Sistemas de tratamiento con vegetación para eliminar los contaminantes asociados con la toxicidad del agua superficial en la agricultura y el escurrimiento urbano

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Summary

Este artículo resume los atributos de diseño y la eficacia de los sistemas de tratamiento que tratan el agua de lluvia urbana y la escorrentía de riego agrícola para eliminar los pesticidas y otros contaminantes asociados con la toxicidad acuática.

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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).

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Abstract

Las aguas pluviales urbanas y las escorrentías de riego agrícola contienen una mezcla compleja de contaminantes que a menudo son tóxicos para las aguas receptoras adyacentes. El escurrimiento puede ser tratado con sistemas simples diseñados para promover la sorción de contaminantes a la vegetación y los suelos y promover la infiltración. Se describen dos sistemas de ejemplo: un sistema de tratamiento de bioswale para el tratamiento de aguas pluviales urbanas y una zanja de drenaje de vegetación para el tratamiento de la escorrentía de riego agrícola. Ambos tienen atributos similares que reducen la carga de contaminantes en la escorrentía: vegetación que resulta en sorción de los contaminantes al suelo y las superficies de las plantas, e infiltración de agua. Estos sistemas también pueden incluir la integración de carbón activado granulado como un paso de pulido para eliminar contaminantes residuales. La implementación de estos sistemas en la agricultura y las cuencas hidrográficas urbanas requiere un monitoreo del sistema para verificar la eficacia del tratamiento. Esto incluye la monitorización química de contaminantes específicos responsables de la toxicidad.En el presente documento se hace hincapié en la vigilancia de los plaguicidas de uso corriente, ya que éstos son responsables de la toxicidad de las aguas superficiales de los invertebrados acuáticos.

Introduction

La toxicidad del agua superficial es frecuente en las cuencas hidrográficas de California y décadas de monitoreo han demostrado que la toxicidad es a menudo debido a pesticidas y otros contaminantes 1 . Las fuentes primarias de contaminación de las aguas superficiales son las aguas pluviales y las escorrentías de riego procedentes de fuentes urbanas y agrícolas. Como los cuerpos de agua se enumeran como degradados debido a contaminantes y la toxicidad se identifica de las fuentes urbanas y agrícolas, los reguladores de la calidad del agua se asocian con fuentes de financiamiento estatales y federales para implementar prácticas para reducir la carga de contaminantes. Se está promoviendo la infraestructura verde en las cuencas urbanas de California para reducir las inundaciones y aumentar la recuperación de las aguas pluviales a través de la infiltración y el almacenamiento. Mientras que los diseños de bajo desarrollo de impacto (LID) están siendo mandados para nuevas construcciones en muchas regiones, pocos estudios han monitoreado la eficacia de estos sistemas más allá de las mediciones de contaminantes convencionales como sólidos disueltos, metales e hidrocarburosBons Recientemente, un monitoreo más intensivo ha evaluado la reducción de las concentraciones químicas y la carga química responsable de la toxicidad de las aguas superficiales, y determinar directamente si las bioswales reducen la toxicidad de las escorrentías. Esto ha demostrado que las bioswales son eficaces para eliminar la toxicidad asociada con algunas clases de contaminantes 2 , pero se requiere investigación adicional para los productos químicos emergentes de interés.

Los sistemas de tratamiento con vegetación también se están implementando en las cuencas hidrográficas de la agricultura de California, y se ha demostrado que son eficaces para reducir los pesticidas y otros contaminantes en el riego de la irrigación agrícola 3 , 4 . Estos sistemas representan componentes de una serie de enfoques para reducir la carga de contaminantes a las aguas superficiales. Debido a que están destinados a mitigar los contaminantes responsables de la toxicidad de las aguas superficiales, un componente clave del proceso deAsegurar su eficacia a largo plazo. El monitoreo incluye tanto análisis químicos de sustancias químicas de preocupación, como pruebas de toxicidad con especies indicadoras sensibles. Este artículo describe protocolos y resultados de monitoreo para una biosfera urbana de estacionamiento y un sistema de zanja de drenaje vegetativo agrícola.

