Undersökningsmetoder

Avgränsning av fiberbankar och fibersediment
Fältundersökning
Föreningsspridning
Fysiska och geotekniska egenskaper
Biologiska
Referenser

Möjligheterna med traditionella undersökningsmetoder är ofta begränsade på grund av att fibersediment, och i synnerhet fiberbankar, inom vissa aspekter skiljer sig från naturliga minerogena sediment. Nedan belyses några av de aspekter som rör undersökningsmetoder av fibersediment. För generella undersökningsmetoder av förorenade sediment hänvisas till texter på Undersökningsportalen .

Avgränsning av fiberbankar och fibersediment

Det är vid inventering och kartläggning av alla slags förorenade sediment, inte enbart fibersediment, av största vikt att genom olika slags ekolodsmätningar skaffa sig en bild av bottnens beskaffenhet innan fysiska bottenundersökningar planeras och utförs. Med bottnens beskaffenhet avses här bottnens topografi, struktur, textur, mjukhet/hårdhet etc. samt dess vertikala uppbyggnad i de översta delarna av sedimentpacken. Fiberrika sediment kan undersökas vidare med liknande metoder som används till minerogena sediment, medan sediment från fiberbankar är i vissa avseenden är svårare att undersöka. Det har t. ex. visat sig att möjligheterna att fastställa mäktigheter för fiberbankar med acceptabel precision är mycket begränsade med dagens etablerade metoder. Speciellt för fibersediment, och mest påtagligt för fiberbankar, är att fiberinnehållet dämpar eller helt släcker ut ljudsignaler från sedimentekolod och reflektionsseismik. Detta fenomen avviker från vad som händer i de flesta naturliga sediment vilket är en hjälp när fibersedimentens laterala utbredning skall uppskattas. Däremot innebär denna utsläckning av ljudpulserna att materialet som underlagrar fiberbanken som ju utgör fiberbankens undre gräns, inte ger något eko tillbaka till instrumenten, vilket avsevärt försvårar en mäktighetsuppskattning. Eftersom fiberbankar i regel är flera meter mäktiga krävs relativt tung provtagningsutrustning för att vertikalt penetrera dem i sin helhet. Dessutom är en fiberbanks yta skör och dess innehåll har mycket låg bärighet vilket innebär att tunga borrar och sonder riskerar att förändra den ursprungliga mäktigheten samtidigt som de penetrerar fiberbanken. TREASUREs projektrapport (och delvis FIBREM, som pågår) kommer att visa hur mäktighet kan preciseras bättre med in situ-mätning.

Fiberrika sediment har däremot visat sig vara betydligt tunnare, vilket innebär att de ofta kan penetreras även med lättare provtagningsutrustning. Fiberrika sediment är i regel från några dm till 1–2 meter mäktiga.

De avgränsningar som görs inom ramen för SGU:s inventeringsmetod (1) är en kombination av ekolodsmätningar (s.k. hydroakustik), bottenfotografering och sedimentprovtagning. SGU:s metod förbereder och planerar sedvanlig sedimentprovtagning med hydroakustik vilket innebär en effektivare provtagning och att en kontinuerlig kartbild som översiktligt visar fibersedimentens utbredning och avgränsning på botten slutligen kan framställas. Under gynnsamma omständigheter kan i enstaka fall även en mycket grov uppskattning av fibersedimentens mäktighet göras.

SGU’s kartdata över fibersediment finns tillgänglig som ”Öppna data” på www.sgu.se. Dessa kartbilder är generaliserade för att ge god läsbarhet i en viss presentationsskala, ca 1:25 000. Generaliseringen innebär att man medvetet förenklar för att öka läsbarheten. Exempelvis kan flera små närliggande objekt ritas som ett objekt eller en flikig gräns mellan två objekt ritas som en utjämnad linje. I kartbilderna kan felaktiga avgränsningar, felklassningar och förbiseende av fiberhaltiga objekt förekomma. Dessa fel, som till stor del beror på hur väl de olika objekten framträder i de bottenyteavbildande hydroakustiska mätningarna, kan i vissa fall vara betydande (upp till 50 m eller ibland mer). Det bör här poängteras att gränser mellan sediment i många fall ej är skarpa eller väldefinierade på havsbottnen. Ofta är det fråga om övergångszoner som kan ha en bredd av 50 m eller mer.

