Medindo-carbono com base Contaminant Mineralização Usando Combinada CO 2 fluxo e de radiocarbono Análises
21 de outubro de 2016
Um protocolo é descrito em que a biodegradação de CO2 mineralizado a partir de contaminantes orgânicos (derivados de matérias-primas de petróleo) é capturada, quantificada e analisada quanto ao teor de 14C. Um modelo é desenvolvido para determinar a extensão espacial da zona de captura de CO2. As medições espaciais e temporais permitem integrar as taxas de mineralização de contaminantes para prever a extensão e o tempo de remediação.
O objetivo geral deste método combinado de modelagem de conteúdo de radiocarbono de fluxo de dióxido de carbono e zona de influência é rastrear in situ a degradação de contaminantes derivados de petróleo usando o sinal de radiocarbono empobrecido no dióxido de carbono, um produto final de degradação. Este método pode ajudar a responder a questões-chave nos campos de biorremediação e avaliação ambiental. Por exemplo, quanta contenção está sendo degradada no local?
Seja por meio de atenuação natural ou em conjunto com abordagens de remediação projetadas. A principal vantagem dessa técnica é que ela se baseia na medição do carbono derivado da estrutura de contenção real, em vez de fazer várias medições indiretas como linhas de evidência. O método permite calcular a taxa real de biodegradação in situ.
Para a instilação de campo, prepare as bombas de ar da seguinte maneira. Primeiro, faça um furo na carcaça da bomba para um pequeno pedaço de tubo impermeável a gás plástico de 1/16 de polegada de diâmetro. Insira um comprimento de tubo de cinco a seis polegadas no orifício.
Em seguida, sele todas as partes externas da bomba com selante marinho. Seguido por uma camada de selante de silicone. Em seguida, teste de pressão as bombas seladas.
Sopre suavemente a tubulação enquanto bloqueia o fluxo de saída. Em seguida, prepare uma armadilha de dióxido de carbono para cada poço de coleta e um controle. Pese 25 gramas de hidróxido de sódio em um frasco de soro de 100 mililitros.
Tampe o frasco de soro com um septo e aperte-o bem. Agora, conecte os cabos elétricos. No campo, a energia de funcionamento de cada poço requer longas linhas para cada bomba.
Dentro dos poços de campo, tampe sua produção usando tampas modificadas com dois orifícios de 1/16 de polegada para linhas de gás. No poço, a linha de gás rebaixada é colocada ligeiramente acima do nível do lençol freático e a linha de retorno é colocada logo abaixo da tampa. Em seguida, sele as mangueiras e a junta da tampa com graxa a vácuo para que todas as superfícies forneçam uma vedação à prova de gás.
Do poço, encaminhe a tubulação inferior para a entrada da bomba e encaminhe a linha de gás da bomba para o coletor de dióxido de carbono. Usando uma agulha de calibre 16 para perfurar o septo. Em seguida, usando outra agulha, encaminhe uma linha de retorno da armadilha para a linha de gás e logo abaixo da tampa.
Agora, opere a configuração para fazer uma coleção inicial de volumes de 30 poços. Mais tarde, descarte as armadilhas iniciais. Retire as agulhas do septo e coloque-as em um novo frasco.
Em seguida, registre a hora de início da coleta. Para analisar o gás coletado, meça o dióxido de carbono preso nas amostras de água usando coulometria. Primeiro, transfira as subamostras triplicadas de um mililitro para frascos de soro de 40 mililitros tampados com septos.
Em seguida, acidifique cada subamostra com um mililitro de ácido fosfórico a 50% volume por volume. Alimente a linha em uma armadilha de perclorato de magnésio. E em seguida, use uma armadilha de gel de sílica com uma malha de 60 angstrom.
Em seguida, borbulhe o fluxo de gás na célula coulométrica e use os coulombs medidos para quantificar os níveis de dióxido de carbono. Duas semanas a dois meses após o início da coleta, colete as armadilhas. Desligue a energia das bombas e remova as agulhas.
Se necessário, sele as armadilhas para armazenamento de longo prazo. Para analisar a armadilha, dissolva qualquer hidróxido de sódio sólido não gasto com água. Espalhe a água com gás hélio esfregado com dióxido de carbono para remover o dióxido de carbono dissolvido.
Em seguida, combine o conteúdo da armadilha totalmente liquefeita e meça o volume total. Em seguida, transfira subamostras de cinco a 10 mililitros para frascos de 40 mililitros com septos. Em seguida, acidifique as subamostras com 50% de ácido fosfórico volume por volume.
