Измерение углерода на основе Загрязняющие Минерализация Использование Совмещенный CO
21 октября 2016 г.
Описан протокол, в котором биоразложение CO2, минерализованного из органического загрязнителя (полученного из нефтяного сырья), улавливается, количественно оценивается и анализируется на содержание 14C. Разработана модель для определения пространственной протяженности зоны захвата CO2. Пространственные и временные измерения позволяют интегрировать скорости минерализации загрязняющих веществ для прогнозирования масштабов и времени восстановления.
Общая цель данного комбинированного метода моделирования содержания радиоуглерода в потоке диоксида углерода и зоны влияния заключается в отслеживании деградации загрязнителей нефтяного происхождения in situ с помощью анализа истощенного радиоуглеродного сигнала в диоксиде углерода, который является конечным продуктом разложения. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области биоремедиации и экологической оценки, такие как: какой объем загрязняющих веществ разлагается на объекте?
Либо посредством естественного самоочищения, либо в сочетании с методами техногенной рекультивации. Главным преимуществом данной методики является то, что она основана на измерении содержания углерода, происходящего непосредственно из основного скелета удерживающей структуры, а не на проведении множества косвенных измерений в качестве подтверждающих доказательств. Данный метод позволяет рассчитать фактическую скорость биоразложения in situ.
Для введения препаратов в полевых условиях подготовьте воздушные насосы следующим образом. Сначала просверлите в корпусе насоса отверстие для короткого отрезка газонепроницаемой пластиковой трубки диаметром 1/16 дюйма. Вставьте в отверстие трубку длиной от пяти до шести дюймов.
Затем загерметизируйте все внешние части насоса морским герметиком. После этого нанесите слой силиконового герметика. Затем проведите испытание загерметизированных насосов под давлением.
Осторожно подуйте в трубку, перекрыв выход. Затем подготовьте ловушку для диоксида углерода для каждого приемного отверстия и для контроля. Отвесьте 25 грамм гидроксида натрия в сыворотный флакон объемом 100 миллилитров.
Закройте флакон с сывороткой септой и плотно закрепите ее кримпером. Затем подключите электрические провода. В полевых условиях подача питания к каждой лунке требует прокладки длинных линий к каждому насосу.
Внутри полевых скважин закройте выходные отверстия модифицированными крышками с двумя отверстиями диаметром 1/16 дюйма для газовых линий. В скважине подающая газовая линия устанавливается чуть выше уровня грунтовых вод, а обратная линия — непосредственно под крышкой. Затем герметизируйте шланги и прокладку крышки вакуумной смазкой, чтобы все поверхности обеспечивали газонепроницаемое уплотнение.
Проведите нижнюю трубку из лунки во входное отверстие насоса, а газопровод от насоса — к ловушке для углекислого газа, проколов септум иглой 16G. Затем с помощью другой иглы проложите обратную линию от ловушки к газопроводу, введя её чуть ниже крышки.
Теперь запустите установку для первоначального сбора 30 объемов лунки. Затем удалите содержимое начальных ловушек. Выньте иглы из септы и перенесите их в новый флакон.
Затем зафиксируйте время начала сбора. Для анализа собранного газа измерьте количество удержанного диоксида углерода в пробах воды с помощью кулонометрии. Сначала перенесите три повторности проб объемом 1 мл в флаконы для сыворотки объемом 40 мл, закрытые септами.
Затем подкислите каждую пробу одним миллилитром 50% (об./об.) фосфорной кислоты. Пропустите линию через ловушку с перхлоратом магния. После этого используйте ловушку с силикагелем с размером пор 60 ангстрем.
Затем пропускайте газовый поток через кулонометрическую ячейку и используйте измеренное количество кулонов для количественного определения уровней диоксида углерода. Через две недели — два месяца после начала сбора извлеките ловушки. Отключите питание насосов и извлеките иглы.
При необходимости герметично закройте ловушки для длительного хранения. Чтобы проанализировать ловушку, растворите остатки неиспользованного твердого гидроксида натрия водой. Продуйте воду гелием, очищенным от диоксида углерода, чтобы удалить растворенный диоксид углерода.
Затем объедините полностью разжиженное содержимое ловушки и измерьте общий объем. Далее перенесите подпробы объемом от 5 до 10 миллилитров в флаконы объемом 40 миллилитров с септами. Затем подкислите подпробы 50%-й (объем к объему) фосфорной кислотой.
Теперь проведите продувку и проанализируйте полученный поток газа методом кулонометрии, как было описано ранее. Впоследствии, при расчетах за данный период отбора проб, обязательно учтите кинетику равновесия, вручную вычтя самую низкую скорость сбора из скоростей сбора, измеренных в других скважинах. Используйте MT3DMS в сочетании с MODFLOW 2005 через интерфейс ModelMuse для моделирования диффузии диоксида углерода в состоянии равновесия, связанного с фильтром скважины.
