農業および都市流出における地表水毒性に伴う汚染物質除去のための植物処理システム

サマリー

この記事では、都市の雨水や農業灌漑排水を処理して水生生物毒性に関連する農薬やその他の汚染物質を除去する処理システムの設計属性と有効性を要約します。

要約

都市雨水および農業灌漑流出には、隣接する水域にしばしば有毒である複雑な混入物が含まれています。流出は、植生や土壌への汚染物質の吸着を促進し、浸潤を促進するように設計されたシンプルなシステムで処理することができます。都市雨水処理のためのバイオスケール処理システムと、農業灌漑流出を処理するための植生排水溝の2つのシステム例が記載されている。どちらも土壌や植物の表面への汚染物質の収着をもた​​らす植生、水の浸入など、流出中の汚染物質負荷を低減する類似の属性を有する。これらのシステムはまた、残留汚染物質を除去するための研磨ステップとして粒状活性炭を組み込むことを含むことができる。農業および都市流域におけるこれらのシステムの実施には、処理の有効性を検証するためのシステムモニタリングが必要です。これには、毒性の原因となる特定の汚染物質の化学的モニタリングが含まれます。現行の論文は、水生無脊椎動物に対する地表水の毒性の原因となるため、現行の農薬のモニタリングを重視している。

概要

カリフォルニアの流域では地表水の毒性が一般的であり、何十年にもわたって監視されていることから、毒性はしばしば農薬やその他の汚染物質によるものである¹ 。地表水の汚染の主な原因は、都市や農業資源からの雨水や灌漑流出である。水質規制当局は、汚染物質によって水質が劣化しているとリストされており、毒性が都市や農業の原因から特定されているため、水質規制当局は州および連邦政府の資金源と協力して汚染物質の負荷を軽減する。カリフォルニア州の都市流域では、洪水を減らし、浸透や貯留による雨水の回収率を高めるために、緑のインフラが促進されています。低インパクト開発（LID）設計は多くの地域で新規建設が義務づけられていますが、溶存固形物、金属、ハイドロカーなどの従来の汚染物質の測定を超えるこれらのシステムの有効性を監視している研究はほとんどありませんボーンズ。より集中的なモニタリングは、近年、化学物質濃度の低下、および表面水の毒性の原因となる化学的負荷を評価し、バイオウォールが流出の毒性を減少させるかどうかを直接決定する。これは、生物兵器がいくつかの汚染クラス^2に関連する毒性を除去するのに有効であることを示しているが、新たな懸念化学物質のためにはさらなる研究が必要である。

植生処理システムは、カリフォルニア州の農業流域でも実施されており、これらは農業灌漑流出量^3,4の農薬やその他の汚染物質の削減に有効であることが示されている。これらのシステムは、表層水への汚染物質負荷を低減する一連のアプローチのコンポーネントを表しています。彼らは表面水の毒性の原因となる汚染物質を軽減することを意図しているため、実施プロセスの重要な要素は、長期的な有効性を確認する。モニタリングには、懸念化学物質の化学分析と、敏感な指標種による毒性試験の両方が含まれます。この記事では、都市駐車場のbioswaleと農業植生排水溝システムのプロトコルとモニタリング結果について説明します。

典型的な混用都市型ショッピングモールの駐車場での暴風雨を処理するために使用されるような、典型的な駐車場のバイオスウェールの設計属性は、処理される面積に依存する。ここに記載されている例では、53,286平方フィートのアスファルトは不透水性の表面積を作り出し、それは4,683平方フィートの造園からなるスウェーデンに流出します。この表面積からの流出に対処するために、215フィートの長さの平底、半V字形の流路は、50％未満の側部傾斜および1％の縦方向の傾斜部を有するスウォールを含む（ 図1 ）。このスウェーデンは、6インチの表土に植えられたネイティブバンチグラス、コンパクトな地下の2.5フィート以上の赤色。ストームウォーターは、駐車場からスウェーデンに沿って複数の入り口に流れます。水は植生地に浸透し、地下に浸透して排水口から4インチの穿孔ドレンになります。このシステムは、最終的に地方の小川に流出する隣接する湿地に配管されたシステムを通して水を排水します。

