Yeraltı suyu arıtılması sırasında birçok önemli reaktif mineral oluşur; Ancak, geleneksel sondaj çekirdeği tabanlı yöntemler bu minerallerin toplanmasında genellikle zorluklar yaratır. Bu makale, geleneksel izleme kuyularından reaktif mineralleri etkili şekilde toplamak ve ölçmek için yenilikçi pasif örnekleme cihazı olan Min-Trap'ın kullanımına yönelik teknikler sunmaktadır.
Yöntem makalesi
Mineral Numune Makinelerinin Dağıtımı ve Geri Alınması
Bu makalede
Özet
Özet
Reaktif mineral oluşumu, gaz oluşumu ve kirletici sorpsiyon gibi yüzey altı kimyasal, jeokimyasal ve mikrobiyolojik etkileşimler, iyileştirme stratejilerinin şekillenmesinde kritik bir rol oynar. Ancak, bu süreçleri saha ölçeğinde değerlendirmek, geleneksel örnekleme yöntemlerinin maliyeti ve müdahaleciliği nedeniyle genellikle sınırlıdır. Mineral tuzak örnekleyici, ek sondaj veya çekirdek çıkarımı gerektirmeden reaktif mineral oluşumunun yerinde izlemesi için pratik ve düşük maliyetli bir alternatif sunar. Bir izleme kuyusunun ekran aralığı içinde yerleştirilen örnekleyici, en az otuz gün boyunca pasif olarak mineral çökeltmeleri ve mikrobiyal biyokütleyi toplar. Alındıktan sonra, örnekleyici vakum mühürlenerek standart ticari tekniklerle analiz için buz üzerinde laboratuvara taşınır. Bu yenilik, bilim insanlarına ve mühendislere mineral yağışının hızını ve mekânsal dağılımını değerlendirmelerini sağlar ve yeraltı koşulları hakkında değerli bilgiler sunar. Mineral oluşumu ve mikrobiyal aktivite hakkında uygulanabilir veriler sunarak mineral tuzak örnekleyicisi performans değerlendirmelerini destekler ve iyileştirme sistemleri için optimizasyon stratejilerini yönlendirir. Basitliği ve uygun fiyatlılığı, saha karakterizasyonunu ve uzun vadeli yönetimi geliştirmek için faydalı bir araç haline getirir.
Giriş
Klorlu çözücülerin ve metal kirleticilerin yeraltı suyu temizlenmesi, genellikle kirleticileri bozan veya tutan reaktif minerallerin yerinde oluşumu, çözünmesi veya dönüşümüne bağlıdır. Organik karbon kaynaklarının (örneğin laktat, pekmez, emülsiye bitkisel yağı) enjeksiyonu, hidrojen sülfür ve indirgenmiş demir üreten yerli demir ve sülfat indirgeleyici bakterileri uyarır. Bunlar, öncelikle makkinawit (FeS) ve pirit (FeS2) olmak üzere demir sülfit mineralleri oluşturarak reaksiyona girer ve klorlu uçucu organik bileşikleri (CVOCs)1,2,3,4,5,6 oluşturur.
Hedef reaktif minerallerin oluşumunun doğrudan alan doğrulaması, mineral gelişimini en üst düzeye çıkaran koşulları teşvik ederek iyileştirme stratejilerinin optimizasyonunu artırabilir ve dolayısıyla klorlu uçucu organik bileşiklerin (CVOC) abiotik bozunma potansiyelini teşvik eder. Ancak, mineral oluşumu değerlendirmeleri genellikle sulu faz göstergelerinden (yani yeraltı suyu analizlerinden) çıkarılır; çünkü katı faz örneklerinin alınmasıyla ilgili ciddi lojistik ve finansal kısıtlamalarvardır 7,8. Reaktif mineral oluşumunun geleneksel değerlendirmesi, sulu faz ölçümlerinden katı faz değişiklikleri çıkarmaya dayanır. Doğrudan katı faz örnekleri toplanabilir, ancak bu, toprak/kaya örnekleme için yüksek maliyetli, ayrık sondaj veya çekirdek gerektirir; bu da genellikle sınırlı mekansal kapsama ve zamanla değişiklikleri değerlendirmek için tekrar edilen örneklerin toplanamamasıyla ilişkilidir. Ayrıca, sondaj, artan zaman, iş gücü ve sağlık güvenliği riskleriyle ilişkilidir. Bu kısıtlamalar, iyileştirme stratejilerinin zamanında optimize edilmesini ve reaktif mineral varlığının kesin kanıtını sıklıkla engeller.
