排水処理のためのメソコスムスケール人工湿地設計

建設された湿地処理システムは、何十年にもわたって廃水の処理に使用されてきましたが、オイルサンドの影響を受ける水域の処理への適用は比較的新しいものです。この可能性を探求するために、表面流メソコズムの設計と実験方法の概要を説明します。このアプローチは、主要な設計パラメータの理解を深め、治療効果を向上させることを目的としています。

カナダのアルバータ州で露天掘りによるビチューメン抽出の副産物であるオイルサンドプロセス影響を受ける水(OSPW)には、ナフテン酸分画化合物(NAFC)など、さまざまな懸念成分が含まれています。これらの有機化合物は、その毒性と環境中での残留性のために特に懸念されています。人工湿地処理システム(CWTS)は、植物とそれに関連する微生物を使用して、廃水中の汚染物質を減衰させます。フィールドスケールのCWTSは、OSPWの大規模な治療オプション、特にNAFCの劣化に対する潜在的な治療オプションとして提示されています。OSPWにおけるNAFCの大規模治療におけるCWTSの使用を最適化するためには、様々な設計パラメータの理解を深め、有効性を高める方法を模索することが不可欠です。

メソコスムスケールの実験は、複雑なフィールド試験と制御された実験室環境との間のギャップを埋める貴重な仲介者として機能します。メソコズムは、基質、植物種、温度、保持時間などのさまざまなパラメータの影響を研究するための制御された再現可能な環境を提供し、その設計には生態学的複雑さを組み込んでいます。発表された以前の研究は、この方法が、OSPWのNAFCを減衰させるCWTSの有効性に対するさまざまなパラメーターの影響を評価するのに成功していることを示しています。このプロトコルでは、表層流湿地メソコスムの設計とセットアップ、およびOSPWでNAFCを処理するための実験的アプローチについて概説しています。この方法は、地理的に異なる場所にある他の廃水の処理にも適応できます。

カナダのアルバータ州北部にあるオイルサンド地域は、世界第3位の石油埋蔵量を誇り、毎日300万バレル以上の原油を生産しています¹。しかし、露天掘りによるビチューメンの抽出では、副産物として大量の尾鉱とオイルサンドプロセス影響水(OSPW)が発生します。アルバータ州のゼロ排出政策により、これらの副産物は採掘可能なオイルサンド地域全体の尾鉱池に保管されています。2023年現在、推定391.1 mm³ のOSPWが尾鉱池に自由水として存在し、尾鉱沈降2中に放出され続ける間隙水^{は含まれていません。}OSPWは<5%の固形分を含み、塩、微量金属、有機汚染物質のレベルが高いことを特徴としています³。

OSPWには、ナフテン酸留分化合物(NAFC)、多環芳香族炭化水素(PAH)、BTEX(ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン)、フェノール、^{重金属など}、いくつかの主要なクラスの汚染物質が存在します^3,4。NAFCはビチューメン中の有機化合物で、抽出プロセス中に可溶化および濃縮され、OSPW急性毒性^5,6の主要な原因として一貫して特定されています。OSPWは、混合物の量、複雑さ、および毒性のために、いくつかの環境的および経済的課題をもたらします。OSPWの費用対効果が高く、受動的でスケーラブルな処理技術を開発することは、化学酸化やろ過などの従来の方法では、大規模なアプリケーションの実現可能性が限られているため、非常に重要です。建設湿地処理システム(CWTS)は、低エネルギーで費用対効果が高く、持続可能な水処理システムであり、植物とそれに関連する微生物を使用して廃水中の汚染物質を減衰させます。それらは、OSPW 7,8,9,10,11,12を治療するための有望な代替手段として浮上しています。

CWTSは、自然湿地のフィルタリング機能を再現するように設計された人工湿地です。もともと雨水や都市排水を処理するために設計されたCWTSは、現在では、農業廃棄物、酸性鉱山排水、工業廃水、その他の修復努力など、幅広い用途に利用されています¹³。これらのシステムには、基質、水、植生の3つの基本コンポーネントがあります。CWTSは、水の動きが水平または垂直に流れるように構成された表面流または地下流システムとして設計できます^13,14。水生湿地植物は、持続的に飽和した土壌条件に適応するため、CWTSで広く利用されています。一般に、CWTSは一般的に、Typha sp.(ガマ)、Juncus sp.(イグサ)、Carex sp.(スゲ)などの新興植物種を使用します。