プロトコル

1.アーバン・バイオスウェルの有効性モニタリング

1. ストームウォーターサンプリング
   1. サンプルは4Lの前処理雨水が駐車場を出てバイオショール入口に入り、その後4Lの後処理雨水がバイオシャワーを4 "出口排水口から出て行く。
   2. 地元の天気予報を使用して、嵐の水路図の始め、中央、および終わりにサンプルを収集します。嵐のイベント中に流出変動を特徴付けるために試料を合成する。
   3. 手で1.3 Lのサンプルを収集し、4 Lの琥珀色の瓶でそれらを合成する。雨水がバイオウォールに流入するいくつかの縁石の開口部で採水口サンプルを採取する。
   4. 出口ドレイン（後述）に取り付けられた流量計から1.3 Lの出口サンプルを採取し、4 Lの琥珀色の瓶に入れます。
   5. 最後の水路グラフのサンプルが収集されるまで、合成されたサンプルを氷上に保管してください。その後、それらを実験室に輸送し、refrを保持する4℃でiteratorを添加して化学的および毒性試験のサブサンプリングを行った。試料採取から48時間以内に試料を化学実験室に輸送する。
2. 計算のロード
   1. 暴風雨になる前に、bioswaleサイトに隣接する軽いまたは他の極にそれを取り付けることによって、転倒バケットデジタルロガーレインゲージを設置してください。雨量データを使用して、その敷地の瞬時および総降雨量を示します。
   2. bioswaleの出口ドレインに機械式のパルス流量計を取り付けます。 bioswaleを出る総流量を記録する。
      注：流出量の減少は、LID設計における汚染物質の全体的な負荷を低減すると推定される。
   3. 降雨イベント中に雨量計によって記録された雨のインチを使用して外挿することによって、駐車場集水域に降りる水の量をモデル化する。これらのデータを使用して、駐車場の面積に基づいて治療システムに入る量を決定します。
   4. tで記録された合計フローを使用する彼は出口流量計を使用して浸透率を計算します。雨水の浸入を判定するために、入口と出口の容積の差を計算します。
   5. 汚染物質の分析測定値と併せて、吹き出し中の汚染物質の積載量と負荷軽減率を計算します。
   6. 表面水の毒性に関連する化学分析物を測定する（下記参照）。負荷計算を簡素化し、それらの類似の毒性作用様式（ 例えば 、総多核芳香族炭化水素[PAHs]、総ピレスロイドおよび全フィプロニルおよび分解物）に基づく総化学群。
3. 化学
   1. 全浮遊固形分（TSS）、微量金属（USEPA法200.8 ⁵ 、誘導結合プラズマ質量分析法[ICP / MS]）、およびPAH（USEPA法625 ⁶ ）のすべての試料を分析する。
   2. カレのサンプルを分析する（USEPA法SW846 8270改変⁷ ;ビフェンスリン、シペルメトリン、フェンバレレート/エスフェンバレレート、ペルメトリン、テトラメトリン、L-シハロトリン、シフルトリン、およびアレスリン）、およびフィプロニルおよびその3つの主要な分解物（フィプロニルスルフィド、フィプロニルスルホン、フィプロニル、デスルフィニル）。
   3. 適切な検出限界を提供するために、負の化学イオン化または他の適切な方法を使用して、ガスクロマトグラフィー - 質量分析（GC / MS）を使用してピレスロイドを分析する。現在使用されているほとんどの農薬は低濃度では毒性が強いので、環境リスク評価には低い化学物質の報告限度が必要です。ピレスロイドの限界を報告する方法は、ペルメトリン（報告限界= 10ng / L）以外のすべてのピレスロイドについて0.5ng / L〜1.0ng / Lである。
