Системы растительного обогащения для удаления загрязнителей, связанных с токсичностью поверхностных вод в сельском хозяйстве и городском стоке

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

Эта статья суммирует атрибуты дизайна и эффективность систем очистки, которые обрабатывают городской ливневой и сельский орошаемый сток для удаления пестицидов и других загрязнителей, связанных с водной токсичностью.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

В городских ливневых стоках и сельском оросительном стоке содержится сложная смесь загрязняющих веществ, которые часто токсичны для смежных водоприемников. Среда может обрабатываться простыми системами, предназначенными для содействия сорбции загрязнителей растительностью и почвами и содействия инфильтрации. Описаны две примерные системы: система обработки биосферы для обработки городских ливневых вод и дренажная канава с растительностью для обработки орошаемого земледелия. Оба имеют сходные признаки, которые уменьшают загрязняющие вещества в стоке: растительность, которая приводит к сорбции загрязняющих веществ к поверхности почвы и растений, а также к инфильтрации воды. Эти системы могут также включать интеграцию гранулированного активированного угля в качестве этапа полировки для удаления остаточных загрязнителей. Реализация этих систем в сельском хозяйстве и городских водоразделах требует системного мониторинга для проверки эффективности лечения. Это включает в себя химический мониторинг для конкретных загрязнителей, ответственных за токсичность.В настоящем документе делается упор на мониторинг использования пестицидов, используемых в настоящее время, поскольку они отвечают за токсичность поверхностных вод для водных беспозвоночных.

Introduction

Токсичность поверхностных вод распространена в водосборах Калифорнии, и десятилетия мониторинга показали, что токсичность часто связана с пестицидами и другими загрязнителями 1 . Основными источниками загрязнения поверхностных вод являются ливневой и оросительный стоки из городских и сельскохозяйственных источников. Поскольку водные объекты считаются деградированными из-за загрязнителей, а токсичность определяется из городских и сельскохозяйственных источников, партнеры по контролю качества воды сотрудничают с государственными и федеральными источниками финансирования для внедрения методов снижения нагрузки загрязняющих веществ. Зеленая инфраструктура продвигается в городских водоразделах Калифорнии, чтобы уменьшить наводнения и увеличить восстановление ливневых стоков через инфильтрацию и хранение. В то время как проекты с низким уровнем воздействия (LID) вводятся в действие для нового строительства во многих регионах, в немногих исследованиях был проведен мониторинг эффективности этих систем за пределами измерений обычных загрязнителей, таких как растворенные твердые вещества, металлы и углеводородыбоны. В последнее время более интенсивный мониторинг оценивает снижение химических концентраций и химических нагрузок, ответственных за токсичность поверхностных вод, и прямое определение того, снижают ли биосвиты токсичность стока. Это показало, что биосвины эффективны в устранении токсичности, связанной с некоторыми классами загрязнителей 2 , однако для новых химических веществ, вызывающих озабоченность, необходимы дополнительные исследования.

Растительные системы очистки также внедряются в водосборных бассейнах в Калифорнии, и они показали свою эффективность в снижении количества пестицидов и других загрязняющих веществ в сельском хозяйстве на орошение 3 , 4 . Эти системы представляют собой компоненты комплекса подходов к снижению нагрузки загрязняющих веществ на поверхностные воды. Поскольку они предназначены для уменьшения загрязняющих веществ, ответственных за токсичность поверхностных вод, ключевым компонентом процесса осуществления является мониторингИх долгосрочной эффективности. Мониторинг включает как химический анализ химических веществ, вызывающих озабоченность, так и испытания на токсичность с чувствительными индикаторными видами. В этой статье описываются протоколы и результаты мониторинга для биотоплива городской парковки и сельскохозяйственной системы с растительным дренажным каналом.