CWTSは、水処理にさまざまなメカニズムを採用しています。懸濁物質は汚染物質を吸着して沈降し、植物の成長を促進する堆積物層を形成します。さらに、植物は、生物的メカニズムと非生物的メカニズムの組み合わせを通じて、溶解した汚染物質を移動または変換できます。非生物的メカニズムには、ろ過、沈降、沈殿、収着、化学酸化/還元、錯体化、光分解、および揮発が含まれます。生物的プロセスには、生体内変化(微生物または植物媒介)、植物蓄積、および植物安定化^{が含まれます13,14}。CWTSは、通常、時間の経過とともに効率が向上する自立型システムとして大きな利点を提供します¹⁴。これらのシステムは汎用性が高く、複数の汚染物質を同時に処理できると同時に、環境的に持続可能で、一般に受け入れられています。さらに、従来の処理方法と比較して運用コストと資本コストが低いため、OSPWなどの大量の廃水の処理に適しています。しかし、OSPWでは同時に発生するさまざまな非生物的および生物的プロセスの複雑さにより、治療効果を最大限に引き出すためにCWTSを最適化するための慎重な設計が必要です。治療目標を明確に理解し、ラボベンチ、パイロット、およびデモンストレーションスケールでの体系的なテストを組み合わせることで、システムを最適化し、フルスケールの実装の成功を予測するために不可欠です¹⁴。

パイロットスケールの実験は、しばしばメソコズム実験と呼ばれ、通常、個々の治療細胞をシミュレートする浴槽またはタンクを使用して行われます。メソコズムは、野外実験として屋内または屋外で実施できます。メソコズムは、ベンチスケールの実験よりも生態学的に複雑でありながら、汚染物質除去に対する個々の設計パラメータの影響を評価するための十分な制御と複製を維持しながら、部分的に密閉されたシステムです。メソコズムスケールの研究は、治療メカニズムを確認し、より小さなスケールで合併症を明らかにするために必要であり、デザインの修正と調整を実施することができます¹⁴。このプロトコルは、屋内メソコズムスケールの水平面フローCWTSのセットアップと操作について説明し、特にOSPWにおけるNAFCの減衰に関するCWTS研究を設計するための実用的なフレームワークを提供します。

