Vegetierte Behandlungssysteme zur Entfernung von Verunreinigungen, die mit der Oberflächenwasser-Toxizität in der Landwirtschaft und dem städtischen Abfluss verbunden sind

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Summary

Dieser Artikel fasst die Design-Attribute und die Wirksamkeit von Behandlungssystemen, die städtischen Regenwasser und Landwirtschaft Bewässerung Abfluss zu entfernen Pestizide und andere Verunreinigungen im Zusammenhang mit aquatischen Toxizität zu behandeln.

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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

Urban Regenwasser und Landwirtschaft Bewässerung Abfluss enthalten eine komplexe Mischung von Verunreinigungen, die oft giftig für benachbarte Empfangsgewässer sind. Der Abfluss kann mit einfachen Systemen behandelt werden, die die Sorption von Verunreinigungen zu Vegetation und Böden fördern und die Infiltration fördern. Es werden zwei Beispielsysteme beschrieben: ein Bioswale-Behandlungssystem für die städtische Regenwasserbehandlung und ein vegetatischer Drainagegraben zur Behandlung von landwirtschaftlichen Bewässerungsabflüssen. Beide haben ähnliche Attribute, die die Kontaminationsbelastung im Abfluss reduzieren: Vegetation, die zur Sorption der Verunreinigungen in die Boden- und Pflanzenoberflächen und Wasserinfiltration führt. Diese Systeme können auch die Integration von granulierter Aktivkohle als Polierschritt umfassen, um restliche Verunreinigungen zu entfernen. Die Umsetzung dieser Systeme in der Landwirtschaft und in den städtischen Wasserscheiden erfordert eine Systemüberwachung, um die Behandlungswirksamkeit zu überprüfen. Dies schließt die chemische Überwachung für spezifische Toxizitätsverunreinigungen ein.Das aktuelle Papier unterstreicht die Überwachung der derzeitigen Verwendung von Pestiziden, da diese für die Oberflächenwassertoxizität gegenüber wirbellosen Wassertieren verantwortlich sind.

Introduction

Die Oberflächenwassertoxizität ist in den kalifornischen Wasserscheiden weit verbreitet und jahrzehntelange Überwachung hat gezeigt, dass Toxizität oft auf Pestizide und andere Verunreinigungen zurückzuführen ist. Die primären Quellen der Oberflächen-Wasser-Kontamination sind Regenwasser und Bewässerung Abfluss aus städtischen und landwirtschaftlichen Quellen. Da die Wasserkörper aufgrund von Verunreinigungen als abgebaut aufgeführt sind und die Toxizität aus städtischen und landwirtschaftlichen Quellen identifiziert wird, können die Wasserqualitätsregulatoren mit staatlichen und föderalen Finanzierungsquellen zusammenarbeiten, um Praktiken zur Verringerung der Kontaminationsbelastung umzusetzen. Grüne Infrastruktur wird in Kalifornien städtischen Wasserscheiden gefördert, um Überschwemmungen zu reduzieren und die Wiederherstellung von Regenwasser durch Infiltration und Lagerung zu erhöhen. Während Low-Based-Development (LID) -Designs für den Neubau in vielen Regionen beauftragt sind, haben wenige Studien die Wirksamkeit dieser Systeme über die Messungen von konventionellen Verunreinigungen wie gelösten Feststoffen, Metallen und Hydrocar hinaus überwachtBons Eine intensivere Überwachung hat kürzlich die Verringerung der chemischen Konzentrationen und die chemische Belastung, die für die Oberflächenwässertoxizität verantwortlich ist, untersucht und direkt festgestellt, ob Bioswales die Toxizität des Abflusses verringern. Dies hat gezeigt, dass Bioswales wirksam bei der Beseitigung der Toxizität sind, die mit einigen Verunreinigungsklassen 2 verbunden ist, aber zusätzliche Forschung ist für aufkommende Chemikalien von Sorge erforderlich.