Характеристики конструкции типичной биотоплива для парковки, такие как могут использоваться для обработки стока бури в типичной смешанной городской городской парковке, зависят от обрабатываемой области. В примере, описанном здесь, 53 286 квадратных футов асфальта создают непроницаемую площадь поверхности, которая стекает к swale, который состоит из 4683 квадратных футов озеленения. Для размещения стока из этой поверхности, канал длиной в 215 футов с плоским дном, с полу-V образными каналами, включает в себя наклон с боковым уклоном менее 50% и продольным наклоном 1% ( рисунок 1 ). Эта сваи состоит из трех слоев, включая родную пучевую траву, посаженную в 6 дюймах верхнего слоя почвы,Красный более 2,5 футов уплотненного грунтового основания. Штормовая вода течет от парковочных зон к нескольким точкам входа вдоль сугроба. Вода инфильтрирует растительный покров, затем пропитывает земляное полотно и стекает в 4-дюймовый перфорированный дренаж. Эта система стекает вода через систему, установленную на соседний водно-болотный угодья, который в конечном счете стекает в местный ручей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Мониторинг эффективности городского биосферы

  1. Отбор проб бурильной воды
    1. Образец 4 л предварительной обработки ливневой воды покидает стоянку, когда она входит в вход для биотоплива, а затем 4 л ливневой воды после обработки, когда она покидает биосверну через 4-дюймовый сливной канал.
    2. Используя местные прогнозы погоды, собирайте образцы в начале, середине и конце гидрографа бури. Составьте образцы для характеристики изменчивости стока во время штормового события.
    3. Соберите образцы объемом 1,3 л вручную и соедините их в 4-литровой бутылке янтарного цвета. Собирайте впускные пробы в нескольких отверстиях бордюра, в которые ливневые воды поступают в биомассу.
    4. Соберите 1,3 л выходных проб из расходомера, прикрепленного к сливному отверстию (описанного ниже), и соедините их в 4-литровой бутылке янтарного цвета.
    5. Храните собранные образцы на льду до сбора окончательного образца гидрографа. Затем транспортируйте их в лабораторию и держите в refrIgerator при 4 ° C до подвыборки для химического и токсического тестирования. Отгрузите образцы в лабораторию химии в течение 48 часов после сбора проб.
  2. Расчет нагрузки
    1. Перед штормом установите цифровой индикатор дождя с помощью опрокидывающего ковша, подсоединив его к свету или другому полюсу рядом с местом биозащиты. Используйте данные дождя, чтобы указать мгновенное и общее количество осадков для сайта.
    2. Установите механический редукторный импульсный расходомер на сливные отверстия в биосети. Запишите общий поток, выходящий из биосферы.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Предполагается, что уменьшение объема стока уменьшает общую загрузку загрязнителей в конструкциях LID.
    3. Моделируйте объем воды, попадающей в зону охвата стоянки автомобилей во время дождя, путем экстраполяции с использованием дюймов дождя, зарегистрированных дождемером. Используйте эти данные, чтобы определить объем, поступающий в систему обработки, исходя из площади поверхности для парковки.
    4. Используйте общий поток, записанный tОн расходомер на выходе, чтобы рассчитать процент проникновения. Рассчитайте разницу между объемом впуска и выпуска для определения инфильтрации ливневых вод.
    5. Рассчитайте процентное содержание загрязнений и снижение нагрузки во время шторма с использованием объема впуска и выпуска в сочетании с аналитическими измерениями загрязнения.
    6. Измерьте химические анализы, которые имеют отношение к токсичности поверхностных вод (см. Ниже). Всего химических групп для упрощения расчетов нагрузки и базы на их аналогичных токсичных способов действия ( например , общая polyuclearly ароматических углеводородов [ПАУ], общего pyrethroids и общего фипронил и деградации).
  3. Химия
    1. Проанализируйте все образцы по следующим параметрам: общее содержание взвешенных веществ (TSS), следовые металлы (метод USEPA 200,8 5 , масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой [ICP / MS]) и PAH (метод USEPA 625 6 ).
    2. Анализ образцов для curreNt-use городских пестицидов, включая 9 пиретроидов (метод USEPA SW846 8270, модифицированный 7 , бифентрин, циперметрин, фенвалерат / эсфенвалерат, перметрин, тетраметрин, L-цигалотрин, цифлутрин и аллетрин) и фипронил и его три первичных деградата (фипронилсульфид, Фипронил сульфон, фипронилдесульфинил).
