نظم معالجة الخضروات لإزالة الملوثات المرتبطة بالسمية السطحية للمياه في الزراعة والجريان السطحي في المناطق الحضرية

Environment

Your institution must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

وتلخص هذه المقالة سمات التصميم وفعالية نظم المعالجة التي تعالج مياه الأمطار العادمة في المناطق الحضرية والري الزراعي لإزالة المبيدات وغيرها من الملوثات المرتبطة بالسمية المائية.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Anderson, B. S., Phillips, B. M., Voorhees, J. P., Cahn, M. Vegetated Treatment Systems for Removing Contaminants Associated with Surface Water Toxicity in Agriculture and Urban Runoff. J. Vis. Exp. (123), e55391, doi:10.3791/55391 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

وتحتوي مياه الأمطار في المناطق الحضرية والري الزراعي على خليط معقد من الملوثات التي غالبا ما تكون سامة على المياه المتلقية المجاورة. ويمكن معالجة الجريان السطحي باستخدام نظم بسيطة مصممة لتعزيز امتصاص الملوثات في الغطاء النباتي والتربة وتعزيز التسلل. وهناك نظامان مثالان: نظام معالجة بيوسويل لمعالجة مياه الأمطار في المناطق الحضرية، وخندق تصريف نباتي لمعالجة مياه الري الزراعي. ولكلا النوعين سمات مماثلة تقلل من تحميل الملوثات في الجريان السطحي: الغطاء النباتي الذي يؤدي إلى امتصاص الملوثات إلى التربة وأسطح النباتات، وتسلل المياه. ويمكن أن تشمل هذه النظم أيضا دمج الكربون المنشط المحبب كخطوة تلميع لإزالة الملوثات المتبقية. ويتطلب تنفيذ هذه النظم في الزراعة ومستجمعات المياه الحضرية مراقبة النظام للتحقق من فعالية العلاج. ويشمل ذلك الرصد الكيميائي للملوثات المحددة المسؤولة عن السمية.وتشدد الورقة الحالية على رصد مبيدات الآفات المستخدمة حاليا، حيث أنها مسؤولة عن سمية المياه السطحية بالفقاريات المائية.

Introduction

وتنتشر سمية المياه السطحية في مستجمعات المياه في كاليفورنيا، وقد أظهرت عقود من الرصد أن السمية غالبا ما تكون بسبب المبيدات وغيرها من الملوثات 1 . المصادر الرئيسية لتلوث المياه السطحية هي مياه العواصف ومياه الري من مصادر حضرية وزراعية. وبما أن الأجسام المائية مدرجة على أنها متدهورة بسبب الملوثات وتحدد السمية من مصادر حضرية وزراعية، فإن منظمي نوعية المياه يتشاركون مع مصادر تمويل حكومية وفيدرالية لتنفيذ ممارسات للحد من تحميل الملوثات. ويجري تعزيز البنية التحتية الخضراء في مستجمعات المياه الحضرية في كاليفورنيا للحد من الفيضانات وزيادة انتعاش مياه الأمطار من خلال التسلل والتخزين. وفي حين أن التصاميم ذات التأثير المنخفض للتطوير (ليد) مكلفة بالبناء الجديد في العديد من المناطق، فإن عددا قليلا من الدراسات قد رصد فعالية هذه الأنظمة بما يتجاوز قياسات الملوثات التقليدية مثل المواد الصلبة الذائبة، والمعادن، والهيدروكربوناتالحلوى. وقد قام الرصد المكثف مؤخرا بتقييم التخفيضات في التركيزات الكيميائية والتحميل الكيميائي المسؤول عن سمية المياه السطحية، وللتحديد المباشر لما إذا كانت السمات البيولوجية تقلل من سمية الجريان السطحي. وقد بين هذا أن بيوسوالس فعالة في إزالة السمية المرتبطة ببعض الطبقات الملوثة 2 ، ولكن هناك حاجة إلى بحث إضافي للمواد الكيميائية الناشئة المثيرة للقلق.

ويجري أيضا تنفيذ نظم المعالجة النباتية في مستجمعات المياه الزراعية في ولاية كاليفورنيا، وتبين أن هذه النظم فعالة في الحد من مبيدات الآفات والملوثات الأخرى في عملية الري الزراعي 3 ، 4 . وتمثل هذه النظم مكونات مجموعة من النهج للحد من تحميل الملوثات على المياه السطحية. ولأنها تهدف إلى التخفيف من الملوثات المسؤولة عن سمية المياه السطحية، فإن أحد المكونات الرئيسية لعملية التنفيذ هو الرصد هضمان فعاليتها على المدى الطويل. ويشمل الرصد التحاليل الكيميائية للمواد الكيميائية موضع الاهتمام، وكذلك اختبار السمية مع أنواع المؤشرات الحساسة. توضح هذه المقالة البروتوكولات ونتائج الرصد ل بيوسوال لوقوف السيارات في المناطق الحضرية ونظام خندق الصرف الزراعي الزراعي.