Vegetarische Behandlungssysteme werden auch in der Landwirtschaft Wasserscheiden in Kalifornien umgesetzt, und diese haben sich als wirksam bei der Verringerung von Pestiziden und anderen Verunreinigungen in der Landwirtschaft Bewässerung Abfluss 3 , 4 gezeigt . Diese Systeme repräsentieren Komponenten einer Reihe von Ansätzen zur Verringerung der Schadstoffbelastung zu Oberflächengewässern. Weil sie beabsichtigt sind, Schadstoffe zu reduzieren, die für die Oberflächenwassertoxizität verantwortlich sind, ist eine Schlüsselkomponente des Umsetzungsprozesses auf e zu überwachenSichern ihre langfristige Wirksamkeit. Die Überwachung umfasst sowohl chemische Analysen von Chemikalien von Sorge als auch Toxizitätstests mit empfindlichen Indikatorarten. Dieser Artikel beschreibt Protokolle und Überwachung der Ergebnisse für eine städtische Parkplatz Bioswale und eine landwirtschaftliche Vegetation Drainage Graben System.

Die Design-Attribute eines typischen Parkplatzes Bioswale, wie zum Beispiel verwendet werden, um Sturmabfluss in einem typischen gemischt genutzten städtischen Shopping-Parkplatz zu behandeln, hängt von der zu behandelnden Fläche ab. In dem hier beschriebenen Beispiel schaffen 53.286 Quadratmeter Asphalt eine undurchdringliche Oberfläche, die zu einer Schwelle abläuft, die aus 4.683 Quadratfuß Landschaftsbau besteht. Um einen Abfluss von dieser Fläche zu ermöglichen, umfasst ein 215 Fuß langer Flachboden-Halb-V-Form-Kanal die Schwelle mit einer Seitenneigung von weniger als 50% und einer Längsneigung von 1% (Abbildung 1 ). Dieser Swale besteht aus drei Schichten, darunter native Bündel Gras gepflanzt in 6 Zoll von Oberboden, layeRot über 2,5 Meter verdichtetes Subgrade. Sturmwasser fließt von Parkplätzen zu mehreren Einstiegspunkten entlang der Schwelle. Das Wasser infiltriert die Vegetation, dann durchdringt das Subgrade und fließt in einen 4-Zoll-perforierten Abfluss. Dieses System entwässert Wasser durch ein System, das zu einem angrenzenden Feuchtgebiet zusammengefallen ist, das schließlich in einen lokalen Bach abfließt.