1.メソコズム構造

注:メソコズムの建設に必要な材料の包括的なリストについては 、材料の表 を、メソコズムの建設の概略図については 図1 を参照してください。

1. 必要に応じて、ポリエチレンタンク(129.5 cm x 30.0 cm)の上部を取り外します。
2. 排水穴を準備します。ポリプロピレンタンクの同じ側に2つの穴(パーツ#1と#2)をドリルで開けます。おねじを外側に向けて、PVCバルクヘッドフィッティング(パーツ#3)を両方の穴に配置します。バルクヘッドフィッティングの外縁を防水シーラントを使用してシールします。
   1. 土壌排水穴(パート#2):これをタンクのコーナーベースに配置し、隔壁のフィッティングに十分なスペースがあることを確認します。
   2. 地表水排水穴(パート#1):タンクの中心に近い、土壌レベルの高さより上に配置します。
3. バルクヘッドフィッティングの内側にフィルタースクリーン(パーツ#5)付きのホースワッシャー(パーツ#5)を置き、シーラントで固定します。
4. 内部排水配管を設定します。
   1. 地表水排水穴(パーツ#1)については、最初にPVCオスアダプター(パーツ#10)をバルクヘッドフィッティング(パーツ#3)に取り付け、次に90°PVCエルボ(パーツ#11)を取り付けます。
   2. 目的の水位の高さを90°エルボーに合わせるようにカットされたPVCパイプ(パーツ#12)を挿入します。
5. 外部排水配管をセットアップします。次の手順では、クリンプリングを使用してPEXを継手に固定します。
   1. 3/4インチPEX x 3/4インチMPT真鍮アダプター(パーツ#6)のネジ山にテフロンテープを巻き付け、バルクヘッドフィッティング(パーツ#3)に接続します。
   2. 2つの等しい長さの3/4インチPEX(パーツ#7)をカットし、MPT真ちゅう製アダプター(パーツ#6)に取り付けます。
   3. プラスチック製の拡張エルボフィッティングをPEXパイプ(パーツ#7)に追加し、表面の排水穴を下向きにし、土壌排水穴のタンクの中央を向いています。
   4. 土壌排水穴(パート#2)には、PEXパイプをエルボに接続し、続いてボールバルブ、別のPEXセグメント、およびプラスチック拡張ティーを接続します。PEXの長さを調整して、拡張ティーの上部を地表の排水配管に合わせます。
   5. 地表水排水穴には、PEXパイプをプラスチック製の拡張エルボに接続し、拡張ティーにリンクします。
   6. システムが接続されたら、プラスチック拡張ティーに別のPEX(パーツ#7)を追加し、最後に下向きのプラスチック拡張エルボで終了します。
   7. プラスチック製の拡張エルボーフィッティングの底に別のPEX(パーツ#7)を追加して、水がリザーバータンクに排出されるようにします。
6. メソコスムの構造的完全性を高めます。
   1. 2インチ×4インチの材木を使用してフレーム(パーツ#13、長さ129.5 cm x 幅37.0 cm)を作成します。
   2. フレームを木ネジで固定します。
   3. フレームをメソコスムに置き、配管継手に乗らないようにします。
   4. メソコスムの外側をアルミホイルで包み、メソコスムの側面から土壌に入る光を減らします。

2.メソコズムのセットアップとメンテナンス

1. 種子から実験用の植物を育てる:
   1. 必要に応じて種子を層状にします。
   2. プラグストックとして泥炭が入った標準的なスチロブロック容器に種子を入れます。
   3. 苗が発芽したら、水溶性植物性食品(24-8-16)を使用して週に3回苗を施肥します。
   4. 苗木を最低3〜5か月間成長させて、治療反応に最適なサイズに達するようにします。
      注:正確な時間は、種のサイズと種類によって異なります。苗木を育てるのではなく購入する場合は、この手順を省略できます。
2. メソコスムを温室に置きます。
   1. (オプション) 温室テーブルを合板で補強して、メソコズムの重量を支えます。
   2. メソコズムを温室ベイテーブル全体に均等に配置して、処理がランダムに配置され、環境条件の変動を最小限に抑えます(図2)。
   3. リザーバータンクに適切に排水するために、配管をテーブルの端からぶら下げるように配置します(図2)。
3. リザーバータンクをセットアップします。
   1. 57 Lのオープントッププラスチック工業用ドラムを排水プランの下に置きます。
   2. タンクの中央と下部の間に水中パワーヘッド循環ポンプを設置して、タンク内での連続混合を可能にします。電源コードをタンクの外側に固定します。
4. 基板を追加して飽和させます。
   1. 基板をメソコズムに均等に広げ、適度な圧力で基板を希望の高さまで軽くたたいます。
      注:基板の高さは、研究目的と植物種によって異なります。
   2. 基板を逆浸透(RO)水で完全に飽和させ、添加した水の量を測定します。これは、基板内の間隙水の量に相当します。
      注:間孔水は、基板が飽和しているときに追加される水の量であり、水位が基板の上部と一致するときに観察できます。このプロセスには最大で 1 日かかる場合があります。間隙水量は、システム内の正確な水量を決定し、流量を計算するために重要です。
5. 流量を決定します。
   1. 以前の研究と研究目的に基づいて保持期間を選択します。
   2. メソコスムの総水量を計算します。
      