Настройте ModelMuse, указав путь к программе MODFLOW. Для этого откройте меню Model и выберите пункт MODFLOW Program Locations. Затем укажите путь к директории установки программы MODFLOW 2005.
В этом же диалоговом окне укажите в ModelMuse путь к программе MT3DMS. Затем в меню Model настройте пакеты и программы MODFLOW (MODFLOW Packages and Programs). В разделе flow убедитесь, что выбран пакет Layer Property Flow.
В разделе «Boundary conditions» (Граничные условия) выберите «Specified head». Затем выберите пакет «CHD Time-Variant Specified Head». Далее выберите «MT3DMS» и пакет «BTN Basic-Transport».
Затем установите Mobile Species на carbon dioxide. Теперь настройте параметры MODFLOW. В меню Model выберите MODFLOW Options и установите единицы измерения модели.
Затем настройте MODFLOW Time. В меню Model выберите MODFLOW Time. Период нагрузки длиной 360 позволит запустить моделирование на 15 дней.
Затем настройте наборы данных MODFLOW. В меню «Данные» выберите «Наборы данных». После этого введите данные по интересующему участку.
Для раздела «Гидрология» введите значения k в трех измерениях. Начальный напор MODFLOW и Заданный напор MODFLOW. Для MT3DMS введите коэффициент диффузии, углекислый газ, начальную концентрацию углекислого газа и продольную дисперсивность.
Наконец, отредактируйте глобальные переменные. В меню Data выберите Global Variables, введите скорость сбора углекислого газа, используемую на данном участке, и начальную концентрацию углекислого газа. Теперь запустите симуляцию.
Нажмите зеленую стрелку на верхней панели значков, чтобы запустить симуляцию. Затем сохраните входные файлы по запросу, после чего начнется выполнение симуляции. По завершении процесса скомпилируйте и экспортируйте данные, выбрав в меню «Файл» (File) пункт «Экспорт» (Export), а затем «Входные файлы MT3DMS» (MT3DMS input files).
Для просмотра и вывода результатов модели нажмите на значок визуализации. Затем выберите симуляцию и выведите граничные значения зоны влияния в 3D-координатах. На исследуемом участке наибольшая историческая концентрация загрязнения хлорированными углеводородами наблюдалась в пределах центрального кластера скважин.
Измеренная скорость продукции диоксида углерода варьировалась от 0 до 34 мг в день и была минимальной в центральном кластере скважин, где историческое загрязнение было наиболее сильным. Геохимические параметры участка, такие как pH, концентрации кальция и других катионов, не указывали на растворение карбонатов, которое могло бы исказить интерпретацию результатов измерения радиоуглерода. Для последующих расчетов было рассчитано среднее значение двух двухнедельных измерений, проведенных в засушливый сезон.
Показатели дыхания и радиоуглеродного анализа существенно не менялись на протяжении двухнедельных периодов. На основе предыдущих отчетов о гидравлике грунтовых вод и свойствах углекислого газа как растворенного вещества была создана модель зоны влияния. Используя расчеты данной модели, была определена масса удаленных хлорированных углеводородов в каждой скважине.
В конечном счете, в скважинах у периферии участка наблюдались самые высокие показатели деградации хлорированных углеводородов и продукции диоксида углерода, что подтвердилось моделями. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости минимизировать загрязнение атмосферным диоксидом углерода, быстро закрывая пробы крышками и сокращая время контакта с атмосферой. Все разбавители следует продувать инертным газом для удаления растворенного CO2.
После выполнения данной процедуры можно применить другие методы, например, определение биогеохимических условий на участке, чтобы ответить на дополнительные вопросы, такие как: что контролирует скорость деградации in situ?
Обзор
В данной статье представлен метод отслеживания деградации загрязняющих веществ нефтяного происхождения путем измерения содержания радиоуглерода в диоксиде углерода, образующемся в процессе биодеградации. Данный подход объединяет пространственные и временные данные для моделирования размеров зон захвата CO2 и прогнозирования сроков рекультивации.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Экология
- Биоремедиация
- Цикл углерода
Теоретические основы
- Нефтепродукты представляют значительный экологический риск.
- Понимание процессов биодеградации имеет решающее значение для эффективного восстановления среды.
- Традиционные методы часто опираются на косвенные измерения.
- В данном исследовании представлен метод прямого измерения с использованием радиоуглеродного анализа.
Цель исследования
- Разработать протокол для количественного определения CO2, образующегося при разложении загрязняющих веществ.