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Protocol

1. Urban Bioswale Wirksamkeitsüberwachung

  1. Sturmwasserprobenahme
    1. Probe 4 L Vorbehandlung Sturzwasser verlassen den Parkplatz, wie es in den Bioswale Einlass, und dann 4 L der Nachbehandlung Sturm Wasser, wie es die Bioswale durch die 4 "Auslass Abfluss verlässt.
    2. Mit lokalen Wettervorhersagen, sammeln Proben am Anfang, Mitte und Ende der Sturm-Hydrograph. Verbinden Sie die Proben, um die Abflussvariabilität während des Sturmereignisses zu charakterisieren.
    3. Sammle 1,3 L Proben von Hand und verbinde sie in einer 4 l bernsteinfarbenen Flasche. Sammeln Sie Einlassproben an mehreren Bordsteinöffnungen, wo Sturmwasser in die Bioswale fließt.
    4. Sammeln Sie 1,3 L Austrittsproben aus dem Durchflussmesser, der am Auslassabfluss befestigt ist (siehe unten) und zusammengesetzt in einer 4 l bernsteinfarbenen Flasche.
    5. Lagern Sie die zusammengesetzten Proben auf Eis, bis die endgültige Hydrographprobe gesammelt wird. Dann transportiere sie zum Labor und halte in einem RefrIgerator bei 4 ° C vor der Unterabtastung für die Chemie- und Toxizitätstests. Schicken Sie Proben in das Chemielabor innerhalb von 48 Stunden der Probensammlung.
  2. Lastberechnung
    1. Vor dem Sturm, installieren Sie einen Kipp-Eimer Digital Logger Regen Messgerät, indem Sie es an einem leichten oder anderen Pol neben der Bioswale-Website. Verwenden Sie die Regen-Daten, um sofortige und totale Niederschläge für die Website anzuzeigen.
    2. Installieren Sie einen mechanischen Getriebeimpuls-Durchflussmesser an den Auslasskanälen der Bioswale. Rekord Gesamtfluss verlassen die Bioswale.
      HINWEIS: Eine Verringerung des Abflussvolumens wird vermutet, um die Gesamtbelastung von Verunreinigungen in LID-Designs zu reduzieren.
    3. Modell das Volumen des Wassers fallen auf dem Parkplatz Einzugsgebiet Bereich während der Regen Veranstaltung durch Extrapolation mit dem Zoll von Regen von der Regenmessung aufgenommen. Verwenden Sie diese Daten, um das Volumen zu bestimmen, das in das Behandlungssystem eintritt, basierend auf der Parkplatzfläche.
    4. Verwenden Sie den Gesamtfluss, der mit t aufgezeichnet wurdeEr Ausfluss Durchflussmesser zu berechnen Infiltration Prozentsatz. Berechnen Sie den Unterschied zwischen Einlass- und Auslassvolumen, um die Regenwasserinfiltration zu bestimmen.
    5. Berechnen Sie die Verunreinigungsbelastung und die Belastungsreduktionsprozentsätze während des Sturms mit dem Einlass- und Auslassvolumen in Verbindung mit kontaminierenden analytischen Messungen.
    6. Messen Sie chemische Analyten, die für die Oberflächen-Wasser-Toxizität relevant sind (wie unten diskutiert). Insgesamt chemische Gruppen zur Vereinfachung der Lastberechnungen und Basis auf ihre ähnlichen toxischen Wirkmechanismen ( z. B. insgesamt mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffe [PAK], Gesamtpyrethroide und Gesamtfipronil und abbauen).
  3. Chemie
    1. Analysieren Sie alle Proben für die folgenden Parameter: Gesamt suspendierte Feststoffe (TSS), Spurenmetalle (USEPA-Methode 200.8 5 , induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie [ICP / MS]) und PAHs (USEPA-Methode 625 6 ).
    2. Analysieren Sie Beispiele für curreNt-use städtische Pestizide, darunter 9 Pyrethroide (USEPA-Methode SW846 8270 modifiziert 7 , Bifenthrin, Cypermethrin, Fenvalerat / Esfenvalerat, Permethrin, Tetramethrin, L-Cyhalothrin, Cyfluthrin und Allethrin) und Fipronil und seine drei primären Abbauprodukte (Fipronilsulfid, Fipronilsulfon, Fipronildesulfinyl).