    3. Анализ пиретроидов методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ / МС) с использованием отрицательной химической ионизации или другим подходящим методом для обеспечения адекватных пределов обнаружения. Поскольку большинство пестицидов, применяемых в настоящее время, являются высокотоксичными при низких концентрациях, их анализ требует низких лимитов отчетности по химическим веществам, которые необходимы для оценки экологического риска. Метод, указывающий пределы содержания пиретроидов, составляет от 0,5 нг / л до 1,0 нг / л для всех пиретроидов, за исключением перметрина (предел отчетности = 10 нг / л).
    4. Используйте аналитическую процедуру для фипронила, которая обеспечивает лимит отчетности метода 1,0 нг / л. Органофосфатные пестициды не требуют измеренияНапример, в городских районах Калифорнии 8 , 9 .
    5. Измерьте неоникотиноидные пестициды ( например , имидаклоприд), используя ультраэффективную жидкостную хроматографию, соединенную с тройным квадрупольным масс-спектрометром, который имеет предел отчетности для имидаклоприда 50 нг / л.
  4. Тестирование токсичности
    1. Проводят тесты на токсичность композитных входных и выходных образцов ливневой воды с использованием 3 видов испытаний, следуя протоколу острого протокола испытаний Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) 10 . Тест с cladoceran Ceriodaphnia dubia измеряет выживаемость через 96 часов. Тест с амфиподом Hyalella azteca измеряет выживаемость через 10 дней. Тест с мошкой Chironomus dilutus измеряет выживаемость и рост через 10 дней.
    2. Проводят острую 96-часовую выживаемость с Cladoceran C. dubia после U.Руководство С. АООС.
      1. Выставляйте пять новорожденных C. dubia в каждом из пяти повторов образцов входной и выходной ливневых вод. Репликации состоят из 20-мл сцинтилляционных флаконов, содержащих 15 мл тестового раствора.
      2. Кормите новорожденных смесь дрожжей, cerophyll, форели чау (= YCT, после руководства США по охране окружающей среды) и водорослей Селенастум 2 ч до ежедневного 100% обновления ливневых испытаний. Ежедневно регистрируйте общее число выживших новорожденных.
      3. Сравните конечную выживаемость C. dubia после 96-часового воздействия на входные и выходные образцы ливневой воды для выживания в умеренно жесткой контрольной воде с помощью t-теста. Следуйте статистическим процедурам, рекомендованным US EPA.
    3. Проводят тесты на острую 10- суточную выживаемость с амфиподом H. azteca, следуя указаниям Агентства США по охране окружающей среды.
      1. Выставляйте 10, 9 дней до 15 дней амфиподам в каждом из пяти повторов. Репликации состоят из стеклянных стаканов объемом 300 мл, содержащих 200 мл тестового раствора.
      2. Сравните окончательную выживаемость амфипод в образцах ливневых до 10 дней выживания в лабораторных колодцах, как описано выше.
    4. Проведите хронические 10- дневные испытания на выживаемость и рост с помощью мошка C. dilutus, следуя указаниям Американского агентства по охране окружающей среды.
      1. Выставляйте 12, 7-d старых животных в каждом из четырех повторов. Репликации состоят из стеклянных стаканов объемом 300 мл, содержащих 200 мл тестового раствора. Поставьте каждый тестовый контейнер для теста на 5 мл песка в качестве субстрата для построения трубки личинками.
      2. Проводите тесты в течение 10 дней и каждые 50 часов проверяйте раствор каждые 48 часов для каждого стакана с увеличением количества рыбной суспензии (4 г / л) следующим образом: дни от 0 до 3, 0,5 мл / день; Дни 4-6, 1,0 мл / сут; Дней 7-10, 1,5 мл / сут.
      3. Сравните окончательную выживаемость иРост в образцах ливневой до 10-й выживания в лабораторных скважинах, как описано выше. Измеряют рост выживших животных в виде сухой массы без золы на 10 d по сравнению с исходной массой тестируемых организмов.
    5. Для всех тестов токсичности измерьте растворенный кислород, pH и проводимость с помощью соответствующих счетчиков и электродов. Измерьте неионизированный аммиак с помощью спектрофотометра.
      1. Измерьте жесткость воды и щелочность при начале и завершении испытаний. 10
      2. Запишите температуру воды с помощью термометра непрерывной записи.