Los atributos de diseño de un bioswale de estacionamiento típico, como los que se pueden usar para tratar el escurrimiento de tormentas en un área de estacionamiento de uso urbano típico de uso mixto, dependen del área que se está tratando. En el ejemplo descrito aquí, 53.286 pies cuadrados de asfalto crean una superficie impermeable que drena a una corriente, que consiste en 4.683 pies cuadrados de paisajismo. Para acomodar la escorrentía de este área de superficie, un canal con forma de semi-V de fondo plano de 215 pies de largo comprende el vado con una pendiente lateral inferior al 50% y una pendiente longitudinal del 1% ( Figura 1 ). Esta varilla comprende tres capas incluyendo la hierba de racimo nativa plantada en 6 pulgadas de tierra vegetal, layeRojo sobre 2,5 pies de suelos compactados. El agua de las tormentas fluye de las áreas de estacionamiento a múltiples puntos de entrada a lo largo del canal. El agua se infiltra en el área de vegetación, luego penetra en la subrasante y drena en un drenaje perforado de 4 pulgadas. Este sistema drena el agua a través de un sistema conectado a un humedal adyacente que eventualmente drena en un arroyo local.

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Protocol

1. Monitoreo de Eficacia de Bioswale Urbana

  1. Muestreo de agua de tormenta
    1. Muestre 4 L de aguas pluviales de pre-tratamiento que salen del estacionamiento al entrar en la entrada de la bioswale, y luego 4 L de agua pluviales post-tratamiento cuando sale de la bioswale a través del drenaje de salida de 4 ".
    2. Usando las predicciones meteorológicas locales, recoja muestras al principio, al medio y al final del hidrograma de la tormenta. Componga las muestras para caracterizar la variabilidad del escurrimiento durante el evento de tormenta.
    3. Recoge las muestras de 1,3 L a mano y compártelas en una botella ámbar de 4 l. Recoja las muestras de entrada en varias aberturas de bordillo donde el agua de tormenta fluye hacia la bioswale.
    4. Recoger muestras de salida de 1,3 L del medidor de flujo conectado al drenaje de salida (descrito a continuación) y combinarlas en una botella ámbar de 4 l.
    5. Guarde las muestras compuestas en hielo hasta que se recoja la muestra hidrográfica final. Luego transportarlos al laboratorio y mantener en un refrIgerator a 4 ° C antes de submuestreo para la química y pruebas de toxicidad. Envíe las muestras al laboratorio de química dentro de las 48 h de la recolección de muestras.
  2. Cálculo de carga
    1. Antes de la tormenta, instale un medidor de lluvia digital del registrador de tipping-bucket atándolo a una luz u otro poste adyacente al sitio bioswale. Utilice los datos de lluvia para indicar la precipitación instantánea y total del sitio.
    2. Instale un medidor de flujo de pulso mecánico en los drenajes de salida de la bioswale. Registre el flujo total que sale de la bioswale.
      NOTA: Se supone que la reducción del volumen de escurrimiento reduce la carga global de contaminantes en los diseños de tapas.
    3. Modelar el volumen de agua que cae en la zona de captación del estacionamiento durante el evento de lluvia mediante extrapolación usando las pulgadas de lluvia registradas por el pluviómetro. Utilice estos datos para determinar el volumen que entra en el sistema de tratamiento basado en la superficie del área de estacionamiento.
    4. Utilice el flujo total registrado por tEl medidor de caudal de salida para calcular el porcentaje de infiltración. Calcular la diferencia entre el volumen de entrada y salida para determinar la infiltración de aguas pluviales.
    5. Calcular la carga de contaminantes y los porcentajes de reducción de carga durante la tormenta utilizando el volumen de entrada y salida junto con las mediciones analíticas de contaminantes.
    6. Mida los analitos químicos que son relevantes para la toxicidad de las aguas superficiales (como se analiza a continuación). Grupos químicos totales para simplificar los cálculos de carga y basarse en sus modos de acción tóxicos similares ( p . Ej. , Hidrocarburos aromáticos polinucleares totales [HAP], piretroides totales y fipronil total y degradados).
  3. Química
    1. Analizar todas las muestras para los siguientes parámetros: sólidos suspendidos totales (TSS), metales traza (método USEPA 200.8 5 , espectrometría de plasma por inducción combinada [ICP / MS]) y PAH (método USEPA 625 6 ).
    2. Analizar muestras para curreBifentrina, cipermetrina, fenvalerato / esfenvalerato, permetrina, tetrametrina, L-cialotrina, ciflutrina y alletrina), y el fipronil y sus tres degradados primarios (sulfuro de fipronilo, Fipronil sulfona, fipronil desulfinilo).