    3. Analysieren Sie Pyrethroide unter Verwendung von Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC / MS) unter Verwendung einer negativen chemischen Ionisation oder einer anderen geeigneten Methode, um ausreichende Nachweisgrenzen zu liefern. Da die meisten Stromanwendungs-Pestizide bei niedrigen Konzentrationen hochgradig toxisch sind, benötigen ihre Analysen für die Umweltrisikobewertung eine geringe chemische Berichtsgrenze. Die Methode der Berichterstattung für Pyrethroide beträgt 0,5 ng / l bis 1,0 ng / l für alle Pyrethroide mit Ausnahme von Permethrin (Meldegrenze = 10 ng / L).
    4. Verwenden Sie eine analytische Prozedur für Fipronil, die eine Methode Berichtsgrenze von 1,0 ng / L bietet. Organophosphat-Pestizide müssen nicht gemessen werdenDing auf lokale Gebrauchsmuster zum Beispiel in städtischen Gebieten in Kalifornien 8 , 9 .
    5. Messen Sie Neonicotinoid-Pestizide ( zB Imidacloprid) mit Ultra-Performance-Flüssigkeitschromatographie, gekoppelt an ein Triple-Quadrupol-Massenspektrometer, das eine Meldegrenze für Imidacloprid von 50 ng / L aufweist.
  4. Toxizitätstests
    1. Durchführung von Toxizitätstests an den zusammengesetzten Einlass- und Auslass-Regenwasserproben unter Verwendung von 3 Testarten, nach modifizierten US-Umweltschutzbehörden (USEPA) akuten Testprotokollen 10 . Der Test mit dem Cladoceran Ceriodaphnia dubia misst das Überleben nach 96 h. Der Test mit dem Amphipod Hyalella azteca misst das Überleben nach 10 Tagen. Der Test mit der Mücke Chironomus dilutus misst das Überleben und Wachstum nach 10 Tagen.
    2. Durchführung von akuten 96-h-Überlebenstests mit dem Cladoceran C. dubia nach U.S. EPA Anleitung.
      1. Exponieren Sie fünf C. dubia Neugeborene in jedem von fünf Wiederholungen von Einlass- und Auslass-Regenwasserproben. Replikate bestehen aus 20-ml-Szintillationsfläschchen mit 15 ml Testlösung.
      2. Futter neonates eine Mischung aus Hefe, Cerophyll, Forellen Chow (= YCT, nach US EPA Guidance) und Selenastrum Algen 2 Stunden vor täglich 100% Erneuerung der Regenwasser-Test-Lösungen. Die Gesamtzahl der überlebenden Neugeborenen täglich aufzeichnen.
      3. Vergleiche endgültige C. dubia Überleben nach 96 h Exposition gegenüber Einlass und Auslass Regenwasser Proben zu überleben in mäßig harte Kontrolle Wasser mit einem t-Test. Befolgen Sie die von US EPA empfohlenen statistischen Verfahren.
    3. Durchführung von akuten 10 d Überlebenstests mit dem Amphipod H. azteca nach US EPA Anleitung.
      1. Exponieren Sie 10, 9 Tage bis 15 Tage alte Amphipoden in jedem von fünf Wiederholungen. Die Replikate bestehen aus 300-ml-Glasbechern mit 200 ml Testlösung.
      2. Vergleich des Endüberlebens von Amphipoden in Regenwasserproben bis 10 Tage Überleben in Labor-Brunnenwasser wie oben beschrieben.
    4. Durchführung chronischer 10-d- Überlebens- und Wachstumstests mit dem Midge C. dilutus nach US-EPA-Anleitung.
      1. Exponieren Sie 12, 7-d alte Tiere in jedem von vier Wiederholungen. Replikate bestehen aus 300 ml Glasbechern mit 200 mL Testlösung. Versorgen Sie jeden Midge Test Container mit 5 ml Sand als Substrat für Rohr Gebäude durch die Larven.
      2. Durchführung von Tests für 10 d und erneuern 50% der Testlösung alle 48 h für jeden Becher täglich mit einer ansteigenden Menge an Fischnahrungsmittelaufschlämmung (4 g / l) wie folgt: Tage 0 bis 3, 0,5 ml / Tag; Tage 4 bis 6, 1,0 ml / Tag; Tage 7 bis 10, 1,5 mL / Tag.
      3. Endgültiges Überleben vergleichen undWachstum in Regenwasserproben bis 10-d-Überleben in Labor-Brunnenwasser, wie oben beschrieben. Messen Sie das Wachstum der überlebenden Tiere als aschefreies Trockengewicht bei 10 d im Vergleich zum Anfangsgewicht der Testorganismen.
    5. Für alle Toxizitätstests mischen Sie den gelösten Sauerstoff, den pH-Wert und die Leitfähigkeit mit geeigneten Metern und Elektroden. Messen Sie unionisiertes Ammoniak mit einem Spektrophotometer.
      1. Messen Sie die Wasserhärte und die Alkalinität bei Beginn und Beendigung der Tests. 10
      2. Aufzeichnung der Wassertemperatur mit einem kontinuierlichen Aufzeichnungsthermometer.