- Смоделировать пространственную протяженность зон улавливания CO2.
- Улучшить прогнозы эффективности и сроков проведения рекультивации.
Используемые методы
- Полевая установка воздушных насосов и ловушек для CO2.
- Сбор и анализ проб газа методом кулонометрии.
- Моделирование диффузии CO2 с использованием MT3DMS и MODFLOW.
- Интеграция данных для оценки скоростей биодеградации.
Основные результаты
- Измеренные скорости продукции CO2 значительно различались в зависимости от участка.
- Данный метод предоставил прямые доказательства биодеградации in situ.
- Результаты моделирования указали на пространственную протяженность зон улавливания CO2.
- Полученные данные подтверждают эффективность предлагаемого метода для проведения экологических оценок.
Выводы
- Разработанный метод углубляет понимание процессов деградации нефтяных загрязнений.
- Он предлагает надежный подход для мониторинга эффективности биоремедиации.
- Дальнейшее применение метода может улучшить стратегии управления окружающей средой.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод позволяет проводить прямую количественную оценку биодеградации загрязнений нефтехимического происхождения in situ путем измерения содержания CO2, обедненного радиоуглеродом, который образуется при минерализации загрязняющих веществ. Он представляет собой инструмент механического снижения рисков при оценке поведения веществ в окружающей среде, что повышает прогностическую уверенность в эффективности биоремедиации и снижает зависимость от косвенных доказательств. Этот подход позволяет уточнить расчетные сроки ремедиации и принимать обоснованные решения по управлению объектами и оценке экологических обязательств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать пути деградации загрязнителей путем отслеживания минерализации до CO2 как конечного метаболита.
- Практическая ценность: использует эндогенный изотопный сигнал (отсутствие 14C) в загрязнителях ископаемого происхождения, что исключает необходимость использования экзогенных трейсеров.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет получать количественные данные о потоке CO2 и радиоуглеродном анализе для расчета процента дыхания, обусловленного разложением загрязняющих веществ.
- Практическая ценность: Объединяет методы улавливания газа и кулонометрии для стандартизированного и воспроизводимого измерения скоростей биодеградации в различных точках отбора проб.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Оказывает поддержку моделированию систем, имеющих значение для изучения заболеваний, путем установления связи между потерей массы загрязняющего вещества и выработкой CO2 с помощью моделирования зоны влияния.
- Практическая ценность: Позволяет осуществлять пространственное и временное масштабирование скоростей биодеградации от микрокосмов до оценок в полевых условиях.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод объединяет анализ судьбы загрязняющих веществ на этапе обнаружения с прогностическим моделированием для принятия решений о целесообразности дальнейшего проведения работ в рамках процессов рекультивации окружающей среды.
- Биология открытий: Отслеживание минерализации углеводородного скелета до CO2, что дает прямое доказательство деградации загрязняющего вещества.
- Скрининг: Получение количественных показателей скорости дыхания CO2 и изотопного распределения для сравнительного анализа условий.
- Аналитика: Использование кулонометрического количественного определения CO2 и измерения радиоуглерода для распределения источников с помощью двухкомпонентных моделей смешивания.
- Трансляционные исследования: Связь точечных измерений с деградацией в масштабе шлейфа с помощью моделирования зоны влияния с использованием MT3DMS и MODFLOW.
- Корпоративное повторное использование: Создание стандартизированного протокола для долгосрочного мониторинга и сравнительной оценки участков в рамках проектов по рекультивации.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: обеспечивает достоверность прогнозов минерализации загрязнителей путем измерения стабильного, независимого от процесса конечного изотопного значения.
- Операционная ценность: гарантирует воспроизводимость за счет стандартизированных этапов улавливания газа, подкисления и кулонометрического детектирования.
- Стратегическая ценность: снижает риски на поздних этапах рекультивации, позволяя проводить раннюю прямую проверку гипотез о биодеградации.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации участков с учетом рисков на основе количественно определенных скоростей деградации и смоделированных зон влияния.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области радиоуглеродного анализа, газовой хроматографии и моделирования подземных вод.
- Зависит от наличия инфраструктуры для улавливания CO2 (ловушки с NaOH), оборудования для кулонометрии и программного обеспечения для моделирования MODFLOW/MT3DMS.
- Необходимо согласование стандартов работы между группами полевого отбора проб, лабораторного анализа и моделирования.
- Требуется учет особенностей адаптации к различным типам почв, потокам подземных вод и фоновым уровням радиоуглерода.
- Включает практические ограничения, такие как риск загрязнения атмосферным CO2 во время отбора проб и необходимость продувки реагентов инертным газом.
Часто задаваемые вопросы о биофармацевтике
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