Agora, borrife e analise o fluxo de gás resultante por coulometria, conforme descrito anteriormente. Mais tarde, quando você fizer seus cálculos para este período de amostragem, certifique-se de levar em conta a cinética de equilíbrio subtraindo manualmente a taxa de coleta mais baixa da taxa de coleta medida nos outros poços. Use o MT3DMS acoplado ao MODFLOW 2005 por meio da interface ModelMuse para simular a difusão de dióxido de carbono em equilíbrio associado à tela do poço.
Configure o ModelMuse com o local do programa MODFLOW. Para fazer isso, clique no menu Modelo e selecione Locais do programa MODFLOW. Em seguida, aponte o programa para o diretório de instilação do programa MODFLOW 2005.
Na mesma caixa de diálogo, configure o ModelMuse com o local do programa MT3DMS. Em seguida, configure os pacotes e programas do MODFLOW no menu Modelo. Na opção fluxo, certifique-se de que o pacote Fluxo de propriedades da camada esteja selecionado.
Em Condições de limite, selecione Cabeça especificada. Em seguida, selecione o pacote CHD Time-Variant Specified Head. Em seguida, selecione o pacote MT3DMS e BTN Basic-Transport.
Em seguida, defina a Espécie Móvel para dióxido de carbono. Agora, configure as opções do MODFLOW. No menu Modelo, selecione Opções de MODFLOW e defina as unidades do modelo.
Em seguida, configure o MODFLOW Time. No menu Modelo, selecione MODFLOW Time. Um período de tensão de 360 graus executará a simulação por 15 dias.
Em seguida, configure os conjuntos de dados MODFLOW. No menu Dados, selecione Conjuntos de dados. Em seguida, insira os dados do site de interesse.
Para Hidrologia, insira k valores em três dimensões. Cabeça inicial MODFLOW e cabeça especificada MODFLOW. Para MT3DMS, insira o coeficiente de difusão, dióxido de carbono, dióxido de carbono de concentração inicial e dispersividade longitudinal.
Por fim, edite as variáveis globais. No menu Dados, selecione Variáveis globais e insira a taxa de coleta de dióxido de carbono usada no local e insira a concentração inicial de dióxido de carbono. Agora execute a simulação.
Pressione a seta verde na barra de ícones superior para iniciar a simulação. Em seguida, salve os arquivos de entrada quando solicitado e a simulação será executada. Após a execução, compile e exporte os dados selecionando o menu de arquivo, depois exporte e depois os arquivos de entrada MT3DMS.
Para observar e gerar os resultados do modelo, clique no ícone de visualização. Em seguida, selecione a simulação e gere os valores de limite da zona de influência em coordenadas 3D. No local de teste, a contaminação histórica por hidrocarbonetos clorados foi maior no cluster de poços centrais.
A produção de dióxido de carbono medida variou de zero a 34 miligramas por dia e foi mais baixa em um aglomerado de poços centrais, onde a contaminação histórica foi mais alta. Os parâmetros geoquímicos do local, como PH, cálcio e outras concentrações de cátions, não indicaram nenhuma dissolução de carbonato, o que pode influenciar a interpretação da medição de radiocarbono. Duas medições de duas semanas da estação seca foram calculadas para cálculos subsequentes.
As medidas de respiração e radiocarbono não variaram consideravelmente entre os períodos de duas semanas. Usando relatórios anteriores para a água subterrânea hidráulica nas propriedades do soluto de dióxido de carbono, um modelo de Zona de Influência foi gerado. Usando estimativas do modelo de Zona de Influência, a remoção de massa de hidrocarbonetos clorados em cada poço foi calculada.
Em última análise, os poços próximos à periferia do local tiveram a maior degradação de hidrocarbonetos clorados e produção de dióxido de carbono, e os modelos apoiaram essa observação. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de minimizar a contaminação com dióxido de carbono atmosférico, tampando rapidamente e minimizando o contato com a atmosfera. Todo o diluente deve ser aspergido com gás inerte para remover o CO2 dissolvido.
Seguindo este procedimento, outros métodos, como determinar as condições biogeoquímicas do local, podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como quais controlam as taxas de degradação in situ?
Visão Geral
Este artigo apresenta um método para acompanhar a degradação de contaminantes derivados de petróleo mediante a medição do conteúdo de radiocarbono no dióxido de carbono produzido durante a biodegradação. A abordagem integra dados espaciais e temporais para modelar a extensão das zonas de captura de CO2 e prever os prazos de remediação.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Ciências Ambientais
- Biorremediação
- Ciclagem do Carbono
Antecedentes
- Contaminantes de petróleo representam riscos ambientais significativos.
- Compreender os processos de biodegradação é essencial para uma remediação eficaz.
