Tarım ve Kentsel Akışta Yüzeysel Su Zehirlenmesiyle İlişkili Kirleticilerin Ortadan Kaldırılması İçin Vejetaryan Arıtma Sistemleri

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

Bu makale, pestisitleri ve su zehirliliğiyle ilişkili diğer kirleticileri gidermek için kentsel yağmursuyu ve tarımsal sulama akışını tedavi eden arıtma sistemlerinin tasarım özelliklerini ve etkinliğini özetler.

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

Kentsel yağmur suyu ve tarım sulama suyu akışı genellikle komşu alıcı sulara toksik olan karışık bir kontaminant karışımı içermektedir. Akıntı, bitki örtüsü ve topraklara kirletici maddelerin emilimini arttırmak ve sızmayı artırmak için tasarlanmış basit sistemler ile tedavi edilebilir. İki örnek sistem açıklanmaktadır: kentsel yağmur suyu arıtımında biyolojik çalkantılı bir arıtma sistemi ve tarımın sulama akışını gidermek için bir bitki örtüsü drenajı. Her ikisinde de akan suyun kirletici yükünü azaltacak benzer özellikler bulunur: kirleticilerin toprak ve bitki yüzeylerine emilmesi ve su emmesi ile sonuçlanan bitki örtüsü. Bu sistemler, artık kirleticileri uzaklaştırmak için granülleştirilmiş aktif karbonun bir parlatma adımı olarak entegrasyonunu da içerebilir. Bu sistemlerin tarım ve kentsel havzalarda uygulanması, tedavi etkinliğini doğrulamak için sistemin izlenmesini gerektirir. Bu, toksisiteye neden olan belirli kirleticiler için kimyasal izleme içerir.Mevcut belge, su omurgasızlarına yüzeysel su toksisitesinden sorumlu olduğu için, mevcut kullanım böcek ilacının izlenmesini vurguluyor.

Introduction

Yüzey su toksisitesi, Kaliforniya su havzalarında yaygındır ve onlarca yıldır yapılan izlem, toksisitenin pestisit ve diğer kirleticilerden kaynaklandığını göstermiştir 1 . Yüzey su kirliliğinin birincil kaynakları kentsel ve tarımsal kaynaklardan gelen yağmur suyu ve sulama akışlarıdır. Su gövdeleri kontaminantlardan dolayı bozulmuş olarak listelenir ve toksisite kentsel ve tarımsal kaynaklardan tespit edildiğinden, su kalitesi düzenleyicileri, kirletici yüklemeyi azaltmak için uygulamaları uygulamak için devlet ve federal finansman kaynaklarıyla ortaktır. Kaliforniya kentsel havzalarında selleri azaltmak ve sızıntı ve saklama yoluyla yağmursuyu gidermek için yeşil altyapı geliştiriliyor. Birçok bölgede yeni yapım için Düşük Etki Geliştirme (LID) tasarımları zorunlu kılınırken, az sayıdaki çalışma bu sistemlerin çözünmüş katılar, metaller ve hidrokarbon gibi konvansiyonel kirleticilerin ölçümlerinin ötesinde etkinliğini izlemiştir.bons. Son zamanlarda daha yoğun bir izleme, yüzey suyu toksisitesinden sorumlu olan kimyasal yüklemelerdeki ve kimyasal yüklemelerdeki düşüşleri değerlendirdi ve doğrudan biyolojik kirliliğin tohum zehirlenmesini azaltıp azaltmadığını belirledi. Bu, biyolojik arıların bazı kirletici sınıflar 2 ile ilişkili toksisitenin kaldırılmasında etkili olduğunu göstermiştir, ancak ortaya çıkan kimyasal maddeler için ilave araştırma gerekmektedir.

Vejetasyonlu arıtma sistemleri aynı zamanda Kaliforniya'daki tarım havzalarında da uygulanmaktadır ve bunlar tarımsal sulama akışında pestisit ve diğer kirleticilerin azaltılmasında etkili olduğu gösterilmiştir 3 , 4 . Bu sistemler, kontaminant yüklemeyi yüzey sularına indirgemek için bir dizi yaklaşımın bileşenlerini temsil eder. Yüzey su toksisitesinden sorumlu olan kirleticileri hafifletmek için tasarlandığı için, uygulama sürecinin ana bileşenleri eNsure onların uzun vadeli etkinliği. İzleme, endişe verici kimyasal türlerin kimyasal analizlerini ve duyarlı gösterge türleriyle toksisite testlerini içerir. Bu makale, bir kentsel park yeri bioswale ve tarımsal bitki örtüsü drenaj hendek sistemi için protokoller ve izleme sonuçlarını açıklamaktadır.