   3. 流量を計算します。
      
6. ポンプを取り付けます。
   1. 1つのポンプを2つの隣接するメソコズムの間に配置します。
      注:必要に応じて、1つのポンプを1つのメソコズムに使用することもできます。
   2. オス-オスUSBケーブルを使用してすべてのポンプをリンクし、最後のポンプをコントローラーに接続します。
   3. バルブ内チューブをリザーバーに沈め、所定の位置に留まるように固定または重りで固定します。
   4. アウトバルブチューブをメソコズムの背面上部の角に固定し、喫水線より上に留まるようにします。
   5. 藻類の成長を防ぐために、チューブをアルミホイルで包みます。
   6. 製造元の指示に従って、ポンプ、パワーバー、およびコントローラーをセットアップおよび校正します¹⁵。
   7. ポンプを計算された流量に調整します。
7. 植物種を植えて順応させます。
   1. 温度とLEDグローライトを植物の成長に最適なレベルに調整し、植物種をメソコズムに調整します。
   2. メソコズムの単位面積あたりのバイオマスが等しいことを保証するために、6〜12の個々の植物種を均等に植えます。
      注:個体数は、研究目的や種の生理機能によって異なる場合があります(たとえば、 Typha latifolia が根に結合すると、個体数が減少する可能性があります)。
   3. ROの水位を徐々に上げ、1つの水位を1〜2日間維持し、必要に応じてPVCパイプを交換します(ステップ1.4.2)水位に合わせてください。
   4. 最終的な希望流量でポンプをオンにします。
   5. 目的の水位に達したら、温室の光と温度を実験設定に調整し、植物が~35日間順応するのを待ちます。
8. システムを排水してフラッシュします。
   1. PVCスタンドパイプを取り外し、ボールバルブを開いてシステムを完全に排水します。これには最大2日かかる場合があります。
   2. システムをOSPWで洗い流し、完全に排水し、PVCパイプがオフのままでボールバルブが開いていることを確認します。フラッシング中に使用されたOSPWが実験中に使用されていないことを確認してください。
   3. 洗い流されたら、ボールバルブを閉じ、目的の水位に一致するようにPVCパイプを追加します。
9. OSPWを追加します。
   1. OSPWを各メソコズムに慎重に注ぎ、基質や植物を乱さないようにし、目的の水位に達するまで満たします。
   2. 複数のバッチの水を使用する場合は、化学的特性が一貫していることを確認するか、すべてのメソコズムに均等に分布させます。
   3. リザーバータンクにOSPWを充填し、上部から約5cmのスペースを残します。
10. 蒸発の管理:
    1. 必要に応じてリザーバータンクにRO水を補充し、水位を上部から約5cm下に維持します。

3. サンプリング

1. 植物種の測定:
   1. 保持期間サイクルごとに、植物の健康と成長の指標を測定します¹⁶.植物の健康指標には、クロロシスや昆虫の被害などの目に見えるストレスの兆候が含まれ、植物の成長指標には、死亡率、高さ、被覆率が含まれます。
   2. 実験の最後に、必要に応じて、植物の地上バイオマスと植物組織の化学反応のサンプルを採取します。
      注:使用されるモニタリング間隔と測定値は、NAFCが植物の健康に及ぼす影響を研究するために推奨され、実験目的によって異なる場合があります。
2. 基板測定:
   1. ベースライン特性評価:各メソコズムに基質を添加する前に、一連のパラメーター(pH、電気伝導率(EC)、酸化還元電位(ORP)、主要な陰イオン/陽イオン、栄養素、NAFC、その他の関連する汚染物質など)を測定します。
   2. 最初の保持サイクルでは、各メソコズムから基質サンプルを採取し、一般的なケミストリーのベースラインを得ます。各メソコスムのランダムな位置から基板サンプルを収集します。
   3. 保持時間サイクルごとに、適切なORPプローブを使用して基板のORPを測定します。
   4. 実験の最後に、各メソコズムから基質サンプルを採取し、ベースラインの特性評価と同じパラメーター(pH、EC、ORP、主要な陰イオン/陽イオン、栄養素、NAFC、およびその他の関連する汚染物質)を測定します。
3. 水の測定:
   1. ベースライン特性評価:OSPWを各メソコズムに追加する前に、一連のパラメーター(pH、EC、ORP、主要な陰イオン/陽イオン、栄養素、NAFC、およびその他の関連する汚染物質など)を測定します。
   2. 実験開始後、数日後(保持サイクル1の終了時)に各メソコズムからOSPWの初期サンプルを採取し、OSPW内の堆積物が沈殿し、OSPWが間隙水空間を満たすようにします。各メソコスムの前面からOSPWサンプルを収集します。
   3. 保持時間サイクルごとに、参照された装置を使用して溶存酸素(DO)、ORP、pH、EC、および温度を測定します。
   4. 実験の最後に、最終的な水サンプルを採取して一般的な化学反応を測定し、一連のパラメーター(DO、pH、EC、ORP、主要な陰イオン/陽イオン、栄養素、NAFC、その他の関連する汚染物質など)を測定します。