Min-Trap, bundan sonra mineral tuzağı olarak adlandırılacaktır, 2 inç çapında veya daha büyük izleme kuyuları için tasarlanmış düşük maliyetli, yerinde örnekleme cihazıdır. Yivon ağ "yastıklar" bulunur ve katı fazlı bir matriks (örneğin, silika kumu veya saha malzemesi) ile kaplanır ve yarıklı PVC birmuhafaza 9 içinde kaplanır. Yerel yeraltı suyu akışı altında haftalarca hatta aylarca kullanılan mineral tuzakları, çökelen mineralleri müdahaleci sondaj yapmadan yakalar. Bu kuluçka döneminden sonra, izleme kuyusundan mineral tuzakları çıkarılır ve PVC kılıf içindeki kum yastıkları, dağıtım sırasında yakalanan minerallerin tanımlanması ve niceliği için laboratuvar analizine gönderilir. Mineral tuzak tasarım spesifikasyonları ve laboratuvar tank deneylerinin sonuçları ile ilk saha sonuçları, doğrulama için saha toprak çekirdeği örnekleriyle karşılaştırmalar dahil olmak üzere daha fazla ayrıntımevcuttur 10.
Mineral tuzak yaklaşımının temel avantajları şunlardır: reaktif mineral oluşumunun doğrudan fiziksel kanıtı, pahalı, emek yoğun çekirdeklemenin ortadan kaldırılması, işlem ilerleyişini takip etmek için tekrarlanabilir örnekleme, herhangi bir mineral oluşturma işlemine geniş uyum sağlayabilir ve yastık matrisinin (yani kum, kil, saha toprarı, ek bir düzeltme ile saha toprağı vb.) özelleştirilebilirligi.
Mineral tuzaklarından elde edilen mineraloloji veriler, bir iyileştirme programının tüm aşamalarını yönlendirebilir; ilk saha karakterizasyonu ve fizibilite testlerinden çözüm optimizasyonuna ve uzun vadeli izlemeye kadar. Mineral kaynaklı arıtma süreçlerini belgelemek ve doğrulamak için maliyet etkin bir araç sunarak, mineral tuzağı yeraltı suyu arıtmasında güvenilirliği ve şeffaflığı artırır. Mineral tuzağı, özellikle yerinde kimyasal indirgeme (ISCR) ve/veya artırılmış indirgenceli deklorinasyon (ERD) sırasında reaktif mineral oluşumunu izlemekte ve CVOC'ların tedavisinde geçerlidir. Zaman içinde toplanan mineral tuzaklarından elde edilen veriler, aktif iyileştirme aşamalarından pasif iyileştirme aşamalarına geçişleri bilgilendirmek için kullanılabilir.
Ayrıca, mineral tuzağı şu anda, kirletici alan dağılım katsayılarının (Kd-alan) ölçülmesini kolaylaştıracak şekilde uyarlanıyor; böylece per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) gibi kirleticilerin uygulanabilitesini değerlendirmek için yüzey altı zeminde bir tedavi stratejisi olarak uygulanabilirliğini değerlendiriyor. Devam eden deneyler, mineral tuzak örneklerini sahada kullanılan mikrokozmoslar olarak kullanarak, değiştirilmemiş saha toprağının Kd-alanını kolloidal karbon ürünleriyle değiştirilmiş toprakla karşılaştırmaktadır. Bu yaklaşımda mineral tuzak örnekleyicisinin kullanımı, doğal saha toprağı ile sorbent bazlı değişikliklerin eklenmesiyle doğrudan yerinde kirletici yeraltı suyu/toprak dağılımları karşılaştırması sağlayarak açık marjinal faydalar gösterir. Bu adaptasyon, kolloidal karbon uygulamasının yeraltına uygulanması ve diğer potansiyel uygulamalar için önemli kanıtlar sunabilir.
Mineral tuzak örnekleyicisi, çeşitli jeokimyasal ortamlardan mineral çökelti örnekleri toplamak ve farklı iyileştirme süreçlerini değerlendirmek için kullanılabilir. Aşağıda açıklanan protokol genel olup çoğu uygulama için uygundur. Ancak, kuluçka süreleri, örnekleme sıklığı, destek matrisi materyali ve kullanılan analitik yöntemler gibi belirli yönler, beklenen jeokimyasal süreç ve saha koşullarına göre uyarlanmalıdır.
Protokol
Bu çalışmada kullanılan reaktifler ve ekipmanlar Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.