    3. Analizar los piretroides usando cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC / MS) usando ionización química negativa u otro método apropiado para proporcionar límites de detección adecuados. Dado que la mayoría de los plaguicidas de uso corriente son altamente tóxicos a bajas concentraciones, sus análisis requieren que los bajos límites de información química sean relevantes para la evaluación del riesgo ambiental. El método que establece límites para los piretroides es de 0,5 ng / L a 1,0 ng / L para todos los piretroides excepto permetrina (límite de notificación = 10 ng / L).
    4. Utilice un procedimiento analítico para el fipronil que proporcione un límite de notificación del método de 1,0 ng / L. Los pesticidas organofosforados no necesitan ser medidosDing sobre patrones de uso local, por ejemplo en áreas urbanas en California 8 , 9 .
    5. Medir los pesticidas neonicotinoides ( p . Ej. , Imidacloprid) usando cromatografía líquida de ultra rendimiento acoplada a un espectrómetro de masas de cuadrupolo triple, que tiene un límite de reporte para imidacloprid de 50 ng / L.
  4. Pruebas de Toxicidad
    1. Realizar pruebas de toxicidad en las muestras compuestas de aguas pluviales de entrada y salida utilizando 3 especies de prueba, siguiendo los protocolos de prueba aguda de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) 10 . La prueba con el cladócero Ceriodaphnia dubia mide la supervivencia después de 96 h. La prueba con el anfípodo Hyalella azteca mide la supervivencia después de 10 días. La prueba con el moscardón Chironomus dilutus mide la supervivencia y el crecimiento después de 10 días.
    2. Realizar pruebas agudas de supervivencia a 96 h con el cladocero C. dubia siguiendo a U.S. Orientación EPA.
      1. Exponga cinco neonatos C. dubia en cada una de las cinco repeticiones de muestras de agua de lluvia de entrada y salida. Los duplicados consisten en viales de centelleo de 20 ml que contienen 15 ml de solución de ensayo.
      2. Alimentar a los recién nacidos una mezcla de levadura, cerófilo, trucha chow (= YCT siguiendo la guía US EPA) y algas Selenastrum 2 h antes de la renovación diaria del 100% de las soluciones de prueba de aguas pluviales. Registre el número total de recién nacidos sobrevivientes diariamente.
      3. Comparar la supervivencia final de C. dubia después de 96 h de exposición a muestras de agua de lluvia de entrada y salida a la supervivencia en agua de control moderadamente dura usando una prueba t. Siga los procedimientos estadísticos recomendados por la EPA.
    3. Llevar a cabo pruebas de supervivencia agudas de 10 días con el anfípodo H. azteca siguiendo la guía de la US EPA.
      1. Se exponen anfípodos de 10, 9 días a 15 días de edad en cada una de las cinco repeticiones. Las réplicas consisten en vasos de precipitados de vidrio de 300 ml que contienen 200 ml de solución de ensayo.
      2. Comparar la supervivencia final de anfípodos en muestras de aguas pluviales a 10 días de supervivencia en agua de pozo de laboratorio como se describió anteriormente.
    4. Realizar pruebas crónicas de supervivencia y crecimiento de 10 días con el midge C. dilutus siguiendo la guía de la US EPA.
      1. Exponga 12, 7-d animales antiguos en cada uno de los cuatro repeticiones. Los duplicados consisten en recipientes de vidrio de 300 ml que contienen 200 ml de solución de ensayo. Suministre cada recipiente de prueba de midge con 5 mL de arena como sustrato para la construcción de tubos por las larvas.
      2. Realizar pruebas durante 10 días y renovar el 50% de la solución de ensayo cada 48 h cada día con una cantidad creciente de suspensión de pescado (4 g / L), de la siguiente manera: días 0 a 3, 0,5 ml / día; Días 4 a 6, 1,0 ml / día; Días 7 a 10, 1,5 ml / día.
      3. Comparar la supervivencia final yEn muestras de agua de lluvia hasta 10 d de supervivencia en agua de pozo de laboratorio como se describió anteriormente. Medir el crecimiento de los animales supervivientes como peso seco sin cenizas a 10 días en comparación con el peso inicial de los organismos de ensayo.
    5. Para todas las pruebas de toxicidad, mida el oxígeno disuelto, el pH y la conductividad usando medidores y electrodos apropiados. Medir el amoníaco no ionizado utilizando un espectrofotómetro.
      1. Medir la dureza del agua y la alcalinidad al inicio y terminación de las pruebas. 10
      2. Registre la temperatura del agua con un termómetro de grabación continua.