2. Integrierte vegetierte landwirtschaftliche Drainage Ditch Wirksamkeit Monitoring

  1. Integrierter Grabenbau
    HINWEIS: Der im derzeitigen Beispiel verwendete landwirtschaftliche Entwässerungsgraben ist 152 m lang und hat eine halb-v-förmige Querschnittsbreite von 5 m oben und 1 m Tiefe. Die Grabenvegetation ist eine Kombination aus nAtive Grasarten, die vorwiegend mit rotem Fescue ( Festuca rubra ) ausgesät wurden. In diesem Beispiel bestanden integrierte vegetative Grabenproben aus granulierten Aktivkohle (GAC) und Kompostfilterbehandlungen, die mit dem Vegetationsgraben integriert wurden.
    1. Konstruieren Sie zwei Kompostfilter und sechs Kohlefilter und installieren Sie sie in drei verschiedenen Abschnitten des Vegetationsgrabens (Abbildung 2 ). Verwenden Sie 2 m lange 20 cm lange Hülsen, die mit Carbon oder Kompost gefüllt sind.
    2. Füllen Sie sechs Ärmel mit 30 L granulierter Aktivkohle und legen Sie diese über den Graben am 146 m-Punkt, in der Nähe des Ende von 152 m bewachsenen Graben. Verankern Sie die GAC-gefüllten Ärmel zum Grabenboden mit Drahtstäben auf der vorgeschalteten Kante.
    3. Legen Sie einen 2,5 m langen 6 "breiten Abschnitt der Kieferplatte auf die stromabwärtige Kante jeder der GAC-Hülsen. Graben Sie die Kiefernbretter in die beiden Seiten und die Unterseite des Kanals, um Wasser zu vermeiden, um die Carbon-Hülsen zu umgehen und zu unterschneiden ProfiEine vertikale Unterstützung zur Maximierung der Wasser-Kontaktzeit mit dem Kohlenstoff.
    4. Füllen Sie die Komposthülsen mit etwa 15 kg je teilweise zersetztem Werft aus jeder sauberen Quelle, wie zB einer örtlichen Deponie. Positionieren Sie zwei 2 m lange Komposthülsen über den Vegetationskanal bei 64 m und bei 123 m entlang der Länge des 152 m bewachsenen Grabens (Abbildung 2 ).
  2. Runoff Simulation und Sampling
    HINWEIS: Dieses Protokoll beschreibt Methoden zur Durchführung von simulierten landwirtschaftlichen Abflussversuchen und damit verbundenen Monitoring zur Bewertung der Behandlungswirksamkeit mit dem integrierten vegetativen Behandlungssystem. Im laufenden Beispiel wurde das integrierte Vegetations-Kompost-Kohlenstoff-System mit zwei Durchflussraten bewertet, die die typische Off-Field-Entladung von kommerziellen Farmen im Salinatal, 3,2 L / s und 6,3 L / s darstellten. Das Organophosphat Pestizid Chlorpyrifos wurde als Modell Pestizid in diesen Studien verwendet, weil es eine moderate Solubi hatLity und stellt somit die Mitte der Löslichkeit von repräsentativen Pestiziden dar, die üblicherweise in der Schädlingsbekämpfung verwendet werden. Chlorpyrifos ist auch Gegenstand von laufenden regulatorischen Aktionen in Zentral-Kalifornien wegen seiner Auswirkungen auf die Landwirtschaft Wasserscheiden. Die Ziel-Chlorpyrifos-Dosis betrug etwa 2.600 ng / l. Die Durchflussraten und die Ziel-Chlorpyrifos-Konzentrationen liegen innerhalb der zuvor im lokalen Bewässerungsabfluss 3 , 11 gemessenen Bereiche. Die hydraulische Verweilzeit für einen Wasserpuls, der den Vegetationsgraben durchquert, wurde in dem hier angegebenen Beispiel nicht überwacht. Die Verweilzeit in diesen Systemen variiert mit der Wasserzuflussrate, dem Grad der Bodensättigung aufgrund vorheriger Bewässerung und Regen, der Anwesenheit von Strukturen, um Strömung wie Wehre und Sedimentationsbecken zu behindern, und die Menge der Oberfläche, die von der Vegetation bedeckt ist. Bisherige Studien haben die Verweilzeiten von mehreren Stunden für kleine Grabensysteme in derSalinas Tal 3 , 4 . Visuelle Beobachtungen zeigten die Verweilzeit für die GAC-Filter war ein oder zwei Minuten.