1. Saha değerlendirme planlaması
- Mineral tuzaklarının içinde kullanılacak matrisi seçin. Mineral tuzak matrisleri hakkında daha fazla bilgi için Tartışma bölümüne bakınız. Standart Ottawa kum matrisi kullanılıyorsa, Saha Dağıtımına geçin. Eğer saha toprağı kullanılıyorsa, 1.1.1-1.1.2. adımlarına geçin.
- 250-300 g malzeme toplamak için del, çekirdek veya başka yöntemler kullanın.
- Numuneye dahil etmek için satıcıya gönderin.
NOT: Proje hedeflerine bağlı olarak, çekirdekler anaerobik koşullarda, vakum kapalı poşetler ve oksijen temizleyici paketler kullanılarak gönderilebilir.
2. Saha konuşlandırması
- Birimi satıcıdan alın. Satıcı11 tarafından sağlanan örnekleyicinin görüntüsü için Şekil 1'e bakınız.
- Kuyuyu, örnek alıyormuş gibi temizleyin.
- Mineral tuzak yuvasının üstündeki göz cıvatasına naylon ip bağlayın ve kuyu perdesi içindeki istenen uç noktaya ulaşan bir ip uzunluğuyla kuyu kapağına bağlayın.
- Mineral tuzakları, pasif difüzyon örnekleyicileri (https ://itrcweb.org/teams/projects/diffusion-passive-samplers), Bio-Trap örnekleyicileri (https ://microbe.com/bio-trap-samplers/) ve Hydrasleeve örnekleyicileri (https ://hydrasleeve.com/) gibi diğer ticari olarak mevcut pasif difüzyon örnekleyicilere benzer şekilde izleme kuyusunun ekranlı aralığı içinde yerleştirin.
NOT: Ek mineral tuzakları "papatya zinciri" şeklinde birbirine bağlanabilir. - Gerekirse ekranın derinliklerine ulaşmak için alt göz cıvatasına bir ağırlık takın.
Şekil 1: Mineral Tuzak örnekleyicisi. Yan tarafında Mineral Tuzağı (yukarıda sağda), tam olarak monte edilmiş (üstte) ve bir izleme kuyusuna yerleştirilmeye hazır ve açık (altta), ayrıca ayrı ayrı çıkarılıp laboratuvar analizine gönderilebilen birden fazla ayrı kum dolu "yastık" gösteriyor. Mineral tuzak örnekleyicilerinin birçok yönü, proje ihtiyaçlarına göre değiştirilebilir. Bu, gövde ünitesinin uzunluğunu, ağ insertin boyutlarını ve yastıkların sayısını, boyutlarını ve malzemesini içerir. Divine ve ark.11'den uyarlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
3. Geri alma ve koruma
- Mineral tuzak örnekleyicisini istenen dağıtım aralığı (genellikle 1-2 ay) boyunca izleme kuyusunda bırakın.
NOT: Optimal bir dağıtım süresini belirlemek için, proje yöneticileri geliştirilmiş indirgemi iyileştirme stratejilerinde demir sülfür oluşumu için ideal jeokimyasal koşullar hakkında mevcut literatürlerebaşvurabilirler 12. - Geri almak için Şekil 2'de gösterildiği gibi aşağıdaki malzemeleri birleştirin: vakum mütheleme ve vakum mühür torbaları (alternatif olarak anaerobik GEN torbaları da kullanılabilir), elektrik güç kaynağı (gerekirse), makas, kamera, beyaz tahta (en az 24 inç), kuru silinme markerleri, cetvel, kalıcı kalemler, 1 galonluk kapalı polietilen torbalar, kağıt havlular, soğutucular, ve buz.
- Çalışma alanını hızlı ve verimli bir mineral tuzak geri alınmasını sağlamak için düzenleyin.
- Soğutucuları buzla doldur.
- Örnek torbasına saha adı, kuyu adı, örnekleme tarihi, hedef laboratuvar, istenen analiz ve örnekleyici baş harfleri ile etiketleyin.
- Eğer GENbag yerine vakum sızdırdırıcı kullanılıyorsa, poşetin dört tarafından üçünü mühürleyin, bir tarafı mineral tuzak örneklerini yerleştirmek için açık bırakın.
- Cihazın kuyudan çıkarılmasından yastıkların vakumla kapatılmasına kadar 15 dakikadan az bir zaman geçmesini sağlamak için bir zamanlayıcıbaşlatın.
- Mineral tuzağını kuyudan çıkarmak için naylon ipi dikkatlice çekin.
