Plantaardige Behandeling Systemen voor het verwijderen van verontreinigingen geassocieerd met oppervlaktewater toxiciteit in Landbouw en Urban Runoff

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

In dit artikel wordt een samenvatting gemaakt van de ontwerpkenmerken en de effectiviteit van behandelingssystemen die de afvoer van stedelijke stormwater en landbouw irrigatie behandelen om pesticiden en andere verontreinigingen die verband houden met aquatische toxiciteit te verwijderen.

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

Stedelijke stormwater en landbouw irrigatie afvoer bevatten een complex mengsel van verontreinigingen die vaak giftig zijn voor aangrenzende ontvangende wateren. Afvoer kan worden behandeld met eenvoudige systemen die zijn ontworpen om sorptie van verontreinigingen te bevorderen voor vegetatie en bodems en infiltratie te bevorderen. Twee voorbeeldsystemen worden beschreven: een bioswale behandelingssysteem voor stedelijke stormwaterbehandeling, en een vegetatieve drainage sloot voor de behandeling van de afvoer van landbouw irrigatie. Beide hebben vergelijkbare eigenschappen die vermindering van de vervuiling in de afvoer verminderen: vegetatie die resulteert in sorptie van de verontreinigingen op de bodem- en plantoppervlakken en waterinfectie. Deze systemen kunnen ook de integratie van gefilterde actieve kool als een polijststap omvatten om resterende verontreinigingen te verwijderen. De implementatie van deze systemen in de landbouw en de stedelijke watersector vereist dat systeemmonitoring de werkzaamheid van de behandeling verifieert. Dit omvat chemische monitoring voor specifieke verontreinigingen die verantwoordelijk zijn voor toxiciteit.In dit document wordt nadruk gelegd op het toezicht op huidige pesticiden, aangezien deze verantwoordelijk zijn voor de oppervlaktewater toxiciteit voor aquatische ongewervelde dieren.

Introduction

Oppervlaktewatertoxiciteit komt voor in de waterscheidingen van Californië en decennia van het toezicht hebben aangetoond dat toxiciteit vaak voortvloeit uit pesticiden en andere verontreinigende stoffen 1 . De belangrijkste bronnen van oppervlaktewater besmetting zijn stormwater en irrigatie afloop uit stedelijke en landbouwbronnen. Aangezien waterlichamen worden afgebroken als gevolg van verontreinigingen en de toxiciteit is geïdentificeerd uit stedelijke en agrarische bronnen, houden de waterkwaliteit toezichthouders samen met staats- en federale financieringsbronnen praktijken om de vervuiling te beperken. Groene infrastructuur wordt bevorderd in de stedelijke waterscheidingen in Californië om overstromingen te verminderen en het herstel van stormwater door infiltratie en opslag te verhogen. Hoewel ontwerpen van Low Impact Development (LID) voor nieuwe constructies in veel regio's zijn verplicht, hebben weinig studies de werkzaamheid van deze systemen bewaakt na afmetingen van conventionele verontreinigingen zoals opgeloste vaste stoffen, metalen en koolwaterstofbons. Meer intensieve monitoring heeft onlangs de vermindering van de chemische concentraties en chemische belastingen die verantwoordelijk zijn voor toxiciteit van het oppervlaktewater, geëvalueerd en om direct te bepalen of bioswales de toxiciteit van de afvoer verminderen. Dit heeft aangetoond dat bioswales effectief zijn bij het verwijderen van toxiciteit die verband houdt met sommige verontreinigende klassen 2 , maar aanvullend onderzoek is nodig voor opkomende chemische stoffen die van belang zijn.

Plantaardige behandelingssystemen worden ook geïmplementeerd in landbouwbedrijven in Californië, en deze zijn aangetoond dat ze effectief zijn bij het verminderen van pesticiden en andere verontreinigingen in de afvoer van de landbouw irrigatie 3 , 4 . Deze systemen zijn componenten van een reeks aanpakken om de vervuiling van het oppervlaktewater te verminderen. Omdat ze bedoeld zijn om verontreinigingen te verminderen die verantwoordelijk zijn voor de oppervlaktewatertoxiciteit, is een belangrijk onderdeel van het implementatieproces toezicht op eNsure hun effectiviteit op lange termijn. Monitoring omvat zowel chemische analyses van chemicaliën van zorg, alsook toxiciteitstests met gevoelige indicatoren. Dit artikel beschrijft protocollen en monitoring resultaten voor een stedelijke parkeerplaats bioswale en een landbouwgewas gedroogde sloopstelsel.