Tipik bir karma kullanımlı kentsel alışveriş park alanında fırtına akışını tedavi etmek için kullanılabilecek tipik bir otopark parkurunun tasarım özellikleri, tedavi edilen bölgeye bağlı. Burada açıklanan örnekte, 53.286 feet kare asfalt, 4.683 metrekare peyzaj alanından oluşan bir kepçe boşaltan geçirimsiz bir yüzey alanı oluşturur. Bu yüzey alanından akışı sağlamak için, 215 feet uzunluğunda, düz, yarı V şeklindeki kanal,% 50'den daha az bir yan eğim ve% 1'lik bir uzunlamasına eğimi olan kıvrımı içerir ( Şekil 1 ). Bu tohum, 6 kat inceltilmiş topoil, katmanKırmızı 2.5 metrelik sıkıştırılmış alt tabaka üzerinde. Yağmursuyu park yerlerinden, şişe boyunca birden fazla giriş noktasına akar. Su, bitki örtüsüne sızar, sonra alt katmana nüfuz eder ve 4 inç delikli bir boşaltma deliğine boşaltır. Bu sistem, suyun bitişik bir sulak alana sızdırılmış bir sistemden boşalmasına neden olur ve sonunda yerel bir dereye akar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Kentsel Biyo-Wale Etkinlik İzleme