- Mineral tuzak muhafazasındaki herhangi bir çökeltiyi (yani gri, siyah veya kahverengi malzeme) veya kokuları ifade eder.
- Gövdenin görünümünü fotoğraflayın.
- Mineral kapanın üst kısmını açın, malzeme dolu yastıkların iç ağ girişini ortaya çıkarın (Şekil 3).
- Mesh insertindeki herhangi bir çökeltiyi işaretleyin ve/veya fotoğraflayın.
- Makas kullanarak gövde ünitesinin üst kısmına sabitlenen ağ parçasını veya fermuarlı bağını kesin.
- Mesh inserti GENbag veya vakum kapalı torbanın içine yerleştirin ve hemen kapatın.
- Numune alçını büyük (yani bir galonluk) fermuarlı bir çantada çift torbaya koyun.
- Numuneyi fotoğraflayın.
- Numuneyi hemen buz üzerinde soğutucuya koyun.
- Zamanlayıcıyı durdurun ve geçen zamanı saha günlüğüne kaydedin.
- Her kuyu için gerektiği gibi tekrarlayın, örnekleri her zaman buzda tutduğunuzdan emin olun.
- Gözaltı zincirini tamamla.
- Soğutucuyu güvenli bir şekilde paketleyin ve gece teslimatı için laboratuvarlara gönderin.
NOT: Laboratuvara ulaşmadan önceki maksimum bekleme süresi 48 saattir. Numunelerin asla -18 °C'den daha soğuk olmadığından emin olun. Kriyojenik örnek depolanması (yaklaşık -78°C), analizlerden önce makinavitin pirite dönüşmesini tetikleyebilir14. Bu etki, örnekler mütevazı donma koşullarında (-18 °C) saklandığında kanıtlanmamıştır.15. Mineral tuzaklarıyla toplanan örnekler birçok analiz için uygundur. Aşağıdaki tablo 1 , mineral tuzak örneklerinde kullanılan analitik yöntemleri ve uygun kaynakları sunmaktadır. Standart silika kum matrisinin yüksek kuvars içeriği, XRD analizlerinin kullanılmasını engelleyebilir, bu nedenle alternatif destek ortam türleri XRD'nin daha etkili kullanımına olanak tanıyabilir.
Şekil 2: Saha ekipmanını gösteren fotoğraf (sol üst köşeden saat yönünde ibaret). (A) Beyaz tahta; (B) kuru silinmeli işaretleyiciler; (C) makas (yeşil ve mavi); (D) vakum mühürleyici; (E) lateks eldiven kutusu; (F) vakum mühürlü poşetler; (G) gıda depolama oksijen emici paketleri; ve (H) saha defteri. Divine ve ark.11'den uyarlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Saha ekipmanlarını gösteren fotoğraflar (sol üst köşeden saat yönünde iler). (A) İzleme kuyusundan mineral tuzaklarının çıkarılması; (B) bireysel mineral tuzak yastıklarını kesip ayırmak; (C) oksijen emici ile mühürlenmiş iki mineral tuzak yastığı örneği; (D) oksijen emici ile kapalı iki mineral tuzak yastığı örneği (demir sülfür minerallerinin varlığını gösteren siyah renklendirmeye dikkat edin); (E) örnekleme öncesi iki çıkarılmış ve açılan mineral tuzak (demir sülfür minerallerinin varlığını gösteren siyah renklere dikkat edin). Divine ve ark.11'den uyarlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Sonuçlar
Hedef minerallerin oluşumunu belgelemek için mineral tuzaklarının dört örnek uygulaması aşağıda sunulmaktadır.
Örnek 1
Sahada 10 yılı aşkın süredir yerinde biyoremediasyon, trikloretilen ve ilgili bileşiklerin aranması için çözünebilen, fermente edilebilir bir karbon kaynağı enjekte edilmesiyle uygulanmaktadır. İzleme kuyularından elde edilen sulu jeokimyasal veriler, sülfat indirgeme koşullarının yıllardır devam ettiğini gösterirken, cis-1,2-DCE ve diğer yan ürünlerin yüksek konsantrasyonları mikrobiyal aracılı indirgenebilir deklorinasyon süreçlerinin iyi kurulduğunu doğrular. Aktif demir sülfür oluşumunu doğrulamak için, sahaya mineral tuzak örnekleyicileri yerleştirildi. Mineral tuzak örnekleyicileri yaklaşık beş ay boyunca izleme kuyularına monte edildi, ardından örnekler toplam demir, AMIBA ve Taramalı Elektron Mikroskopi-Enerji Dağıtıcı X-Tışını Spektroskopisi (SEM-EDS) için analiz edildi. Toplam Fe (100 mg/kg), CrES Fe²⁺ (44 mg/kg) ve CrES (41 mg/kg) konsantrasyonlarında yüksek konsantrasyonlar gözlemlendi. SEM-EDS görüntülerinden elde edilen element haritalaması (Şekil 4), demir ve kükürtün birlikte konumlanmasını açıkça göstermektedir. Bu bulgular topluca, iyileştirme faaliyetlerinin aktif olarak yerinde demir sülfüt çökelmesine yol açtığına dair güçlü kanıtlar sunmaktadır. Buna karşılık, çıkarılabilir Fe²⁺ ve sülfümün olmaması ile SEM-EDS analizlerinde aynı yerde bulunan demir ve kükürt eksikliği, örnekte demir sülfürlerin bulunmadığını gösterir.