De ontwerpeigenschappen van een typische parkeerplaats bioswale, die gebruikt kunnen worden om stormafvoer in een typisch gemengd gebruik stedelijk winkelparkeerterrein te behandelen, hangt af van het behandelde gebied. In het hier beschreven voorbeeld creëert 53.286 vierkante meter asfalt een ondoordringbaar oppervlak dat afvoer naar een zwaluw, die bestaat uit 4 683 vierkante meter landscaping. Om een ​​afvoer van deze oppervlakte te kunnen opvangen, bestaat een 215 voet lang platvormig, semi-V-vormkanaal uit de zwavel met een zijdelingse helling van minder dan 50% en een longitudinale helling van 1% ( figuur 1 ). Deze swale bestaat uit drie lagen, waaronder inheemse bosgras geplant in 6 centimeter van bovengrond, laagRood over 2,5 voet van gecomprimeerde subgrade. Stormwater stroomt van parkeerplaatsen naar meerdere toegangspunten langs de swale. Het water infiltreert het beplantte gebied, doordringt dan de subgrade en dreineert in een 4-inch geperforeerde afvoer. Dit systeem leidt water door een systeem dat aan een aangrenzend vleiland loopt, dat uiteindelijk in een lokale kreek afvoert.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Urban Bioswale Effectiviteit Monitoring