  1. Fırtına Su Örneklemesi
    1. Park yerinin bioswale girişine girerken parkeden ayrıldığı 4 L ön tedavi yağmuru örneğini ve 4 "çıkış drenajı boyunca biyo oluktan ayrıldığı için 4 L arıtma sonrası yağmursuyu sürün.
    2. Yerel hava tahminlerini kullanarak, fırtınanın hidrografının başında, ortasında ve sonunda örnekleri toplayın. Fırtına olayı sırasında akarsu değişkenliğini karakterize etmek için örnekleri birleştirin.
    3. 1.3 L numune elle toplayın ve 4 L'lik kehribar bir şişede kompozit hale getirin. Fırtına suyunun biyolojik şelale içine aktığı birkaç boşluk açıklığında giriş örnekleri toplayın.
    4. Çıkış drene (aşağıda açıklanmıştır) takılı olan debimetreden 1.3 L çıkış numunesi toplayın ve 4 L kehribar bir şişede kompozit hale getirin.
    5. Nihai hidrograf örneği toplanana kadar birleştirilen numuneleri buzda saklayın. Ardından onları laboratuara nakledin ve refraktöre tutunKimya ve toksisite testleri için alt örneklemeden önce 4 ° C'de inkübe edin. Numuneleri numune toplama işleminden 48 saat sonra kimya laboratuarına gönder.
  2. Yük Hesaplama
    1. Fırtınadan önce, bioswale alanına bitişik bir ışık veya diğer kutuplara tutturarak bir devrilme kovası dijital kayıt cihazı yağmur ölçeri takın. Site için anlık ve toplam yağış belirtmek için yağmur verileri kullanın.
    2. Biyoyakalın çıkış kanallarına mekanik dişli darbe debimetresi takın. Biyogazdan çıkılan toplam akış kaydedin.
      NOT: Akış hacmindeki azalmanın, KAPAK tasarımlarında kirleticilerin toplam yükünü azalttığı varsayılmaktadır.
    3. Yağmur olayı sırasında park yeri toplama alanına düşen suyun hacmini, yağmur göstergesi tarafından kaydedilen yağmur inçlerini kullanarak ekstrapolasyonla modelleyin. Park etme yüzeyinin alanına dayalı olarak arıtma sistemine giren hacmi belirlemek için bu verileri kullanın.
    4. T tarafından kaydedilen toplam akışı kullanınSızma yüzdesini hesaplamak için çıkış debimetresi. Yağmursuyu sızıntısını belirlemek için giriş ve çıkış hacmi arasındaki farkı hesaplayın.
    5. Fırtına sırasında kontaminant analitik ölçümlerle birlikte giriş ve çıkış hacmini kullanarak kirletici yükleme ve yük azaltma yüzdelerini hesaplayın.
    6. Yüzey su toksisitesi ile alakalı kimyasal analitleri ölçün (aşağıda tartışıldığı gibi). Yük hesaplamalarını basitleştirmek için toplam kimyasal gruplar ve benzer toksik etki şekilleri ( örneğin toplam polinükleer aromatik hidrokarbonlar [PAHs], toplam piretroidler ve toplam fipronil ve degradatlar).
  3. Kimya
    1. Toplam askıda katı madde (TSS), iz metalleri (USEPA yöntemi 200.8 5 , indüktif çift plazma kütle spektrometresi [ICP / MS]) ve PAH'lar (USEPA yöntemi 625 6 ) için tüm örnekleri analiz edin.
    2. Örnekleri curre için analiz edin(USEPA yöntemi SW846 8270 modifiye edilmiş 7 , bifenthrin, sipermetrin, fenvalerat / esfenvalerat, permetrin, tetrametrin, L-cyhalothrin, cyfluthrin ve alletrin dahil) ve fipronil ve üç ana bozunumu (fipronil sülfür, Fipronil sülfon, fipronil desülfinil).
    3. Piretroidleri, yeterli algılama limitleri sağlamak için negatif kimyasal iyonizasyon veya diğer uygun yöntemleri kullanarak gaz kromatografisi-kütle spektrometresi (GC / MS) kullanarak analiz edin. Günümüzdeki çoğu pestisitin düşük konsantrasyonlarda oldukça toksik olduğu için, analizleri çevresel risk değerlendirmesi için düşük kimyasal raporlama limitleri gerektirir. Piretroidler için raporlama limitleri, permetrin hariç tüm piretroidler için 0.5 ng / L ila 1.0 ng / L arasındadır (raporlama sınırı = 10 ng / L).
