Progettazione di zone umide costruite su scala mesocosmica per il trattamento delle acque reflue

I sistemi di trattamento delle zone umide costruite sono stati utilizzati per decenni per trattare le acque reflue, ma la loro applicazione per trattare le acque interessate dal processo delle sabbie bituminose è relativamente nuova. Per esplorare questo potenziale, viene delineata la progettazione di un mesocosmo a flusso superficiale e metodi sperimentali. Questo approccio mira a migliorare la nostra comprensione dei parametri chiave di progettazione e a migliorare l'efficacia del trattamento.

L'acqua interessata dal processo delle sabbie bituminose (OSPW), un sottoprodotto dell'estrazione del bitume attraverso l'estrazione mineraria a cielo aperto in Alberta, in Canada, contiene vari costituenti preoccupanti, tra cui i composti della frazione dell'acido naftenico (NAFC). Questi composti organici sono particolarmente preoccupanti a causa della loro tossicità e persistenza nell'ambiente. I sistemi di trattamento delle zone umide costruite (CWTS) utilizzano le piante e i microbi associati per attenuare i contaminanti nelle acque reflue. I CWTS su scala di campo sono stati presentati come una potenziale opzione di trattamento su larga scala per l'OSPW, in particolare per la degradazione delle NAFC. Per ottimizzare l'uso di CWTS per il trattamento su larga scala delle NAFC nell'OSPW, è essenziale approfondire la nostra comprensione dei vari parametri di progettazione ed esplorare modi per migliorare l'efficacia.

Gli esperimenti su scala mesocosmica fungono da prezioso intermediario, colmando il divario tra le complesse prove sul campo e le impostazioni di laboratorio controllate. I mesocosmi forniscono un ambiente controllato e replicabile per studiare gli effetti di vari parametri come il substrato, le specie vegetali, la temperatura e il tempo di ritenzione, incorporando al contempo le complessità ecologiche nella loro progettazione. Lavori pubblicati e precedenti hanno dimostrato che questo metodo è efficace nel valutare l'impatto di diversi parametri sull'efficacia della CWTS nell'attenuare le NAFC nell'OSPW. Questo protocollo delinea la progettazione e l'impostazione di un mesocosmo delle zone umide a flusso superficiale, insieme all'approccio sperimentale per il trattamento delle NAFC in OSPW. Questo metodo può essere adattato per trattare altre acque reflue in diverse aree geografiche.

La regione delle sabbie bituminose nel nord dell'Alberta, in Canada, contiene la terza più grande riserva petrolifera del mondo, con una produzione di oltre 3 milioni di barili di petrolio greggio al giorno^. Tuttavia, l'estrazione del bitume dall'estrazione a cielo aperto genera volumi considerevoli di sterili e acque interessate dal processo delle sabbie bituminose (OSPW) come sottoprodotti. A causa della politica di scarico zero dell'Alberta, questi sottoprodotti vengono stoccati in bacini di decantazione in tutta la regione delle sabbie bituminose estraibili. A partire dal 2023, si stima che 391,1 Mm³ di OSPW esistano come acqua libera nei bacini di decantazione e non includono l'acqua interstiziale che continuerà a essere rilasciata durante l'insediamento di sterili². L'OSPW contiene il <5% di solidi ed è caratterizzato da elevati livelli di sali, metalli in tracce e contaminanti organici³.

Diverse classi principali di contaminanti sono presenti nell'OSPW, tra cui i composti della frazione dell'acido naftenico (NAFC), gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), i BTEX (benzene, toluene, etilbenzene e xileni), i fenoli e i metalli pesanti ^3,4. I NAFC sono composti organici nel bitume che vengono solubilizzati e concentrati durante il processo di estrazione e sono costantemente identificati come la fonte primaria di tossicità acuta OSPW ^5,6. Le OSPW pongono diverse sfide ambientali ed economiche a causa del volume, della complessità e della tossicità della miscela. Lo sviluppo di tecnologie di trattamento convenienti, passive e scalabili per OSPW è fondamentale poiché i metodi convenzionali, come l'ossidazione chimica e la filtrazione, rimangono limitati nella loro fattibilità per applicazioni su larga scala. I sistemi di trattamento delle zone umide costruite (CWTS) sono sistemi di trattamento delle acque a basso consumo energetico, economici e sostenibili che si basano sull'uso di piante e microbi associati per attenuare i contaminanti nelle acque reflue; sono emersi come un'alternativa promettente per il trattamento dell'OSPW 7,8,9,10,11,12.

I CWTS sono zone umide ingegnerizzate progettate per replicare le funzioni di filtraggio delle zone umide naturali. Originariamente progettati per il trattamento delle acque piovane e delle acque reflue urbane, i CWTS sono ora utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui rifiuti agricoli, drenaggio acido delle miniere, acque reflue industriali e altre attività di bonifica¹³. Questi sistemi hanno tre componenti fondamentali: substrato, acqua e vegetazione. I CWTS possono essere progettati come sistemi a flusso superficiale o sotterraneo, con movimento dell'acqua configurato per fluire orizzontalmente o verticalmente ^13,14. Le piante idrofite delle zone umide sono ampiamente utilizzate nella CWTS grazie al loro adattamento a condizioni di suolo persistentemente sature. In generale, il CWTS utilizza comunemente specie vegetali emergenti come Typha sp. (tife), Juncus sp. (giunchi) e Carex sp. (carici).