Fältundersökning

Vid de fältundersökningar av fibersediment som SGU hittills genomfört (2, 9), utfördes undersökningen i tre steg:

1. Hydroakustisk mätning
2. Preliminär tolkning av hydroakustiken och planering av lokaler för provtagning
3. Fotografering av bottnen med sedimentprovtagning och beskrivning av sedimenten samt uttag av prover för analys.

De hydroakustiska metoderna omfattar mätning med multistråleekolod eller interferometrisk sonar, sedimentekolod, reflektionseismik och sidoavsökande sonar. Samtliga hydroakustiska mätmetoder bygger på principen att ljudstötar skickas ned mot havsbottnen, reflekteras, mäts och analyseras. De för sammanhanget viktigaste produkterna, dvs. kartor och profiler, från dessa mätningar är:

• En bottentopografisk modell (multisitråleekolod)
• En yttäckande bottenbild som visar bottnens struktur och textur samt styrkan i det reflekterade ekot. Denna kan antingen erhållas från multistråleekolodets mättdata som en s.k. ”backscatter”, eller mätas separat med sidoavsökande sonar och erhållas som en ”sonarbild”.
• Profiler genom bottnen som visar bottnens uppbyggnad mot djupet. Dessa erhålls med sedimentekolod och/eller reflektionsseismik.

I dessa bottenkartor och profiler genererar de fiberhaltiga sedimenten speciella hydroakustiska signaturer. Dessa orsakas av innehållet av material från trä och ofta även gas som bildas under de anaeroba förhållanden som råder på grund av det rikliga innehållet av organiskt material. Gas orsakar liksom även trä och träfiber, en dämpning, reflektion och refraktion av den utsända ljudpulsen så att en så kallad utsläckning kan uppstå. Gas har också en lägre ljudhastig­het än vatten vilket gör att den reflekterade ljudpulsen blir reverserad. Gas i sedimenten kan orsaka gasavgångshål eller gaskratrar (eng. pockmarks) som kan synas väl i den bottentopogra­fiska modellen. Metoden för att med hjälp av hydroakustik upptäcka fibersediment är utförligt beskriven i SGU-rapport 2011-4 (1).

På basis av företeelser i den samlade hydroakustiska informationen, vilken indikerar potentiella fiberhaltiga sediment, specificeras därpå lägen för bottenfotografering och sedimentprovtagning. Provtagnings- och observationslägena väljs i syfte att verifiera och vid behov korrigera tolkning­en av mätdata samt för att hämta in provmaterial för miljökemisk analys.

Provtagningsutrustning väljs beroende på vilken plattform (båt, fartyg) som finns till förfogande, bottnens beskaffenhet (hårt/mjukt etc.), önskat penetrationsdjup, hur ostörda prov som önskas etc. Exempel på provtagare (flera av dem beskrivs även på Undersökningsportalen) som har använts är:

• Undervattenskamera för fotografering av bottenytan. Det rekommenderas varmt att alltid inspektera bottnen visuellt innan slutligt val av sedimentprovtagare görs.
• Bra är också att filma vid själva provtagningen, vid prov av ostörda kärnor, för att se att ytan inte störs vid nedslag och om det sker omblandning p.g.a. gasavgång.
• Liten boxcorer – en lådprovtagare (18 × 18 cm) som passar till mjuka sediment. Den lilla boxcorern har primärt använts när en större mängd prov för analys har behövts.
• Ekmanhuggare – en lådprovtagare (15 × 15 cm) som också används till mjuka sediment. Den är mindre än den lilla boxcorern och kan hanteras för hand. Den har därför använts för ytprover.
• Stor gripskopa – avsedd för provtagning ned till 40 cm i grövre sediment som sand och grus men är också lämplig för provtagning av barkansamlingar. Även en mindre gripskopa användes med en räckvidd 15 cm ned i sedimenten
• Stötlod – ett 1 m långt rörlod som används vid provtagning i leriga, siltiga bottnar.
• Gemax – ett dubbelpipigt rörlod som tar upp till 70 cm långa, ostörda sedimentkärnor. Lodet är avsett för miljöprovtagning i leriga sediment då ostörda kärnor önskas. Även en äldre variant av denna provtagare, Geminilod, har använts.
• Vibrohammarlod – ett sex meter långt rörlod som med hjälp av motorvibratorer hamrar sig ner i grövre sediment. Detta används generellt på vattendjup större än nio meter, och under gynnsamma omständigheter även upp till 5 till 6 meters vattendjup.
• Kolvlod – ett sex meter långt rörlod som med hjälp av sin tyngd penetrerar mjuka bottnar. En kolv i lodets foderrör motverkar hoptryckning av sedimentkärnan.

Upptagna sedimentprov och sedimentkärnor beskrivs och studeras i detalj med avseende på innehåll av fibrer, kornstorlek, organisk halt, strukturer, redoxförhållanden, lagerföljd och färg med mera. Kärnavsnitt av intresse fotograferas. Delprov tas ut för kemisk analys såväl från lokaler som bedömdes vara starkt fiberpåverkade som från mer opåverkade lokaler. Proverna tas främst i ytan, ofta i de översta 1–2 dm av sedimentet. Detta ytsediment är i kontakt med vattenmassan och sedimentlevande djur. Prover kan tas även djupare för att undersöka hur föroreningssituationen sett ut under tidigare tidsperioder.

Valet av kemiska parametrar att analysera baseras lämpligen på föroreningshistoriken och typen av föroreningskälla. Vid varje undersökt område är den industriella historien nödvändig att känna till så långt det är möjligt. Länsstyrelsernas EBH-databas är här en mycket viktig informationskälla. Att även komplettera detta med en bredare screening har visat sig fruktbart för att hitta föroreningar som inte kunnat förutses.

För mer info om utrustningen se Undersökningsportalen, för mer info om hur SGU tillämpat provplanering och provtagning i praktiken hänvisas till SGUs undersökningsrapporter (2, 9).

 

Föreningsspridning

Ett sätt att bedöma vart fibrer (och ämnen kopplade till dessa) sprids är att med sedimentprovtagare provta botten på strategiska ställen och att provta vattenmassan (analys både av suspenderade ämnen och lösta ämnen). Sedimentfällor kan även placeras ut på sedimentytan, men kan vara komplicerade att hantera på stora djup. Åldern på sedimentskikt och om det fortfarande sker en spridning av fibersediment kan visas genom att radiometriskt fastställa nivån för Tjernobylolyckan (dvs. år 1986) i lagerföljden. För mer info om provtagningsmetoder av förorenade sediment, se info på [Undersökningsportalen] som är planerad att lanseras i början av 2020.

För att simulera spridningsmönster kan man upprätta en numerisk hydrodynamisk modell (strömningsmodell och/eller vågmodell) över vattenområdet. Viktiga indata till en sådan modell är bland annat meteorologiska förhållanden, tillrinning från land, förhållanden i det öppna vattnet (t.ex. strömriktningar och strömhastigheter), samt batymetrisk information. Till många av de programvaror som finns för att modellera hydrodynamik, finns det möjlighet att även koppla till en modul för sedimenttransport/sedimentdynamik, vilket kan vara bra för att se hur bankarna och bottensedimenten, och föroreningar bundna till dessa, förflyttar sig över tid och/eller vid extrema förhållanden (t.ex. vid orkan). Viktig information till sedimenttransportmodeller är bland annat partikelegenskaper och partikeltransport. Eftersom fibersedimenten skiljer sig från minerogena sediment bör inte generella värden på parametrar för att beskriva partiklarnas egenskaper användas eftersom dessa värden är empiriskt framtagna för naturliga sediment. Modelleringar behöver också verifieras, t.ex. med bottenprovtagning.