    1. Erstellen Sie simulierten landwirtschaftlichen Abfluss mit Grundwasser gemischt mit suspendierten Sediment. Für Versuche mit dem Modell Pestizid, Chlorpyrifos, eine frische Stammlösung von 10 mg / l für jede 3,2 L / s-Studie durch Zugabe von zertifizierter Stammlösung zu einem bekannten Volumen an destilliertem Wasser vorzubereiten. Für jede 6,3 l / s-Studie eine frische Chlorpyrifos-Stammlösung von 20 mg / l vorbereiten.
      1. Verwenden Sie eine Dosierpumpe, um eine konsistente Menge an Lagerlösung für das Abflusswasser bereitzustellen, bevor sie in den vegetierten Behandlungsgrabeneingang eintritt. Verwenden Sie die Dosierpumpe, um eine Stammlösung mit 50 ml / min auf den Fluss des simulierten Bewässerungswassers zu liefern.
    2. Überwachen Sie die Einlassdurchflussrate mit einem digitalen Messgerät und verwenden Sie diese Daten, um das Gesamtvolumen des Abflusswassers, das auf den Grabeneinlass angewendet wird, zu quantifizieren.
    3. Konstruiere ein Wehr an thE Auslaß des Grabens und sauge dies mit einem Auslaßrohr, das mit einem digitalen Durchflußmesser verbunden ist. Verwenden Sie dieses Messgerät, um die Lautstärke des Abflusses aufzuzeichnen, die den Graben beendet hat.
    4. Verwenden Sie Datenlogger, die mit den digitalen Messgeräten verbunden sind, um den Fluss in 5-Minuten-Intervallen aufzuzeichnen. Programmieren Sie die Datenlogger, um peristaltische Pumpen am Eingang und an verschiedenen Stationen ( z. B. 23 m, 45 m und 68 m) unterhalb des Einlasses des Grabens zu aktivieren, um zusammengesetzte Teilproben des Abflusses in Behälter aus rostfreiem Stahl in 5-minütigen Intervallen zu sammeln.
  3. Chemie
    1. Übertragen Sie zusammengesetzte Proben von Abflusswasser aus Versuchen in bernsteinfarbene Glasflaschen am Ende jeder Abflussversuch und pflegen die Proben auf Eis bei 4 ° C für spätere Toxizität und chemische Analysen.
    2. Analysieren Sie die zusammengesetzten Proben für gesamt suspendierte Feststoffe (TSS) und Chlorpyrifos unter Verwendung von GC-MS oder enzymgebundenen Immunosorbens-Assays (ELISA).
    3. Vergleichen Sie "Einlass" zusammengesetzte Proben (Vorbehandlung) zu & #34, Outlet "Kompositproben (Nachbehandlung) zur Bewertung der Wirksamkeit des integrierten Grabensystems zur Reduzierung von TSS- und Pestizidbelastungen.
  4. Toxizitätstests
    1. Die Bestimmung der Wassersäulen-Toxizität erfolgte in zusammengesetzten Proben aus dem Einlass (Vorbehandlung) und dem Auslass (Nachbehandlung) jeder Studie unter Verwendung von 96 h Ceriodaphnia -Dubia-Toxizitätstests 10 , wie oben für die Bioswale-Überwachung beschrieben. C. dubia ist eine geeignete Überwachungsart für die landwirtschaftliche Abflusstoxizität aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Chlorpyrifos (mittlere letale Konzentration (LC50) = 53 ng / L 12 ).