  1. Stormwatermonsterneming
    1. Sample 4 L van voorbehandeling stormwater verlaten van de parkeerplaats als het komt in de bioswale inlaat, en dan 4 L van de stormwater na behandeling, omdat het de bioswale door de 4 "uitlaat drain.
    2. Met behulp van lokale weersvoorspellingen verzamelt u monsters aan het begin, het midden en het einde van de hydrografie van de storm. De monsters worden samengesteld om de afloopvariabiliteit te karakteriseren tijdens het stormgeval.
    3. Verzamel 1,3 L monsters met de hand en maak ze samengesteld in een 4 L-amberfles. Verzamel inlaatmonsters bij verscheidene randopeningen waar stormwater in de bioswale stroomt.
    4. Verzamel 1,3 L uitlaatmonsters van de flowmeter die aan de afvoerafvoer is bevestigd (hieronder beschreven) en composiet ze in een 4 L-amberfles.
    5. Bewaar de samengestelde monsters op ijs tot het laatste hydrograafmonster is verzameld. Vervoer ze dan naar het laboratorium en houd een refrIgerator bij 4 ° C voorafgaand aan subsampling voor chemie en toxiciteitstesten. Verzend monsters naar het chemisch laboratorium binnen 48 uur van de monsterneming.
  2. Load Berekening
    1. Voorafgaand aan de storm installeert u een regenmeter met digitale logger voor het afzetten van een kippenbak door deze aan een licht of andere pool naast de bioswale-plaats te bevestigen. Gebruik de regengegevens om directe en totale regenval voor de site aan te geven.
    2. Installeer een mechanische versnellingspulsmeter op de uitlaatgassen van de bioswale. Noteer de totale stroom die de bioswale verlaat.
      OPMERKING: Vermindering van het afloopvolume wordt verondersteld om de totale belasting van verontreinigingen in LID-ontwerpen te verminderen.
    3. Model het volume van water dat tijdens het regenevenement op het parkeerterrein opvangt door extrapolatie met behulp van de duim regen die door de regenmeter is geregistreerd. Gebruik deze gegevens om het volume in het behandelingssysteem te bepalen op basis van het parkeerterrein.
    4. Gebruik de totale stroom opgenomen door tHij uitlaat flow meter om infiltratie percentage te berekenen. Bereken het verschil tussen inlaat- en uitlaatvolume om de stormwaterinfectie te bepalen.
    5. Bereken de vervuilingspercentages tijdens de storm en gebruik het inlaat- en uitlaatvolume in combinatie met contaminante analytische metingen.
    6. Meet chemische analyses die relevant zijn voor de oppervlakte toxiciteit (zoals hieronder besproken). Totaal chemische groepen om belastingberekeningen en basis te vereenvoudigen op hun soortgelijke toxische werkingsmethoden ( bijv . Totale polynucleaire aromatische koolwaterstoffen [PAH's], totale pyrethroïden en totale fipronil en degradaten).
  3. Chemie
    1. Analyseer alle monsters voor de volgende parameters: totaal gesuspendeerde vaste stoffen (TSS), spoormetalen (USEPA methode 200.8 5 , inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie [ICP / MS]) en PAH's (USEPA methode 625 6 ).
    2. Analyseer monsters voor curreNt-gebruik stedelijke pesticiden, waaronder 9 pyrethroïden (USEPA methode SW846 8270 gemodificeerd 7 ; bifenthrin, cypermethrine, fenvaleraat / esfenvaleraat, permethrin, tetramethrine, L-cyhalothrin, cyfluthrin en allethrin) en fipronil en zijn drie primaire afbraakmiddelen (fipronil sulfide, Fipronil sulfone, fipronil desulfinyl).
    3. Analyseer pyrethroïden met behulp van gaschromatografie-massaspectrometrie (GC / MS) onder toepassing van negatieve chemische ionisatie of andere geschikte methode om adequate detectiegrenzen te verschaffen. Aangezien de meeste huidige pesticiden in hoge mate giftig zijn bij lage concentraties, zijn hun analyses vereist dat de lage chemische rapportagegrenzen relevant zijn voor de milieueffectbeoordeling. De methode rapportage grenzen voor pyrethroïden liggen van 0,5 ng / L tot 1,0 ng / L voor alle pyrethroïden behalve permethrin (rapportage limiet = 10 ng / L).