CWTS impiega vari meccanismi per il trattamento delle acque. I solidi sospesi possono adsorbire i contaminanti e depositarsi, formando un letto di sedimenti che favorisce la crescita delle piante. Inoltre, le piante possono trasferire o trasformare i contaminanti disciolti attraverso una combinazione di meccanismi biotici e abiotici. I meccanismi abiotici includono filtrazione, sedimentazione, precipitazione, assorbimento, ossidazione/riduzione chimica, complessazione, fotodegradazione e volatilizzazione. I processi biotici coinvolgono la biotrasformazione (microbica o plant-mediata), il fitoaccumulo e la fitostabilizzazione^13,14. I CWTS offrono vantaggi significativi come sistemi autosufficienti che in genere diventano più efficienti nel tempo¹⁴. Questi sistemi sono versatili e in grado di trattare più contaminanti contemporaneamente, pur essendo sostenibili dal punto di vista ambientale e accettabili al pubblico. Inoltre, i bassi costi operativi e di capitale rispetto ai metodi di trattamento convenzionali li rendono adatti per la gestione di grandi volumi di acque reflue, come l'OSPW. Tuttavia, la complessità dei vari processi abiotici e biotici che si verificano contemporaneamente nell'OSPW richiede un'attenta progettazione per ottimizzare la CWTS per la massima efficacia del trattamento. Una chiara comprensione degli obiettivi del trattamento, combinata con test sistematici al banco di laboratorio, su scale pilota e dimostrative, è essenziale per ottimizzare il sistema e prevedere il successo dell'implementazione su larga scala¹⁴.

Gli esperimenti su scala pilota, spesso chiamati esperimenti sul mesocosmo, sono in genere condotti utilizzando vasche o serbatoi che simulano singole cellule di trattamento. I mesocosmi possono essere condotti sia all'interno che all'esterno come esperimento sul campo. I mesocosmi sono sistemi parzialmente chiusi che offrono una maggiore complessità ecologica rispetto agli esperimenti su scala di banco, pur mantenendo un controllo e una replicazione sufficienti per valutare gli impatti dei singoli parametri di progettazione sulla rimozione dei contaminanti. Gli studi su scala mesocosmica sono necessari per confermare i meccanismi di trattamento e scoprire complicanze su scala più piccola, dove possono essere implementate correzioni e aggiustamenti del design¹⁴. Questo protocollo descrive l'impostazione e il funzionamento di un CWTS a flusso superficiale orizzontale su scala mesocosmica indoor, fornendo un quadro pratico per la progettazione di studi CWTS, in particolare per l'attenuazione delle NAFC in OSPW.

1. Costruzione del mesocosmo

NOTA: Vedere la Tabella dei materiali per un elenco completo dei materiali necessari per la costruzione del mesocosmo e la Figura 1 per uno schema della costruzione del mesocosmo.