2. Комплексный вегетационный мониторинг эффективности дренажных канав

  1. Комплексное сооружение канав
    ПРИМЕЧАНИЕ. В нынешнем примере дренажная канава для сельского хозяйства имеет длину 152 м и имеет ширину поперечного сечения в полуширине V, равную 5 м, и глубину 1 м. Растительность канавы представляет собой комбинацию из nАтивные травянистые виды, в основном заселенные овсяницей ( Festuca rubra ). В этом примере комплексные испытания вегетативной канавки состояли из обработок гранулированного активированного угля (GAC) и компостного фильтра, интегрированного с растительным рвом.
    1. Постройте два фильтра компоста и шесть угольных фильтров и установите их в трех различных частях растительного рва ( рис. 2 ). Используйте рукава длиной 20 см диаметром 20 см, заполненные либо углеродом, либо компостом.
    2. Заполните шесть рукавов 30 л гранулированного активированного угля и поместите их через кювету в точке 146 м, ближе к концу 152 м растительного рва. Закрепите втулки, заполненные GAC, до дна канавки проволочными кольцами на переднем крае.
    3. Разместите сосновую доску шириной 6 дюймов шириной 6 дюймов по нижнему краю каждой гильзы GAC. Вырежьте сосновые доски по обеим сторонам и дну канала, чтобы минимизировать обводнение и подрезание угольных рукавов водой. профессионалВертикальная поддержка для максимального увеличения времени контакта воды с углеродом.
    4. Наполните компостные рукава приблизительно 15 кг каждого из частично разложившихся отходов из любого чистого источника, такого как местная свалка. Расположите два рукава компоста длиной 2 м по растительному каналу на высоте 64 м и на 123 м по длине просечного канала 152 м ( рис. 2 ).
  2. Моделирование стока и выборка
    ПРИМЕЧАНИЕ. В этом протоколе описываются методы проведения имитируемых исследований сельскохозяйственного стока и связанного с ним мониторинга для оценки эффективности лечения с использованием интегрированной системы вегетативной обработки. В данном примере комплексная система растительного компоста-углерод была оценена с двумя скоростями потока, которые представляли собой нормы, типичные для выноса полевых хозяйств из коммерческих хозяйств в долине Салинас, 3,2 л / с и 6,3 л / с. Органофосфатный пестицид chlorpyrifos был использован в качестве модельного пестицида в этих исследованиях, поскольку он имеет умеренные солюбиИ, следовательно, представляет собой среднюю степень растворимости репрезентативных пестицидов, обычно используемых при борьбе с вредителями. Chlorpyrifos также является предметом текущих регуляторных действий в центральной Калифорнии из-за его воздействия на сельскохозяйственные водосборные бассейны. Доза целевого хлорпирифоса составляла приблизительно 2600 нг / л. Скорости потока и целевые концентрации хлорпирифоса находились в пределах диапазонов, ранее измеренных в местном орошаемом стоке 3 , 11 . В примере, приведенном здесь, не контролировалось гидравлическое время пребывания для импульса воды, проходящей по растительному канаву. Время пребывания в этих системах варьируется в зависимости от скорости поступления воды, степени насыщенности почвы из-за предшествующего орошения и дождя, наличия структур, препятствующих потоку, таких как водосливы и осадконакопители, а также площади поверхности, покрытой растительностью. В предыдущих исследованиях было показано, что для небольших систем канав в течение нескольких часовДолина Салинас 3 , 4 . Визуальные наблюдения показали, что время пребывания для фильтров GAC составляет одну или две минуты.
    1. Создайте искусственный сельскохозяйственный сток, используя грунтовые воды, смешанные с взвешенными отложениями. Для испытаний с модельным пестицидом, хлорпирифосом, подготовьте свежий исходный раствор 10 мг / л для каждого испытания 3,2 л / с, добавив сертифицированный исходный раствор в известный объем дистиллированной воды. Подготовьте свежий маточный раствор хлорпирифоса по 20 мг / л на каждые 6,3 л / с.
      1. Используйте дозирующий насос, чтобы обеспечить постоянный объем исходного раствора в сточной воде до того, как он попадет в входе в растительный канал. Используйте дозирующий насос, чтобы доставлять исходный раствор со скоростью 50 мл / мин в поток имитирующей оросительной воды.
    2. Контролируйте расход на входе с помощью цифрового счетчика и используйте эти данные для количественного определения общего объема сточной воды, подаваемой на вход канала.
    3. Постройте плотину приE на выходе из кювета и отвесить его с выпускной трубой, подключенной к цифровому расходомеру. Используйте этот счетчик, чтобы записать объем стока, выходящего из кювета.
    4. Используйте регистраторы данных, подключенные к цифровым счетчикам, для записи потока с интервалом в 5 минут. Запрограммируйте регистраторы данных, чтобы активировать перистальтические насосы, расположенные на входе и на различных станциях ( например , 23 м, 45 м и 68 м) под входом в канаву, чтобы собрать составные подвыборки стока в контейнеры из нержавеющей стали с интервалом в 5 мин.
  3. Химия
    1. Передача композитных проб сточной воды из испытаний в бутылки из янтарного стекла в конце каждого испытания на отведение и сохранение образцов на льду при температуре 4 ° C для последующей токсичности и химических анализов.
    2. Проанализируйте составные образцы для общего содержания взвешенных твердых веществ (TSS) и хлорпирифоса с использованием ГХ-МС или фермент-связанных иммуносорбентных анализов (ELISA).
    3. Сравните «входные» композитные образцы (предварительная обработка) до &34, выходных "композиционных образцов (после обработки) для оценки эффективности интегрированной системы канав для снижения TSS и пестицидных нагрузок.
  4. Тестирование токсичности
    1. Определение токсичности водного столба проводилось в композитных образцах из входных (предварительная обработка) и выходных (после обработки) каждого опыта с использованием 96- часовых токсикозависимых тестов Ceriodaphnia dubia 10 , как описано выше для мониторинга биосферы. C. dubia является подходящим видом мониторинга для токсичности сточных вод из-за своей чувствительности к хлорпирифосу (средняя летальная концентрация (LC50) = 53 нг / л 12 ).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Эффективность городского биотоплива

