Med tanke på Pennsylvanias rikliga naturresurser, det är ingen överraskning att Commonwealth har blivit ett mecka för hydraulisk frakturering. Forskare, dock, har nyligen upptäckt att utsläpp av miljontals liter behandlat hydrauliskt spräckningsavloppsvatten varje år till ytvatten i området kan ha längre varaktiga effekter än man ursprungligen trodde.

Enligt U.S. Energy Information Administration, hydraulisk sprickbildning stod för mer än hälften av amerikansk oljeproduktion och två tredjedelar av amerikansk gasproduktion 2015. Den procentsatsen förväntas stiga när fler stater börjar anta praxis. Även om studier visar att hydraulisk sprickbildning ger mindre växthusutsläpp än äldre teknik som kol, det kommer med andra miljöhänsyn. Överst på listan är det avloppsvatten som produceras, som innehåller en mängd potentiellt farliga föroreningar. Bara under 2015 Pennsylvanias okonventionella gasbrunnar producerade nästan 1,7 miljarder liter avloppsvatten. Även om det finns anläggningar för att behandla avloppsvattnet innan det släpps ut, de ger endast begränsad behandling, lämnar många av föroreningarna intakta.

För att få en bättre förståelse för effekterna av dessa föroreningar på miljön, Penn State miljöteknikprofessor Bill Burgos och hans kollegor studerade sedimentprover som samlats in från en reservoar i västra Pennsylvania. Studien publicerades i det senaste numret av Miljövetenskap och teknik .

"Det var inte en vattenhållare som satt i dessa floder och samlade dessa prover vid ett fantastiskt kontinuerligt klipp, så på ett sätt, mycket information bara flödade av, " sa Burgos. "Men i vissa reservoarer, där sediment samlas över tiden, det finns lager av sediment som är som ringar av ett träd; du kan titta in i sedimenten och fånga tid och rumsligt sammansatta prover."

Syftet med studien var att använda sedimenten som hade byggts upp för att rekonstruera den industriella olje- och gasaktiviteten som ägde rum under boomen av Marcellus Shale-utvecklingen i Pennsylvania, från ungefär 2008 till 2015, för att få en bättre förståelse för den historiska effekten av bortskaffande av olja och gas.

"Du behöver en sjö eller en reservoar som tillåter sediment att lägga sig ostört i dessa lager, ", sade Burgos. "Orden vi använder är ett "sammanhängande tidsrekord." Du får bara ett sammanhängande tidsrekord om det är en sjö som kontinuerligt ackumulerar sediment och inte är föremål för en översvämning eller skur."

Xiaofeng Liu, biträdande professor i byggnadsteknik, utvecklat en datormodell för att rekonstruera sedimentlagren för att identifiera den bästa provtagningsplatsen. Forskarna valde Conemaugh River Lake i västra Pennsylvania. Denna plats erbjöd hög avloppsvattenkoncentration och låg utspädning av avloppsvatten, samt en dammstyrd reservoar.

När platsen väl var bestämd, teamet började samla in prover.

"Vi förde in ett rör i sedimentet som om du skulle lägga ett sugrör i en Slurpee eller en slushy, " sa Burgos. "Du lägger tummen över halmen, och du drar ut den."

I detta fall, de använde jordbruksrör, plastlock och tejp, snarare än ett sugrör och en tumme, för att samla sedimentprover, som omedelbart frystes för att bevara innehållet och fördes sedan tillbaka till Kappe Environmental Engineering-laboratoriet i Penn State.

Väl i labbet, forskarna sköt ut proverna som en push-up ispopp, skär dem i skivor.

"Vi delade upp dem i olika sektioner så att vi kunde köra olika analyser på dem, sa Nathaniel Warner, biträdande professor i miljöteknik vid Penn State och medförfattare till studien.

Warner sa att forskarna, i samarbete med Colorado State University, letade efter signaler med hög radioaktivitet och mätte porvattnet och radioisotoperna för att bestämma sedimentens ålder. De testade också den stora mineralogin, partikelstorlek och kornstorlek, i ett försök att utveckla en fullständig profil.

Resultaten fastställde att utsläpp av olje- och gasavloppsvatten påverkade vattenkvaliteten och sedimentkvaliteten i större skala än man tidigare trott. Stora mängder olje- och gasavloppsvatten med höga mängder klorid, barium, strontium, radium och organiska föreningar lämnade höga koncentrationer i sedimenten och porvattnet.

Specifikt, två viktiga typer av organiska föroreningar hittades:hormonstörande kemikalier (nonylfenoletoxylater) och cancerframkallande ämnen (polycykliska aromatiska kolväten). De högsta koncentrationerna sammanföll med sedimentlager som deponerades för fem till 10 år sedan, under toppen av Marcellus Shale -aktiviteten.

"Isotoperna bekräftar att detta är okonventionellt olje- och gasavfall, sa Burgos.

Vissa isotopförhållanden, såsom strontium och radium, är ganska unika för Marcellus-formationen. En tidigare studie utförd av Warner fann att radiumhalterna omedelbart nedströms från en anläggning var ungefär 200 gånger större än i sediment som ligger uppströms anläggningarna. Denna aktuella studie visar att förhöjda nivåer hittades så långt bort som 12 miles nedströms från reningsverken.

"Det här är föroreningar som passerade genom dessa centraliserade avfallsbehandlingsanläggningar, och de kan transporteras stora avstånd, sa Burgos.

Även om fynden visar långvarig förorening av Pennsylvania vattendelar, forskarna säger att effekterna på miljön och människors hälsa fortfarande är okända och svåra att bedöma.

"Det är lite okänt, okvantifierad risk, "Sa Burgos." Det du inte vet är den synergistiska effekten av alla dessa saker tillsammans, den kombinerade effekten av radium och bly och tensider och salt, alla tillsammans. Ökar den kombinerade effekten av dessa saker toxiciteten?"

Studien visade en betydande minskning av mängden föroreningar som släpps ut i ytvatten efter det frivilliga förbudet mot utsläpp av Marcellus-avfall som begärts av Pennsylvania Department of Environmental Protection, som började 2011, vilket tyder på att strängare regler för avloppsvatten hjälper.

Forskarna vill nu använda materialet de har samlat in för att mäta den biologiska toxiciteten hos sedimentskikt genom tiden. De planerar också att testa sedimentprover på platser längre nedströms mot Pittsburgh för att se hur långt föroreningen har spridit sig och i vilken utsträckning.

"Kanske kommer de aldrig till Pittsburgh, " sa Burgos. "Men saken är, du tittar på en karta och det finns andra växter uppströms Pittsburgh på huvudstammen av Allegheny River och det finns ingen anledning att antyda att dessa växter inte bidrar med samma sak."