Şekil 4: Bu mineral kapanı örneğinin SEM-EDS element haritaları, Fe ve S'nin (ortada ve sağda) mekansal konumlarını gösterir. Ölçek çubukları: 25 μm. Divine ve ark.15'ten uyarlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Örnek 2
Çözünmüş nikel ile kirlenmiş yeraltı suyu, mikrobiyal aracılı katı faz nikel sülfürlerinin (NiS) oluşumu yoluyla nikelin mineral çökelmesini teşvik etmek için çözünebilen, fermente edilebilir bir karbon kaynağı enjekte edilerek aranmıştır. Kontrol kuyularında çözünmüş nikel konsantrasyonlarında azalmalar gözlemlendi ve mineral tuzak örnekleri kullanılarak bu azalmaların NiS olarak nikel çökelmesinden kaynaklandığını doğruladı. Steril kum içeren mineral tuzakları 64 gün boyunca izleme kuyularına yerleştirildi, ardından örnekler toplam nikel, Ni-S komplekslerini gösteren Eşzamanlı Ekstraksiya Edilmiş Metaller/Asit Uçucu Sülfüt (SEM/AVS) analiziyle ölçüldü ve Taramalı Elektron Mikroskopi-Enerji Dağıtıcı X-Tışını Spektroskopisi (SEM-EDS) için analiz edildi. Tüm mineral tuzak örneklerinde yüksek nikel konsantrasyonları tespit edildi; toplam nikel 5,2 ila 89 mg/kg arasında, SEM/AVS ile çıkarılabilir nikel ise 3,7 ila 100 mg/kg arasında değişti. Bir örnekten SEM-EDS görüntüsünden elde edilen element haritalaması (Şekil 5), nikel ve kükürtün birlikte konumlanmasını gösterir. Bu sonuçlar bir arada değerlendirildiğinde, iyileştirme faaliyetlerinin nikelin yerinde yağanmasına ve NiS olarak da dahil olmak üzere sesetlenmesine yol açtığını doğrulamaktadır. Ayrıca, toplam demir ölçümleri ve diğer SEM verileri, nikelin bir kısmının sülfür olmayan demir mineralleriyle de ilişkili olabileceğini göstermektedir (veri gösterilmemiştir).
Şekil 5: S (solda) ve Ni'nin (sağda) mekansal konumlarını gösteren bir mineral tuzak örneğinin SEM-EDS element haritaları. Ölçek çubukları: 1 μm. Divine ve ark.11'den uyarlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Örnek 3
Steril toprak içeren bir mineral tuzağı, çözünür fermente edilebilir karbon çözeltisi enjekte edildiği ve yeraltı ılımsız ısıtılmış (sıcaklıkta yaklaşık 5-15 °C artış) yerinde biyoremediasyonu teşvik etmek içinyerleştirilmiştir 16. Yaklaşık dört aylık kuluçka döneminden sonra, mineral tuzak örneği Microbial Insight'ın gelişmiş qPCR yöntemleri olan QuantArray-MIC ve CENSUS qPCR-AHY analizleriyle mikrobiyolojik özellikler açısından analiz edildi (https://microbe.com/quantarray-mic/). Bu veriler (Şekil 6), reaktif demir mineral türlerinin oluşumuyla ilgili önemli mikrobiyal grupların bolluğu ve redoks dengesi/jeokimyasal koşulları hakkında içgörü sağlar. Mineral tuzak matrisi yerleştirildiğinde sterildi, bu nedenle qPCR ile tespit edilen tüm mikroorganizmalar, kuluçka döneminde yerleşen in situ kolonizatörleri temsil eder. Örneğin, mineral tuzak örneğinde en çok bulunan üç hedef fermentatörler (FER), IRB ve SRB (Şekil 6'da APS olarak tanımlanmıştır) olarak tanımlanmıştır; bunlar, gözlemlenen redoks koşullarıyla uyumlu aktif mikrobiyal süreçleri gösterir. Fermentatörler, organik karbon substratlarını metabolize ederek organik asitler ve hidrojen üreten anaerobik bakterilerdir. Hidrojen üretimi ise, SRB dahil olmak üzere diğer MIC ile ilişkili organizmaların