   4. 1.0ng / Lの報告限界を提供するフィプロニルの分析手順を使用する。有機リン系農薬は、測定する必要はない例えば、カリフォルニア州の都市部での地方の使用パターンに頼っている^8,9 。
   5. イミダクロプリドの報告限度が50ng / Lであるトリプル四重極質量分析計に結合された超高速液体クロマトグラフィーを用いてネオニコチノイド系農薬（ 例えば 、イミダクロプリド）を測定する。
4. 毒性試験
   1. 米国環境保護庁（USEPA）の急性試験プロトコール^10の改訂に伴い、3種類の試験種を用いて合成された入口および出口雨水試料の毒性試験を実施する¹⁰ 。クラドセランCeriodaphnia dubiaによる試験は、96時間後の生存を測定する。両虫ヒアルラ・アゼテカ（Hyalella azteca）を用いた試験は、10日後の生存率を測定する。 ミズゴケChironomus dilutusを用いた試験は、10日後の生存と成長を測定する。
   2. Uに続いてクラドセランC.duubiaを用いて急性96時間生存試験を行う。S.EPAガイダンス。
      1. 入口と出口の雨水試料の5つの複製のそれぞれに5つのC.dubia新生児を暴露する。複製物は、15mLの試験溶液を含む20mLのシンチレーションバイアルからなる。
      2. 雨水試験溶液の毎日の100％更新の2時間前に、酵母、葉緑体、トラウトチャウ（= YCT;米国EPAガイダンスに従い ）およびセレナストラム藻類の混合物を新生児に供給する。毎日生存している新生児の総数を記録する。
      3. t検定を用いて適度に硬い対照水中で生存するために、入口および出口雨水試料への96時間曝露後の最終的なC.ジュビア生存を比較する。米国EPAが推奨する統計的手順に従う。
   3. 米国EPAガイダンスに従って、amphipod H. aztecaによる急性10日生存試験を行う。
      1. 5回の反復のそれぞれにおいて、10日目、9日目〜15日目の両虫を曝露する。複製物は、200mLの試験溶液を含む300mLガラスビーカーからなる。
      2. Amphipodテストを10日間実施し、生き残った両生類の数を毎日カウントし、48時間ごとに試験溶液の50％を更新する。更新後、各ビーカーに48時間ごとに1.5mLのYCTを供給します。
      3. 上記のように、雨水試料中の両生類の最終生存と実験室の井戸水での10日間生存とを比較する。
   4. 米国EPAのガイダンスに従い、慢性的な10日の生存および成長試験をmidge C. dilutusで行う。
      1. 4回の反復のそれぞれにおいて12匹の7匹の古い動物を暴露する。複製物は、200mLの試験溶液を含む300mLガラスビーカーからなる。幼虫によるチューブ構築のための基質として5mLの砂を各ミッドレンジ試験容器に供給する。
      2. 10日間の試験を実施し、魚肉スラリー（4g / L）の摂取量を増やして毎日各ビーカーについて48時間毎に試験溶液の50％を次のように更新する：0~3日目、0.5mL /日。 4~6日目、1.0mL /日; 7〜10日目、1.5mL /日。
      3. 最終的な生存率と上記のように雨水サンプルを実験室の井戸水中で10日間生存するまで増殖させる。被験生物の初期重量と比較して10日目に無灰乾燥重量として生存動物の成長を測定する。
   5. すべての毒性試験では、溶存酸素、pH、および導電率を、適切な計器および電極を使用して測定する。分光光度計を用いて非イオン化アンモニアを測定する。
      1. 試験の開始と終了時に水硬度とアルカリ度を測定する。 ¹⁰
      2. 連続記録温度計で水温を記録する。