    4. 1.0 ng / L'lik bir yöntem raporlama limiti sağlayan fipronil için analitik bir prosedür kullanın. Organofosfat pestisitlerin ölçülmesine gerek yoktur.Örneğin, Kaliforniya'daki kentsel alanlarda yerel kullanım desenlerine bakmak 8 , 9 .
    5. 50 ng / L imidacloprid için raporlama sınırı olan üçlü dörtlü kutuplu bir kütle spektrometresi ile birleştirilmiş ultra performans sıvı kromatografisini kullanarak neonikotinoid böcek ilacı ( örn. , Imidakloprid) ölçün.
  4. Zehirlilik Testi
    1. Birleşik Çevre Koruma Ajansı (USEPA) akut test protokolleri 10'u takiben, 3 test türünü kullanarak kompozit giriş ve çıkış yağmursuyu örnekleri üzerinde toksisite testleri yapın. Cladoceran Ceriodaphnia dubia ile yapılan test 96 saat sonra sağkalımı ölçer. Amphipod Hyalella azteca ile yapılan test 10 gün sonra hayatta kalmayı ölçer. Mikrodalga Chironomus dilutus testi, 10 gün sonra hayatta kalma ve büyümeyi ölçer.
    2. Akabinde 96 saatlik bir hayatta kalma testi uygulayarak C.dubia ile kapüşon uygulayın .EPA rehberliği.
      1. Beş giriş ve çıkış yağmursuyu örneğinin beş çoğaltmasında beş C. dubia yenidoğanını açığa vurun. Çoğaltıcılar, 15 mL test solüsyonu içeren 20 mL sintilasyon şişelerinden oluşur.
      2. Yağmursuyu testi çözümlerinin her gün% 100 yenilenmesinden 2 saat önce yem yenidoğan maya, kerofil, alabalık yemi (= US EPA rehberliğinde YCT) ve Selenastrum alglerinin karışımını yeniler. Günlük hayatta kalan yenidoğan sayısını kaydedin.
      3. 96 saat boyunca giriş ve çıkış yağmursuyu örneklerine maruz bırakıldıktan sonra C. dubia'nın sağkalım süresini karşılaştırarak, orta sertlikte kontrol suyunda bir t-testi kullanarak hayatta kalın. US EPA tarafından önerilen istatistiksel prosedürleri takip edin.
    3. US EPA rehberliğinde amfipod H. azteca ile akut 10 günlük sağkalım testleri uygulayın .
      1. Beş çoğaltmanın her birinde 10, 9 gün ila 15 günlük amfibi süreleri uygulayın. Çoğaltıcılar, 200 mL test solüsyonu içeren 300 mL cam bidonlardan oluşur.
      2. Yağmursuyu örneklerinde amfipodların son sağkalımlarını, yukarıda tarif edildiği gibi laboratuar kuyusu suyunda 10 günlük sağkalım ile karşılaştırın.
    4. US EPA rehberliğinde , midge C. dilutus ile kronik 10. saat sağkalım ve büyüme testleri uygulayın .
      1. Dört tekrarlamanın her birinde 12, 7-d yaşlı hayvanları açığa vurun. Çoğaltıcılar, 200 mL test solüsyonu içeren 300 mL cam bidondan oluşur. Larvalar tarafından tüp yapımı için alt katman olarak her bir süpürge test kabını 5 mL kum ile birlikte verin.
      2. Her bir beher için günlük olarak balık yemi bulamacının (4 g / L) artan miktarı ile 10 d için testler yapın ve her 48 saatte bir test solüsyonunun% 50'sini yenileyin: 0-3 gün, 0,5 mL / gün; Gün 4 ila 6, 1.0 mL / gün; Gün 7-10, 1.5 mL / gün.
      3. Nihai hayatta kalma oranını veYağmur suyu örneklerinde yukarıda tarif edildiği gibi laboratuvar kuyusu suyunda 10-günlük hayatta kalma. Canlı hayvanların, test organizmalarının başlangıç ​​ağırlığına kıyasla 10 d'de külsüz kuru ağırlık olarak büyümesini ölçün.
    5. Tüm toksisite testleri için, uygun sayaçlar ve elektrotlar kullanarak çözünmüş oksijen, pH ve iletkenliği ölçün. Spektrofotometre kullanarak iyonize edilmemiş amonyak ölçün.
      1. Testlerin başlangıcında ve sonlandırılmasında su sertliğini ve alkaliliği ölçün. 10
      2. Sürekli bir kayıt termometresi ile su sıcaklığını kaydedin.