1. Se necessario, rimuovere la parte superiore del serbatoio in polietilene (129,5 cm x 30,0 cm).
2. Preparare i fori di drenaggio; praticare due fori (Parti #1 e #2) sullo stesso lato del serbatoio in polipropilene. Posizionare un raccordo da paratia in PVC (Parte #3) in entrambi i fori con le filettature maschio rivolte verso l'esterno. Sigillare il bordo esterno del raccordo a paratia utilizzando un sigillante impermeabile.
   1. Foro di drenaggio dell'acqua del terreno (Parte #2): posizionarlo alla base angolare del serbatoio, assicurandosi che ci sia spazio sufficiente per il raccordo della paratia.
   2. Foro di drenaggio dell'acqua superficiale (Parte #1): posizionarlo sopra l'altezza del livello del suolo, vicino al centro della vasca.
3. Posizionare una rondella per tubi (Parte #4) con uno schermo filtrante (Parte #5) all'interno del raccordo della paratia e fissarla con sigillante.
4. Configurare l'impianto idraulico di drenaggio interno:
   1. Per il foro di drenaggio dell'acqua superficiale (Parte #1), collegare prima l'adattatore maschio in PVC (Parte #10) al raccordo della paratia (Parte #3) seguito dal gomito in PVC a 90° (Parte #11).
   2. Inserire un pezzo di tubo in PVC (Parte #12) tagliato in modo che corrisponda all'altezza del livello dell'acqua desiderato al gomito a 90°.
5. Installare l'impianto idraulico di drenaggio esterno. Durante i passaggi seguenti, utilizzare gli anelli a crimpare per fissare il PEX ai raccordi.
   1. Avvolgere il nastro di teflon attorno alle filettature dell'adattatore in ottone PEX da 3/4 di pollice x 3/4 di pollice MPT (Parte #6) e collegarlo ai raccordi della paratia (Parte #3).
   2. Tagliare due lunghezze uguali di PEX da 3/4 di pollice (Parte #7) e fissarle agli adattatori in ottone MPT (Parte #6).
   3. Aggiungere un raccordo a gomito ad espansione in plastica al tubo PEX (Parte #7), rivolto verso il basso per il foro di drenaggio dell'acqua superficiale e rivolto verso il centro del serbatoio per il foro di drenaggio del terreno.
   4. Per il foro di drenaggio del terreno (Parte #2), collegare un tubo PEX al gomito, seguito da una valvola a sfera, un altro segmento PEX e un raccordo a T di espansione in plastica. Regolare le lunghezze PEX per allineare la parte superiore del raccordo a T ad espansione con l'impianto idraulico di drenaggio dell'acqua superficiale.
   5. Per il foro di drenaggio dell'acqua superficiale, collegare un tubo PEX al gomito di espansione in plastica, collegandolo al raccordo a T di espansione.
   6. Una volta collegato il sistema, aggiungere un altro pezzo di PEX (Parte #7) al raccordo a T di espansione in plastica, terminando con un gomito di espansione in plastica rivolto verso il basso.
   7. Aggiungere un altro pezzo di PEX (Parte #7) sul fondo del raccordo a gomito ad espansione in plastica per assicurarsi che l'acqua scarichi nel serbatoio del serbatoio.
6. Aumentare l'integrità strutturale del mesocosmo:
   1. Costruisci un telaio (Parte #13, 129,5 cm di lunghezza x 37,0 cm di larghezza) utilizzando pezzi di legname da 2 pollici x 4 pollici.
   2. Fissare il telaio con viti per legno.
   3. Posizionare il telaio sul mesocosmo, assicurandosi che non si appoggi ai raccordi idraulici.
   4. Avvolgere l'esterno del mesocosmo in un foglio di alluminio per ridurre la luce che entra nel terreno dai lati del mesocosmo.

2. Impostazione e manutenzione del mesocosmo

1. Coltiva piante per l'esperimento dal seme:
   1. Stratificare i semi secondo necessità.
   2. Metti i semi in contenitori standard di blocco di polistirolo contenenti torba come brodo a spina.
   3. Una volta che le piantine sono germogliate, concimare le piantine 3 volte a settimana utilizzando un nutrimento per piante idrosolubile (24-8-16).
   4. Lascia crescere le piantine per un minimo di 3-5 mesi per assicurarti che raggiungano una dimensione ottimale per la risposta al trattamento.
      NOTA: L'esatto periodo di tempo dipenderà dalle dimensioni e dal tipo di specie. Questo passaggio può essere omesso se le piantine vengono acquistate piuttosto che coltivate.
2. Posiziona i mesocosmi nella serra:
   1. (Facoltativo) Rinforzare i tavoli delle serre con compensato per sostenere il peso dei mesocismi.
   2. Distribuire i mesocosmi in modo uniforme sui tavoli della serra per garantire il posizionamento casuale dei trattamenti e ridurre al minimo le variazioni delle condizioni ambientali (Figura 2).
   3. Posizionare l'impianto idraulico in modo che penda dal bordo del tavolo per un corretto drenaggio nel serbatoio del serbatoio (Figura 2).
3. Impostare il serbatoio del serbatoio:
   1. Posizionare il fusto industriale in plastica open-top da 57 L sotto il plumping di drenaggio.
   2. Installare una pompa di circolazione sommergibile tra il centro e il fondo del serbatoio per consentire una miscelazione continua all'interno del serbatoio. Fissare il cavo di alimentazione all'esterno del serbatoio.
4. Aggiungere e saturare il substrato:
   1. Stendere uniformemente il substrato nel mesocosmo e tamponare il substrato con una pressione moderata all'altezza desiderata.
      NOTA: L'altezza del substrato dipende dagli obiettivi della ricerca e dalle specie vegetali.
   2. Saturare completamente il substrato con acqua ad osmosi inversa (RO), misurare il volume di acqua aggiunta; Ciò equivale al volume di acqua interstiziale nel substrato.
      NOTA: L'acqua interstiziale è il volume d'acqua aggiunto quando il substrato è saturo, che può essere osservato quando il livello dell'acqua corrisponde alla parte superiore del substrato. Questo processo può richiedere fino a un giorno. Il volume dell'acqua interstiziale è importante per determinare l'esatta quantità di acqua nel sistema e calcolare la portata.
5. Determinare la portata:
   1. Seleziona un tempo di conservazione in base agli studi precedenti e agli obiettivi dello studio.
   2. Calcola il volume totale d'acqua nel mesocomo.
      