2. Vigilancia integrada de la eficacia de la zanja de drenaje agrícola con vegetación

  1. Construcción integrada de zanjas
    NOTA: La zanja de drenaje agrícola utilizada en el ejemplo actual tiene 152 m de longitud y tiene una anchura de sección transversal de 5 m en la parte superior y 1 m de profundidad. La vegetación de la zanja es una combinación de nEspecies de hierbas activas sembradas principalmente con festuca roja ( Festuca rubra ). En este ejemplo, los ensayos de zanjas vegetativas integradas consistían en carbón activado granulado (GAC) y tratamientos de filtro de compost integrados con la zanja de vegetación.
    1. Construir dos filtros de compost y seis filtros de carbón e instalarlos en tres diferentes secciones de la zanja con vegetación ( Figura 2 ). Use mangas de 2 m de largo y 20 cm de diámetro llenas de carbono o compost.
    2. Llenar seis mangas con 30 L de carbón activado granulado y colocarlas a través de la zanja en el punto de 146 m, cerca del final de 152 m de zanja cubierta de vegetación. Anclar las mangas llenas de GAC a la parte inferior de la zanja con estacas de alambre en el borde de aguas arriba.
    3. Coloque una sección ancha de 2,5 m de largo de tabla de pino en el borde de abajo de cada una de las mangas de GAC.Cine los tableros de pino en los dos lados y la parte inferior del canal para minimizar el agua de bypassing y undercutting las mangas de carbono. ProVide soporte vertical para maximizar el tiempo de contacto con el agua con el carbono.
    4. Llene los manguitos de compost con aproximadamente 15 kg cada uno de residuos de jardín parcialmente descompuesto de cualquier fuente limpia, como un vertedero local. Coloque dos manguitos de compost de 2 m de longitud a lo largo del canal de vegetación a 64 my a 123 m de largo a lo largo de la zanja de vegetación de 152 m ( Figura 2 ).
  2. Simulación de escorrentía y muestreo
    NOTA: Este protocolo describe métodos para realizar ensayos simulados de escorrentía agrícola y el monitoreo asociado para evaluar la eficacia del tratamiento usando el sistema de tratamiento vegetativo integrado. En el presente ejemplo, se evaluó el sistema de vegetación-compost-carbono integrado a dos caudales que representaban tasas típicas de descarga fuera de campo de las fincas comerciales en el Valle de Salinas, 3,2 L / s y 6,3 L / s. El plaguicida organofosfato clorpirifos se usó como un pesticida modelo en estos ensayos porque tiene un solubi moderadoY por lo tanto representa el rango medio de solubilidad de plaguicidas representativos comúnmente utilizados en el manejo de plagas. El clorpirifos también es objeto de acciones reguladoras en curso en el centro de California debido a sus impactos en las cuencas hidrográficas de la agricultura. La dosis de clorpirifos objetivo fue de aproximadamente 2.600 ng / L. Las tasas de flujo y las concentraciones de clorpirifos objetivo estuvieron dentro de los rangos previamente medidos en la escorrentía de riego local 3 , 11 . El tiempo de residencia hidráulico para un pulso de agua que transita por la zanja cubierta de vegetación no se monitorizó en el ejemplo dado aquí. El tiempo