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Representative Results

Urban Bioswale Wirksamkeit

Während der 18,5 h des Sturms wurden 1,52 "Regen vom Regenmesser aufgezeichnet, und dies führte zu 50.490 Gallonen Wasser, das von den Parkplätzen in die Bioswale floss. Von diesem Gesamtvolumen wurden 5,248 Gallonen durch den Durchflussmesser aufgezeichnet , Was zu einer Gesamtinfiltration von 90% des Regenwassers führte, das in die Bioswale floss, die Bioswale reduzierte alle Chemikalien, die überwacht wurden, und die Gesamtmenge der suspendierten Feststoffe wurde um 72% reduziert ( Tabelle 1 ). Die Konzentrationen der PAK waren sehr niedrig, als sie nachgewiesen wurden, Aber alle Konzentrationen von PAK wurden um 100% reduziert, alle Metalle wurden in den Auslaufproben reduziert, Zink und Kupfer wurden um 97% bzw. 92% reduziert ( Tabelle 1 ). In den Einlassproben wurden eine Reihe von Pyrethroid-Pestiziden nachgewiesen Alle diese wurden in den Auslaufproben reduziert. Insgesamt pyrethroid konzentratOns wurden um 99% reduziert. Toxische Konzentrationen der Pyrethroide Bifenthrin, Cypermethrin, Lambda-Cyhalothrin und Permethrin wurden in den Eintrittsproben nachgewiesen und auf Konzentrationen unterhalb der medianen letalen Konzentrationen (LC50s) für H. azteca in den Austrittsproben reduziert ( Tabelle 1 ). Beispielsweise wurde Bifenthrin bei einer toxischen Konzentration in der Eintrittsprobe nachgewiesen und in der Austrittsprobe um 93% reduziert.

Die Behandlung des Phenylpyrazol-Pestizids Fipronil war inkonsistent. Die Stammverbindung von Fipronil wurde in der Eintrittsprobe nachgewiesen und in der Austrittsprobe um 100% reduziert. Das Fipronil abbaut, Fipronil-Desulfinyl und Fipronilsulfon wurden in der Eintrittsprobe nachgewiesen. Der Desulfinylabbau wurde in der Austrittsprobe um 100% reduziert, der Sulfonabbau jedoch um 45% erhöht. Mögliche Gründe für die variable Behandlung von Fipronil sind die mäßige Löslichkeit. Das Neonicotinoid-PestIde Imidacloprid wurde in der Einlassprobe nicht nachgewiesen.

Die Toxizität des Regenwassers variiert je nach Art. Keine der Einlassproben waren für Daphnide toxisch ( Tabelle 1 ). Alle Einlassproben waren toxisch für H. azteca und die Toxizität wurde durch die Bioswale reduziert. Amphipod Überleben war 66% in der Einlassprobe, und verbesserte sich auf 98% in der Steckdose. Toxizität gegenüber C. dilutus Überleben wurde in Einlass- und Auslassproben beobachtet . In der Eintrittsprobe wurden signifikante Reduktionen des C.-Verdünnungsmittelgewichts beobachtet und das Wachstum in der Austrittsprobe deutlich um 49% verbessert ( Tabelle 1 ).

Integrierte landwirtschaftliche Vegetation Drainage Ditch Wirksamkeit

Die Wirksamkeit des integrierten Vegetationsgrabensystems zur Behandlung von Chlorpyrifos variierte je nach Durchflussrate, aber TSS und Chlorpyrifos in SpikeBewässerungswasser wurde bei beiden Durchflussraten deutlich reduziert. Die durchschnittliche TSS-Reduktion in den drei Studien mit 3,2 L / s und 6,3 L / s betrug 79,7% bzw. 82,3%. Chlorpyrifos wurde von etwa 750 ng / l auf weniger als den Nachweis (<50 ng / L) in zwei der niedrigen Durchflussversuche und auf eine geschätzte Konzentration von 78 ng / l in der dritten Studie (unterhalb der Berichtsgrenze) reduziert. Chlorpyrifos wurde von durchschnittlich 707 ng / l auf weniger als 100 ng / l in allen drei Versuchen mit der höheren Durchflussrate reduziert. In Kombination mit der Infiltration betrug die durchschnittliche Belastungsreduzierung 98% bzw. 94% für die niedrigen und hohen Durchflussraten ( Tabelle 2 ).