図1:メソコズムの設計と実験セットアップの概略図(A)メソコズムの構造と必要なコンポーネントの概略図。(B)基質と植物の追加、貯留層の配置を含む実験セットアップの例。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:メソコズムと貯留層のレイアウト例。 (A)アルミホイルを使用しない温室内のメソコスムと貯水池タンクのレイアウト。(B)光の透過を制限するためにメソコスムとアルミニウムホイルを巻き付けたメソコスムとリザーバータンク、2つのメソコスコムごとに1つのポンプを示すレイアウト。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

このメソコスムが構築した湿地プロトコルの成功は、植物種の堅調な成長と発達、環境パラメータの継続的な監視、および時間の経過に伴う汚染物質の効率的な除去によって実証されています。Trepanierらによって収集されたデータ¹⁷ は、このメソッドの有効性と期待される結果を示しています。この研究では、北方の湿地によく見られる水スゲである Carex aquatilisがOSPWのNAFCを減らす能力を評価しました。この研究では、OSPWまたは実験室で作られたプロセス水を使用して、 C. aquatilis を持つメソコズムと植物を持たないメソコズムの性能を比較しました。メソコズムは、10 cmの粗砂尾鉱(CST)を基材に、10 cmの泥炭鉱物混合物(PMM)と25 cmのOSPWを基材に重ねて構築されました。実験の前に、植物を3か月間平均高さ83cmまで育てた後、システムに移植しました。植物をメソコズムに順応させるためにRO水を加え(図3)、システムを20 ^°Cで32日間維持しました。

図3:植栽種とRO水の追加。 (A)改ざんされた基質の添加と、基質への植栽種の例。(B)メソコスム全体に植物種が均等に分布している。(C)植物順化期のメソコズムへのRO水の添加。略語:RO =逆浸透。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

植物は実験全体を通じて堅調な成長を示し、高さと被覆が顕著に増加しました(図4)。 図5 はさらに、 C. aquatilis の着実な成長を示しており、プラトー化前の40日目までに約150cmの高さに達します。これは、 C. aquatilisの予想成長範囲である20-155 cmの範囲内でした。植物の生存率は98%と高く、実験終了時には99%が植物組織を生き生きとさせていました。しかし、ほとんどの植物は、クロロシス、壊死、および/またはまだらの徴候を示し、場合によっては、葉が変形してしわが寄った¹⁷。植物の健康状態を定期的に監視することは、害虫の蔓延などの潜在的な問題を特定するために不可欠です。

図4:実験開始時と終了時の植物の成長写真。 0日目から78日目までの Carex aquatilis の成長と健康状態の例写真。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5: Carex aquatilisを含むメソコズムの経時的な植物の高さ。 メソコズムにおける Carex aquatilis の平均植物高さ(n = 48)。0 日目は、OSPW がシステムに追加された日です。植物順化期とは、OSPWが添加される前にメソコズムがRO水を含んでいた期間を指します。エラーバーは、平均の1つの標準偏差を示します。この図は、Trepanier et ^al.17から採用されました。略語:RO =逆浸透;OSPW = オイルサンド プロセスの影響を受ける水。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