de residencia en estos sistemas varía con la tasa de entrada de agua, el grado de saturación del suelo debido al riego y la lluvia previos, la presencia de estructuras que impiden el flujo como las presas y las cuencas de sedimentación y la superficie cubierta por vegetación. Estudios previos han demostrado tiempos de residencia de varias horas para sistemas de zanjas de pequeñaSalinas Valley 3 , 4 . Las observaciones visuales indicaron que el tiempo de residencia para los filtros GAC fue de uno o dos minutos.
    1. Crear escorrentía agrícola simulada utilizando agua subterránea mezclada con sedimento suspendido. Para los ensayos con el plaguicida modelo, clorpirifos, preparar una solución madre fresca de 10 mg / L para cada ensayo de 3,2 L / s añadiendo solución madre certificada a un volumen conocido de agua destilada. Preparar una solución madre de clorpirifos fresca de 20 mg / L para cada ensayo de 6,3 L / s.
      1. Utilice una bomba dosificadora para proporcionar un volumen consistente de solución madre al agua de escorrentía antes de que entre en la entrada de la zanja de tratamiento con vegetación. Utilice la bomba dosificadora para suministrar solución madre a 50 mL / min al flujo de agua de riego simulada.
    2. Controle el caudal de entrada con un medidor digital y utilice estos datos para cuantificar el volumen total de agua de escurrimiento aplicada a la entrada de la zanja.
    3. Construir un vertedero en elE salida de la zanja y aplique esto con un tubo de salida conectado a un medidor de flujo digital. Utilice este medidor para registrar el volumen de escorrentía que sale de la zanja.
    4. Utilice registradores de datos conectados a los medidores digitales para registrar el flujo a intervalos de 5 min. Programar los registradores de datos para activar las bombas peristálticas situadas en la entrada y en diversas estaciones ( por ejemplo , 23 m, 45 m y 68 m) por debajo de la entrada de la zanja para recoger submuestras compuestas de escurrimiento en recipientes de acero inoxidable a intervalos de 5 min.
  3. Química
    1. Transfiera muestras compuestas de agua de escurrimiento de ensayos en botellas de vidrio ámbar al final de cada ensayo de escurrimiento y mantenga las muestras en hielo a 4 ° C para toxicidad posterior y análisis químicos.
    2. Analizar las muestras compuestas de sólidos suspendidos totales (TSS) y clorpirifos usando GC-MS o ensayos inmunoenzimáticos (ELISA).
    3. Comparar las muestras compuestas de "entrada" (pretratamiento) con & #34; salida "muestras (post-tratamiento) para evaluar la eficacia del sistema integrado de zanjas para reducir las TSS y las cargas de pesticidas.
  4. Pruebas de Toxicidad
    1. Determine la toxicidad de la columna de agua en muestras compuestas de la entrada (pretratamiento) y salida (post-tratamiento) de cada ensayo utilizando 96 h Ensayos de toxicidad de Ceriodaphnia dubia 10 , como se describió anteriormente para el monitoreo de bioswale. C. dubia es una especie de vigilancia adecuada para la toxicidad de la escorrentía agrícola debido a su sensibilidad a clorpirifos (concentración letal media (LC50) = 53 ng / L 12 ).