    4. Gebruik een analytische procedure voor fipronil die een methode rapportage limiet van 1,0 ng / L biedt. Organofosfaatpesticiden hoeven niet gemeten te wordenPlekken op lokale gebruikspatronen , bijvoorbeeld in stedelijke gebieden in Californië 8 , 9 .
    5. Meet neonicotinoïde pesticiden ( bijv . Imidacloprid) met behulp van ultraprestatie vloeistofchromatografie gekoppeld aan een triple quadrupole massaspectrometer, die een rapportage limiet voor imidacloprid van 50 ng / L heeft.
  4. Toxiciteitstesten
    1. Doe toxiciteitstests op de samengestelde inlaat- en uitlaatwaterwatermonsters met behulp van 3 testsoorten, conform gewijzigde US Environmental Protection Agency (USEPA) acute testprotocollen 10 . De test met de cladoceran Ceriodaphnia dubia meet de overleving na 96 uur. De test met de amphipod Hyalella azteca meet overleving na 10 dagen. De test met de Chironomus dilutus van de midge meet overleving en groei na 10 dagen.
    2. Doe acute 96 h overlevingstests met de cladoceran C. dubia na U.S. EPA richtlijnen.
      1. Ontbloot vijf C. dubia- neonaten in elk van vijf replicaten van inlaat- en uitlaatwaterwatermonsters. Replicaten bestaan ​​uit 20 ml scintillatie flesjes die 15 ml testoplossing bevatten.
      2. Feed voedt een mengsel van gist, cerofyll, forelhut (= YCT, volgende Amerikaanse EPA richtlijnen ) en Selenastrum algen 2 uur voor dagelijkse 100% vernieuwing van de stormwater test oplossingen. Noteer het totale aantal overlevende neonaten per dag.
      3. Vergelijk de uiteindelijke C. dubia overleving na 96 uur blootstelling aan inlaat en uitlaat stormwater monsters om te overleven in matig hard controle water met behulp van een t-test. Volg de statistische procedures die door de Amerikaanse EPA zijn aanbevolen.
    3. Doe acute 10 d overlevingstesten met de amphipod H. azteca volgens de Amerikaanse EPA-richtlijnen.
      1. Ontvang 10, 9 dagen voor 15 dagen oude amphipoden in elk van vijf replicaten. Replicaten bestaan ​​uit 300 ml glasbekers die 200 ml testoplossing bevatten.
      2. Vergelijk het uiteindelijke overleving van amphipoden in stormwatermonsters tot 10 dagen overleving in laboratoriumwaterwater zoals hierboven beschreven.
    4. Voer chronische 10 d overlevings- en groeitests uit met de midge C. verdunning volgens de Amerikaanse EPA-richtlijnen.
      1. Ontdek 12, 7-d-oude dieren in elk van de vier replicaten. Replicaten bestaan ​​uit 300 ml glazen bekers die 200 ml testoplossing bevatten. Zorg voor elke midge-testcontainer met 5 ml zand als substraat voor buisbouw door de larven.
      2. Voer de tests uit voor 10 d, en verdubbel 50% van de testoplossing elke 48 uur voor elke beker per dag met een toenemende hoeveelheid vismengsel (4 g / L) als volgt: dagen 0 tot 3, 0,5 ml / dag; Dagen 4 tot 6, 1,0 ml / dag; Dagen 7 tot 10, 1,5 ml / dag.
      3. Vergelijk laatste overleving enGroei in stormwatermonsters tot 10-d overleving in laboratoriumwaterwater zoals hierboven beschreven. Meet de groei van overlevende dieren als aasvrij drooggewicht bij 10 d in vergelijking met het initiële gewicht van de testorganismen.
    5. Voor alle toxiciteitstests meet opgeloste zuurstof, pH en geleidbaarheid met behulp van geschikte meters en elektroden. Meet unionized ammoniak met behulp van een spectrofotometer.
      1. Meet waterhardheid en alkaliniteit bij aanvang en beëindiging van de testen. 10
      2. Opname watertemperatuur met een continue opname thermometer.