CWTSでは、適切な酸素レベルを維持することが植物の健康と効果的な汚染物質除去に重要であるため、水DOや基質酸化還元などの主要な環境パラメータを定期的に監視して、最適なシステム性能を確保しました。基質の酸化還元値は実験全体を通じて変動し、植えられていないメソコズムは50 mVから100 mVの酸化条件に留まり、 C. aquatilis を含むメソコズムは時折0 mVに近づきました。OSPWは実験全体を通じてDOレベルを5ppm>維持し、植物のないメソコズムでは特に実験終了時にはDOが全体的に高かった(図6)。8 ppmのDOは、植物の成長に理想的であるとよく考えられています。ただし、5ppmを超えるDO値は許容されます。定期的なモニタリングにより、DOの時折の低下を特定でき、ポンプの機能検証などのシステムチェックを促して、一貫した動作を確保できます。

図6:メソコスム内の溶存酸素と土壌酸化還元の測定 (A)OSPWの溶存酸素と(B) Carex aquatilis とOSPWのみの未植栽処理によるメソコスムの土壌酸化還元電位。データポイントは、4つの反復メソコズム(n = 4)からの平均を表し、エラーバーは平均の1つの標準誤差を示します。略語:OSPW =オイルサンドプロセス影響を受ける水。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

この研究の主な目的は、メソコズムCWTSを使用してOSPWからのNAFC減衰の可能性を評価することでした。 図7 は、実験全体を通じてNAFC濃度が徐々に低下したことを示しており、システムの有効性を示しています。 C. aquatilisの存在は NAFCの除去を促進し、82日間でNAFCの76%の減少を達成しました(72.1 mg / Lの初期から17.1 mg / Lの最終)のに対し、82日間の未植栽対照処理では8.5%(初期64.5 mg / Lから最終59.0 mg / L)¹⁷。NAFCの濃度を成功裏に低減したこと、健康な植物の成長、良好な環境条件により、メソコズムのセットアップが効果的に機能していることが確認されました。これらの結果は、人工湿地をシミュレートするシステムの能力を実証し、OSPWの毒性を低減するCWTSの役割に関する貴重な洞察を提供します。

図7:メソコズム内の経時的なNAFC濃度。Carex aquatilisおよびOSPWのみの未植栽処理によるメソコズムにおけるナフテン酸画分化合物の濃度。データポイントは、4つの反復メソコズム(n = 4)からの平均を表し、エラーバーは平均の1つの標準誤差を示します。平均間の文字が異なる場合は、有意差を示します(P < 0.05)。この図は、Trepanier et ^al.17から採用されました。略語:OSPW =オイルサンドプロセスの影響を受けた水。NAFC = ナフテン酸画分化合物。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

CWTSは、多くの廃水¹³の受動的で費用対効果の高い処理として使用されてきました。ただし、これらはNAFC減衰7,8,9,10,11,12,17,18に対してOSPWを治療するための比較的新しい方法です。このホワイトペーパーで説明した方法を使用すると、さまざまな設計パラメータを評価することでCWTSの有効性を高めることができます。

メソコズムは 図1のように組み立てられ、適切な排水配管が設置されていることを確認します。基板が出口を詰まらせることによる潜在的な流量の問題や不均一な保持時間を防ぐために、フィルタースクリーン付きのホースワッシャーを下部の排水プラグに配置し、上部の排水穴を基板レベルの上に配置します。これらの対策にもかかわらず詰まりが発生した場合は、排水オーガーまたは空気圧を使用して詰まりを取り除くことができます。

メソコズムは合板で補強された温室テーブルに置かれ、水の再循環のためにテーブルの端に貯水池バケツが配置されています。水は重力流を使用してシステム内を循環し、入口ホースから入り、表面の排水穴の端から出てから、貯水池に戻ります。保持時間(日)は、以前に構築された湿地の研究に基づいて選択されました⁷。水中循環ポンプは、リザーバーの連続的な混合を確実にするために使用されます。ドージングポンプは、メソコズムとリザーバーの間の水の移動を促進するために使用されます。1台のドージングポンプを2台のメソコズムに接続することが可能です。ポンプは、目的の流量と保持時間を達成するために、実験目標に基づいて設定する必要があります。