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Representative Results

Eficacia de Bioswale Urbana

Durante los 18.5 h de la tormenta, 1.52 "de lluvia fue registrada por el pluviómetro, y esto resultó en 50.490 galones de agua que fluye de los estacionamientos en la bioswale.De este volumen total, 5,248 galones fueron registrados por el medidor de flujo de salida , Lo que resultó en una infiltración total del 90% de las aguas pluviales que fluyeron a la bioswale.La bioswale redujo todos los productos químicos monitoreados.Los sólidos suspendidos totales se redujeron 72% ( Cuadro 1 ) Las concentraciones de HAP fueron muy bajas cuando se detectaron, Pero todas las concentraciones de HAP se redujeron en un 100% Todos los metales se redujeron en las muestras de salida El zinc y el cobre se redujeron en un 97% y 92% respectivamente ( Cuadro 1 ) Se detectaron varios plaguicidas piretroides en las muestras de entrada y Todas ellas se redujeron en las muestras de salida.Ons se redujeron en un 99%. Se detectaron concentraciones tóxicas de los piretroides bifentrina, cipermetrina, lambda-cialotrina y permetrina en las muestras de entrada y se redujeron a concentraciones por debajo de las concentraciones letales medias (LC50s) de H. azteca en las muestras de salida ( Tabla 1 ). Por ejemplo, la bifentrina se detectó a una concentración tóxica en la muestra de entrada y se redujo en un 93% en la muestra de salida.

El tratamiento del plaguicida fenilpirazol fipronil fue inconsistente. El compuesto original de fipronil se detectó en la muestra de entrada y se redujo en un 100% en la muestra de salida. En la muestra de entrada se detectaron los degradados de fipronil, fipronil, desulfinilo y fipronil sulfona. El degradado de desulfinilo se redujo al 100% en la muestra de salida, pero el degradado de sulfona aumentó en un 45%. Las posibles razones para el tratamiento variable del fipronil incluyen su solubilidad moderada. El neonicotinoide pesticImidacloprid no se detectó en la muestra de entrada.

La toxicidad de las aguas pluviales varió según las especies probadas. Ninguna de las muestras de entrada eran tóxicas para daphnies ( Tabla 1 ). Todas las muestras de entrada fueron tóxicas para H. azteca y la toxicidad fue reducida por la bioswale. La supervivencia de los anfípodos fue del 66% en la muestra de entrada, y mejoró hasta el 98% en la salida. Se observó toxicidad para la supervivencia de C. dilutus en muestras de entrada y salida. Se observaron reducciones significativas en el peso de C. dilutus en la muestra de entrada, y el crecimiento mejoró significativamente en un 49% en la muestra de salida ( Tabla 1 ).

Eficacia integrada de fosas de drenaje vegetativo

La eficacia del sistema integrado de zanjas con vegetación para tratar el clorpirifos varió dependiendo del caudal, pero los TSS y el clorpirifos en el picoAgua de riego se redujeron significativamente a ambos caudales. La reducción promedio de TSS en los tres ensayos realizados a 3,2 L / sy 6,3 L / s fue de 79,7% y 82,3%, respectivamente. El clorpirifos se redujo de aproximadamente 750 ng / L a menos de la detección (<50 ng / L) en dos de los ensayos de bajo caudal, ya una concentración estimada de 78 ng / L en el tercer ensayo (por debajo del límite de notificación). Clorpirifos se redujo de un promedio de 707 ng / L a menos de 100 ng / L en los tres ensayos a mayor caudal. Cuando se combinaron con la infiltración, las reducciones de carga promedio fueron 98% y 94% para los caudales bajo y alto, respectivamente ( Tabla 2 ).

Se observó mortalidad completa a C. dubia en todas las muestras de entrada (pretratamiento). Dos de las muestras de salida de 3,2 L / s y una de las muestras de salida de 6,3 L / s no eran tóxicas ( Tabla 2 ), correspondientes a las muestras de salida con los tres clorpirifos concentrados más bajos Raciones.