2. Geïntegreerde Monitoring van de Ditch Effectiveness van de Groene Landbouw Drainage

  1. Geïntegreerde Ditch Construction
    OPMERKING: De in het huidige voorbeeld gebruikte landbouwafvoerbak is 152 m lang en heeft een semi-V-vormige doorsnedebreedte van 5 m boven en 1 m diepte. De plantengroei is een combinatie van nAtiegrassoorten die hoofdzakelijk met rode fescue ( Festuca rubra ) worden gezaaid. In dit voorbeeld bestonden geïntegreerde vegetatieve slootproeven uit geanalyseerde geactiveerde kool (GAC) en compostfilterbehandelingen die geïntegreerd werden met de vegetatieve sloot.
    1. Construeer twee compostfilters en zes koolstoffilters en installeer ze in drie verschillende delen van de vegetatie ( Figuur 2 ). Gebruik 2 m lange 20 cm diameter mouwen gevuld met koolstof of compost.
    2. Vul zes mouwen met 30 L gefilterde actieve kool en plaats deze over de sloot op het 146 m punt, dichtbij het einde van 152 m getijde gras. Anker de GAC-gevulde mouwen naar de slootbodem met draadpinnen op de stroomopwaartse rand.
    3. Plaats een 2,5 m lange 6 "brede sectie pijnboomplaat op de stroomafwaartse rand van elk van de GAC-mouwen. Graaf de pijnboomplanken in de beide zijden en de bodem van het kanaal om water te vermijden en de koolstofmouwen te vermijden en te ondermijnen. proVide verticale ondersteuning om de watercontacttijd met de koolstof te maximaliseren.
    4. Vul de compostmouwen met ongeveer 15 kg elk van gedeeltelijk ontbonden yardafval uit elke schone bron, zoals een lokale stortplaats. Plaats twee 2 m lange compostmouwen over het vegetatiekanaal op 64 m en op 123 m langs de lengte van de 152 m vegetatieve sloot ( Figuur 2 ).
  2. Afloop simulatie en bemonstering
    OPMERKING: Dit protocol beschrijft methodes voor het uitvoeren van gesimuleerde landbouwafvalproeven en bijbehorende monitoring om de efficiëntie van de behandeling te evalueren met behulp van het geïntegreerde vegetatieve behandelingssysteem. In het huidige voorbeeld werd het geïntegreerde gecultiveerde compost-koolstofsysteem geëvalueerd bij twee stromingssnelheden die de typische veldafvoer van commerciële boerderijen in de Salinas Valley, 3,2 L / s en 6,3 L / s, vertegenwoordigen. Het organofosfaat pesticide chlorpyrifos werd gebruikt als model pesticide in deze proeven, omdat het een matige solubiGelijkheid, en vertegenwoordigt daarom het middelbereik van de oplosbaarheid van representatieve pesticiden die gewoonlijk worden gebruikt in het plaagbeheer. Chlorpyrifos is ook het onderwerp van lopende regelgevende acties in Centraal-Californië vanwege de impact ervan op de waterschappen van de landbouw. De dosis chlorpyrifos dosis was ongeveer 2.600 ng / L. Stroomsnelheden en concentraties van de doelgroep chlorpyrifos liggen binnen de bereik die eerder is gemeten in lokale afvoerafvoer 3 , 11 . De hydraulische verblijftijd voor een waterpuls die door de geteisterde sloot overschreden werd niet in het hier gegeven voorbeeld bekeken. De verblijftijd in deze systemen varieert met waterinlaat, de mate van bodemverzadiging als gevolg van eerdere irrigatie en regen, de aanwezigheid van structuren om de stroom te verhinderen, zoals meren en sedimentatiebakken, en de hoeveelheid oppervlakte waarop de vegetatie betrekking heeft. Vorige studies hebben de verblijftijden van enkele uren voor kleine schaaldrogsystemen in deSalinas Valley 3 , 4 . Visuele observaties geven aan dat de verblijftijd voor de GAC filters een of twee minuten was.
    1. Maak gesimuleerde landbouwafvoer met grondwater gemengd met gesuspendeerd sediment. Voor proeven met het model pesticide, chlorpyrifos, berei een verse voorraadoplossing van 10 mg / L voor elke 3.2 L / s-proef op door een gecertificeerde voorraadoplossing toe te voegen aan een bekend volume gedestilleerd water. Bereid een verse chlorpyrifos voorraadoplossing van 20 mg / L voor elke 6.3 L / s trial.
      1. Gebruik een doseerpomp om een ​​consistent volume voorraadoplossing te leveren aan het afvoerwater voordat het in de ingevoerde behandelingsgraad inlaat komt. Gebruik de doseerpomp om voorraadoplossing bij 50 ml / min te leveren aan de stroom van gesimuleerd irrigatiewater.
    2. Monitor de inlaatstroom met een digitale meter en gebruik deze gegevens om het totale volume afvoerwater dat op de slootinlaat wordt toegewezen te kwantificeren.
    3. Constructeer een weir bij thE uitlaat van de sloot en plumb dit met een uitlaatpijp aangesloten op een digitale flowmeter. Gebruik deze meter om het volume van afloop op te nemen die uit de sloot komt.
    4. Gebruik data loggers aangesloten op de digitale meters om de stroom op te nemen met intervallen van 5 minuten. Programmeer de data loggers om peristaltische pompen in de inlaat en op verschillende stations ( bijv . 23 m, 45 m en 68 m) te activeren onder de inlaat van de sloot, om samengestelde subsamples van afloop in roestvrijstalen containers te verzamelen met intervallen van 5 minuten.
  3. Chemie
    1. Vervolgens samengestelde monsters van afvoerwater van proeven tot amber glazen flessen aan het eind van elk afloopproef en houd de monsters op ijs bij 4 ° C voor latere toxiciteit en chemische analyses.
    2. Analyseer de samengestelde monsters voor totaal gesuspendeerde vaste stoffen (TSS) en chlorpyrifos met behulp van GC-MS of enzym-gekoppelde immunosorbent assays (ELISA).
    3. Vergelijk "inlaat" composietmonsters (voorbehandeling) naar & #34, uitlaat "samengestelde monsters (postbehandeling) om de werkzaamheid van het geïntegreerde sloot systeem te evalueren om de belasting van TSS en pesticiden te verminderen.
  4. Toxiciteitstesten
    1. Bepaling van de toxiciteit van de waterkolom was in samengestelde monsters van de inlaat (voorbehandeling) en uitlaat (postbehandeling) van elk proef met behulp van 96 h testen van de toxiciteit van Ceriodaphnia dubia 10 , zoals hierboven beschreven voor de bioswale monitoring. C. dubia is een geschikte controlesoort voor toxiciteit bij de afloop van de landbouw door de gevoeligheid voor chlorpyrifos (mediane dodelijke concentratie (LC50) = 53 ng / L 12 ).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Urban Bioswale Effectiviteit