büyümesini destekler. IRB, çözünmeyen demirli demiri çözünür demire indirgemek, bu da reaktif demir minerali oluşumu için demir demirin kullanılabilirliğini kolaylaştırabilir. SRB hidrojen tüketir ve hidrojen sülfür üretir. Hidrojen sülfür ise, mevcut demir demirle reaksiyona girerek reaktif demir sülfürleri oluşturabilir. DNA tabanlı yöntemler enzim aktivitesini doğrudan nicelemese de, bu organizmaların daha önce steril olan bir substratta varlığı ve baskını, reaktif mineral oluşumuna katkıda bulunan devam eden biyojeokimyasal reaksiyonları güçlü şekilde destekler. Genel olarak, sonuçlar redoks reaksiyonlarında yer alan ve reaktif demir sülfit minerallerinin oluşumunda rol alan önemli mikrobiyal grupların göreceli bolluğu hakkında faydalı bilgiler sunmaktadır. Bu sonuçlar, bu kuyudaki CVOC konsantrasyonlarındaki %99,9'dan fazla azalma ve molyar kütlede eten ve etana doğru önemli bir kayma (Şekil 7) ile ilgili klor sayısındaki (örnekte ölçülen klorlu etenlerin ortalama klor sayısı) azalmasıyla tutarlıdır ve açıklar. Bu sonuçlar, indirgenceli deklorinasyonun arttığını ve detoksifikasyon sürecinin ilerlediğini ortaya koymaktadır.
Şekil 6: QuantArray-MIC ve CENSUS qPCR-AHY, 4 aylık kuluçka döneminden sonra izleme kapasitesinden toplanan bir mineral tuzağından elde edilmiştir. Divine ve ark.11'den uyarlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Yeraltı suyu konsantrasyonlarında daha fazla klorlu etenlerden eten ve etana doğru moler kütledeki zaman değişiklikleri ve buna bağlı klor sayısındaki azalma (örnekte ölçülen klorlu etenlerin ortalama klor sayısı). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Örnek 4
Mineral tuzakları, toprak ile yeraltı suyu arasındaki göreceli kirletici dağılımını verimli bir şekilde ölçmek için yerinde kullanılabilir. Mineral tuzak örnekleyicileri akıcı, biyojeokimyasal olarak aktif alan koşullarında çalıştığı için, değerler denge partisi sorpsiyon parametreleri yerine hem sorptifon hem de mikrobiyen aracılı tutma süreçlerini kapsayan etkili dağılım katsayılarını (Kd-eff) temsil eder. Bu nedenle, Kd-eff , sahada gözlemlenen gerçek sorbisyon davranışını temsil ettiği için laboratuvardan türetilen Kd değerlerinden daha faydalı olabilir. Pilot çalışma olarak, özel destek matrisine sahip mineral tuzakları, per- ve polifloroalkil maddelerle (PFAS) kontamine edilmiş bir alanda yerleştirildi; böylece sahaya özgü PFAS Kd-eff değerleri hesaplandı ve kolloidal karbon ürünündeki kirletici sorpsiyonunun etkinliğini belirlemek için kullanıldı. Bu deneysel tasarımda, 30 gün boyunca ayrı kuyulara üç mineral tuzağı yerleştirildi. Mineral tuzak yastıkları ya saha toprağı, Ottawa kumu (kumun saha toprağı için uygunluğunu belirlemek için) ya da saha toprağı ile aktif karbon iyileştirme ürünüyle karıştırıldı. Tuzaklar alındığında, her kuyudan yeraltı suyu da toplandı ve her konumdan yeraltı suyu ile üç matris, EPA yöntemi 1633 ile analiz edildi. Bireysel ve toplamlanmış PFAS sorpsiyon katsayıları, katı içindeki konsantrasyonun (mg/kg) yeraltı suyu konsantrasyonuna (mg/L) bölünmesiyle hesaplandı. Her izleme kuyusu ve matris için hesaplanan toplamlanmış PFAS Kd-eff değerleri aşağıdaki Şekil 8'de gösterilmiştir.