2. Entegre Vejetasyonlu Tarımsal Drenaj Hendek Etkinliği İzleme

  1. Entegre Hendek İnşaatı
    NOT: Mevcut örnekte kullanılan tarım drenaj hendekleri 152 m uzunluğundadır ve üst ve 1 m derinlikte 5 m yarı-V-şeklinde kesit genişliğine sahiptir. Hendek bitki örtüsü, nÖncelikle kırmızı fescue ( Festuca rubra ) ile tohumlanmış ative çim türleri. Bu örnekte, entegre vejetatif hendek denemeleri, granüle edilmiş aktif karbon (GAC) ve kompost filtresi tedavileri ile bitki örtüsü ile entegre olmuşlardır.
    1. İki kompost filtresi ve altı karbon filtresi oluşturun ve onları bitki örtüsünün üç farklı bölümüne yerleştirin ( Şekil 2 ). Karbon veya kompost ile dolu 2 m uzunluğunda 20 cm çapında kol kullanın.
    2. Altı kollu, 30 L granülleştirilmiş aktif karbon ile doldurun ve 152 m bitkisel hendek bitişiğindeki 146 m noktasındaki hendek boyunca yerleştirin. GAC dolgulu kovanları, akış yukarı kenarında tel kazıklarla hendek tabanına tutturun.
    3. Her bir GAC kovanının aşağı kenarına 2.5 m uzunluğunda bir 6 "genişliğinde çam tahtası yerleştirin.Yüzey suyunu asgari düzeye indirgemek ve karbon kovanlarını alttan kesmek için kanalın iki yüzüne ve altına çam panolarını kazın. profesyonelKarbonla su temas süresini en üst düzeye çıkarmak için dikey destek sağlayın.
    4. Kompost kovanlara kısmen ayrılmış her bir atık atığının yaklaşık 15 kg'ını, yerel bir depolama alanı gibi temiz bir kaynaktan doldurun. Bitki örtüsü kanalı boyunca 64 m'de ve 152 m bitkisel hendek boyu boyunca 123 m'de iki adet 2 m uzunluğunda gübre yastığı yerleştirin ( Şekil 2 ).
  2. Kaçak Simülasyonu ve Numune Alma
    NOT: Bu protokol, entegre vejetatif tedavi sistemi kullanılarak tedavi verimliliğini değerlendirmek için simüle edilmiş tarımsal akar denemelerinin ve bunlarla ilgili izlemenin yürütülmesi için yöntemleri açıklamaktadır. Mevcut örnekte, entegre vejetatif kompost karbon sistemi, Salinas Vadisi'ndeki ticari çiftliklerdeki normal alan dışı deşarj oranlarını temsil eden iki akış hızında 3.2 L / s ve 6.3 L / s olarak değerlendirildi. Organofosfat böcek ilacı klorpirifos, bu denemelerde bir model böcek ilacı olarak kullanıldı, çünkü çözünürlüğü orta derecedeydiBöylelikle haşere mücadelesinde yaygın olarak kullanılan temsili pestisitlerin orta çözünürlüğünü temsil eder. Chlorpyrifos, tarımsal havza üzerindeki etkileri nedeniyle merkezi California'da devam eden düzenleyici eylemler konusudur. Hedef klorpirifoz dozu yaklaşık 2,600 ng / L idi. Akış hızları ve hedef klorpirifos konsantrasyonları, yerel sulama akışında önceden ölçülen aralıklardaydı 3 , 11 . Burada verilen örnekte, bitki örtüsünü geçen su darbesi için hidrolik kalış süresi izlenmemiştir. Bu sistemlerde kalış süresi, su giriş hızı, önceki sulama ve yağmurdan kaynaklanan toprak doygunluğunun derecesi, tüyler ve sedimentasyon havzaları gibi akışın önündeki yapıların varlığı ve bitki örtüsü tarafından kaplanan yüzey alanı miktarına göre değişir. Önceki çalışmalarda, küçük ölçekli hendek sistemleri için birkaç saatlik oturma süreleri gösterilmiştirSalinas Vadisi 3 , 4 . Görsel gözlemler, GAC filtrelerinin kalma süresinin bir veya iki dakika olduğunu gösterdi.
    1. Askıdaki tortu ile karıştırılmış yeraltı sularını kullanarak taklit edilen tarımsal akışı oluşturun. Pestisit olan klorpirifos modeli denemeleri için bilinen her damıtık su hacmine sertifikalı stok çözeltisi ekleyerek her 3,2 L / s'lik deneme için 10 mg / L'lik yeni bir stok solüsyonu hazırlayın. Her 6.3 L / s deneme için 20 mg / L'lik yeni bir klorpirifos stok solüsyonu hazırlayın.
      1. Vejeteryen arıtma hendek girişine girmeden önce akan suya istikrarlı bir stok çözeltisi hacmi sağlamak için bir dozaj pompası kullanın. Simüle sulama suyunun akışına 50 mL / dakika stok solüsyonu vermek için ölçüm pompasını kullanın.
    2. Giriş debisini sayısal bir sayaç ile izleyin ve hendek girişine uygulanan toplam suyun toplam hacmini ölçmek için bu verileri kullanın.
    3. Tirajı yapE hendek çıkışı ve bunu bir dijital debimetre bağlı bir çıkış borusu ile plumb. Hendekten çıkan akış miktarını kaydetmek için bu sayacı kullanın.
    4. Akışı 5 dakikalık aralıklarla kaydetmek için dijital sayaçlara bağlı veri kaydedicileri kullanın. 5 dakikalık aralıklarla paslanmaz çelik kutulara akan bileşik alıntılar toplamak için hendek girişinin altındaki giriş ve çeşitli istasyonlarda ( örneğin , 23 m, 45 m ve 68 m) bulunan peristaltik pompaları etkinleştirmek için veri kaydedicileri programlayın.
  3. Kimya
    1. Her bir kaçak denemenin sonunda, koşu suyunun kompozit numunelerini deneylerden kehribar cam şişelere aktarın ve daha sonraki toksisite ve kimyasal analizler için örnekleri buzda 4 ° C'de tutun.
    2. Toplam askıda katı madde (TSS) ve klorpirifos bileşimleri için GC-MS veya enzim bağlı immünosorbent analizleri (ELISA) kullanarak kompozit numuneleri analiz edin.
    3. "Giriş" kompozit numunelerini (ön işlem), & #TSS ve pestisit yüklerini azaltmak için entegre hendek sisteminin etkinliğini değerlendirmek için "çıkış" kompozit numuneler (işlem sonrası).
  4. Zehirlilik Testi
    1. Sütun toksisitesinin saptanması , biyoyakularda izlemede yukarıda tarif edildiği gibi 96 saatlik Ceriodaphnia dubia toksisite testleri 10 kullanılarak her deneyin girişinden (ön-muamele) ve çıkıştan (işlemden sonra) alınan bileşik örneklerde idi. C.dubia , klorpirifoslara duyarlılığı nedeniyle (orta ölümcül konsantrasyon (LC50) = 53 ng / L12) tarımsal akışı toksisitesi için uygun bir izleme türüdür.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Kentsel Biyogücün Etkinliği