وخصائص التصميم من بيوسوال موقف للسيارات نموذجي، مثل يمكن استخدامها لعلاج جريان العواصف في منطقة التسوق في المناطق الحضرية نموذجية متعددة الاستخدامات تعتمد على المنطقة التي يجري علاجها. في المثال الموصوف هنا، 53،286 قدم مربع من الأسفلت خلق مساحة منيع الذي يصرف إلى سويل، الذي يتكون من 4،683 قدم مربع من المناظر الطبيعية. ومن أجل استيعاب الجريان السطحي من هذه المساحة السطحية، تتألف قاع الشكل شبه المستوي، الذي يبلغ طوله 215 قدما، من سويل مع منحدر جانبي أقل من 50٪ ومنحدر طولي قدره 1٪ ( الشكل 1 ). هذا سويل يضم ثلاث طبقات بما في ذلك العشب حفنة الأصلي زرعت في 6 بوصات من التربة السطحية، لايالأحمر، بالقرب، 2.5، الأقدام، بسبب، ضغط، سوبغراد. تدفق مياه العواصف من مناطق وقوف السيارات إلى نقاط دخول متعددة على طول سويل. يتسلل الماء إلى المنطقة النباتية، ثم يتخلل الأرض ويتصرف في 4 بوصة مثقب استنزاف. هذا النظام يستنزف المياه من خلال نظام السباكة إلى الأراضي الرطبة المجاورة التي تصب في نهاية المطاف إلى الخور المحلي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. الحضرية بيوسويل رصد فعالية

