microbiële groepen die betrokken zijn bij redoxreacties en de vorming van reactieve ijzersulfidemineralen. Deze resultaten zijn consistent met en verklaren de meer dan 99,9% vermindering van CVOC-concentraties bij deze put en een significante verschuiving van molaire massa naar etheen en ethaan (Figuur 7), en de bijbehorende afname van het chloorgehalte (het gemiddelde aantal chloor voor de gechloreerde ethenen gemeten in het monster). Deze resultaten tonen aan dat reductieve dechlorering is verbeterd en nu doorgaat met detoxificatie.
Figuur 6: QuantArray-MIC en CENSUS qPCR-AHY-resultaten van een mineraalval verzameld uit een monitoringsput na een incubatieperiode van 4 maanden. Aangepast van Divine et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Veranderingen in de tijd in molaire massa van meer gechloreerde ethenen naar etheen en ethaan in grondwaterconcentraties, en de bijbehorende afname van het chloorgehalte (het gemiddelde aantal chlooren voor de gemeten gechloreerde ethenen in het monster). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Voorbeeld 4
Mineraalvallen kunnen in situ worden gebruikt om efficiënt de relatieve verontreinigingsverdeling tussen bodem en grondwater te meten. Omdat minerale vangmonsters werken onder stromende, biogeochemisch actieve veldcondities, vertegenwoordigen de waarden effectieve distributiecoëfficiënten (Kd-eff) die zowel sorptieve als microbieel gemedieerde retentieprocessen omvatten in plaats van evenwichtsbatchsorptieparameters. Als zodanig kan Kd-eff nuttiger zijn dan laboratoriumafgeleide Kd-waarden omdat het daadwerkelijk sorptiegedrag in het veld weergeeft. Als pilotstudie werden minerale vallen met een aangepaste ondersteuningsmatrix ingezet op een locatie die besmet was met per- en polyfluoroalkylstoffen (PFAS) om locatie-specifieke PFAS Kd-eff-waarden te berekenen en de effectiviteit van de sorptie van verontreinigingen op een colloïdaal koolstofproduct te bepalen. In dit experimentele ontwerp werden drie mineraalvallen in afzonderlijke putten geplaatst gedurende 30 dagen. De minerale vangkussens werden gevuld met ofwel locatiegrond, Ottawa-zand (om de geschiktheid van het zand als proxy voor locatiegrond te bepalen), of met locatiegrond gemengd met een geactiveerd koolstofsaneringsproduct. Bij het terughalen van de vallen werd ook grondwater uit elke put verzameld, en het grondwater en drie matrices van elke locatie werden geanalyseerd met EPA-methode 1633. De individuele en opgetelde PFAS-sorptiecoëfficiënten werden berekend door de concentratie in de vaste stof (mg/kg) te delen door de concentratie in het grondwater (mg/L). Opgesomde PFAS Kd-eff-waarden , berekend voor elke monitoringsput en matrix, zijn weergegeven in Figuur 8 hieronder.
Figuur 8: Sorptiecoëfficiënten van opgetelde PFAS naar locatie en matrix. Deze resultaten tonen aan dat het geactiveerde koolstofremediatieproduct de sorptie van de verontreinigingen aanzienlijk verhoogde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
16S rRNA-ampliconsequencing werd ook uitgevoerd op elke matrix vanaf elke locatie voor verkennende doeleinden. Hoewel de samenstelling van microbiële gemeenschappen nauwer lijkt te correleren met de ondersteuningsmatrix dan met de locatie van de put (Figuur 9), wordt verwacht dat meer datasets patronen in PFAS-gerelateerde bacteriën zullen verduidelijken.
Figuur 9: Een hiërarchisch clusterend dendrogram van de classificaties op geslachtsniveau uit de minerale valmonsters. De samples die meer op elkaar lijken, worden samen gegroepeerd, waardoor kortere balken meer gelijkenis aangeven. Zo is monster MW-7 koolstof vergelijkbaar met MW-1 koolstof, maar heel verschillend van MW-8 zand. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Gezamenlijk tonen deze resultaten de waarde aan van minerale trapmonsters voor het aanpakken van opkomende verontreinigingen en het informeren van saneringsstrategieën. De aanpak maakt het mogelijk om effectieve sorptie van verontreinigingen en in situ bemonstering van microbiële gemeenschappen in door PFAS beïnvloed grondwater te kwantificeren. Belangrijk is dat de techniek het meest nuttig is als vergelijkend instrument, bijvoorbeeld om de relatieve prestaties van verschillende sorbenten tussen vallen te evalueren, in plaats van als middel om de evenwichtsomstandigheden binnen de ondergrond direct weer te geven.
| Analyse | Doelstelling | Gebruik Studie | |
| Waterige en Minerale Intrinsieke Bioremediatiebeoordeling (AMIBA) • Zuur vluchtig sulfide (AVS) • Chroom-extracteerbare sulfiden (CrES) • Sterk zuuroplosbaar ijzer en ijzer (SAS-Fe) • Zwak zuuroplosbaar ijzer en ijzer (WAS-Fe) | Biogeochemie van ijzer en zwavel | Ulrich et al. (2021a) Divine et al. (2023a) | |
| Scanning Elektronenmicroscopie/Energiedispersieve röntgenspectroscopie (SEM/EDS) | Mineralogie en elementaire samenstelling | Divine et al. (2023a) | |
| Totale metalen, inclusief totaal ijzer (USEPA-methoden 3050B en 6020) | Metaalsamenstelling | Divine et al. (2023a) | |
| Röntgendiffractie (XRD)* | Kristallijne mineraalidentificatie | ||
| Magnetische gevoeligheid | Magnetietsamenstelling | ||
| Kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR) en QuantArray | Microbiële populatieconcentratie | Divine et al. (2023a) | |
| DNA-sequencing (16S rRNA, ITS) | Samenstelling van microbiële gemeenschappen | ||
Tabel 1: Potentiële analyses van toepassing op monsters verzameld met minerale trapmonsters.