Figura 1
Figura 1: Imagen de una biosfera de estacionamiento. Se recolectaron muestras de aguas pluviales de entrada (no tratadas) de varias de las aberturas de bordillo a la bioswale. Se recogieron muestras de aguas pluviales (tratadas) de un tubo de drenaje situado dentro de una rejilla de desbordamiento situada en la parte superior de la imagen (no mostrada). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2: Diagrama esquemático del sistema integrado de zanjas con vegetación (longitud de 152 m, no a escala). Toda la zanja estaba cubierta de vegetación con hierba roja de festuca. Las instalaciones de compost y GAC se colocaron como se muestra.Ftp_upload / 55391 / 55391fig2large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Toxicidad Unidades Entrada Salida
Azteca % Supervivencia 66 98
C. dubia % Supervivencia 100 100
C. dilutus % Supervivencia 81 71
Peso seco. (Mg) 0,39 0,77
Química
TSS Mg / l 136 38
Bifentrina Ng / l 5,6 0,4
Cyfluthrin Ng / l 1.2 DAKOTA DEL NORTE
Cypermetrina Ng / l 3.1 DAKOTA DEL NORTE
(Es) Fenvalerato Ng / l 0,7 DAKOTA DEL NORTE
Fenpropatrina Ng / l 3.6 DAKOTA DEL NORTE
L-Cialotrina Ng / l 1.3 DAKOTA DEL NORTE
Permetrina Ng / l 15 DAKOTA DEL NORTE
Fipronil Ng / l 0,8 DAKOTA DEL NORTE
Fipronil Desulfinyl Ng / l 0,6 DAKOTA DEL NORTE
Sulfuro de Fipronil Ng / l DAKOTA DEL NORTE DAKOTA DEL NORTE
Fipronil Sulfone Ng / l 0,6 1.1
Imidacloprid Ng / l DAKOTA DEL NORTE DAKOTA DEL NORTE
Cadmio Μg / L 0,52 0,07
Cobre Μg / L 78 5,9
Dirigir Μg / L 11 1
Níquel Μg / L 32 2,8
Zinc Μg / L 590 15
Total de PAHs Μg / L 0,47 DAKOTA DEL NORTE

Tabla 1: Toxicidad y química de la entrada y salida de la bioswale monitorizadas durante una tormenta. TSS = sólidos suspendidos totales; ND = no detectado.

3,2 litros / segundo 6,3 litros / segundo
1 2 3 </ Td> 1 2 3
Clorpirifos (ng / L)
Entrada 638 738 879 282 973 966
Salida DAKOTA DEL NORTE DAKOTA DEL NORTE 78 52 82 58
Cambio porcentual -100 -100 -91 -82 -92 -94
TSS (mg / L)
Entrada 422 588 448 238 218 258
Salida 46 66 176 40 52 31
PorCentavo cambio -89 -89 -61 -83 -76 -88
Toxicidad (% de supervivencia)
Entrada 0 0 0 0 0 0
Salida 96 * 100 * 0 100 * 0 4
Controlar 96 100 100 96 100 100
Promedio Reducción de Clorpirifos 97% 89%
Promedio Infiltración de escorrentía 52% 43%
Promedio Reducción de Carga de Clorpirifos 98% </ Td> 94%

Tabla 2: Concentraciones de clorpirifos, concentraciones totales de sólidos suspendidos y porcentaje de supervivencia en muestras compuestas de ensayos repetidos que evaluaron la efectividad de los tratamientos de zanjas integrados a dos caudales (3,2 l / sy 6,3 l / s). El asterisco indica una reducción significativa de la toxicidad.

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Discussion

Las prácticas descritas en este protocolo están destinadas como pasos finales en una estrategia general para eliminar los contaminantes en el riego agrícola y en la escorrentía de aguas pluviales. El uso de bioswales y otras prácticas de LID de infraestructura verde urbana están pensados ​​como una pieza final del rompecabezas para eliminar los contaminantes en la escorrentía antes de que lleguen a las aguas receptoras adyacentes. Este protocolo enfatiza métodos para monitorear bioswales urbanos para determinar la eficacia del tratamiento para eliminar la toxicidad asociada con contaminantes urbanos, con énfasis en pesticidas de uso corriente.

Los pasos críticos en el diseño de los estudios de monitoreo incluyen enfoques de modelado y diseños de muestreo para captar hidrogramas de tormenta, listas de analitos apropiadas con límites de detección adecuados y uso de indicadores de toxicidad y puntos finales apropiados para contaminantes urbanos que causan toxicidad en aguas superficiales.