  1. أخذ عينات مياه العواصف
    1. عينة 4 لتر من مياه العواصف قبل المعالجة ترك موقف للسيارات لأنها تدخل مدخل بيوسوال، ومن ثم 4 L من مياه العواصف بعد المعالجة لأنها تترك بيوسويل من خلال 4 "استنزاف مخرج.
    2. باستخدام التنبؤات الجوية المحلية، وجمع العينات في بداية، منتصف، ونهاية الهيدروغراف العاصفة. مركب العينات لتوصيف تغيرات الجريان السطحي خلال حدث العاصفة.
    3. جمع عينات 1.3 L باليد ومركبتها في زجاجة L 4 العنبر. جمع عينات مدخل في عدة فتحات كبح حيث يتدفق مياه العواصف في بيوسويل.
    4. اجمع عینات مخرج 1.3 لتر من عداد التدفق المرفق بمصفاة المخرج (الموصوفة أدناه) وقم بترکیبھا في زجاجة کھرمانیة بحجم 4 لتر.
    5. تخزين العينات المركبة على الجليد حتى يتم جمع عينة الهيدروغراف النهائي. ثم نقلها إلى المختبر وعقد في ريفرإيجيراتور في 4 درجات مئوية قبل أخذ العينات الفرعية للكيمياء واختبار السمية. عينات السفينة إلى مختبر الكيمياء في غضون 48 ساعة من جمع العينات.
  2. تحميل حساب
    1. قبل العاصفة، قم بتركيب مقياس المطر الرقمي من دلو البقشيش عن طريق ربطه بضوء أو عمود آخر متاخم لموقع بيوسوال. استخدم بيانات المطر للإشارة إلى هطول الأمطار الفوري والحالي للموقع.
    2. قم بترکیب عداد تدفق نبض مرکزي میکانیکي علی مصارف مخرج ال بيوسوال. سجل تدفق إجمالي الخروج من بيوسوال.
      ملاحظة: من المفترض الحد من حجم الجريان للحد من تحميل الكلي من الملوثات في تصاميم ليد.
    3. نموذج حجم المياه التي تقع على منطقة موقف السيارات لوقوف السيارات خلال حدث المطر عن طريق استقراء باستخدام بوصة المطر المسجلة من قبل مقياس المطر. استخدام هذه البيانات لتحديد حجم دخول نظام العلاج على أساس مساحة موقف للسيارات الكثير.
    4. استخدم إجمالي التدفق المسجل بواسطة tانه منفذ تدفق متر لحساب نسبة تسلل. حساب الفرق بين مدخل ومخرج حجم لتحديد تسلل مياه العواصف.
    5. حساب نسبة تحميل الملوثات ونسب تخفيض الحمل خلال العاصفة باستخدام مدخل ومخرج حجم بالتزامن مع القياسات التحليلية الملوثات.
    6. قياس التحاليل الكيميائية ذات الصلة بسمية المياه السطحية (كما نوقش أدناه). مجموع المجموعات الكيميائية لتبسيط حسابات الحمل وقاعدة على أساليب سمية مماثلة من العمل (على سبيل المثال ، الهيدروكربونات العطرية متعددة النوى [باهس]، مجموع بيريثرويدز، ومجموع فيبرونيل وتدهور).
  3. كيمياء
    1. تحليل جميع العينات للمعلمات التالية: مجموع المواد الصلبة العالقة (تسس)، المعادن النزرة (طريقة وكالة حماية البيئة الأمريكية 200.8 5 ؛ مقترنة بالحث البلازما الكتلة الطيفي [إيكب / مس])، و باهس (أسلوب وكالة حماية البيئة الأمريكية 625 6 ).
    2. تحليل عينات لكريبما في ذلك 9 بيريثرويدز (طريقة وكالة حماية البيئة الأمريكية SW846 8270 المعدلة 7 ؛ بيفنثرين، سيبرمثرين، فينفاليرات / إسفينفاليرات، بيرميثرين، تيترامثرين، L- سيهالوثرين، سيفلوثرين، والأليثرين)، وفيبرونيل وتدهوره الأساسي الثلاثة (كبريتيد فيبرونيل، فيبرونيل سلفون، فيبرونيل ديسولفينيل).
    3. تحليل بيريثرويدز باستخدام اللوني الغاز مطياف الكتلة (غ / مس) باستخدام التأين الكيميائي السلبي أو طريقة أخرى مناسبة لتوفير حدود الكشف الكافية. وبما أن معظم مبيدات الآفات المستخدمة حاليا شديدة السمية عند تركيزات منخفضة، فإن تحليلاتها تتطلب حدودا منخفضة للإبلاغ عن المواد الكيميائية تكون ذات صلة بتقييم المخاطر البيئية. حدود الإبلاغ طريقة ل بيريثرويدز من 0.5 نانوغرام / لتر إلى 1.0 نانوغرام / لتر لجميع بيريثرويدز باستثناء بيرميثرين (حد الإبلاغ = 10 نانوغرام / لتر).
    4. استخدام إجراء تحليلي لفيبرونيل الذي يوفر حد الإبلاغ طريقة من 1.0 نانوغرام / لتر. ولا يلزم قياس مبيدات الآفات الفوسفاتية العضويةدينغ على أنماط الاستخدام المحلي على سبيل المثال في المناطق الحضرية في كاليفورنيا 8 ، 9 .
    5. قياس المبيدات نيونيكوتينواد (على سبيل المثال ، إيميداكلوبريد) باستخدام فائقة اللوني السائل الأداء إلى جانب مطياف الكتلة الرباعي الثلاثي، والتي لديها حد الإبلاغ عن إيميداكلوبريد من 50 نانوغرام / لتر.
  4. اختبار السمية
    1. إجراء اختبارات السمية على عينات مياه العواصف مدخل وخروج مخرج باستخدام 3 أنواع الاختبار، بعد تعديل الولايات المتحدة وكالة حماية البيئة (أوسيبا) بروتوكولات الاختبار الحادة 10 . الاختبار مع كلادوسيران سيريودافنيا دوبيا يقيس البقاء على قيد الحياة بعد 96 ساعة. الاختبار مع أمفيبود هياليلا أزتيكا تدابير البقاء على قيد الحياة بعد 10 يوما. الاختبار مع ميدج تشيرونوموس ديلوتوس يقيس البقاء والنمو بعد 10 يوما.
    2. إجراء حادة 96 ساعة اختبارات البقاء مع كلادوسيران C. دوبيا التالية U.توجيهات وكالة حماية البيئة.
      1. كشف خمسة حديثي الولادة C. دوبيا في كل من مكررات خمسة من عينات مياه العواصف مدخل ومخرج. وتتكون النسخ المتماثلة من قارورة التلألؤ 20 مل يحتوي على 15 مل من محلول الاختبار.
      2. تغذية الولدان خليط من الخميرة، سيروفيل، تروت تشاو (= يكت؛ بعد توجيه وكالة حماية البيئة الأمريكية ) و سيليناستروم الطحالب 2 ساعة قبل يوميا 100٪ تجديد حلول اختبار مياه الأمطار. سجل العدد الإجمالي للبقاء على قيد الحياة حديثي الولادة يوميا.
      3. قارن بقاء C. C. دوبيا النهائي بعد 96 ساعة التعرض لعينات مدخل ومياه العواصف منفذ البقاء على قيد الحياة في معتدلة السيطرة على المياه باستخدام اختبار تي. اتبع الإجراءات الإحصائية الموصى بها من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية.
    3. إجراء الحادة 10 د اختبارات البقاء على قيد الحياة مع أمفيبود H. ازتيكا التالية توجيهات وكالة حماية البيئة الأمريكية.
      1. فضح 10، 9 أيام إلى 15 أيام أمفيبودس القديمة في كل من مكررات خمسة. ويتكون المكرر من أكواب زجاجية 300 مل تحتوي على 200 مل من محلول الاختبار.
      2. مقارنة البقاء على قيد الحياة النهائي من أمفيبودس في عينات مياه العواصف إلى 10 أيام البقاء على قيد الحياة في مختبر مياه الآبار كما هو موضح أعلاه.
    4. إجراء المزمنة 10 د البقاء على قيد الحياة والنمو الاختبارات مع ميدج C. ديلوتوس التالية توجيهات وكالة حماية البيئة الأمريكية.
      1. فضح 12، 7-د الحيوانات القديمة في كل من مكررات أربعة. وتتكون النسخ المتماثلة من 300 مل من الأكواب الزجاجية التي تحتوي على 200 مل من محلول الاختبار. توريد كل حاوية اختبار ميدج مع 5 مل من الرمال كركيزة لبناء أنبوب من قبل اليرقات.
      2. إجراء اختبارات لمدة 10 د، وتجديد 50٪ من محلول الاختبار كل 48 ساعة لكل كوب يوميا مع كمية متزايدة من الطين الأسماك الأسماك (4 غرام / لتر)، على النحو التالي: أيام 0-3، 0.5 مل / يوم. أيام 4 إلى 6، 1.0 مل / يوم؛ أيام 7-10، 1.5 مل / يوم.
      3. قارن البقاء على قيد الحياة النهائي والنمو في عينات مياه العواصف إلى البقاء على قيد الحياة لمدة 10 أيام في مياه البئر المختبرية كما هو موضح أعلاه. قياس نمو الحيوانات الباقية على قيد الحياة كمادة جافة خالية من الرماد في 10 د مقارنة الوزن الأولي للكائنات الاختبار.
    5. لجميع اختبارات السمية، وقياس الأوكسجين المذاب، ودرجة الحموضة، والموصلية باستخدام متر المناسبة والأقطاب الكهربائية. قياس الأمونيا غير المتأينة باستخدام الطيفي.
      1. قياس صلابة المياه والقلوية عند بدء وإنهاء الاختبارات. 10
      2. سجل درجة حرارة الماء مع ميزان الحرارة تسجيل مستمر.