Şekil 8: Toplanan PFAS'ın konum ve matrisle sorpsiyon katsayıları. Bu sonuçlar, aktif karbon iyileştirme ürününün kirleticilerin sorpsiyonunu dramatik şekilde artırdığını göstermektedir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Keşif amaçlı her konumdaki her matriks üzerinde 16S rRNA amplikon dizilimi de gerçekleştirilmiştir. Mikrobiyal toplulukların bileşimi, kuyu konumundan çok destek matrisiyle daha yakın ilişkili görünse de (Şekil 9), PFAS ile ilişkili bakterilerde desenleri aydınlatmak için daha fazla veri seti beklenmektedir.
Şekil 9: Mineral tuzak örneklerinden cins düzeyinde sınıflandırmaların hiyerarşik kümelenme dendrogramı. Birbirine daha çok benzeyen örnekler gruplandığı için kısa çubuklar daha fazla benzerlik anlamına gelir. Örneğin, örnek MW-7 Karbon, MW-1 Karbonuna benzer ancak MW-8 Kumundan çok farklıdır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Bir arada ele alındığında, bu sonuçlar mineral tuzak örnekleyicilerinin ortaya çıkan kirleticileri ele alma ve iyileştirme stratejileri için değerini göstermektedir. Bu yaklaşım, PFAS etkisiyle etkilenen yeraltı sularında etkili kirletici sorpsiyonunun nicelendirilmesini ve mikrobiyal toplulukların yerinde örneklenmesini sağlar. Önemli olarak, bu teknik, tuzaklar arasındaki farklı sorbentlerin göreceli performanslarını değerlendirmek için en çok karşılaştırmalı bir araç olarak kullanışlıdır; yeraltı içindeki denge koşullarını doğrudan yansıtmak için değil.
| Analiz | Amaç | Kullanım Çalışması | |
| Sulu ve Mineral İçsel Biyoremediasyon Değerlendirmesi (AMIBA) • Asit uçucu sülfür (AVS) • Krom çıkarılabilir sülfürler (CrES) • Güçlü asitle çözüneýän demir ve demir demiri (SAS-Fe) • Zayıf asitte çözünen demirli ve demir demiri (WAS-Fe) | Demir ve kükürt biyojeokimyası | Ulrich ve ark. (2021a) Divine ve ark. (2023a) | |
| Taramalı Elektron Mikroskobi/Enerji Dağılıcı X-ışını Spektroskopisi (SEM/EDS) | Mineraloji ve element bileşimi | Divine ve ark. (2023a) | |
| Toplam metaller, toplam demir dahil (USEPA yöntemleri 3050B ve 6020) | Metal bileşimi | Divine ve ark. (2023a) | |
| X-Ray Kırınımı (XRD)* | Kristal mineral tanımlaması | ||
| Manyetik Duyarlılık | Manyetit bileşimi | ||
| Nicel polimeraz zincir reaksiyonu (qPCR) ve QuantArray | Mikrobiyal popülasyon yoğunluğu | Divine ve ark. (2023a) | |
| DNA dizileme (16S rRNA, ITS) | Mikrobiyal topluluk bileşimi | ||
Tablo 1: Mineral tuzak örnekleriyle toplanan örneklere uygulanabilir potansiyel analizler.
Tartışma
Protokoldeki birkaç adım başarısı için kritik öneme sahiptir. İlk olarak, hızlı ve verimli mineral tuzaklarının alınmasını sağlayan tüm hazırlık işlemleri, örnek maruziyetini önlemek ve bütünlüğü korumak için gereklidir. En önemlisi, mineral tuzakları geri alındıktan hemen sonra mümkün olan en kısa sürede anaerobik koşullara yerleştirilmelidir.
Standart olmayan bir matris seçilirse, mineral tuzak matrisinin tedarikini karşılamak için protokol değişiklikleri gerekebilir. Standart tasarımda Ottawa silika kumu kullanılıyor. Bu matrisin avantajları arasında yüksek hidrolik iletkenlik ve gözenekliliği, birçok kumlu alüvyal akiferdeki malzemelere benzerliği ve demir içerisindeki demiriçeriğinin olmaması yer alır9. Saha toprağı yaygın bir standart olmayan matristir, bu nedenle saha toprağı alımı talimatları ana protokole dahil edilmiştir. Toprak veya kum, kolloidal karbon gibi iyileştirme ürünleriyle karıştırılmış mineral tuzaklarında da kullanılabilir. Ayrıca, protokol, personel ve dokümantasyon gereksinimleri dikkate alınarak farklı saha ekipleri için en iyi uygulamaları yansıtacak şekilde uyarlanabilir.