Por ejemplo, la eliminación de los degradados del plaguicida fenilpirazol fiproniL fueron inconsistentes, probablemente debido a su moderada solubilidad [ 2 , 13] . Es posible que se requieran modificaciones de los diseños de bioswale actuales para tratar contaminantes específicos que no hayan sido eliminados completamente por bioswales y otras prácticas de LID. Por ejemplo, el uso de plaguicidas neonicotinoides altamente solubles está aumentando, y éstos no absorben fácilmente a las fuentes vegetales 14 . El tratamiento de plaguicidas más solubles puede requerir pasos adicionales, tales como filtrar usando GAC 4 .

Los sistemas de tratamiento con vegetación utilizados para eliminar plaguicidas y otros contaminantes de la escorrentía de riego agrícola combinan componentes de diseño similares a las bioswales. Las zanjas integradas de drenaje de vegetación incluyen áreas de sedimentación diseñadas para permitir el asentamiento de partículas en suspensión gruesas, seguidas por secciones de vegetación para sorbir los pesticidas. Los estudios han demostrado que estos tratamientos eliminan los contaminantes relacionados con la agricultura mediante promoInfiltración de ting, y la eliminación de los pesticidas por sorción a las partículas y las superficies establecidas de la planta 15 , 16 .

Los estudios también han demostrado que las eficiencias de eliminación varían dependiendo del contaminante objetivo, y que los plaguicidas más solubles son más difíciles de eliminar 3 . Dado que el objetivo es reducir los pesticidas a concentraciones no tóxicas antes de entrar en las aguas receptoras, se ha requerido tratamiento adicional para que sirva de "pulido". Estos incluyen el uso de enzimas de tratamiento 3 , 4 , 17 , y más recientemente, el uso de GAC.

Es probable que los sistemas que incorporen GAC sean más efectivos 4 , y experimentos recientes han demostrado que el neonicotinoide imidacloprid fue completamente eliminado por GAC a velocidades y concentraciones de flujo de campo (VoorheesEt al. , En prensa 21 ). Las consideraciones prácticas para los productores interesados ​​en incorporar el GAC en los sistemas integrados de tratamiento con vegetación serán la facilidad de uso, la esperanza de vida del GAC y los costos de adquisición y eliminación. Por ejemplo, los costos actuales de adquisición y eliminación de GAC son aproximadamente tres dólares por libra. Estos son los temas de la investigación en curso. Como en el ejemplo presentado aquí, la efectividad del GAC en el campo se puede extender incorporando manguitos de tratamiento llenos de GAC al final de los sistemas de vegetación, después de que las secciones de sedimentación y zanja con vegetación hayan eliminado la mayoría de las partículas y contaminantes en suspensión 4 . La consideración de los costos para la instalación y el mantenimiento de todos los componentes de los sistemas integrados de tratamiento con vegetación para la agricultura y las bioswales para la escorrentía urbana requerirá estudios de factibilidad tecnoeconómica más detallados 18 .

Monitoreo de la toxicidadConsideraciones

A medida que los patrones de uso de plaguicidas evolucionan con la regulación de clases más antiguas como los organofosforados para el uso urbano y el uso creciente de clases más nuevas, tales como piretroides, fenilpirazoles ( por ejemplo , fipronil) y neonicotinoides ( por ejemplo , imidacloprid) A los plaguicidas más utilizados. Las dos especies utilizadas en el ejemplo de bioswale urbano descrito en este documento están entre las especies más sensibles a los plaguicidas de uso corriente. El anfípodo H. azteca es altamente sensible a los plaguicidas piretroides 19 ya algunos organofosforados, y C. dilutus está entre las especies más sensibles al fipronil y sus degradados, ya los neonicotinoides 20 .

Dado el rendimiento variable de los sistemas de vegetación para el tratamiento de estas clases de plaguicidas, es importante incorporar pruebas de toxicidad apropiadas para la monitorización posterior al tratamientoG de aguas residuales urbanas y agrícolas para asegurar que están protegiendo las aguas receptoras.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgments

El financiamiento para el trabajo descrito aquí vino del Departamento de Regulación de Plaguicidas de California y del Departamento de Recursos Hídricos de California.

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

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References

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