Föroreningsflux mäts med fördel i fält genom att t.ex. använda s.k. bentisk fluxkammare, se Figur 1 (5, 6). Fördelen med att mäta flux i fält är inte bara ett mer exakt resultat utan framförallt för att inte bara få med bidraget från diffusion utan även få med bidraget från bioturbation, gas medierat flux och uppströmmande grundvatten (advektion). Enklare diffusionsberäkningar baserade på analyser av porvattnet (genom centrifugering för att extrahera porvatten ur sedimenten) kan också tillämpas, men metoden ger osäkrare resultat än bentiska fluxkammare.

 Figur1. Bentisk fluxkammare för organiska föroreningar. Foto: Paul Frogner-Kockum, SGI.

Fysiska och geotekniska egenskaper

Inom TREASURE-projektet har fiberrika sediment kunnat undersökas med traditionella laboratoriemetoder som används för minerogena sediment, medan sediment från fiberbankar är svårare att undersöka. Gasbildningen i fiberbankssediment vid konsolideringsförsök i kolonner kan göra att hela provet flyter upp till vattenytan. Det gör det omöjligt att studera fiberbankarnas konsolidering med vanliga metoder. Försök att bestämma fiberbankens densitet har därför gjorts med sedimentationsanalys (10).

På grund av den låga hållfastheten är sondering med konventionell Cone Penetration Test (CPT) inte lämplig utan spetsen bör bytas ut mot en s.k. T-Bar Penetration Test (TBT)  eller Ball Penetration Test (BPT) (6). På grund av fiberbanksmaterialets trådiga karaktär och att de i princip flyter på bottnen är det inte heller möjligt att bestämma hållfastheten med geotekniska standardmetoder. För att studera fiberbankmaterialets beteende och brottmekanism i en slänt under vatten byggdes därför inom TREASURE projektet en genomskinlig låda av plexiglas. Vid ett försök fylldes lådan succesivt med bräckt vatten, fiberbanksmaterial lades ut på den upphöjda delen av insatsen till önskad höjd och hela lådan tippades därefter till önskad lutning för att studera brottmekanismen.

Gasbildningen kan undersökas med avbildningsmetoder såsom röntgen. Detta görs inom GASFIB-projektet, och möjliggör att se och kvantifiera gasbubblorna i själva sedimentet. Forskare planerar att använda data för att studera hur bubblorna påverkar sedimentstrukturen och möjliga åtgärdsmetoder.

Vidare bör provtagning i fiberbankar utföras med en sedimentprovtagare, företrädesvis av typen kolvprovtagare för att i möjligaste mån undvika komprimering vid provtagning.  Den typ av kolvprovtagare som normalt används för geoteknisk provtagning (typ St I och St II) är inte användbar i denna typ av extremt lösa sediment. I figur 2 visas en kolvprovtagare som har fungerat bra på fibersediment (även för rena fiberbankssediment) i Karlshäll. En komplikation är risken för gas vilket kan omöjliggöra provtagning. Gasförekomst medför också stora svårigheter för tolkning av undersökningsresultat och bestämning av geotekniska egenskaper, se fysiska och geotekniska egenskaper.

Som nämnts ovan är det vanligtvis möjligt att undersöka fiberrika sediment med konventionella geotekniska laboratoriemetoder. Bestämning av skjuvhållfasthet med konförsök som normalt utförs som rutin på ostörda prover av lera och gyttja kan emellertid ge missledande resultat på sediment med tydligt fibrös karaktär. Om möjligt bör skjuvhållfastheten i stället bestämmas med enaxliga tryckförsök.