2. المتكاملة الخضروات الزراعية الصرف الصحي خندق رصد فعالية

  1. المتكاملة الخندق البناء
    ملاحظة: خندق الصرف الزراعي المستخدمة في المثال الحالي هو 152 مترا، ولها نصف على شكل V عرض المقطع العرضي من 5 م في الجزء العلوي وعمق 1 م. الخندق الغطاء النباتي هو مزيج من نأنواع الأعشاب الناضجة في المقام الأول مع الفيسكو الأحمر ( فيستوكا روبرا ). في هذا المثال، كانت تجارب الخندق النباتية المتكاملة تتكون من الكربون المنشط المحبب (غاك) ومعالجات مرشح السماد المركب مع الخندق النباتي.
    1. بناء اثنين من مرشحات السماد وستة مرشحات الكربون وتثبيتها في ثلاثة أقسام مختلفة من الخندق الخضار ( الشكل 2 ). استخدام 2 متر طول 20 سم الأكمام الأكمام مملوءة إما الكربون أو السماد.
    2. ملء ستة الأكمام مع 30 لتر من الكربون المنشط الحبيبية ووضع هذه عبر الخندق في نقطة 146 م، بالقرب من نهاية 152 متر الخندق النباتي. قم بترسيخ أكمام غاك المليئة بقاع الخندق مع حصص الأسلاك على حافة المنبع.
    3. ضع لوحة واسعة من ألواح الصنوبر بطول 2،5 م على حافة المصب لكل من أكمام غاك وحفر ألواح الصنوبر في جانبي وأسفل القناة لتقليل تجاوز المياه وتقليل أكمام الكربون، طليعةفيد الدعم الرأسي لتحقيق أقصى قدر من الوقت الاتصال المياه مع الكربون.
    4. ملء أكوام السماد مع ما يقرب من 15 كجم كل من نفايات ساحة متحللة جزئيا من أي مصدر نظيف، مثل المكب المحلي. وضع اثنين 2 متر الأكمام كمبوست طويلة عبر القناة النباتية في 64 م و 123 م على طول 152 مترا الخندق النباتي ( الشكل 2 ).
  2. محاكاة الجريان السطحي وأخذ العينات
    ملاحظة: يصف هذا البروتوكول طرق لإجراء محاكاة التجارب الجريان الزراعي والمرتبطة بها لتقييم فعالية العلاج باستخدام نظام العلاج الخضري متكامل. وفي المثال الحالي، تم تقييم النظام المتكامل للسماد العضوي - الكربوني بمعدلات تدفق تمثل معدلات تصريف نموذجية خارج الحقل من المزارع التجارية في وادي ساليناس، و 3.2 لتر / ثانية، و 6.3 لتر / ثانية. تم استخدام كلوربيريفوس المبيد الفوسفاتي العضوي كمبيد نموذجي في هذه التجارب لأنه يحتوي على سولوبي معتدلليتي، وبالتالي يمثل متوسط ​​المدى من الذوبان من المبيدات التمثيلية المستخدمة عادة في إدارة الآفات. كلوربيريفوس هو أيضا موضوع الإجراءات التنظيمية الجارية في وسط كاليفورنيا بسبب آثاره على مستجمعات المياه الزراعية. وكانت الجرعة المستهدفة كلوربيريفوس حوالي 2600 نانوغرام / لتر. وكانت معدلات التدفق والتركيزات المستهدفة كلوربيريفوس ضمن النطاقات التي تم قياسها سابقا في الجريان الري المحلي 3 ، 11 . لم يتم رصد وقت الإقامة الهيدروليكي لنبضة المياه التي تمر عبر الخندق النباتي في المثال المذكور هنا. ويتفاوت وقت الإقامة في هذه النظم مع معدل تدفق المياه، ودرجة تشبع التربة بسبب الري والمطر السابقين، ووجود هياكل تعرقل التدفق مثل الأحواض وأحواض الترسيب، وكمية المساحة السطحية التي يغطيها الغطاء النباتي. وقد أظهرت الدراسات السابقة أوقات الإقامة لعدة ساعات لأنظمة الخندق على نطاق صغير فيساليناس فالي 3 ، 4 . أشارت الملاحظات المرئية إلى أن مدة الإقامة لمرشحات غاك كانت دقيقة أو دقيقتين.
    1. إنشاء الجريان الزراعي محاكاة باستخدام المياه الجوفية مختلطة مع الرواسب العالقة. للمحاكمات مع المبيدات نموذج، كلوربيريفوس، وإعداد محلول مخزون طازج من 10 ملغ / لتر لكل 3.2 لتر / ثانية محاكمة بإضافة حل الأوراق المالية المعتمدة لحجم معروف من الماء المقطر. إعداد محلول الأسهم كلوربيريفوس جديدة من 20 ملغ / لتر لكل محاكمة 6.3 لتر / ثانية.
      1. استخدام مضخة القياس لتوفير حجم ثابت من محلول المخزون إلى المياه الجريان قبل أن يدخل مدخل خندق معالجة الخضروات. استخدام مضخة القياس لتقديم حل الأسهم في 50 مل / دقيقة لتدفق مياه الري محاكاة.
    2. مراقبة معدل تدفق مدخل مع متر الرقمية واستخدام هذه البيانات لتحديد حجم الكلي للمياه الجريان المطبق على مدخل الخندق.
    3. بناء السد في ثe منفذ من الخندق و راسيا هذا مع أنبوب منفذ متصلا متر تدفق الرقمية. استخدام هذا المقياس لتسجيل حجم الجريان السطحي الخروج من الخندق.
    4. استخدام لوجرز البيانات المتصلة متر الرقمية لتسجيل تدفق في 5 دقائق دقيقة. برنامج تسجيل البيانات لتنشيط مضخات تحوي تقع في مدخل ومحطات مختلفة (على سبيل المثال ، 23 م، 45 م، و 68 م) تحت مدخل الحفرة لجمع العينات الفرعية المركبة من الجريان السطحي إلى حاويات الفولاذ المقاوم للصدأ على فترات 5 دقائق.
  3. كيمياء
    1. نقل عينات مركبة من مياه الجريان من التجارب في زجاجات العنبر في نهاية كل محاكمة الجريان والحفاظ على عينات على الجليد في 4 درجات مئوية للسمية في وقت لاحق والتحليلات الكيميائية.
    2. تحليل العينات المركبة لمجموع المواد الصلبة العالقة (تسس)، و كلوربيريفوس باستخدام غ-مس أو المقايسات المناعية المرتبطة الانزيم (إليسا).
    3. قارن "مدخل" عينات مركب (ما قبل المعالجة) ل & #34؛ منفذ "عينات مركب (ما بعد المعالجة) لتقييم فعالية نظام خندق متكامل للحد من تسس والأحمال المبيدات.
  4. اختبار السمية
    1. تم تحديد سمية عمود المياه في عينات مركبة من مدخل (ما قبل المعالجة) ومخرج (ما بعد المعالجة) من كل محاكمة باستخدام 96 ساعة سيريودافنيا دوبيا اختبارات السمية 10 ، كما هو موضح أعلاه لرصد بيوسويل. C. دوبيا هي أنواع الرصد المناسبة لسمية الجريان الزراعي بسبب حساسيتها للكلوربيريفوس (متوسط ​​التركيز القاتل (LC50) = 53 نانوغرام / لتر 12 ).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الحضرية بيوسوال فعالية