Во время 18,5 часов бури 1,52 "дождь был зарегистрирован дождем колеи, и это привело к 50490 галлонов воды, протекающей от парковочных мест в bioswale.Из этого общего объема, 5,248 галлонов были зарегистрированы на выходе расходомер , Что привело к полной инфильтрации 90% ливневой воды, которая впадала в биомассу.Биросвал уменьшал все контролируемые химические вещества.Общие взвешенные твердые вещества были уменьшены на 72% ( таблица 1 ) .Концентрации ПАУ были очень низкими, когда они были обнаружены, Но все концентрации ПАУ были снижены на 100%, все металлы были восстановлены в выходных образцах, цинк и медь были уменьшены на 97% и 92% соответственно ( табл. 1 ). Ряд пиретроидных пестицидов был обнаружен во входных образцах и Все они были уменьшены в выходных образцах. Общее содержание пиретроидовБыли снижены на 99%. Токсичные концентрации пиретроидов бифентрин, циперметрин, лямбда-цигалотрин и перметрин были обнаружены во входных образцах и снижены до концентраций ниже средних летальных концентраций (LC50s) для H. azteca в выходных образцах ( табл. 1 ). Например, бифентрин был обнаружен при токсичной концентрации во входном образце и уменьшен на 93% в выходном образце.

Лечение пестицида фенилпиразола фипронил было непоследовательным. Исходное соединение фипронила было обнаружено во входном образце и было уменьшено на 100% в выходном образце. Фипронил деградирует, фипронил сульфинил и фипронил сульфон были обнаружены во входном образце. Десульфинилдегранат был снижен на 100% в выходном образце, но деградация сульфона увеличилась на 45%. Возможные причины варьирования лечения фипронила включают его умеренную растворимость. Неоникотиноидные пестицидыИмидаклоприд не был обнаружен во входном образце.

Токсичность ливневой воды варьировала по видам испытуемых. Ни один из входных образцов не был токсичным для дафнидов ( табл. 1 ). Все входные пробы были токсичны для H. azteca, и токсичность была снижена биосом. Выживаемость амфипод составляла 66% во входном образце и улучшалась до 98% на выходе. Токсичность по выживанию C. dilutus наблюдалась во входных и выходных образцах. Значительные сокращения веса C. dilutus наблюдались во входном образце, и рост значительно улучшался на 49% в выходном образце ( таблица 1 ).

Эффективность дренажной канавки с интегрированным агротехническим дренажем

Эффективность комплексной системы растительного покрова для обработки хлорпирифоса варьировалась в зависимости от скорости потока, но TSS и хлорпирифос в шипахИрригационная вода была значительно снижена при обоих расходах. Среднее сокращение ТКС в трех испытаниях, проводимых при 3,2 л / с и 6,3 л / с, составило 79,7% и 82,3% соответственно. Хлорпирифос был снижен с приблизительно 750 нг / л до менее обнаружения (менее 50 нг / л) в двух из испытаний с низкой скоростью потока и с оценочной концентрацией 78 нг / л в третьем исследовании (ниже предела отчетности). Хлорпирифос снижался от среднего значения 707 нг / л до менее 100 нг / л во всех трех испытаниях при более высоком расходе. В сочетании с инфильтрацией среднее снижение нагрузки составило 98% и 94% для низкого и высокого расхода соответственно ( таблица 2 ).