Gedurende de 18,5 uur van de storm werd 1,52 "regen geregistreerd door de regenmeter en dit resulteerde in 50.490 liter water die van de parkeerplaatsen naar de bioswale stroomde. Van dit totale volume werden 5.248 liter geregistreerd door de uitlaatstroommeter , Wat resulteerde in een totale infiltratie van 90% van het stormwater dat in de bioswale stroomde. De bioswale verminderde alle gecontroleerde chemicaliën. Totaal gesuspendeerde vaste stoffen werden 72% verminderd ( Tabel 1 ). Concentraties van PAH's waren zeer laag bij detectie, Maar alle concentraties PAH's werden verminderd met 100%. Alle metalen werden verminderd in de uitlaatmonsters. Zink en koper werden respectievelijk 97% en 92% verminderd ( Tabel 1 ). Een aantal pyrethroidpesticiden werden gedetecteerd in de inlaatmonsters en Al deze werden verminderd in de uitlaatmonsters. Totale pyrethroid concentratiOns werden verminderd met 99%. Toksische concentraties van het pyrethroïde bifenthrine, cypermethrine, lambda-cyhalothrine en permethrine werden gedetecteerd in de inlaatmonsters, en werden verlaagd tot concentraties onder mediane dodale concentraties (LC50's) voor H. azteca in de uitlaatmonsters ( Tabel 1 ). Bijvoorbeeld werd bifenthrin gedetecteerd bij een toxische concentratie in het inlaatmonster en werd in de uitlaatmonster met 93% verminderd.

Behandeling van het fenypyrazoolpesticide fipronil was inconsistent. De ouderverbinding van fipronil werd gedetecteerd in het inlaatmonster en werd verminderd met 100% in het uitlaatmonster. De fipronil degradaten, fipronil desulfinyl en fipronil sulfon werden gedetecteerd in het inlaatmonster. De desulfinyldegradiënt werd 100% in het uitlaatmonster verminderd, maar de sulfonededrage verhoogde met 45%. Mogelijke redenen voor de variabele behandeling van fipronil omvatten zijn gematigde oplosbaarheid. Het neonicotinoïde pesticideIdeimidacloprid werd niet gedetecteerd in het inlaatmonster.

Toxiciteit van het stormwater varieert naar geteste soorten. Geen van de inlaatmonsters waren toxisch voor daphniden ( tabel 1 ). Alle inlaatmonsters waren toxisch voor H. azteca en toxiciteit werd verminderd door de bioswale. Amphipod overleving was 66% in het inlaatmonster en verbeterde tot 98% in de uitlaat. Toxiciteit tegen C. overleving van verdunning werd waargenomen in inlaat- en uitlaatmonsters . Significante reducties in C. verdunningsgewicht werden waargenomen in het inlaatmonster , en de groei is significant verbeterd met 49% in het uitlaatmonster ( tabel 1 ).

Geïntegreerde Landbouw Geologische Afvoer Ditch Effectiviteit

De werkzaamheid van het geïntegreerde vegetatieve sloopsysteem om chlorpyrifos te behandelen varieerde afhankelijk van de stromingssnelheid, maar TSS en chlorpyrifos in spikedIrrigatie water werd significant verminderd bij beide stromingssnelheden. De gemiddelde TSS reductie in de drie proeven uitgevoerd op 3,2 L / s en 6,3 L / s bedroeg respectievelijk 79,7% en 82,3%. Chlorpyrifos werd verminderd van ongeveer 750 ng / L tot minder dan detectie (<50 ng / L) in twee van de lage stromingsproeven en naar een geschatte concentratie van 78 ng / L in het derde onderzoek (onder de rapportagegrens). Chlorpyrifos werd verminderd van een gemiddelde van 707 ng / L tot minder dan 100 ng / L in alle drie proeven bij de hogere stroomsnelheid. In combinatie met infiltratie waren de gemiddelde belastingverlagingen 98% en 94% voor respectievelijk de lage en hoge stromingssnelheden ( tabel 2 ).

Volledige sterfte bij C. dubia werd waargenomen in alle inlaatmonsters (voorbehandeling). Twee van de 3,2 L / s uitlaatmonsters en één van de 6.3 L / s uitlaatmonsters waren niet toxisch ( Tabel 2 ), die overeenkomt met de uitlaatmonsters met de drie laagste chlorpyrifosconcentratie rantsoenen.