2.総合植生排水溝効能モニタリング

1. 統合された溝構造
   注：現在の例で使用されている農業排水溝は152mの長さであり、頂部および深さ1mの半V字形断面幅が5mである。溝の植生はnの組み合わせです主に赤いフェスク（ Festuca rubra ）が播種されている。この例では、統合された栄養繁殖試験は、粒状活性炭（GAC）と植生溝と一体化した堆肥フィルタ処理で構成されています。
   1. 2つのコンポストフィルターと6つのカーボンフィルターを建設し、植生溝の3つの異なるセクションに設置します（ 図2 ）。炭素または堆肥のいずれかを充填した直径20cmの2m長の袖を使用する。
   2. 6つの袖に30Lの粒状化活性炭を充填し、これらを152m植生溝の端の近くの146m地点に配置する。 GACで満たされたスリーブを上端のワイヤステークで溝の底に固定します。
   3. 各GACスリーブの下流端に2.5 mの長さのパインボードの幅6 mの部分を置き、水路の2つの側面と底に松のボードを掘って、水をバイパスし、カーボンスリーブをアンダーカットしないようにします。プロ炭素との水接触時間を最大にするための垂直方向の支持を提供する。
   4. コンポストスリーブには、部分的に分解された庭廃棄物約15kgを地元の埋立地などの清潔な供給源から捨てる。 2 mの長さのコンポストスリーブを64 mの植生流路と152 m植生溝の長さに沿った123 mに配置する（ 図2 ）。
2. 流出シミュレーションとサンプリング
   注：このプロトコルは、統合された栄養治療システムを使用して治療有効性を評価するための擬似農業流出試験および関連モニタリングを行う方法を記述する。現在の例では、統合された植生 - 堆肥 - 炭素システムは、Salinas Valley、3.2L / sおよび6.3L / sの商業農場からの典型的な野外放電を代表する2つの流速で評価された。有機リン系農薬クロルピリホスは、適度な溶解度を有するため、これらの試験でモデル農薬として使用された従って有害生物管理に一般的に用いられる代表的な農薬の溶解度の中間範囲を表す。クロルピリホスは、農業流域への影響のために、中部カリフォルニアで進行中の規制措置の対象でもあります。目標のクロルピリホス用量は約2,600ng / Lであった。流速および目標クロルピリホス濃度は、局所灌水流出量で以前に測定された範囲内にあった3,11。植生溝を通過する水の脈動の水力滞留時間は、ここで与えられた例では監視されなかった。これらのシステムにおける滞留時間は、水の流入速度、以前の灌漑および雨による土壌の飽和度、堰および沈降池などの流れを妨げる構造物の存在および植生によって覆われる表面積の量によって変化する。これまでの研究では、小規模溝システムの場合、数時間の滞留時間がサリナスバレー^3、4 。目視観察により、GACフィルターの滞留時間は1〜2分であることが示された。
   1. 浮遊した土砂を混合した地下水を使用して模擬農業流出を作り出す。モデルの農薬であるクロルピリホスでの試験では、3.2L / sの試験ごとに、既知の容量の蒸留水に認定保存溶液を加えることにより、10mg / Lの新鮮なストック溶液を調製する。 6.3 L / s試験ごとに20 mg / Lの新鮮なクロルピリホス原液を調製する。
      1. 計量ポンプを使用して、植生処理場に入る前に流出水に一定量の原液を供給します。計量ポンプを使用して、50 mL /分のストック溶液をシミュレートされた灌水水の流れに送ります。
   2. デジタル流量計で流入流量を監視し、これらのデータを使用して、流入口に流出する流出水の総量を定量化します。
   3. thで堰を作る溝の出口とデジタル流量計に接続された出口パイプでこれを垂直にします。この計器を使用して、溝を出る流出量を記録します。
   4. デジタルメーターに接続されたデータロガーを使用して、5分間隔でフローを記録します。流入口に設置された蠕動ポンプを作動させて溝の入口より下の様々なステーション（ 例えば 23m、45m、68m）に配置し、5分間隔でステンレススチール容器への流出の複合サブサンプルを収集する。
3. 化学
   1. 各流出試験の終了時に試験からの流出水のコンポジットサンプルをアンバーガラスボトルに移し、4℃で氷上でサンプルを維持して後の毒性および化学分析に備える。
   2. GC-MSまたは酵素結合イムノソルベントアッセイ（ELISA）を使用して、全浮遊固形分（TSS）およびクロルピリホスについて複合サンプルを分析する。
   3. 「注入口」の複合サンプル（前処理）を＆＃TSSおよび農薬の負荷を低減するための一体化された溝システムの有効性を評価するための「コンセント」複合サンプル（後処理）。
4. 毒性試験
   1. バイオウォールモニタリングについて上述したように、96時間Ceriodaphnia dubia毒性試験¹⁰を用いて、各試験の入口（前処理）および出口（後処理）からの複合試料中の水柱毒性を決定した。 C. dubiaは、クロルピリホス（致死量中央値（LC50）= 53 ng / L ¹² ）に対する感受性のために農業流出毒性の適切なモニタリング種である。