Полная смертность от C. dubia наблюдалась во всех входных образцах (предварительная обработка). Два из 3,2 л / с выходных образцов и один из 6,3 л / с выходных образцов не токсичны ( табл. 2 ), что соответствует выходным образцам с тремя самыми низкими концентрациями хлорпирифоса рационы.

Рисунок 1
Рисунок 1: Изображение биосбыта парковки. Образцы ливневых (необработанных) проб личинок собирались с нескольких бордюрных отверстий в биомассу. Образцы ливневых (обработанных) ливней были собраны из дренажной трубы, расположенной внутри переливной колосниковой решетки, расположенной в верхней части изображения (не показано). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

фигура 2
Рисунок 2: Принципиальная схема интегрированной системы растительного канала (длина 152 м, а не в масштабе). Целая канава была засажена травой красной типчаки. Установки компоста и GAC были размещены, как показано.Ftp_upload / 55391 / 55391fig2large.jpg "target =" _ blank "> Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

токсичность Единицы впуск Выход
H. azteca % Выживания 66 98
C. dubia % Выживания 100 100
C. dilutus % Выживания 81 71
Сухое вес. (Мг) 0,39 0,77
Химия
TSS мг / л 136 38
бифентрин нг / л 5,6 0,4
цифлутрин нг / л 1.2 Северная Дакота
циперметрин нг / л 3,1 Северная Дакота
(Es) Фенвалерат нг / л 0.7 Северная Дакота
фенпропатрин нг / л 3,6 Северная Дакота
L-Цигалотрин нг / л 1,3 Северная Дакота
перметрин нг / л 15 Северная Дакота
фипронил нг / л 0.8 Северная Дакота
Фипронил-десульфинил нг / л 0.6 Северная Дакота
Fipronil Sulfide нг / л Северная Дакота Северная Дакота
Фипронил сульфон нг / л 0.6 1,1
имидаклоприд нг / л Северная Дакота Северная Дакота
Кадмий мкг / л 0,52 0,07
медь мкг / л 78 5,9
Свинец мкг / л 11 1
никель мкг / л 32 2,8
цинк мкг / л 590 15
Всего ПАУ мкг / л 0,47 Северная Дакота

Таблица 1: Токсичность и химия входов и выходов биоресурсов, наблюдаемых во время одного шторма. TSS = общее содержание взвешенных веществ; ND = не обнаружено.

3,2 литров в секунду 6.3 литров в секунду
1 2 3 </ TD> 1 2 3
Хлорпирифос (нг / л)
впуск 638 +738 879 282 +973 +966
Выход Северная Дакота Северная Дакота 78 52 82 58
Процент изменения -100 -100 -91 -82 -92 -94
TSS (мг / л)
впуск 422 588 448 238 218 258
Выход 46 66 176 40 52 31
вСмена -89 -89 -61 -83 -76 -88
Токсичность (% выживаемости)
впуск 0 0 0 0 0 0
Выход 96 * 100 * 0 100 * 0 4
контроль 96 100 100 96 100 100
Avg. Уменьшение хлорпирифоса 97% 89%
Avg. Инфильтрация стоков 52% 43%
Avg. Уменьшение нагрузки Chlorpyrifos 98% </ TD> 94%

Таблица 2: Концентрации хлорпирифоса, общая концентрация взвешенных твердых веществ и процентная выживаемость в композитных образцах из повторных испытаний, оценивающих эффективность комплексных обработок канав при двух расходах (3,2 л / с и 6,3 л / с). Звездочка указывает на значительное снижение токсичности.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Методы, описанные в этом протоколе, предназначены в качестве заключительных шагов в общей стратегии по удалению загрязнителей в сельском ирригационном и ливневом стоках. Использование биосвидетельств и других методов жизнеобеспечения в городской зеленой инфраструктуре предназначено в качестве окончательной части головоломки для удаления загрязняющих веществ во время стока до того, как они достигнут соседних принимающих вод. В этом протоколе подчеркиваются методы мониторинга городских бишоков для определения эффективности лечения для устранения токсичности, связанной с городскими загрязнителями, с упором на современные пестициды.