I de fall sediment ska muddras och avvattnas eller stabiliseras/solidifieras är det också intressant att bestämma geotekniska egenskaper hos avvattnade eller stabiliserade/solidifierade muddermassor. I dessa fall tillverkas provkroppar på vilka skjuvhållfastheten kan bestämmas med enaxliga tryckförsök. Beroende på hur muddermassorna ska hanteras efter behandling kan även deformationsegenskaperna vara av intresse. Dessa kan bestämmas på konventionellt sätt med ödometerförsök. För att begränsa randeffekter i prover med längre fibrer kan man med fördel använda en ödometer med större diameter än den vanliga CRS-utrustningen. Muddermassor som stabiliseras/solidifieras får till skillnad från avvattnade muddermassor vanligtvis en hög deformationsmodul varför undersökningen av geotekniska egenskaper ofta begränsas till enaxliga tryckförsök och hydraulisk konduktivitet (permeabilitet). Permeabiliteten kan bestämmas i en s.k. celltryckspermeameter både för stabiliserade/solidifierade och avvattnade muddermassor.

Figur 2. Kolvprovtagare på stång som kan tryckas ned i fibersedimenten. Foto: Jonny Skarp, Skarps miljöteknik.

Biologiska undersökningsmetoder

Mikrobiota

Undersökningar av mikrobiota kan göras med mikroskop, men det är tidskrävande då det kräver odling och organismerna som studeras är mycket små. Om specifika mikroorganismer önskas studeras, t ex metanogener, kan odlingsförhållandena justeras efter ändamålet. Att odla mikrober har dock sina begränsningar, det är t ex bara uppskattningsvis 0,1% av alla bakterier som går att odla i labb. Därför används även andra metoder.

En sådan är DNA-sekvensering där mikrofaunan beskrivs antingen genom att all DNA som isolerats ur ett prov analyseras, eller att specifika delar av DNA analyseras. Den här typen av undersökningar kan t ex definiera mängd och typ av arkeer som generar metan i prover från olika platser med fibersediment. Eftersom specifika fysiologiska processer (t.ex. nitrification) kan kopplas till olika grupper av organismer så kan den relativa procenten av DNA-sekvenser från olika gruppr även länkas till olika aktiviteter (8)

Ibland kan specifika gener vara av intresse, till exempel de som kodar för nedbrytning av naftalen eller som är involverade i metanbildning. Hur mycket sådan aktivitet som pågår kan mätas med kvantitativ PCR (polymeras chain reaction). Metoden beräknar hur många kopior av en viss gen som finns i ett prov. Med enbart DNA-isolat och övriga reagenter som behövs vid själva provanalyser så kan metoden appliceras på vilken gen som helst från vilka mikroorganismer som helst. Metoden används ofta för att få information om de bakterier som är verksamma vid biologisk nedbrytning in situ. (4)

En annan metod är infärgning av DNA kombinerat med flödescytometri vilket mäter hur mycket av ett färgämne som adsorberas till DNA i individuella celler och kan beskriva den totala koncentrationen av celler, och kan i kontrast till DNA och PCR baserade metoder, räkna ut hur stor andel av cellerna som lever, och distribueringen av DNA inom en population. Informationen är dock mindre precis jämfört med DNA-sekvensiering och beskriver inte enskilda typer av bakterier (3).

Av dessa metoder, som inte kräver odlingsbaserade bedömningar, och som kan undersöka hela populationen inom ett prov så är DNA-sekvensering den mer resurskrävande, men ger också mer specifik och detaljerad information. PCR är mindre resurskrävande, men då behövs kunskap om vilka specifika gener man kan söker efter. Flödescytometri med DNA-infärgning är lättare att genomföra i fält med robusta instrument och ger snabbare resultat från provtagning till resultat som kan beskriva det mikrobiella samhället. För att analysera material från fibersediment med flödescytometri så behövs dock en del provberedning innan analys då metoden enbart analyserar flytande prover.