خلال 18.5 ساعة من العاصفة، تم تسجيل 1.52 "من المطر بواسطة مقياس المطر، ونتج عن ذلك 50.490 غالون من المياه المتدفقة من مواقف السيارات في بيوسوال، من هذا الحجم الكلي، تم تسجيل 5،248 غالون من قبل متر تدفق منفذ ، مما أدى إلى تسلل إجمالي إلى 90٪ من مياه العواصف التي تتدفق إلى بيوسويل، وخفضت بيوسوال جميع المواد الكيميائية التي تم رصدها، حيث انخفض إجمالي المواد الصلبة العالقة بنسبة 72٪ ( الجدول 1 )، وكانت تركيزات هذه المركبات منخفضة جدا عندما تم الكشف عنها، ولكن تم تخفيض جميع تركيزات الهيدروكربونات العطرية متعددة البؤر بنسبة 100٪، وتم تخفيض جميع المعادن في عينات المخرج، وتم تخفيض الزنك والنحاس بنسبة 97٪ و 92٪ على التوالي ( الجدول 1 )، وتم الكشف عن عدد من المبيدات الحشرية البيرثرويد في عينات المدخل كل هذه تم تخفيضها في عينات منفذ. إجمالي بيريثرويد كونسنتراتيتم تخفيض أونس 99٪. تم الكشف عن تركيزات السمية من بيفنثرين بيريثرويد، سيبرمثرين، لامدا-سيهالوثرين، و بيرميثرين في عينات مدخل، وخفضت إلى تركيزات أقل من متوسط ​​تركيزات قاتلة (LC50s) ل H. أزتيكا في عينات منفذ ( الجدول 1 ). على سبيل المثال، تم الكشف عن بيفنثرين في تركيز سامة في عينة مدخل وتم تخفيض بنسبة 93٪ في عينة منفذ.

كان علاج فيبرونيل فينيلبيرازول المبيدات غير متناسقة. تم الكشف عن المركب الرئيسي للفيبرونيل في عينة المدخل وتم تخفيضه بنسبة 100٪ في عينة المنفذ. تم الكشف عن التحلل فيبرونيل، فيبرونيل ديسولفينيل و فيبرونيل سلفون في عينة مدخل. تم تخفيض ديسولفينيل ديغراديت 100٪ في عينة منفذ، ولكن تدهور السلفون بنسبة 45٪. وتشمل الأسباب المحتملة للعلاج المتغير للفيبرونيل قابلية الذوبان المعتدلة. المبيدات نيونيكوتينوادلم يتم الكشف عن إيميداكلوبريد إيد في عينة مدخل.

وتختلف سمية مياه العواصف حسب الأنواع التي تم اختبارها. لم يكن أي من عينات المدخل سامة لدافنيدس ( الجدول 1 ). وكانت جميع عينات المدخل سامة ل H. أزتيكا وخفضت السمية بواسطة بيوسويل. وكان بقاء الأمفيبود 66٪ في عينة مدخل، وتحسن إلى 98٪ في منفذ. وقد لوحظت السمية إلى C. بقاء ديلوتوس في عينات مدخل ومخرج. وقد لوحظت انخفاضات معنوية في الوزن C. ديلوتوس في عينة المدخل، وتحسن النمو بشكل ملحوظ بنسبة 49٪ في عينة منفذ ( الجدول 1 ).

المتكاملة الزراعية الخضروات الصرف خندق فعالية

تباينت فعالية نظام الخنادق النباتية المتكاملة لمعالجة الكلوربيريفوس تبعا لمعدل التدفق، ولكن تسس و كلوربيريفوس في ارتفعتتم تخفيض مياه الري بشكل كبير في كل من معدلات التدفق. وكان متوسط ​​خفض تسس في التجارب الثلاث التي أجريت عند 3.2 لتر / ثانية و 6.3 لتر / ثانية 79.7٪ و 82.3٪ على التوالي. تم تخفيض كلوربيريفوس من حوالي 750 نانوغرام / لتر إلى أقل من الكشف (أقل من 50 نانوغرام / لتر) في اثنين من التجارب منخفضة معدل التدفق، وإلى تركيز يقدر من 78 نانوغرام / لتر في المحاكمة الثالثة (تحت حد الإبلاغ). تم تخفيض الكلوربيريفوس من متوسط ​​707 نانوجرام / لتر إلى أقل من 100 نانوجرام / لتر في جميع التجارب الثلاث في معدل تدفق أعلى. وعند اقترانها بالتسرب، كان متوسط ​​انخفاض الحمل 98٪ و 94٪ لمعدلات التدفق المنخفضة والعالية، على التوالي ( الجدول 2 ).