Критические шаги в разработке исследований по мониторингу включают в себя подходы к моделированию и схемы отбора проб для съемки гидрографов штормов, соответствующие списки анализируемых веществ с адекватными пределами обнаружения и использование показателей токсичности и конечных точек, подходящих для городских загрязнителей, которые, как известно, вызывают токсичность поверхностной воды.

Например, удаление дегра- датов пестицида фриппиразола фипрониL были непоследовательными, вероятно, из-за его умеренной растворимости 2 , 13 . Модификации текущих конструкций биосферы могут потребоваться для устранения конкретных загрязнителей, которые не полностью удалены биосферами и другими практиками ПЗП. Например, возрастает использование высокорастворимых неоникотиноидных пестицидов, и они не могут легко сорбироваться в растительных источниках 14 . Обработка более растворимых пестицидов может потребовать дополнительных шагов, таких как фильтрация с использованием GAC 4 .

Растительные системы обработки, используемые для удаления пестицидов и других загрязнителей из сельскохозяйственного орошаемого стока, комбинируют конструктивные компоненты, подобные биосвинам. Встроенные дренажные канавы с растительным покровом включают в себя седиментационные участки, предназначенные для осаждения крупных взвешенных частиц, а затем растительные участки для сорбции пестицидов. Исследования показали, что эти методы лечения устраняют загрязняющие вещества, связанные с сельскимИнфильтрации и удаления пестицидов путем сорбции на осевшие частицы и поверхности растений 15 , 16 .

Исследования также показали, что эффективность удаления зависит от целевого загрязнителя и что более растворимые пестициды более трудно удалить 3 . Поскольку цель заключается в сокращении пестицидов до нетоксичных концентраций, прежде чем они попадут в принимающие воды, требуется дополнительное лечение для выполнения «полирующих» этапов. К ним относятся использование лечебных ферментов 3 , 4 , 17 , а в последнее время использование GAC.

Системы, которые включают GAC, вероятно, будут более эффективными 4 , и недавние эксперименты продемонстрировали, что неоникотиноидный имидаклоприд был полностью удален GAC при скоростях полевого потока и концентрациях (Voorheesи другие. , В прессе 21 ). Практические соображения для фермеров, заинтересованных в включении ПКК в комплексные системы растительного лечения, будут удобство в использовании, ожидаемая продолжительность жизни ПКК, а также затраты на закупку и утилизацию. Например, текущие затраты на закупку и удаление для ПКК составляют приблизительно три доллара за фунт. Это темы текущих исследований. Как и в представленном здесь примере, эффективность GAC в поле может быть увеличена за счет включения обработанных рукавов GAC в конце вегетационных систем после того, как седиментационные и вегетационные канавы удалили большинство взвешенных частиц и загрязнителей 4 . Соображения, связанные с затратами на установку и обслуживание всех компонентов комплексных систем обработки растительного покрова для сельского хозяйства и биобезопасности для городского стока, потребуют более подробных технико-экономических обоснований 18 .

Контроль токсичностиiderations

Поскольку модели использования пестицидов развиваются с регулированием более старых классов, таких как органофосфаты для городского использования, и с более широким использованием более новых классов, таких как пиретроиды, фенилпиразолы ( например , фипронил) и неоникотиноиды ( например , имидаклоприд), важно использовать чувствительные к тестированию виды К наиболее часто используемым пестицидам. Два вида, используемые в примере городской биосферы, описанные в этом документе, относятся к числу наиболее чувствительных видов к пестицидам, используемым в настоящее время. Амфипод H. azteca очень чувствителен к пиретроидным пестицидам 19 и некоторым органофосфатам, а C. dilutus относится к наиболее чувствительным к фипронилу видам и его деградации, а также к неоникотиноидам 20 .

Учитывая переменную производительность растительных систем для обработки этих классов пестицидов, важно включить соответствующие тесты токсичности для мониторинга после обработкиГ городских и сельскохозяйственных сточных вод, чтобы они защищали принимающие воды.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Acknowledgments

Финансирование работы, описанной здесь, поступало из Калифорнийского департамента регулирования пестицидов и Калифорнийского департамента водных ресурсов.

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