Fırtınanın 18.5 saatinde, yağmur göstergesi tarafından 1.52 "yağmur kaydedildi ve bu, park yerlerinden biyolojik oluk içine akan 50.490 galon suya neden oldu. Bu toplam hacmin 5.228 galonu çıkış debimetresi ile kaydedildi , Biyoselin içine akan yağmur suyunun% 90'ına tamamen sızma ile sonuçlandı Biyoglof izlenen tüm kimyasalları azalttı Toplam askıda katı madde% 72 azaldı ( Tablo 1 ) PAH konsantrasyonları, tespit edildiğinde çok düşüktü, Ancak tüm konsantrasyonlarda PAH'lar% 100 oranında azaltılmış, çıkış metallerinde ise tüm metaller azalmıştır Çinko ve bakır sırasıyla% 97 ve% 92 azalmıştır ( Tablo 1 ). Giriş numunelerinde bir dizi piretroid böcek ilacı tespit edilmiştir ve Bunların hepsi çıkış örneklerinde azalmıştır. Toplam piretroid konsantrasyonu% 99 oranında azaltıldı. Piretroids bifentrin, sipermetrin, lambda-cyhalothrin ve permetrin'in toksik konsantrasyonları giriş örneklerinde tespit edildi ve çıkış örneklerinde H. azteca için ölümcül orta konsantrasyonların (LC50s) altındaki konsantrasyonlara düşürüldü ( Tablo 1 ). Örneğin, bifenthrin, giriş örneğinde zehirli bir konsantrasyonda tespit edildi ve çıkış örneğinde% 93 oranında azaltıldı.

Fenilpirazol böcek ilacı fipronilinin tedavisi tutarsızdı. Giriş örneğinde fipronilin ana bileşimi tespit edildi ve çıkış örneğinde% 100 azaltıldı. Giriş örneğinde fipronil degradatlar, fipronil desulfinil ve fipronil sülfon tespit edildi. Desulfinyl degradate, çıkış örneğinde% 100 düşürüldü, ancak sülfon degradatı% 45 oranında arttı. Fipronil'in değişken tedavisinin olası sebepleri arasında ılımlı çözünürlük vardır. Neonicotinoid pesticGiriş imza örneğinde ide imidakrolid bulunamadı.

Yağmursuyu zehirliliği test edilen türe göre değişir. Giriş örneklerinden hiçbiri daphnid'ler için toksik değildi ( Tablo 1 ). Tüm giriş örnekleri H. azteca için toksikti ve toksisite biyolojik şelale ile azaltıldı. Amfipod sağkalımı giriş örneğinde% 66 iken, çıkışta% 98'e yükselmiştir. Giriş ve çıkış örneklerinde C. dilutus sağkalımına karşı zehirlilik gözlenmiştir . Giriş örneğinde C. dilutus ağırlığında belirgin azalmalar gözlenmiş ve çıkış örneğinde büyüme% 49 oranında belirgin olarak iyileşmiştir ( Tablo 1 ).

Entegre Tarımsal Vejetasyonlu Drenaj Hendeği Etkinliği

Entegre vejetasyon hendek sisteminin, klorpirifonları tedavi etmek için akış hızına bağlı olarak etkinliği artarken, TSS ve klorpirifoslar çiviliHer iki akış hızında da sulama suyu önemli ölçüde azalmıştır. 3.2 L / s ve 6.3 L / s'de yapılan üç çalışmada ortalama TSS azalması sırasıyla% 79.7 ve% 82.3'tür. Klorpirifos, düşük akış hızı çalışmalarının ikisinde 750 ng / L'den az tarama (<50 ng / L) ve üçüncü denemede (raporlama limitinin altında) 78 ng / L'lik bir tahmini konsantrasyona düşürüldü. Klorpirifos, yüksek akış oranında üç denemede ortalama 707 ng / L'den 100 ng / L'den daha düşük bir seviyeye indirildi. Sızıntı ile kombine edildiğinde, sırasıyla düşük ve yüksek akış hızlarında ortalama yük indirimleri% 98 ve% 94 olmuştur ( Tablo 2 ).

Tüm giriş örneklerinde (uygulama öncesi) C. dubia'ya tam ölüm oranı gözlenmiştir. 3.2 L / s çıkışlı örneklerden ikisi ve 6.3 L / s çıkışlı örneklerden biri toksik değildi ( Tablo 2 ), en düşük üç klorpirifos konsantresi bulunan çıkış örneklerine karşılık geldi payları.

Şekil 1
Şekil 1: Bir park yeri bioswale görüntüsü. Girişler (işlenmemiş) yağmur suyu örnekleri, çeşitli kaldırım ağızlarından biyolojik şelale toplanmıştır. Çıkışın (muamele edilmiş) yağmursuyu örnekleri, imgenin üst kısmında (gösterilmemiştir) yer alan bir taşma ızgarasının içinde bulunan bir drenaj borusundan toplanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: Entegre vejetasyon hendek sisteminin şematik diyagramı (152 m uzunluk, ölçeğe değil). Tüm hendek, kırmızı çayır otu ile bitki örtüsündü. Kompost ve GAC kurulumları gösterildiği şekilde yerleştirildi.Ftp_upload / 55391 / 55391fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bu figürden daha büyük sürümünü görmek için lütfen tıklayınız.