وقد لوحظت وفيات كاملة إلى C. دوبيا في جميع عينات مدخل (قبل المعالجة). اثنان من عينات منفذ 3.2 لتر / ثانية واحدة من عينات منفذ 6.3 لتر / ثانية لم تكن سامة ( الجدول 2 )، المقابلة لعينات منفذ مع ثلاثة أدنى الكلوربرييفوس التركيز حصص.

شكل 1
الشكل 1: صورة من موقف للسيارات بيوسوال. تم جمع عينات مياه العواصف (غير المعالجة) من العديد من فتحات السقوف إلى بيوسويل. تم جمع عينات مياه العواصف (المعالجة) من أنبوب تصريف يقع داخل صريف الفائض الموجود في أعلى الصورة (غير موضح). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: الرسم التخطيطي من نظام خندق الخضار متكاملة (152 م طول، وليس إلى نطاق). كان الخندق بأكمله مع الخضروات الحمراء العشب. تم وضع تركيبات السماد العضوي و غاك كما هو مبين.ftp_upload / 55391 / 55391fig2large.jpg "تارجيت =" _ بلانك "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تسمم وحدات مدخل مخرج
H. أزتيكا ٪ نجاة 66 98
C. دوبيا ٪ نجاة 100 100
C. ديلوتوس ٪ نجاة 81 71
الوزن الجاف. (ملغ) 0.39 0.77
كيمياء
TSS ملغ / L 136 38
بايفنثرين نانوغرام / L 5.6 0.4
سيفلوثرين نانوغرام / L 1.2 ND
سايبرميثرين نانوغرام / L 3.1 ND
(ES) بالفينفاليرات نانوغرام / L 0.7 ND
Fenpropathrin نانوغرام / L 3.6 ND
L-سيهالوثرين نانوغرام / L 1.3 ND
البيرميثرين نانوغرام / L 15 ND
فيبرونيل نانوغرام / L 0.8 ND
فيبرونيل ديسولفينيل نانوغرام / L 0.6 ND
فيبرونيل سولفيد نانوغرام / L ND ND
فيبرونيل سلفون نانوغرام / L 0.6 1.1
إميداكلوبريد نانوغرام / L ND ND
الكادميوم ميكروغرام / L 0.52 0.07
نحاس ميكروغرام / L 78 5.9
قيادة ميكروغرام / L 11 1
النيكل ميكروغرام / L 32 2.8
زنك ميكروغرام / L 590 15
مجموع الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات ميكروغرام / L 0.47 ND

الجدول 1: سمية وكيمياء مدخل ومخرج بيوسويل رصدت خلال عاصفة واحدة. تسس = مجموع المواد الصلبة العالقة؛ ند = لم يتم الكشف عنها.

3.2 لتر / ثانية 6.3 لتر / ثانية
1 2 3 </ td> 1 2 3
كلوربيريفوس (نغ / L)
مدخل 638 738 879 282 973 966
مخرج ND ND 78 52 82 58
النسبة المئوية للتغيير -100 -100 -91 -82 -92 -94
تسس (مغ / L)
مدخل 422 588 448 238 218 258
مخرج 46 66 176 40 52 31
لكلسنت التغيير -89 -89 -61 -83 -76 -88
السمية (٪ البقاء على قيد الحياة)
مدخل 0 0 0 0 0 0
مخرج 96 * 100 * 0 100 * 0 4
مراقبة 96 100 100 96 100 100
متوسط تخفيض كلوربيريفوس 97٪ 89٪
متوسط تسريب الجريان السطحي 52٪ 43٪
متوسط كلوربيريفوس الحد من الحمل 98٪ </ td> 94٪

جدول 2: تركيزات كلوربيريفوس، وتركيزات المواد الصلبة العالقة، ونسبة البقاء على قيد الحياة في عينات مركبة من تجارب متماثلة تقيم فعالية العلاجات الخندقية المتكاملة بمعدلات تدفق (3.2 لتر / ثانية و 6.3 لتر / ثانية). النجمة تشير إلى انخفاض كبير في السمية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتهدف الممارسات الموصوفة في هذا البروتوكول كخطوات نهائية في استراتيجية شاملة لإزالة الملوثات في الري الزراعي وجريان مياه الأمطار. ويهدف استخدام الحيازات الحيوية وغيرها من الممارسات الحضرية ليد البنية التحتية الخضراء باعتبارها قطعة النهائية من اللغز لإزالة الملوثات في الجريان السطحي قبل أن تصل إلى المياه المتاخمة المتاخمة. ويؤكد هذا البروتوكول على أساليب رصد بيوسوالس الحضرية لتحديد فعالية العلاج لإزالة السمية المرتبطة الملوثات الحضرية، مع التركيز على المبيدات استخدام الحالية.

وتشمل الخطوات الحاسمة في تصميم دراسات الرصد نهج النمذجة وتصميمات أخذ العينات من أجل التقاط الهيدروغرافيا العاصفة وقوائم التحليل المناسبة ذات حدود الكشف الكافية واستخدام مؤشرات السمية ونقاط النهاية المناسبة للملوثات الحضرية المعروفة بأنها تسبب سمية المياه السطحية.