- Os métodos tradicionais muitas vezes dependem de medições indiretas.
- Este estudo apresenta uma abordagem de medição direta utilizando análise de radiocarbono.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um protocolo para quantificar o CO2 proveniente da degradação de contaminantes.
- Modelar a extensão espacial das zonas de captura de CO2.
- Aprimorar as previsões sobre a eficácia e os prazos da remediação.
Métodos Utilizados
- Instalação em campo de bombas de ar e armadilhas de CO2.
- Coleta e análise de amostras de gás usando coulometria.
- Simulação da difusão de CO2 usando MT3DMS e MODFLOW.
- Integração de dados para avaliação das taxas de biodegradação.
Resultados Principais
- As taxas medidas de produção de CO2 variaram significativamente entre os locais.
- O método forneceu evidência direta da bioddegradação in situ.
- Os resultados da modelagem indicaram a extensão espacial das zonas de captura de CO2.
- Os resultados apoiam a eficácia do método proposto para avaliações ambientais.
Conclusões
- O método desenvolvido aprimora a compreensão da degradação de contaminantes derivados do petróleo.
- Oferece uma abordagem confiável para monitorar esforços de biorremediação.
- Aplicações futuras poderiam melhorar as estratégias de gestão ambiental.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a quantificação direta da biodegradação in situ de contaminantes derivados de petróleo mediante a medição de CO2 empobrecido em radiocarbono proveniente da mineralização do contaminante. Ele fornece uma ferramenta mecanicista de redução de riscos para a avaliação do destino ambiental, reforçando a confiança preditiva na eficácia da biorremediação e reduzindo a dependência de evidências indiretas. A abordagem subsidia estimativas do tempo necessário para a remediação e decisões sobre portfólios no gerenciamento de áreas e na avaliação de responsabilidades ambientais.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de vias de degradação de contaminantes por meio do rastreamento da mineralização em CO2 como metabólito final.
- Valor Operacional: Utiliza um sinal isotópico endógeno (ausência de 14C) em contaminantes derivados de fósseis, eliminando a necessidade de traçadores exógenos.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera dados quantitativos de fluxo de CO2 e de radiocarbono para calcular a porcentagem de respiração derivada de contaminantes.
- Valor Operacional: Associa captura de gás e coulometria para mensuração padronizada e replicável de taxas de biodegradação entre pontos de amostragem.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia a modelagem de sistemas relevantes para doenças ao vincular a perda de massa de contaminantes à produção de CO2 por meio da modelagem da Zona de Influência.
- Valor Operacional: Permite a escala espacial e temporal de taxas de biodegradação, desde avaliações em microcosmos até avaliações em escala de campo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método integra a análise do destino de contaminantes na fase de descoberta com modelagem preditiva para apoiar decisões de prosseguir ou não prosseguir em fluxos de trabalho de remediação ambiental.
- Biologia da Descoberta: Acompanha a mineralização do esqueleto de hidrocarbonetos até CO2, fornecendo evidência direta da degradação do contaminante.
- Triagem: Fornece taxas quantitativas de respiração de CO2 e partição isotópica para análise comparativa de condições.
- Análises: Utiliza quantificação coulométrica de CO2 e medição de radiocarbono para permitir a alocação de fontes por meio de modelos de mistura de dois membros extremos.
- Pesquisa Translacional: Conecta medições pontuais à degradação em escala de pluma por meio da simulação da Zona de Influência usando MT3DMS e MODFLOW.
- Reutilização Empresarial: Estabelece um protocolo padronizado para monitoramento de longo prazo e avaliação comparativa de locais em projetos de remediação.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Fornece confiança preditiva na mineralização de contaminantes ao medir um ponto final isotópico estável e independente do processo.
- Valor Operacional: Garante reprodutibilidade por meio de etapas padronizadas de aprisionamento de gás, acidificação e detecção coulométrica.
- Valor Estratégico: Reduz o risco de remediação em estágios avançados ao permitir a validação precoce e direta de hipóteses de biodegradação.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco de locais com base em taxas de degradação quantificadas e zonas de influência modeladas.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em análise de radiocarbono, cromatografia gasosa e modelagem de águas subterrâneas.
- Depende de infraestrutura para captura de CO2 (trampas de NaOH), coulometria e simulação com MODFLOW/MT3DMS.
- Necessita padronização entre equipes distintas envolvendo amostragem de campo, análise laboratorial e grupos de modelagem.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes tipos de solo, fluxo de águas subterrâneas e níveis de fundo de radiocarbono.
- Inclui limitações práticas, como a possível contaminação por CO2 atmosférico durante a amostragem e a necessidade de purga com gás inerte dos reagentes.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
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