Toksisite Birimler Giriş Çıkış
H. azteca Hayatta kalma yüzdesi 66 98
C. dubia Hayatta kalma yüzdesi 100 100
C. dilutus Hayatta kalma yüzdesi 81 71
Kuru Wt. (mg) 0,39 0.77
Kimya
TSS mg / L' 136 38
bifentrin ng / L 5.6 0.4
siflutrin ng / L 1.2 ND
Cypermetrin ng / L 3.1 ND
(Es) Fenvalerat ng / L 0.7 ND
fenpropatrin ng / L 3.6 ND
L-Sihalotrin ng / L 1.3 ND
Permetrin ng / L 15 ND
fipronil ng / L 0.8 ND
Fipronil Desulfinil ng / L 0.6 ND
Fipronil Sülfür ng / L ND ND
Fipronil Sülfon ng / L 0.6 1.1
imidakloprid ng / L ND ND
Kadmiyum ug / L 0.52 0.07
Bakır ug / L 78 5.9
Öncülük etmek ug / L 11 1
Nikel ug / L 32 2.8
Çinko ug / L 590 15
Toplam PAH'lar ug / L 0,47 ND

Tablo 1: Tek fırtınada izlenen bioswale giriş ve çıkışının zehirliliği ve kimyası. TSS = toplam askıda katı madde; ND = tespit edilmedi.

3.2 litre / saniye 6,3 litre / saniye
1 2 3 </ Td> 1 2 3
Klorpirifos (ng / L)
Giriş 638 738 879 282 973 966
Çıkış ND ND 78 52 82 58
Yüzde Değişim -100 -100 -91 -82 -92 -94
TSS (mg / L)
Giriş 422 588 448 238 218 258
Çıkış 46 66 176 40 52 31
BaşınaYüzde Değişim -89 -89 -61 -83 -76 -88
Toksisite (% hayatta kalma)
Giriş 0 0 0 0 0 0
Çıkış 96 * 100* 0 100* 0 4
Kontrol 96 100 100 96 100 100
Ort. Klorpirifoz Azaltma % 97 % 89
Ort. Akıntı sızıntısı % 52 % 43
Ort. Klorpirifos Yükü Azaltma % 98 </ Td> % 94

Tablo 2: Entegre hendek işlemlerinin iki akış hızında (3.2 L / s ve 6.3 L / s) etkinliğini değerlendiren çoğaltma denemelerinden alınan kompozit numunelerdeki klorpirifos konsantrasyonları, toplam asılı katı konsantrasyonları ve yüzde sağkalım. Yıldız işareti, toksisitenin önemli ölçüde azaltıldığını gösterir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu protokolde açıklanan uygulamalar, tarımsal sulama ve yağmursuyu akışındaki kirleticilerin uzaklaştırılması için genel bir stratejideki son adımlar olarak tasarlanmıştır. Bioswales ve diğer kentsel yeşil altyapı LID uygulamaları, bitişik alıcı sulara ulaşmadan önce kirleticilerin akışı gidermek için bulmacanın son bir parçası olarak tasarlanmıştır. Bu protokol, kentsel kirleticilerle ilişkili toksisiteyi gidermek için mevcut etkinlik ilaçlarına vurgu yaparak, kentsel biyolojik toprakları izlemeye yönelik yöntemleri vurguluyor.

İzleme çalışmalarının tasarımında kritik adımlar, fırtına hidrograflarını yakalamak için modelleme yaklaşımları ve örnekleme tasarımları, yeterli saptama limitlerine sahip uygun analit listeleri ve yüzey suyu toksisitesine neden olduğu bilinen kentsel kirleticilere uygun toksisite göstergelerinin ve bitiş noktalarının kullanılmasıdır.

Örneğin, fenilpirazol zirai ilaç fipronisinin bozunumlarının giderilmesiMuhtemelen ılımlı çözünürlüklerinden dolayı tutarsızdım 2 , 13 . Bioswales ve diğer LID uygulamaları tarafından tamamen kaldırılmayan belirli kirleticilere hitap etmek için mevcut biyolojik tasarımların tadilatları gerekli olabilir. Örneğin, oldukça çözünür neonicotinoid böcek ilacı kullanımı artmakta ve bunlar bitki kaynaklarına kolayca sorblenememektedir 14 . Daha çözünür böcek ilavelerinin tedavisi, GAC 4 kullanılarak filtreleme gibi ek adımlar gerektirebilir.

Tarımdan pestisit ve diğer kirletici maddeleri uzaklaştırmak için kullanılan bitki koruma sistemleri sulama suyu akışı, biyolojik ürünlere benzer tasarım bileşenlerini birleştirir. Entegre bitki örtüsü drenaj hendekleri kaba asılı parçacıkların çökelmesine izin vermek için tasarlanmış çökeltme alanlarını, bunu takiben zirai mücadele ilaçlarını emmek için bitki örtücü kısımlarını içerir. Araştırmalar, bu tedavilerin tarımla ilgili kirleticileri promosyonla kaldırdığını göstermiştirTing sızma ve yerleşmiş partiküllerin ve bitki yüzeylerinin emilmesi yoluyla pestisitlerin uzaklaştırılması 15 , 16 .

Çalışmalar ayrıca, uzaklaştırma verimliliğinin hedef kirleticiye bağlı olarak değiştiğini ve daha çözünür zehir ilaçlarının uzaklaştırılmasının daha zor olduğunu 3 göstermiştir. Hedef, pestisitleri toplayıcı sulara girmeden önce toksik olmayan konsantrasyonlara indirgemek olduğundan, "cilalama" aşamaları için ilave işlem yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bunlara, 3 , 4 , 17 nolu tedavi enzimlerinin kullanımı ve daha yakın zamanda GAC ​​kullanımı dahildir.

GAC'yi içeren sistemler muhtemelen daha etkili olacaktır4 ve son deneyler, neonikotinoid imidaklopridin alan akış hızları ve konsantrasyonlarında GAC ​​tarafından tamamen kaldırıldığını göstermiştir (VoorheesEt al. , Basında 21 ). Entegre vejetasyonlu arıtma sistemlerine GAC'yi dahil etmek isteyen üreticiler için pratik hususlar kullanım kolaylığı, GAC ömrü ve satın alma ve bertaraf maliyetleri olacaktır. Örneğin, GAC için mevcut tedarik ve elden çıkarma maliyetleri pound başına yaklaşık üç dolar. Bunlar devam eden araştırmaların konuları. Burada sunulan örnekte olduğu gibi, sedimantasyon ve bitki örtüsü bölümleri askıdaki partiküllerin ve kirleticilerin çoğunu 4 ortadan kaldırdıktan sonra, GAC'nin alan içindeki etkinliği, bitkisel sistemlerin sonunda GAC ​​dolgulu işlem kovanları ekleyerek genişletilebilir. Tarım ve biyolojik alanlar için kentsel dönüşüm için entegre bitki örtücü arıtma sisteminin tüm bileşenlerini kurmak ve bakımını yapmak için yapılan masraflar, daha ayrıntılı tekno-ekonomik fizibilite çalışmalarını gerektirir 18 .

Zehirlilik İzleme Eksileriiderations

Pestisit kullanımı kalıpları, kentsel kullanım için organofosfatlar gibi eski sınıfların düzenlenmesi ve pyrethroids, phenylpyrazoller ( örneğin fipronil) ve neonicotinoids ( örn . Imidacloprid) gibi yeni sınıfların artan kullanımıyla gelişirken, test türlerine duyarlı kullanımı önemlidir En sık kullanılan böcek ilacı haline getirirler. Bu makalede açıklanan kentsel biyolojik örnekte kullanılan iki tür, şimdiki kullanımdaki pestisitlerin en hassas türleri arasındadır. Amphipod H. azteca , piretroid böcek ilacı 19 ve bazı organofosfatlara karşı çok duyarlıdır ve C. dilutus , fipronil ve bozunumlarına ve neonikotinoidlere 20 en duyarlı türler arasındadır.

Bu pestisit sınıflarını tedavi etmek için vejetasyon sistemlerinin değişken performansı göz önüne alındığında, tedavi sonrası monitörizasyon için uygun toksisite testlerinin dahil edilmesi önemlidirG kentsel ve tarımsal atık suyun alıcı suları korumak için.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar, rekabet eden mali çıkarlarının olmadığını beyan ettiler.

Acknowledgments

Burada açıklanan iş için para yardımı Kaliforniya Pestisit Yönetmeliği ve Kaliforniya Su Kaynakları Departmanı'ndan geldi.

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