على سبيل المثال، إزالة انحطاط فيبروني فينيلبيرازول المبيداتلتر غير متناسقة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى قابليتها للذوبان المعتدل 2 ، 13 . قد تكون هناك حاجة لتعديلات التصاميم الحيوية الحالية لمعالجة ملوثات محددة لم تتم إزالتها تماما من قبل بيوسوالس وغيرها من الممارسات ليد. على سبيل المثال، استخدام مبيدات الآفات نيونيكوتينواد عالية الذوبان في تزايد، وهذه لا سرب بسهولة لمصادر النباتات 14 . قد تتطلب معالجة مبيدات آفات أكثر قابلية للذوبان خطوات إضافية، مثل التصفية باستخدام غاك 4 .

نظم المعالجة النباتية المستخدمة لإزالة المبيدات وغيرها من الملوثات من مياه الري السطحي تجمع بين مكونات التصميم مماثلة للبيوسوال. وتشمل خنادق الصرف النباتي المتكاملة مناطق الترسب المصممة للسماح للجسيمات العالقة الخشنة بالاستقرار، تليها أقسام نباتية لمبيدات الحشرات الممزقة. وقد أظهرت الدراسات هذه العلاجات إزالة الملوثات الزراعية ذات الصلة عن طريق الترويجيتينغ تسلل، وإزالة المبيدات من خلال الامتصاص إلى الجسيمات المستقرة وأسطح النبات 15 ، 16 .

وقد أظهرت الدراسات أيضا أن كفاءة الإزالة تختلف اعتمادا على الملوثات المستهدفة، وأن المبيدات القابلة للذوبان أكثر صعوبة لإزالة 3 . وبما أن الهدف هو تقليل مبيدات الآفات إلى تركيزات غير سامة قبل دخولها المياه المستقبلة، فإن الأمر يتطلب معالجة إضافية لتكون بمثابة خطوات "صقل". وتشمل هذه استخدام انزيمات العلاج 3 ، 4 ، 17 ، ومؤخرا، واستخدام غاك.

ومن المرجح أن تكون الأنظمة التي تتضمن غاك أكثر فعالية 4 ، وقد أظهرت التجارب الأخيرة أن إيميداكلوبريد نيونيكوتينواد تمت إزالته تماما من قبل غاك في معدلات تدفق الحقل وتركيزاته (فورهيسوآخرون. ، في الصحافة 21 ). وستكون الاعتبارات العملية للمزارعين المهتمين بإدماج غاك في نظم معالجة نباتية متكاملة هي سهولة الاستخدام، والعمر المتوقع ل غاك، وتكاليف الشراء والتخلص. على سبيل المثال، تبلغ تكاليف الشراء والتخلص الحالية من غاك حوالي ثلاثة دولارات للرطل الواحد. هذه هي الموضوعات من البحوث الجارية. كما هو الحال في المثال المقدم هنا، يمكن توسيع نطاق فعالية غاك في الحقل من خلال دمج أكمام العلاج التي تمت تعبئتها من غاك في نهاية الأنظمة النباتية، بعد إزالة أجزاء الترسيب والخنادق النباتية معظم الجزيئات العالقة والملوثات 4 . وستتطلب اعتبارات التكلفة المتعلقة بتركيب وصيانة جميع مكونات نظم المعالجة النباتية المتكاملة للزراعة والجزيئات الحيوية من أجل الجريان السطحي في المناطق الحضرية إجراء دراسات جدوى تقنية - اقتصادية أكثر تفصيلا 18 .

مراقبة السميةiderations

كما تتطور أنماط استخدام مبيدات الآفات مع تنظيم الطبقات القديمة مثل الفوسفات العضوية للاستخدام في المناطق الحضرية وزيادة استخدام الطبقات الأحدث، مثل البيرثرويد، فينيل بيرازول (على سبيل المثال ، فيبرونيل) و نيونيكوتينوادس (على سبيل المثال ، إيميداكلوبريد)، سيكون من المهم استخدام أنواع الاختبار الحساسة إلى المبيدات الأكثر استخداما. النوعان المستخدمان في مثال بيوسوال الحضري الموصوف في هذه الورقة هما من بين الأنواع الأكثر حساسية لمبيدات الآفات المستخدمة حاليا. و أمفيبود H. ازتيكا حساسة للغاية لمبيدات البيرثرويد 19 وبعض الفوسفات العضوية، و C. ديلوتوس هو من بين الأنواع الأكثر حساسية لفيبرونيل وتدهوره، ونيونيكوتينويدس 20 .

ونظرا للأداء المتغير للنظم النباتية لمعالجة هذه الفئات من المبيدات، فمن المهم أن تدمج اختبارات السمية المناسبة لرصد ما بعد المعالجةز من مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية والزراعية لضمان حماية المياه المستقبلة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ويعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

تم تمويل العمل الموصوف هنا من إدارة كاليفورنيا لمبيدات الآفات ووزارة الموارد المائية بكاليفورنيا.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
HOBO tipping-bucket digital logger rain gauge  Onset Computer Co., Bourne MA, USA) Onset RG3 Rain gauge
Mechanical geared pulse flow meter  Seametrics Inc., Kent WA Seametrics MJ-R Flow meter for measuring bioswale outlet flow
Filtrexx SafteySoxx Filtrexx Co. - info@filtrexx.com SafetySoxx perforated synthetic cloth for granulated activated carbon and compost
Granulated activated carbon  Evoqua - Siemens Corp., Oakland CA AC380 GAC for agriculture irrigation water treatment
Digital flow meters  Seametrics Inc. Kent WA Ag2000; WMP101 Flow meters for agriculture irrigation treatment system monitoring
Data Loggers Campbell Scientific Inc., Logan, UT CR1000 Data loggers for recording flow data
Peristaltic pumps for composite sampling Omega Engineering Inc. Stamford CT Omegaflex FPU-122-12VDC  Pumps for composite sampling