Mineral tuzak örnekleyicisi, mineralolojik örnekleme için sondaj ve çekirdekleme ile ilgili birçok zorluğu ele alır, ancak kendi sınırlamaları da vardır. Birincisi, mineral kapanındaki örnekleme matrisi sahanın akifer malzemesini doğru şekilde temsil etmeyebilir. Örneğin, standart Ottawa kumu kumlu akiferlerde iyi çalışır ancak silli veya kil açısından zengin ortamları daha az temsil eder. Alternatif olarak genellikle saha toprağı kullanılır, ancak elde etmek zor olabilir. Ayrıca, izleme kuyularında mineral tuzaklarının kullanılması gerektiğinden, örnekleme alanları mevcut kuyular veya sondaj kuylarıyla sınırlıdır. Son olarak, mineral tuzak örnekleyicilerinden elde edilen veriler, toplu jeokimyasal örnekleme için doğrudan bir alternatif olarak görülmemelidir.
Mineral tuzaklarının yukarıda açıklanan örneklerin ötesinde birkaç ek potansiyel uygulaması vardır. Bunlar arasında, indirgenler, oksidanlar, fosfatlar ve/veya asit veya baz çözeltileri enjeksiyonu yoluyla arsenik, krom ve uranyum gibi diğer metal kirleticilerin sülfür, demir oksit veya fosfat mineralleri olarak çökeltilmesi hedeflenen iyileştirme yaklaşımları bulunur. Yukarıda açıklanan prosedürün geniş çapta uygulanabilir olması beklenmektedir; Ancak, hedef kirletici ve mineral fazına bağlı olarak örnek analizi için alternatif analitik yöntemler gerekebilir.
Açıklamalar
Yazarlar Taggart ve Ward, Min-Trap üretme ve satma lisansına sahip Microbial Insights tarafından istihdam edilmektedir. Yazarlar Divine, Justicia-León, Martin Tilton, Carter ve Zardouzian, Min-Trap Patent Devredeni olan Arcadis tarafından istihdam edilmektedir.
Teşekkürler
Bu çalışmanın finansmanı ve desteği, Arcadis (http://www.lovinklaan.nl/en/programs/imagine-satellite/) için küresel inovasyon programı Satellite ve ESTCP (Project ER19-5190) aracılığıyla sağlandı.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| 18 inçlik paslanmaz cetvel | Zımbalar (www.staples.com) | 2772901 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| 1 galonluk kapalı polietilen poşetler | Zımbalar (www.staples.com) | 24401543 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| 2200 Watt Honda Jeneratörü | Home Depot (www.homedepot.com)) | 316604378 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| 5 gramlık gıda depolama silika jel oksijen sorbent paketleri | Amazon (www.amazon.com) | 7.47607E+11 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Soğutucular | Zımbalar (www.staples.com) | 24299978 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Dijital kamera | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir | ||
| kuru silme işaretleyicileri | Zımbalar (www.staples.com) | 24398946 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Kuru-silinmeli beyaz tahta (en az 24 inç çapında) ve | Zımbalar (www.staples.com) | 814930 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| GENbag Anaerobik | bioMé Rieux (https://biomerieuxdirect.com/biomerieux) | 45534 | Vakum mühürleyiciye alternatif olarak kullanılabilir anaerobik GENbaglar (https://biomerieuxdirect.com/), oksijen emen ve karbondioksit salgılayan jeneratör poşeti içeren hava geçirmez torbalardır ve Min-Trap numune koruma ve depolama için hızla anaerobik bir atmosfer üretmek için kullanılabilir. |
| Buz | Yerel markette | ||
| Min-Trap Samplerları | Microbial Insights, Inc. (https://microbe.com/min-trap-sampler/) | NA | (ABD Patenti 11,002,643 B1) |
| Naylon İp | Zımbalar (www.staples.com) | 191591 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Kağıt havlular | Zımbalar (www.staples.com) | 2126874 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Kalıcı işaret | Zımbalar (www.staples.com) | 125328 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Makas | Zımbalar (www.staples.com) | 24380498 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Vakumlu mütheleme | Cabelas (www.cabelas.com) | 100113832 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
| Vakumlu mütheleme torba rulosu (8-on) | Cabelas (www.cabelas.com) | 2514954 | Alternatif modeller kabul edilebilir olabilir |
Kaynaklar
- 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).
Yeniden basım ve izinler