メソコズムの構築後、基板をメソコズムに均一に詰め、植物を移植し、RO水を追加します。RO水は、実験を開始する前に健康な植物で十分に機能するシステムを確保するために、植物の順応期間中に最初に使用されます。順化期間の後、メソコズムを排出し、100% OSPWで24時間洗い流して間隙水を確実に交換し、その後、実験を開始する前にOSPWを補充します。

完了すべき主要な測定には、植物の健康と成長の指標、基質と水の化学的パラメータ、およびターゲット汚染物質の濃度が含まれます。水と基質のパラメータの定期的な測定は、メソコズムが期待どおりに動作していることを確認するために、サイクルごとに行われます。YSI Professional Plusマルチパラメータ機器を使用して、DO、ORP、pH、導電率などの水質パラメータをサイクルごとに1回測定することをお勧めします。土壌ORPと水DOは、メソコズムが好気性条件を維持するように監視する重要なパラメータです。

記載されている方法は適応性が高く、治療目的に基づいて変更することができます。主な処理の変更には、植物種、複数の植物種の使用、保持時間、環境条件、基質の組成と深さ、および肥料の追加が含まれますが、これらに限定されません。植物種は、植物の生存とファイトレメディエーションの有効性を高める特性に基づいて選択する必要があります。地域の気候に適応した在来の湿地植物種を選択することで、成長と生存の成功の可能性が向上します11,13,14。CWTSでの使用に適した植物種には、深くて広い根を発達させ、根茎が強く、成長が速く、十分な酸素輸送があり、塩分の影響を打ち消すメカニズムを持つものが含まれます17,19,20。植物の多様性が増すと、CWTSの有効性の確実性が低下する可能性があるため、植物種の混合物を植えることを避けることが推奨されることがよくあります。特に、1つのプラントが優勢になると、CWTSがどのように振る舞うかをモデル化することは困難である¹⁴。選択された植物種は、蒸発散にも影響を与え、塩分やその他の汚染物質の濃縮に影響を与える可能性があります。

蒸発散量がシステム内で考慮されていることを確認することが重要です。OSPWレベルがRO水で維持されるようにします。都市水または非RO水を使用すると、他の成分(塩化物、カルシウム、フッ化物など)が増加する可能性があり、メソコズム研究の結果に影響を与える可能性があります。保持時間を変更すると、メソコズム内のさまざまな成分やレベルが嫌気性になり、微生物群集や植物の健康に影響を与える可能性のあるものになりません。

パルス流入または断続的な流入は、自然の湿地のダイナミクス(つまり、暴風雨イベントや季節的な流出)をシミュレートするために使用できます。環境変数 (温度、光条件、季節変動) が調査エリアの変数と類似していることを確認することは、システムに影響を与える新しい変数の数を減らし、これらの変数が NAFC の減衰における CWTS の有効性にどのように影響するかを分析するため、大規模な CWTS に作業を外挿するために重要です。大規模なCWTSで使用できるメソコズムの基質を選択することは、将来の設計に情報を提供し、治療システムの有効性を高めるのに役立ちます。オイルサンド採掘では、粗い砂の尾鉱と泥炭と鉱物の混合物が基質であり、植物の健康を改善し、有益な微生物群集を増やし、NAFCの減衰を助けるための最適な基質を決定するために、以前にメソコズム研究でテストされています¹⁷。

この方法の主な制限は、中宇宙のサイズと深さが制限されていることであり、これが根の成長に影響を与え、植物が根に縛られる原因となる可能性があります。これらの制約は、実験の長さや使用する個々の植物の数を減らすことで克服できます。同じメソコズムで複数の種が使用されている場合、競争による相乗効果または相加効果が発生する可能性があります。最終的には、メソコズムのサイズと深さにより、実験の期間が短くなり、収集されるデータの量が制限される可能性があります。長期的な実験では、植物の残骸や根の滲出液の蓄積とゆっくりとした分解を通じて有機物がシステムに追加されるときに発生する栄養素循環などのプロセスを調べることができます。これは、微生物群集や汚染物質の減衰速度に影響を与える可能性があります。さらに、このメソコズム設計の比較的短い実験時間枠は、将来の実験を強化するために使用できる迅速なフィードバックを提供します。栄養素はメソコズムシステムに追加することができます。ただし、追加される肥料の種類と量は、藻類の繁殖を防ぐために広範な監視が必要です。