Figuur 1
Figuur 1: Afbeelding van een parkeerplaats bioswale. Inlaat (onbehandelde) stormwatermonsters werden verzameld van verscheidene openingsopeningen naar de bioswale. Uitstroom (behandelde) stormwatermonsters werden verzameld uit een drainagepijp die zich bevindt in een overlooprooster, dat zich bovenaan de afbeelding bevindt (niet getoond). Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: Schematisch diagram van geïntegreerd vegetatief slootstelsel (152 m lengte, niet op schaal). De gehele sloot was gegroeid met rood graszwenk gras. Compost- en GAC-installaties werden geplaatst zoals getoond.Ftp_upload / 55391 / 55391fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te zien.

toxiciteit eenheden inham stopcontact
H. azteca % Overleving 66 98
C. dubia % Overleving 100 100
C. verdunning % Overleving 81 71
Droge wt. (Mg) 0.39 0.77
Chemie
TSS mg / l 136 38
bifenthrin ng / l 5.6 0.4
cyfluthrin ng / l 1.2 ND
cypermethrin ng / l 3.1 ND
(Es) Fenvaleraat ng / l 0.7 ND
fenpropathrin ng / l 3.6 ND
L-cyhalothrin ng / l 1.3 ND
permethrine ng / l 15 ND
fipronil ng / l 0.8 ND
Fipronil Desulfinyl ng / l 0.6 ND
Fipronil Sulfide ng / l ND ND
Fipronil Sulfon ng / l 0.6 1.1
imidacloprid ng / l ND ND
Cadmium ug / l 0.52 0.07
Koper ug / l 78 5.9
Lood ug / l 11 1
Nikkel ug / l 32 2.8
Zink ug / l 590 15
Totale PAH's ug / l 0.47 ND

Tabel 1: Toxiciteit en chemie van bioswale inlaat en stopcontact gecontroleerd tijdens een storm. TSS = totaal gesuspendeerde vaste stoffen; ND = niet gedetecteerd.

3,2 liter / seconde 6,3 liter / seconde
1 2 3 </ Td> 1 2 3
Chlorpyrifos (ng / L)
inham 638 738 879 282 973 966
stopcontact ND ND 78 52 82 58
Percentageverandering -100 -100 -91 -82 -92 -94
TSS (mg / L)
inham 422 588 448 238 218 258
stopcontact 46 66 176 40 52 31
PerCent verandering -89 -89 -61 -83 -76 -88
Toxiciteit (% Overleving)
inham 0 0 0 0 0 0
stopcontact 96 * 100 * 0 100 * 0 4
Controle 96 100 100 96 100 100
Gem. Chlorpyrifos Reductie 97% 89%
Gem. Afloop Infiltratie 52% 43%
Gem. Chlorpyrifos Load Reduction 98% </ Td> 94%

Tabel 2: Chlorpyrifosconcentraties, totale suspenderende vaste stofconcentraties en procentuele overleving in samengestelde monsters uit replicaatproeven waarbij de effectiviteit van de geïntegreerde slootbehandelingen wordt geëvalueerd bij twee stroomsnelheden (3,2 L / s en 6,3 L / s). Sterretje wijst op significante vermindering van toxiciteit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De praktijken beschreven in dit protocol zijn bedoeld als laatste stappen in een algemene strategie om verontreinigende stoffen te verwijderen in de irrigatie van de landbouw en de afloop van de stormwater. Gebruik van bioswales en andere stedelijke groen-infrastructuur LID praktijken zijn bedoeld als een laatste stuk van de puzzel om verontreinigingen te verwijderen in afloop voordat ze aangrenzende ontvangende wateren bereiken. Dit protocol benadrukt methoden om stedelijke bioswales te monitoren om de doeltreffendheid van de behandeling te bepalen voor het verwijderen van toxiciteit in verband met stedelijke verontreinigingen, met nadruk op huidige pesticiden.

Kritieke stappen bij het ontwerpen van monitoringstudies omvatten modelleringsbenaderingen en bemonsteringsontwerpen om stormwaterdrografieken vast te leggen, geschikte analytielijsten met adequate detectieregels en het gebruik van toxiciteitsindicatoren en eindpunten die geschikt zijn voor stedelijke verontreinigingen die bekend zijn om oppervlaktewatertoxiciteit te veroorzaken.

Bijvoorbeeld verwijdering van degradaten van de fenylpyrazoolpesticide fiproniIk was inconsistent, waarschijnlijk door zijn gematigde oplosbaarheid 2 , 13 . Wijzigingen van huidige bioswale ontwerpen kunnen nodig zijn om specifieke verontreinigingen aan te pakken die niet volledig verwijderd zijn door bioswales en andere LID-praktijken. Bijvoorbeeld, het gebruik van hoogoplosbare neonicotinoïde pesticiden neemt toe, en deze kunnen niet gemakkelijk sorberen om bronnen 14 te planten. Behandeling van meer oplosbare pesticiden kan extra stappen vereisen, zoals het filteren met behulp van GAC 4 .