Makrofauna

Den begränsade kunskap som finns av undersökningar om makrobiota i fibersediment har tagits fram genom forskningsprojektet TREASURE där tre olika fiberbanksområden belägna i Ångermanälven studerades. Vid undersökningen provtogs de olika sedimentområdena/typerna vid flera olika platser. Sedimentet provtogs med hjälp av en boxcore-provtagare motsvarande en yta av 0.17 m² per provtagningsplats och våtsiktades genom ett 1 mm såll och organismerna som hittades placerades i glasburkar för vidare bestämning.

Referenser

1. Apler, A. & Nyberg, J., 2011: Metoder för att kartlägga fiberhaltiga sediment. SGU-rapport 2011:04. Sveriges geologiska undersökning.

2. Apler, A., Nyberg, J., Jönsson, K., Hedlund, I., Heinemo, S. & Kjellin. B., 2014: Fiberbanks¬projektet. Kartläggning av fiberhaltiga sediment längs Västernorrlands kust. SGU-rapport 2014:16. Sveriges geologiska undersökning.

3. Buysschaert, B., Favere, J., Vermijs, L., Baetens, V., Naka, A., Boon, N. and De Gusseme, B., 2019. Flow cytometric fingerprinting to assess the microbial community response to changing water quality and additives. Environmental Science: Water Research & Technology, 5(10), pp.1672-1682.

4. Cápiro, N.L., Löffler, F.E. and Pennell, K.D., 2015. Spatial and temporal dynamics of organohalide-respiring bacteria in a heterogeneous PCE–DNAPL source zone. Journal of contaminant hydrology, 182, pp.78-90.

5. Frogner-Kockum, P, Kononets, M, Apler, A, Snowball, I, Hall, P, 2019, ‘Less metal fluxes than expected from fibrous marine sediments, Marine Pollution Bulletin vol 150, pp 1 – 10.

6. Frogner-Kockum, P., Göransson, P., Åslund H., Ländell, M., Stevens, R., Göransson, G., Ohlsson, Y., 2016, Metal contaminant fluxes across the sediment water interface. Marine Pollution Bulletin 111: 321 – 329. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2016.06.092

7. Low, HE, Randolph, MF, Lunne, T, Andersen, KH, Sjursen, MA (2011): Effect of soil characteristics on relative values of piezocone, T-Bar and ball penetration resistance. Geotechnique vol 61, no 8, pp 651-664.

8. Mallick, H., Franzosa, E.A., Mclver, L.J., Banerjee, S., Sirota-Madi, A., Kostic, A.D., Clish, C.B., Vlamakis, H., Xavier, R.J. and Huttenhower, C., 2019. Predictive metabolomic profiling of microbial communities using amplicon or metagenomic sequences. Nature communications, 10(1), pp.1-11.

9. Norrlin, J., Josefsson, S., Larsson, O. & Gottby. L., 2016: Kartläggning och riskklassning av fiberbankar i Norrland. SGU-rapport 2016:21. Sveriges geologiska undersökning.

10. Snowball, I., Apler, A., Dahlberg, A.K., Frogner-Kockum, P., Göransson, G., Hedfors, J., Holmén. M., Josefsson, S., Kiilsgaard, R., Kopf, A., Löfroth, H., Nylander, P., O’Regan, M., Paul, C., Wiberg, K., Zillén, L. 2020, TREA-SURE – Targeting Emerging Contaminated Sediments Along the Uplifting Northern Baltic Coast of Sweden for Remediation, En sammanfattning av ett fyraårigt forskningsprojekt om fiberbankar inom forskningsprogrammet TUFFO, Statens geotekniska institut, SGI, Linköping, 2020-07-07.