   3. Calcolare la portata.
      
6. Installare le pompe:
   1. Posizionare una pompa tra due mesocosmi adiacenti.
      NOTA: Se necessario, è possibile utilizzare anche una pompa per un mesocomo.
   2. Collegare tutte le pompe tra loro utilizzando un cavo USB maschio-maschio, collegando l'ultima pompa al controller.
   3. Immergere il tubo della valvola interna nel serbatoio, fissandolo o appesantindolo in modo che rimanga in posizione.
   4. Fissare il tubo della valvola di uscita all'angolo superiore posteriore del mesocosmo, assicurandosi che rimanga al di sopra della linea di galleggiamento.
   5. Avvolgere il tubo in un foglio di alluminio per prevenire la crescita delle alghe.
   6. Configurare e calibrare le pompe, la barra di alimentazione e il controller secondo le istruzioni del produttore¹⁵.
   7. Regolare le pompe in base alla portata calcolata.
7. Piantare e acclimatare le specie vegetali:
   1. Regola la temperatura e le luci di coltivazione a LED a livelli ottimali per la crescita delle piante, condizionando le specie vegetali al mesocosmo.
   2. Piantare 6-12 singole specie di piante in modo uniforme per garantire la stessa biomassa per unità di area nel mesocosmo.
      NOTA: Il numero di individui può variare a seconda degli obiettivi della ricerca e della fisiologia della specie (ad esempio, quando Typha latifolia diventa legato alle radici, il numero di individui può essere ridotto).
   3. Aumentare gradualmente il livello dell'acqua RO, mantenendo un livello dell'acqua per 1-2 giorni, e sostituire il tubo in PVC (passaggio 1.4.2) secondo necessità in modo che corrisponda al livello dell'acqua.
   4. Accendere le pompe con la portata finale desiderata.
   5. Una volta raggiunto il livello dell'acqua desiderato, regolare la luce e la temperatura della serra in base alle impostazioni sperimentali e lasciare che le piante si acclimatino per ~35 giorni.
8. Svuotare e sciacquare l'impianto:
   1. Rimuovere il tubo verticale in PVC e aprire la valvola a sfera per svuotare completamente l'impianto; L'operazione può richiedere fino a 2 giorni.
   2. Sciacquare il sistema con OSPW e lasciarlo scaricare completamente, assicurandosi che il tubo in PVC rimanga spento e che la valvola a sfera sia aperta. Assicurarsi che l'OSPW utilizzato durante il lavaggio non venga utilizzato durante l'esperimento.
   3. Una volta risciacquato, chiudere la valvola a sfera e aggiungere il tubo in PVC in modo che corrisponda al livello dell'acqua desiderato.
9. Aggiungi OSPW:
   1. Versare con cura l'OSPW in ogni mesocosmo per evitare di disturbare il substrato o le piante, riempiendo fino a raggiungere il livello d'acqua desiderato.
   2. Se si utilizzano più lotti di acqua, assicurarsi che le proprietà chimiche siano coerenti o distribuirle uniformemente su tutti i mesocismi.
   3. Riempire il serbatoio con OSPW, lasciando circa 5 cm di spazio dall'alto.
10. Gestire l'evaporazione:
    1. Riempire il serbatoio del serbatoio con acqua RO secondo necessità, mantenendo il livello dell'acqua a circa 5 cm sotto la parte superiore.

3. Campionamento

1. Misure delle specie vegetali:
   1. Ogni ciclo temporale di ritenzione, misurare la salute delle piante e le metriche di crescita¹⁶. Le metriche sulla salute delle piante includono segni visibili di stress come la clorosi e i danni causati dagli insetti, mentre le metriche di crescita delle piante includono la mortalità, l'altezza e la % di copertura.
   2. Al termine dell'esperimento, prelevare campioni per la biomassa vegetale fuori terra e la chimica dei tessuti vegetali, se lo si desidera.
      NOTA: Gli intervalli di monitoraggio e le misurazioni utilizzate sono raccomandati per studiare l'effetto delle NAFC sulla salute delle piante e possono differire a seconda degli obiettivi sperimentali.
2. Misure del substrato:
   1. Caratterizzazione di base: prima di aggiungere i substrati a ciascun mesocosmo, misurare una serie di parametri (ad esempio, pH, conducibilità elettrica (EC), potenziale di ossido-riduzione (ORP), anioni/cationi principali, nutrienti, NAFC e qualsiasi altro contaminante rilevante).
   2. Durante il primo ciclo di ritenzione, raccogliere campioni di substrato da ciascun mesocosmo per ottenere una base di base per la chimica generale. Raccogli campioni di substrato da posizioni casuali in ogni mesocosmo.
   3. A ogni ciclo di tempo di ritenzione, misurare l'ORP del substrato utilizzando una sonda ORP appropriata.
   4. Al termine dell'esperimento, raccogliere campioni di substrato da ciascun mesocosmo e misurare gli stessi parametri della caratterizzazione di base (ad esempio, pH, EC, ORP, anioni/cationi principali, nutrienti, NAFC e qualsiasi altro contaminante rilevante).
3. Misurazioni dell'acqua:
   1. Caratterizzazione di base: prima di aggiungere l'OSPW a ciascun mesocosmo, misurare una serie di parametri (ad esempio, pH, EC, ORP, anioni/cationi principali, nutrienti, NAFC e qualsiasi altro contaminante rilevante).
   2. Dopo l'inizio dell'esperimento, prelevare campioni iniziali di OSPW da ciascun mesocosmo dopo diversi giorni (fine del ciclo di ritenzione 1) per consentire al sedimento all'interno dell'OSPW di depositarsi e all'OSPW di riempire lo spazio dell'acqua interstiziale. Raccogliere i campioni OSPW dalla parte anteriore di ciascun mesocosmo.
   3. A ogni ciclo di tempo di ritenzione, misurare l'ossigeno disciolto (DO), ORP, pH, EC e temperatura utilizzando lo strumento di riferimento.
   4. Alla fine dell'esperimento, raccogliere campioni finali di acqua per misurare la chimica generale, misurare una serie di parametri (ad esempio, DO, pH, EC, ORP, anioni/cationi principali, nutrienti, NAFC e qualsiasi altro contaminante rilevante).