Discussie
Verschillende stappen in het protocol zijn cruciaal voor het slagen ervan. Ten eerste zijn alle voorbereidende maatregelen die snelle en efficiënte berging van mineraalvallen mogelijk maken essentieel om blootstelling aan monsters te voorkomen en de integriteit te behouden. Het belangrijkste is dat minerale vallen zo snel mogelijk na het ophalen onder anaerobe omstandigheden moeten worden geplaatst.
Protocolaanpassingen om de aanschaf van de mineraalvalmatrix mogelijk te maken, kunnen nodig zijn als een niet-standaard matrix wordt gekozen. Het standaardontwerp maakt gebruik van Ottawa silicazand. Voordelen van deze matrix zijn onder andere de hoge hydraulische geleidbaarheid en porositeit, gelijkenis met materialen in veel zanderige alluviale aquifers, en het ontbreken van ijzergehalte9. Locatiegrond is een gebruikelijke niet-standaard matrix, dus instructies voor het inkopen van locatiegrond zijn opgenomen in het hoofdprotocol. Bodem of zand gemengd met saneringsproducten zoals colloïdale koolstof kan ook worden gebruikt in mineraalvallen. Daarnaast kan het protocol worden aangepast om best practices voor verschillende veldploegen te weerspiegelen, rekening houdend met personeels- en documentatievereisten.
De minerale trapmonsteraar pakt veel uitdagingen aan bij boren en kernen voor mineralogische bemonstering, maar heeft ook zijn eigen beperkingen. Ten eerste geeft de bemonsteringsmatrix binnen de mineraalval mogelijk niet nauwkeurig het aquifermateriaal van de site weer . Zo werkt het standaard Ottawa-zand goed in zandige aquifers, maar is het minder representatief voor slibrijke of kleirijke omgevingen. Locatiegrond wordt vaak als alternatief gebruikt, hoewel deze moeilijk te verkrijgen kan zijn. Bovendien zijn minerale vallen ingezet in monitoringsputten beperkt tot bestaande putten of boorgaten. Ten slotte mogen gegevens van minerale trapmonsters niet worden beschouwd als een directe vervanging voor bulkbemonstering van geochemische monsters.
Minerale vallen hebben verschillende aanvullende potentiële toepassingen naast de hierboven beschreven voorbeelden. Deze omvatten saneringsmethoden die gericht zijn op het neerslaan van andere metaalverontreinigingen, zoals arseen, chroom en uranium, zoals sulfiden, ijzeroxiden of fosfaatmineralen door injectie van reductanten, oxidanten, fosfaten en/of zuur- of basenoplossingen. De hierboven beschreven procedure wordt verwacht breed toepasbaar te zijn; echter, alternatieve analysemethoden kunnen vereist zijn voor monsteranalyse, afhankelijk van de doelverontreiniging en minerale fase.
Openbaarmakingen
Auteurs Taggart en Ward zijn in dienst van Microbial Insights, dat exclusief een licentie heeft om Min-Traps te produceren en te verkopen. De auteurs Divine, Justicia-León, Martin Tilton, Carter en Zardouzian zijn in dienst van Arcadis, dat de Min-Trap Patent Assignee is.
Dankbetuigingen
Financiering en ondersteuning voor dit werk werden verstrekt via Satellite, het wereldwijde innovatieprogramma voor Arcadis (http://www.lovinklaan.nl/en/programs/imagine-satellite/), en ESTCP (Project ER19-5190).
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 18-in stainless ruler | Staples (www.staples.com) | 2772901 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| 1-gal verzegelbare polyethyleen zakken | Staples (www.staples.com) | 24401543 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| 2200-Watt Honda Generator | Home Depot (www.homedepot.com)) | 316604378 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| 5-gm voedselopslag silicagel zuurstof sorptiezakjes | Amazon (www.amazon.com) | 7.47607E+11 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Koelboxen | Staples (www.staples.com) | 24299978 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Digitale camera | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn | ||
| Droogwisserstiften | Staples (www.staples.com) | 24398946 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Whiteboard (minstens 24 inch breed) en | Staples (www.staples.com) | 814930 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| GENbag Anaerobic | bioMérieux (https://biomerieuxdirect.com/biomerieux) | 45534 | Kan worden gebruikt als alternatief voor een vacuümsealer, anaërobe GENbags (https://biomerieuxdirect.com/), die luchtdichte zakken zijn die een generatorzakje bevatten dat zuurstof absorbeert en kooldioxide afgeeft, kunnen worden gebruikt om snel een anaërobe atmosfeer te produceren voor Min-Trap monsterbewaring en -opslag. |
| IJs | Lokaal buurtwinkeltje | ||
| Min-Trap Samplers | Microbial Insights, Inc. (https://microbe.com/min-trap-sampler/) | NA | (US Patent 11,002,643 B1) |
| Nylon touw | Staples (www.staples.com) | 191591 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Papierhanddoeken | Staples (www.staples.com) | 2126874 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Permanente stift | Staples (www.staples.com) | 125328 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Schaar | Staples (www.staples.com) | 24380498 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Vacuümsealer | Cabelas (www.cabelas.com) | 100113832 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
| Vacuümsealer zakjesrol (8-in) | Cabelas (www.cabelas.com) | 2514954 | Alternatieve modellen kunnen acceptabel zijn |
Referenties
- 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).
Herprints en machtigingen