Plantaardige behandelingssystemen die gebruikt worden om pesticiden en andere verontreinigingen te verwijderen uit de afvoer van landbouw irrigatie combineren designcomponenten die vergelijkbaar zijn met de bioswales. Geïntegreerde gewassen afvoerbomen omvatten sedimentatiegebieden die zijn ontworpen om grof gesuspendeerde deeltjes te kunnen regelen, gevolgd door vegetatieve delen voor het sorberen van pesticiden. Studies hebben aangetoond dat deze behandelingen op basis van promo's landbouwverwante verontreinigingen verwijderenInfiltratie, en verwijdering van pesticiden door sorptie naar afgewerkte deeltjes en plantenoppervlakken 15 , 16 .

Studies hebben ook aangetoond dat verwijderingsefficiënties variëren afhankelijk van de doelverontreinigende stof en dat meer oplosbare pesticiden moeilijker zijn om 3 te verwijderen. Aangezien het doel is om pesticiden te reduceren tot niet-toxische concentraties voordat ze in de ontvangende wateren komen, is extra behandeling nodig om te dienen als "polijsten" stappen. Deze omvatten het gebruik van behandelingsenzymen 3 , 4 , 17 en recentelijk gebruik van GAC.

Systemen die GAC bevatten zullen waarschijnlijk effectiever zijn 4 en recente experimenten hebben aangetoond dat het neonicotinoïde imidacloprid volledig door GAC is verwijderd bij veldstromen en concentraties (VoorheesEt al. , In pers 21 ). Praktische overwegingen voor kwekers die geïnteresseerd zijn in het integreren van GAC in geïntegreerde gewasbehandelingssystemen, zijn gebruiksgemak, GAC levensverwachting en inkoop- en verwijderingskosten. De huidige inkoop- en verkoopkosten voor GAC zijn bijvoorbeeld ongeveer drie dollar per pond. Dit zijn de onderwerpen van voortdurend onderzoek. Zoals in het hier weergegeven voorbeeld kan de effectiviteit van GAC in het veld worden uitgebreid door het opnemen van GAC-gevulde behandelingsmouwen aan het einde van de vegetatieve systemen. Nadat de sedimentatie- en vegetatieve slootgedeelten het merendeel van de gesuspendeerde deeltjes en verontreinigingen 4 hebben verwijderd. Kostenoverwegingen voor installatie en onderhoud van alle componenten van geïntegreerde gewasbehandelingssystemen voor landbouw en bioswales voor stedelijke afvoer zullen gedetailleerde techno-economische haalbaarheidsstudies vereisen 18 .

Toxiciteitsmonitoreniderations

Aangezien de gebruikspatronen van pesticiden evolueren met regulering van oudere klassen zoals organofosfaten voor stedelijk gebruik en verhoogd gebruik van nieuwere klassen, zoals pyrethroïden, fenylpyrazolen ( bv . Fipronil) en neonicotinoïden ( bijv . Imidacloprid), is het belangrijk om de gevoelige testsoorten te gebruiken Naar de meest gebruikte pesticiden. De twee soorten die worden gebruikt in het stedelijk bioswale-voorbeeld dat in dit document wordt beschreven, behoren tot de meest gevoelige soorten voor pesticiden die momenteel gebruik zijn. De amphipod H. azteca is zeer gevoelig voor pyrethroid pesticiden 19 en sommige organofosfaten, en C. dilutus behoort tot de meest gevoelige soorten voor fipronil en zijn degradaten, en voor neonicotinoïden 20 .

Gezien de variabele prestatie van vegetatieve systemen voor de behandeling van deze klassen pesticiden, is het belangrijk om passende toxiciteitsonderzoeken op te nemen voor de monitorbehandeling na de behandelingG van stedelijk en landelijk afvalwater om ervoor te zorgen dat zij de ontvangende water beschermen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgments

Financiering voor het hier beschreven werk is afkomstig van de afdeling California Pesticide Regulation California en het California Department of Water Resources.

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