Figura 1: Schema della progettazione del mesocosmo e configurazione sperimentale. (A) Schema della costruzione del mesocosmo e dei componenti richiesti. (B) Esempio di configurazione sperimentale, compreso il substrato e l'aggiunta di piante, insieme al posizionamento del serbatoio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Esempio di layout del mesocosmo e del serbatoio. (A) Disposizione dei mesocosmi e dei serbatoi di riserva nella serra senza foglio di alluminio. (B) Layout che mostra mesocosmi e serbatoi con un foglio di alluminio avvolto attorno ai mesocosmi per limitare la penetrazione della luce, con una pompa ogni due mesocosmi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il successo di questo protocollo per le zone umide costruite con mesocosmo è dimostrato dalla robusta crescita e sviluppo delle specie vegetali, dal monitoraggio continuo dei parametri ambientali e dall'efficiente rimozione dei contaminanti nel tempo. I dati raccolti da Trepanier et ^al.17 illustrano l'efficacia del metodo e i risultati attesi. Lo studio ha valutato la capacità di Carex aquatilis, un carice d'acqua che si trova comunemente nelle zone umide boreali, di ridurre le NAFC nell'OSPW. Ha confrontato le prestazioni dei mesocosmi con C. aquatilis con quelli senza piante, utilizzando OSPW o acqua di processo prodotta in laboratorio. I mesocosmi sono stati costruiti con un substrato di 10 cm di sterili di sabbia grossolana (CST) stratificati con 10 cm di miscela minerale di torba (PMM) e 25 cm di OSPW sovrapposti ai substrati. Prima dell'esperimento, le piante venivano coltivate per 3 mesi fino a un'altezza media di 83 cm e poi trapiantate nel sistema. È stata aggiunta acqua RO (Figura 3) per acclimatare le piante al mesocosmo e i sistemi sono stati mantenuti a 20 ^oC per 32 giorni.

Figura 3: Specie di piantagione e aggiunta di acqua RO. (A) Aggiunta del substrato manomesso e un esempio di piantagione di specie nel substrato. (B) Distribuzione uniforme delle specie vegetali in tutto il mesocosmo. (C) Aggiunta di acqua RO ai mesocosmi per il periodo di acclimatazione dell'impianto. Abbreviazione: RO = osmosi inversa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Le piante hanno dimostrato una crescita robusta durante l'esperimento, con notevoli aumenti di altezza e copertura (Figura 4). La Figura 5 illustra ulteriormente la crescita costante di C. aquatilis, che raggiunge altezze di circa 150 cm entro il giorno 40 prima di stabilizzarsi. Questo era all'interno dell'intervallo di crescita previsto di 20-155 cm per C. aquatilis. La sopravvivenza delle piante era elevata, pari al 98%, con il 99% di tessuto vegetale vivo alla fine dell'esperimento. Tuttavia, la maggior parte delle piante mostrava segni di clorosi, necrosi e/o screziature e, in alcuni casi, foglie deformate e increspate¹⁷. Il monitoraggio di routine della salute delle piante è fondamentale per l'identificazione di potenziali problemi, come le infestazioni da parassiti.

Figura 4: Foto della crescita delle piante all'inizio e alla fine dell'esperimento. Una foto di esempio della crescita e della salute di Carex aquatilis dal giorno 0 al giorno 78. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Altezza della pianta nel tempo nel mesocosmo contenente Carex aquatilis. Altezza media della pianta di Carex aquatilis nei mesocosmi (n = 48). Il giorno 0 è il momento in cui OSPW è stato aggiunto al sistema. Il periodo di acclimatazione dell'impianto si riferisce al periodo in cui i mesocosmi contenevano acqua RO prima dell'aggiunta di OSPW. Le barre di errore indicano una deviazione standard della media. Questa figura è stata adattata da Trepanier et ^al.17. Abbreviazioni: RO = osmosi inversa; OSPW = acque interessate dal processo delle sabbie bituminose. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I parametri ambientali chiave, come l'ossigeno disciolto dell'acqua e l'ossidoriduzione del substrato, sono stati monitorati di routine per garantire prestazioni ottimali del sistema, poiché il mantenimento di livelli di ossigeno adeguati è fondamentale per la salute delle piante e l'efficace rimozione dei contaminanti nella CWTS. I valori di redox del substrato hanno fluttuato durante l'esperimento, con i mesocosmi non piantati che rimanevano in condizioni ossidanti tra 50 mV e 100 mV, mentre i mesocosmi contenenti C. aquatilis si avvicinavano occasionalmente a 0 mV. L'OSPW ha mantenuto livelli di DO > 5 ppm per tutta la durata dell'esperimento, e il DO era complessivamente più alto nei mesocosmi senza piante, in particolare alla fine dell'esperimento (Figura 6). Un DO di 8 ppm è spesso considerato ideale per la crescita delle piante; tuttavia, un valore DO superiore a 5 ppm è accettabile. Il monitoraggio di routine consente di identificare cali occasionali di DO, che possono richiedere controlli del sistema, come la verifica della funzionalità della pompa, per garantire un funzionamento coerente.

Figura 6: Misure di ossigeno disciolto e redox del suolo all'interno dei mesocosmi. (A) Ossigeno disciolto in OSPW e (B) potenziale redox del suolo per mesocosmi con Carex aquatilis e trattamenti non piantati con solo OSPW. I punti dati rappresentano le medie di quattro mesocosmi replicati (n = 4), con barre di errore che indicano un errore standard della media. Abbreviazione: OSPW = acqua interessata dal processo delle sabbie bituminose. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'obiettivo principale dello studio era valutare il potenziale di attenuazione di NAFC da OSPW utilizzando un mesocosmo CWTS. La Figura 7 illustra un graduale declino delle concentrazioni di NAFC durante l'esperimento, dimostrando l'efficacia del sistema. La presenza di C. aquatilis ha migliorato la rimozione delle NAFC, ottenendo una riduzione del 76% delle NAFC nell'arco di 82 giorni (da 72,1 mg/L iniziale a 17,1 mg/L finale), rispetto all'8,5% nel trattamento di controllo non piantato nell'arco di 82 giorni (da 64,5 mg/L iniziale a 59,0 mg/L finale)¹⁷. La riuscita riduzione della concentrazione di NAFC, insieme a una crescita sana delle piante e a condizioni ambientali favorevoli, confermano che la configurazione del mesocosmo funziona in modo efficace. Questi risultati dimostrano la capacità del sistema di simulare le zone umide artificiali e forniscono preziose informazioni sul ruolo del CWTS nel ridurre la tossicità dell'OSPW.

Figura 7: Concentrazione di NAFC nel tempo nei mesocismi. Concentrazione di composti della frazione dell'acido naftenico nei mesocosmi con Carex aquatilis e trattamenti non piantati con solo OSPW. I punti dati rappresentano le medie di quattro mesocosmi replicati (n = 4), con barre di errore che indicano un errore standard della media. Lettere diverse tra i mezzi indicano una differenza significativa (P < 0,05). Questa figura è stata adattata da Trepanier et ^al.17. Abbreviazioni: OSPW = acque influenzate dal processo delle sabbie bituminose; NAFC = composti della frazione dell'acido naftenico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I CWTS sono stati utilizzati come trattamento passivo ed economico per molte acque reflue¹³; tuttavia, sono un metodo relativamente nuovo per il trattamento dell'OSPW per l'attenuazione NAFC 7,8,9,10,11,12,17,18. Utilizzando i metodi descritti in questo articolo, l'efficacia della CWTS può essere migliorata valutando vari parametri di progettazione.

I mesocosmi sono assemblati come mostrato nella Figura 1, garantendo l'installazione di tubazioni di drenaggio adeguate. Per evitare potenziali problemi di flusso o tempi di ritenzione irregolari causati dall'intasamento del substrato nelle uscite, una rondella con schermo filtrante viene posizionata sul tappo di drenaggio inferiore e il foro di drenaggio superiore viene posizionato sopra il livello del substrato. Se nonostante queste misure si verificano ostruzioni, è possibile utilizzare una coclea di drenaggio o una pressione dell'aria per eliminare i blocchi.

I mesocosmi sono posizionati su tavoli serra rinforzati con compensato, con secchi serbatoio posizionati alle estremità dei tavoli per il ricircolo dell'acqua. L'acqua circola attraverso il sistema utilizzando il flusso per gravità, entrando dal tubo di ingresso ed uscendo dall'estremità del foro di drenaggio superficiale prima di tornare al serbatoio. Il tempo di ritenzione (giorni) è stato scelto sulla base di precedenti studi sulle zone umide costruite⁷. Le pompe di circolazione sommergibili vengono utilizzate per garantire una miscelazione continua del serbatoio. Le pompe dosatrici vengono utilizzate per facilitare il movimento dell'acqua tra il mesocosmo e il serbatoio. È possibile collegare una pompa dosatrice a due mesocismi. Le pompe devono essere impostate in base a obiettivi sperimentali per ottenere la portata e il tempo di ritenzione desiderati.

Dopo la costruzione del mesocosmo, il substrato viene impacchettato uniformemente nei mesocosmi, le piante vengono trapiantate e viene aggiunta acqua RO. L'acqua RO viene utilizzata inizialmente durante un periodo di acclimatazione della pianta, per garantire un sistema ben funzionante con piante sane prima di iniziare l'esperimento. Dopo il periodo di acclimatazione, i mesocosmi vengono drenati, lavati con OSPW al 100% per 24 ore per garantire la sostituzione dell'acqua interstiziale e quindi riempiti nuovamente con OSPW prima di iniziare l'esperimento.

Le misurazioni chiave che dovrebbero essere completate includono le metriche di salute e crescita delle piante, i parametri chimici del substrato e dell'acqua e le concentrazioni del contaminante target. Le misurazioni di routine dei parametri dell'acqua e del substrato vengono effettuate una volta per ciclo per garantire che il mesocosmo funzioni come previsto. Si consiglia di misurare i parametri di qualità dell'acqua, tra cui DO, ORP, pH e conducibilità, una volta per ciclo utilizzando uno strumento multiparametrico YSI Professional Plus. L'ORP del suolo e l'ossigeno disciolto dell'acqua sono parametri chiave da monitorare per garantire che i mesocosmi mantengano le condizioni aerobiche.

Il metodo descritto è altamente adattabile e può essere modificato in base agli obiettivi del trattamento. Le principali modifiche al trattamento includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, le specie vegetali, l'uso di più specie vegetali, il tempo di ritenzione, le condizioni ambientali, la composizione e la profondità del substrato e l'aggiunta di fertilizzanti. Le specie vegetali dovrebbero essere scelte in base a caratteristiche che migliorano la sopravvivenza delle piante e l'efficacia del fitodepurazione. La scelta di specie vegetali autoctone delle zone umide adattate al clima locale migliorerà le probabilità di successo della crescita e della sopravvivenza 11,13,14. Le specie vegetali che si adattano bene all'uso nella CWTS includono quelle che sviluppano radici profonde e larghe, rizomi forti, crescita rapida, trasporto di ossigeno sufficiente e meccanismi per contrastare gli effetti della salinità 17,19,20. Spesso si raccomanda di evitare di piantare miscele di specie vegetali poiché una maggiore diversità vegetale può portare a una minore certezza nell'efficacia del CWTS. Soprattutto se una pianta diventa dominante, è difficile modellare come si comporterà il CWTS¹⁴. Le specie vegetali selezionate avranno anche un impatto sull'evapotraspirazione, che potrebbe avere un effetto di concentrazione di sale e altri contaminanti.

È importante assicurarsi che l'evapotraspirazione sia presa in considerazione nel sistema; garantire che il livello OSPW sia mantenuto con acqua RO. L'uso di acqua municipale o non RO può portare ad un aumento di altri costituenti (ad esempio, cloruro, calcio, fluoruro), che può influire sui risultati dello studio del mesocosmo. L'alterazione del tempo di ritenzione può aiutare con l'aerazione, assicurando che i vari componenti e livelli all'interno del mesocosmo non diventino anaerobici, il che potrebbe portare a impatti sulle comunità microbiche e sulla salute delle piante.

Gli afflussi pulsati o intermittenti possono essere utilizzati per simulare le dinamiche naturali delle zone umide (ad esempio, eventi temporaleschi e deflusso stagionale). Garantire che le variabili ambientali (temperatura, condizioni di luce e variazioni stagionali) siano simili a quelle dell'area di studio è importante per estrapolare il lavoro a CWTS su larga scala, in quanto ridurrà il numero di nuove variabili che influenzeranno il sistema e l'analisi di come queste variabili influiscono sull'efficacia del CWTS nell'attenuare i NAFC. La scelta di substrati per i mesocosmi che possono essere utilizzati su una CWTS su larga scala aiuterà a informare la progettazione futura e ad aumentare l'efficacia del sistema di trattamento. Nell'estrazione delle sabbie bituminose, gli sterili di sabbia grossolana e la miscela torba-minerale sono substrati e sono stati precedentemente testati in studi sul mesocosmo per determinare il substrato ottimale per migliorare la salute delle piante, aumentare le comunità microbiche benefiche e aiutare nell'attenuazione delle NAFC¹⁷.

Il limite principale di questo metodo è la dimensione e la profondità limitate del mesocosmo, che possono influire sulla crescita delle radici e causare l'adesione delle radici. Questi vincoli possono essere superati riducendo la durata dell'esperimento e/o il numero di singoli impianti utilizzati. Se più specie vengono utilizzate nello stesso mesocosmo, potrebbero esserci effetti sinergici o additivi dalla competizione. In definitiva, le dimensioni e la profondità del mesocosmo possono comportare una durata più breve per l'esperimento, limitando la quantità di dati raccolti. Gli esperimenti a lungo termine possono esaminare processi come il ciclo dei nutrienti, che si verifica quando la materia organica viene aggiunta al sistema attraverso l'accumulo e la lenta decomposizione dei detriti vegetali e degli essudati radicali. Ciò può avere un impatto sulle comunità microbiche e sul tasso di attenuazione dei contaminanti. Inoltre, il periodo di tempo sperimentale relativamente breve di questo progetto di mesocosmo fornisce un rapido feedback che può essere utilizzato per migliorare gli esperimenti futuri. I nutrienti possono essere aggiunti al sistema mesocosmico; Tuttavia, il tipo e la quantità di fertilizzante aggiunto richiedono un monitoraggio approfondito per prevenire la fioritura delle alghe.

Le condizioni nella serra sono impostate per creare un ambiente di crescita ottimale; Gli intervalli di temperatura sono impostati per riflettere in modo appropriato le temperature stagionali della regione, con cambiamenti graduali implementati per simulare le fluttuazioni diurne naturali. Anche i livelli di umidità possono variare all'interno di un intervallo rappresentativo del clima regionale. Inoltre, la serra è progettata per ricevere 25.000 lux, equivalenti a circa 200 W/m² di luce diurna ambientale, durante le ore diurne designate. Per garantire un'intensità luminosa costante, le luci a LED vengono attivate ogni volta che i livelli di luce naturale scendono al di sotto di questa soglia. Anche l'uso di una serra ha i suoi limiti. Sebbene forniscano un ambiente controllato, le serre possono anche presentare sfide uniche come infestazioni di parassiti, effetti serra e la creazione di ambienti innaturali. Le infestazioni di parassiti sono particolarmente comuni negli ambienti delle serre e possono avere un impatto sulla salute e sulla crescita delle piante. Per ridurre l'uso di insetticidi, i predatori naturali o la rimozione fisica dei parassiti sono ottime alternative. Nonostante queste sfide, una serra rimane l'ambiente ottimale per condurre uno studio pilota in quanto consente un controllo e un esame precisi dei singoli parametri¹⁴.

Questo metodo rappresenta uno dei molti approcci alla progettazione di esperimenti di mesocosmo. Gli esperimenti CWTS su scala pilota possono essere condotti sia all'aperto^10,21 che al chiuso ^4,17. I mesocosmi all'aperto sono influenzati da fattori ambientali multivariati, che possono interagire in modi complessi e imprevedibili. Queste interazioni rendono difficile modellare le singole variabili o chiarire i meccanismi specifici che guidano i risultati osservati. Di conseguenza, diventa difficile determinare quali fattori contribuiscono alle prestazioni del CWTS e identificare le opportunità per migliorare la progettazione del sistema; tuttavia, replicano più fedelmente le condizioni CWTS su larga scala¹⁴. Al contrario, i mesocosmi interni forniscono un ambiente più controllato, riducendo al minimo gli effetti della natura e di altre influenze esterne, facilitando la comprensione dei processi e l'identificazione dei parametri di progettazione che possono migliorare le prestazioni.

I progetti CWTS sono tipicamente caratterizzati da un flusso superficiale orizzontale 4,10,17,18 o da un flusso sotterraneo verticale ¹⁸. Il metodo qui descritto rappresenta un progetto di mesocosmo a flusso superficiale orizzontale. Mentre i sistemi a flusso verticale si basano sulla gravità per facilitare il movimento verticale dell'acqua, offrendo una migliore ossigenazione e richiedendo meno spazio, i sistemi a flusso orizzontale mantengono condizioni più stabili¹⁰ e migliorano il potenziale di fitodepurazione²². I mesocosmi offrono vantaggi significativi per lo sviluppo di CWTS testando componenti integrali e migliorando l'efficienza per future applicazioni su larga scala, consentendo la replicabilità e il controllo dell'ambiente circostante e consentendo l'isolamento e la misurazione di singoli parametri sperimentali, monitorando anche i cambiamenti biotici e i percorsi di dissipazione chimica.

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Il finanziamento per questa ricerca è stato fornito dal Genome Canada Large Scale Applied Research Project (LSARP, grant #18207) e dal programma di finanziamento Canadian Forest Service Cumulative Effects. Ringraziamo Imperial Oil Ltd. per aver fornito i materiali utilizzati in questa ricerca. Vorremmo anche ringraziare tutti coloro che hanno assistito agli esperimenti: Ian J. Vander Meulen, Jason M.E. Ahad, Sara Correa-Garcia, Simon Morvan, Marie-Josée Bergeron, Dilini Atugala, Lisa Gieg, John V. Headley, Étienne Yergeau e Christine Martineau. Vorremmo anche ringraziare Douglas Muench per la progettazione sperimentale e del mesocosmo. Vorremmo anche ringraziare il personale del Northern Forestry Centre e gli studenti estivi che hanno assistito durante gli esperimenti. Vorremmo riconoscere che la nostra ricerca è stata condotta sul territorio del Trattato 6 e che le fonti materiali per questi esperimenti sono state raccolte dal territorio del Trattato 8. Riconosciamo e onoriamo le Prime Nazioni, i Métis e i popoli Inuit che hanno vissuto, raccolto e viaggiato su queste terre.