結果

都市ビオスウェルの有効性

雨量18.5時間の間に、雨量計によって雨が1.52インチ記録され、駐車場からバイオスウェールに流れ込む水が50,490ガロンとなりました。この総量のうち、出口流量計によって5,248ガロンが記録されましたその結果、バイオスウェールに流入した雨水の総浸透率は90％に達し、モニタリングされたすべての化学物質が減少しました（ 表1 ）。亜鉛と銅はそれぞれ97％と92％減少しています（ 表1 ）。入口サンプルでは多くのピレスロイド系農薬が検出されています。これらのすべてがアウトレットサンプルで減少した。ピレスロイドの総濃度99％減少した。入口試料でピレスロイドビフェントリン、シペルメトリン、ラムダ - シハロトリン、ペルメトリンの毒性濃度が検出され、出口試料（ 表1 ）のH. aztecaの致死濃度中央値（LC50）以下に低...

ディスカッション

このプロトコルで説明されているプラ​​クティスは、農業灌漑および雨水流出における汚染物質を除去するための全体的な戦略の最終ステップとして意図されています。バイオショールズやその他の都市緑化インフラストラクチャーの使用は、隣接する水域に達する前に流出した汚染物質を除去するための最終的なパズルとして意図されています。このプロトコルは、現在の農薬使用に重点を置いて、都市の汚染物質に関連する毒性を除去するための処理効力を決定するために都市バイオスケールを監視する方法を強調する。

モニタリング研究の設計における重要なステップには、嵐の水文グラフを捕捉するためのモデリング手法とサンプリング設計、適切な検出限界を持つ適切な分析対象リスト、および地表水の毒性を引き起こすことが知られている都市汚染物質に適した毒性指標とエンドポイントの使用が含まれます。

例えば、フェニルピラゾール農薬フィプロニルの分解物の除去おそらく中程度の溶解度のために一致しなかった。現在のバイオスケール設計の変更は、バイオショールや他のLIDプラクティスによって完全に除去さ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
HOBOティッピングバケツデジタルロガー雨量計	Onset Computer Co., Bourne MA, USA) (米国マサチューセッツ州ボーン)	オンセット RG3	レインゲージ
メカニカルギヤードパルス流量計	Seametrics Inc., Kent WA	Seametrics MJ-R	バイオスウェール出口流量測定用流量計
Filtrexx SafteySoxx	Filtrexx Co. - info@filtrexx.com	SafetySoxx	粒状活性炭および堆肥用穴あき合成布
状活性炭	Evoqua - Siemens Corp., Oakland CA	灌漑用水処理用	AC380
デジタル流量計	Seametrics Inc.、ケント、WA	Ag2000;WMP101	農業灌漑処理システムモニタリング用流量計
データロガー	Campbell Scientific Inc., Logan, UT	CR1000	フローデータを記録するためのデータロガー
複合サンプリング用蠕動ポンプ	Omega Engineering Inc. スタンフォード CT	Omegaflex FPU-122-12VDC	複合サンプリング用ポンプ

粒 農業 GAC、