温室内の条件は、最適な成長環境を作り出すように設定されています。温度範囲は、その地域の季節的な気温を適切に反映するように設定されており、自然な日周変動をシミュレートするために段階的な変更が実装されています。湿度レベルも、地域の気候を代表する範囲内で変化するように管理されています。さらに、温室は、指定された日照時間中に、約200W /m²の周囲日光に相当する25,000ルクスを受け取るように設計されています。一貫した光強度を確保するために、自然光レベルがこのしきい値を下回ると、LEDライトがアクティブになります。温室の使用にも制限があります。温室は制御された環境を提供しますが、害虫の蔓延、温室効果、不自然な環境の創造など、独自の課題を提示する可能性もあります。害虫の蔓延は温室環境で特に一般的であり、植物の健康と成長に影響を与える可能性があります。殺虫剤の使用を減らすには、自然の捕食者または物理的な害虫の除去が優れた代替手段です。これらの課題にもかかわらず、温室は、個々のパラメータ¹⁴の正確な制御と検査を可能にするため、パイロット研究を実施するのに最適な環境であることに変わりはありません。

この方法は、メソコズム実験を設計するための多くのアプローチの1つです。パイロットスケールのCWTS実験は、屋外^10,21または屋内^4,17のいずれかで実施できる。屋外のメソコズムは、複雑で予測不可能な方法で相互作用する可能性のある多変量環境要因の影響を受けます。これらの相互作用により、個々の変数をモデル化したり、観察された結果を引き起こす特定のメカニズムを解明したりすることが困難になります。その結果、CWTSのパフォーマンスに寄与している要因を特定し、システム設計を改善する機会を特定することが困難になります。ただし、フルスケールのCWTS条件¹⁴をより忠実に再現します。対照的に、屋内メソコズムは、より制御された環境を提供し、自然やその他の外部の影響を最小限に抑え、プロセスを理解し、パフォーマンスを向上させることができる設計パラメータを特定することを容易にします。

CWTSの設計は、通常、水平面フロー4,10,17,18または垂直地下^フロー18のいずれかを特徴としています。ここで説明する方法は、水平面フローメソコズム設計を表しています。垂直フローシステムは、垂直方向の水の動きを促進するために重力に依存し、より良い酸素供給を提供し、より少ないスペースを必要としますが、水平フローシステムはより安定した条件^{を維持し10}、ファイトレメディエーションの可能性^{を高めます22}。Mesocosmは、一体型コンポーネントをテストし、将来の大規模アプリケーションの効率を向上させることにより、CWTSの開発に大きな利点を提供し、周辺環境の再現性と制御を可能にし、個々の実験パラメータの分離と測定を可能にすると同時に、生物的変化と化学的散逸経路を追跡します。

著者には、開示すべき利益相反はありません。

この研究の資金は、Genome Canada Large Scale Applied Research Project (LSARP, grant #18207) と Canadian Forest Service Cumulative Effects funding program によって提供されました。この研究に使用した材料を提供してくださったImperial Oil Ltd.に感謝いたします。また、実験に協力してくださった皆様、Ian J. Vander Meulenさん、Jason M.E. Ahadさん、Sara Correa-Garciaさん、Simon Morvanさん、Marie-Josée Bergeronさん、Dilini Atugalaさん、Lisa Giegさん、John V. Headleyさん、Étienne Yergeauさん、Christine Martineauさんにも感謝いたします。また、実験的なデザインとメソコズムのデザインを提供してくれたDouglas Muench氏にも感謝します。また、実験を通じて支援してくれたノーザンフォレストリーセンターのスタッフと夏の学生にも感謝します。私たちの研究は条約6の領土で行われ、これらの実験の材料源は条約8の領土から収集されたことを認めたいと思います。私たちは、これらの土地に住み、集まり、旅行した先住民、メティ、イヌイットの人々を認め、称えます。