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Anderson, B. S., Hunt, J. W., Markewicz, D., Larsen, K. Toxicity in California Waters, Surface Water Ambient Monitoring Program. California Water Resources Control Board. Sacramento, CA. (2011).
  2. Anderson, B. S., Phillips, B. M., Voorhees, J. P., Siegler, K., Tjeerdema, R. S. Bioswales reduce contaminants associated with toxicity in urban stormwater. Environ Toxicol Chem. 35, (12), 3124-3134 (2016).
  3. Anderson, B. S., et al. Pesticide and toxicity reduction using an integrated vegetated treatment system. Environ Toxicol Chem. (30), 1036-1043 (2011).
  4. Phillips, B. M., et al. Mitigation Strategies for Reducing Aquatic Toxicity from Chlorpyrifos in Cole Crop Irrigation Runoff. California Department of Pesticide Regulation. Sacramento, CA. (2014).
  5. U.S. EPA. Method 1640: Determination of Trace Elements in Ambient Waters by On-Line Chelation Pre-concentration and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. (Office of Water. Washington, DC. EPA 821-R-95-033, 65 (1995).
  6. U.S. EPA. Methods for organic chemical analysis of municipal and industrial wastetwater, Method 625- Base/neutrals and acids. Washington Office of Water. DC, 20460. U.S. EPA Appendix A to Part 136, 42 (1984).
  7. U.S. EPA. Method 1656: Determination of Non-conventional Pesticides in Municipal and Industrial Wastewater, Volume I. Revision 1 . Office Water. Washington, DC. EPA 821/R-93-010-A, 59 (1993).
  8. Johnson, H. M., Domagalski, J. L., Saleh, D. K. Trends in Pesticide Concentrations in Streams of the Western United States. J Am Water Resour Assoc. 47, (2), 265-286 (1993).
  9. Siegler, K., Phillips, B. M., Anderson, B. S., Voorhees, J. P., Tjeerdema, R. S. Temporal and spatial trends in sediment contaminants associated with toxicity in California watersheds. Environ Poll. 1-6 (2015).
  10. U.S. EPA. Methods for measuring acute toxicity of effluents and receiving water to freshwater and marine organisms. Office of Research and Development. Washington, DC. EPA-821-R-02-012, 275 (2002).
  11. Phillips, B. M., Anderson, B. S., Siegler, K., Voorhees, J. P., Tjeerdema, R. S. Optimization of an Integrated Vegetated Treatment System Incorporating Landguard A900 Enzyme: Reduction of Water Toxicity Caused by Organophosphate and Pyrethroid Pesticides. Final Report. Resource Conservation District of Monterey County and the United States Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service and The California Department of Pesticide Regulation. Available from: http://www.cdpr.ca.gov/docs/emon/surfwtr/contracts/ucdavis_09-C0079_final.pdf (2012).
  12. Bailey, H. C., et al. Joint acute toxicity of diazinon and chlorpyrifos to Ceriodaphnia dubia. Environ Toxicol Chem. 16, 2304-2308 (1997).
  13. Supowit, S., Sadaria, A. M., Reyes, E. J., Halden, R. U. Mass balance of fipronil and total toxicity of fipronil-related compounds in process streams during conventional wastewater and wetland treatment. Environ Sci Technol. 50, (3), 1519-1526 (2016).
  14. Stang, C., Bakanov, N., Schulz, R. Experiments in water-macrophyte systems to uncover the dynamics of pesticide mitigation processes in vegetated surface waters/streams. Environ Sci Pollut Res. (2015).
  15. Schulz, R. Field studies on exposure, effects, and risk mitigation of aquatic nonpoint-source insecticide pollution: A review. J Environ Qual. 33, (2), 419-448 (2004).
  16. Moore, M. T., et al. Transport and fate of atrazine and lambda-cyhalothrin in a vegetated drainage ditch in the Mississippi Delta. Agric Ecosyst Environ. 87, 309-314 (2001).
  17. Phillips, B. M., et al. The Effects of the Landguard A900 Enzyme on the Macroinvertebrate Community in the Salinas River, California, United States of America. Arch Environ Contam Toxicol. 70, (2), Salinas River, California. 231-240 (2016).
  18. Han, W., Fang, J., Liu, X., Tang, J. Techno-economic feasibility evaluation of a combined bioprocess for fermentative hydrogen production from food waste. Bioresource Technology. 107-112 (2016).
  19. Solomon, K. R., Giddings, J. M., Maund, S. J. Probabilistic risk assessment of cotton pyrethroids: I. Distributional analysis of laboratory aquatic toxicity data. Environ Toxicol Chem. 20, 652-659 (2001).
  20. Weston, D. P., Lydy, M. J. Toxicity of the Insecticide Fipronil and Its Degradates to Benthic Macroinvertebrates of Urban Streams. Environ Sci Tech. (2014).
  21. Voorhees, J. P., Anderson, B. S., Phillips, B. M., Tjeerdema, R. S. Carbon treatment as a method to remove imidacloprid from agriculture runoff. Bull Environ Contam Toxicol. (2017).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics