Kortlægning af en vellykket genopretning:Nye metoder og dedikeret feltarbejde giver gode nyheder til at rydde op i mineforurening

Minedrift involverer at flytte en masse sten, så der forventes noget rod. Imidlertid, minedrift kan fortsætte med at påvirke økosystemer længe efter, at aktiviteten er afsluttet. Tungmetaller og ætsende stoffer udvaskes til miljøet, forhindre dyreliv og vegetation i at vende tilbage til området.

Heldigvis, denne skade kan vendes. Et team af forskere, herunder UC Santa Barbara's Dave Herbst, undersøgt, hvordan flodøkosystemer reagerer på saneringsindsatser. Holdet kombinerede årtiers data fra fire vandskel forurenet af forladte miner. Det krævede kreativ tænkning at forenkle den komplekse dynamik af næsten et dusin toksiner på de utallige arter i hver flod.

Ultimativt, holdets smarte metode viste, at restaurering kan forbedre nogle af de største problemer med forurening af minedrift. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Ferskvandsvidenskab , afslørede strategier, der fungerede godt som genopretningsmønstre på tværs af de fire vandveje. Resultaterne tyder også på, at reglerne skal tage alle forurenende stoffer i betragtning under ét, snarere end at etablere standarder på individuel basis.

"Der er et stort problem, som vi har med ældre minesteder, ikke kun i USA, men på verdensplan, sagde Herbst, en forskningsbiolog ved universitetets Sierra Nevada Aquatic Research Laboratory (SNARL) i Mammoth Lakes. "De er udbredte, vedvarende og langvarige problemer. Men den gode nyhed er, at med investeringen og indsatsen fra programmer som CERCLA Superfund, vi kan løse de problemer."

Herbsts arbejde fokuserede på Leviathan Creek, en Sierran-strøm 25 miles sydøst for Lake Tahoe, som er stedet for en genopretningsindsats under CERCLA (the Comprehensive Environmental Response, Kompensation, og ansvarsloven), også kendt som Superfund. Området blev udvundet ikke for ædle metaller, men at udvinde svovl til fremstilling af svovlsyre til at behandle mineraler fra andre steder. Tilstedeværelsen af ​​svovlholdige mineraler lavet til vand, der naturligt var en smule surt, men åbne minedrift udsatte disse mineraler for elementerne. Resultatet var stærkere syre, der udvaskede spormetaller som aluminium, kobolt og jern fra klippen ud i miljøet. De kombinerede virkninger af øget surhedsgrad og giftige metaller ødelagde det lokale akvatiske økosystem.

Sortering af standarder

Hvert minested producerer en unik blanding af forurenende stoffer. Hvad mere er, forskellige floder rummer forskellige arter af hvirvelløse vanddyr, med hundredvis af forskellige typer i hver strøm, sagde Herbst. Denne variation gjorde sammenligninger til en udfordring.

Så forskerne gik i gang med at etablere standarder og benchmarks. De besluttede at spore effekten af ​​forurening og afhjælpning på majfluer, stenfluer og stenfluer. Disse grupper er kritiske for det akvatiske fødenet og udviser en række forskellige tolerancer over for forskellige toksiner. I stedet for at sammenligne nært beslægtede arter, forskerne grupperede dyr med fælles egenskaber - som fysiske træk og livshistorier.

Derefter skulle holdet finde ud af alle de forurenende stoffer. De indså hurtigt, at det ikke ville være nok at spore toksiciteten af ​​individuelle metaller separat, som man ofte gør i laboratoriet. Det er den kombinerede påvirkning, der faktisk påvirker økosystemet. Desuden, forskere måler ofte toksicitet baseret på en dødelig dosis. Og alligevel kan forurening ødelægge økologien ved meget lavere koncentrationer, Herbst forklarede. Kroniske effekter, som nedsat vækst og reproduktion, kan fjerne arter fra et område over tid uden faktisk at dræbe nogen individer.

I betragtning af de mange forskellige toksiner, forskerne besluttede sig for en anden standard for toksicitet:Kriterieenheden. De definerede 1 kriterieenhed (CU) som koncentrationen af ​​et toksin, der frembragte negative virkninger på vækst og reproduktion af testorganismer. Selvom de mange forskellige svar gør CU til en tilnærmelse, det viste sig at være en overraskende robust målestok.

Koncentrationen i 1 CU varierer fra stof til stof. For eksempel, forskerne brugte en værdi på 7,1 mikrogram kobolt pr. liter vand som en giftig tærskel for vandlevende organismer. Så, 7,1 μg/L svarer til 1 CU kobolt. I mellemtiden 150 μg/L arsen holdt hvirvelløse dyr fra at leve deres bedste liv, så 150 μg/L blev sat som 1 CU arsen.

Denne tilgang gjorde det muligt for forskerne at sammenligne og kombinere virkningerne af helt forskellige toksiner, giver en validering af, hvordan total toksicitet forventes at forekomme i naturen. Så, 7,1 μg/L kobolt alene, eller 150 μg/L arsen i sig selv, eller endda en kombination af 3,55 μg/L kobolt plus 75 μg/L arsen producerer alle en kumulativ kriterieenhed (CCU) på 1, hvilket betyder lignende problemer for akvatiske dyr, uanset hvordan det nås.

Denne kombinerede effekt viste sig at være afgørende for at forstå de virkelige konsekvenser af minedriftsforurening, fordi dyr udsættes for mange toksiner på én gang. "Du skal overveje disse metaller sammen, ikke individuelt, ved evaluering af toksicitetstærsklen i marken, " sagde Herbst.

Så på trods af de mange forskellige metaller forskellige steder, ved at udtrykke toksicitet i kumulative kriterieenheder, forskerne kunne sammenligne på tværs af floder. Når den samlede toksicitet topper 1 CCU, hvirvelløse mangfoldighed trævler ud.

At dømme deres indsats

Holdet havde nu deres emner (hvirvelløse vanddyr) og en enkel måde at måle forurening på (den kumulative kriterieenhed). De havde også over 20 års feltdata fra fire vandskel, hvor Superfund-oprydninger har været i gang. De brugte uforurenede vandløb nær hver flod som udgangspunkt for at vurdere, hvor godt restaureringen forløb.

Forfatterne fandt, at disse projekter var i stand til at genoprette floder til nær naturlige forhold på 10 til 15 år. Det var en vidunderlig overraskelse. "Uanset det faktum, at der var forskellige minedriftsforurenende stoffer, forskellige måder at afhjælpe problemet på og forskellige størrelser af vandløb, alle projekter kom til succesfulde resultater, " sagde Herbst.

Meget af bedring skete i de første par år af behandlingen, han tilføjede. Da forholdene er værst i starten, selv en lille indsats vil gøre en stor forskel.

"Den anden overraskende del var graden af ​​ensartethed i svarene på trods af forskellige forurenende stoffer og afhjælpningspraksis, " sagde Herbst. Gendannelseshastigheden, rækkefølge, i hvilken arter vendte tilbage (baseret på fælles egenskaber), og selv den langsigtede tidsramme var ens på tværs af alle fire floder. Disse lovende resultater og fælles veje tyder på, at selv skræmmende miljøproblemer kan løses med ordentlig indsats og investering.

Lektioner og løse ender

Remediation at the four sites in California, Colorado, Idaho and Montana is ongoing. Many interventions, like treating acidic water with lime, require continuous attention. Imidlertid, efforts like replacing contaminated soil, setting up microbial bioreactors and revegetating excavated and riparian areas will hopefully make remediation self-sustaining.

And a self-sustaining solution is the goal, because these sites can become inaccessible at certain times of year, leading to variable levels of pollution. For eksempel, snow prevents access to the Leviathan mine in winter, so remediation can occur only between spring and fall. The spring snowmelt also dissolves more metals, creating worse conditions than during drier times at the beginning of autumn.

Herbst plans to revisit the seasonal aspects of remediation in future research. As for now, he thinks that other abandoned mines should implement remediation and monitoring practices to evaluate the success of restoration.

These exciting discoveries would have been impossible without long-term monitoring at the four locations. "You seldom get monitoring studies of restoration projects that last more than a couple of years, " Herbst said, "which is really a shame because most of them don't show any kind of response over that short a period of time."

And the only reason Herbst and his colleagues had these datasets was because they invested the time and resources themselves. "A lot of it is due to the dedication of individual researchers to these projects, " he said. "There are other players that come and go along the way, but as long as there's some dedicated researcher collecting this data then it will be there in the future for us to base decisions on."

Aside from the importance of long-term monitoring, the message Herbst hopes the EPA and industry embrace is that we can't apply water quality standards for toxic metals individually. "We must be applying them collectively according to how they're acting together, " han sagde.

Even if individual contaminants are under the required limits, their combined effect could be well over what wildlife can handle. The concept of cumulative criteria units provides a really simple way to account for this:If eight toxins in a stream are all at half of their CU value, they still add up to 4 CCUs.

Bottom line:There is reason to celebrate. "We're able to demonstrate through this research that these programs can be successful even for the biggest of problems, " Herbst said, "which is exactly what Superfund projects are intended to fix."