Vollständige Mortalität zu C. dubia wurde in allen Einlassproben (Vorbehandlung) beobachtet. Zwei der 3,2 L / s-Austrittsproben und eine der 6,3 L / s-Austrittsproben waren nicht toxisch ( Tabelle 2 ), entsprechend den Austrittsproben mit den drei niedrigsten Chlorpyrifos-Konzentrationen Verpflegung.

Abbildung 1
Abbildung 1: Bild eines Parkplatzes Bioswale. Einlass (unbehandelt) Regenwasserproben wurden von mehreren der Bordsteinöffnungen zum Bioswale gesammelt. Outlet (bearbeitete) Regenwasserproben wurden aus einem Drainagerohr gesammelt, das sich in einem Überlaufgitter befindet, der sich am oberen Rand des Bildes (nicht gezeigt) befindet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2: Schematische Darstellung des integrierten Vegetationsgrabensystems (152 m lang, nicht maßstäblich). Der ganze Graben wurde mit rotem Fascue-Gras bewachsen. Kompost- und GAC-Installationen wurden wie gezeigt platziert.Ftp_upload / 55391 / 55391fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Toxizität Einheiten Einlass Auslauf
H. azteca % Überleben 66 98
C. dubien % Überleben 100 100
C. dilutus % Überleben 81. 71
Trockengewicht (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) Fenvalerate Ng / L 0,7 ND
Fenpropathrin Ng / L 3.6 ND
L-Cyhalothrin Ng / L 1.3 ND
Permethrin Ng / L 15 ND
Fipronil Ng / L 0,8 ND
Fipronil Desulfinyl Ng / L 0,6 ND
Fipronilsulfid Ng / L ND ND
Fipronilsulfos Ng / L 0,6 1.1
Imidacloprid Ng / L ND ND
Cadmium Μg / l 0,52 0,07
Kupfer Μg / l 78. 5,9
Führen Μg / l 11 1
Nickel Μg / l 32 2.8
Zink Μg / l 590 15
Gesamt-PAK Μg / l 0,47 ND

Tabelle 1: Toxizität und Chemie des Bioswale-Einlasses und der Auslassüberwachung während eines Sturms. TSS = total suspendierte Feststoffe; ND = nicht erkannt

3.2 Liter / Sekunde 6.3 Liter / Sekunde
1 2 3 </ Td> 1 2 3
Chlorpyrifos (ng / L)
Einlass 638 738 879 282 973 966
Auslauf ND ND 78. 52 82 58
Prozentänderung -100 -100 -91 -82 -92 -94
TSS (mg / l)
Einlass 422 588 448 238 218 258
Auslauf 46 66 176 40 52 31
ProCent Veränderung -89 -89 -61 -83 -76 -88
Toxizität (% Überleben)
Einlass 0 0 0 0 0 0
Auslauf 96 * 100* 0 100* 0 4
Steuern 96 100 100 96 100 100
Durchschn. Chlorpyrifos Reduktion 97% 89%
Durchschn. Abfluss-Infiltration 52% 43%
Durchschn. Chlorpyrifos Lastverringerung 98% </ Td> 94%

Tabelle 2: Chlorpyrifos-Konzentrationen, Gesamt-Suspensions-Feststoff-Konzentrationen und prozentuales Überleben in Kompositproben aus Replikationstests, die die Wirksamkeit der integrierten Grabenbehandlungen mit zwei Durchflussraten (3,2 L / s und 6,3 L / s) bewerten. Asterisk weist auf eine signifikante Reduktion der Toxizität hin.

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Discussion

Die in diesem Protokoll beschriebenen Praktiken sind als letzte Schritte in einer Gesamtstrategie zur Beseitigung von Schadstoffen in der Landwirtschaft Bewässerung und Regenwasserabfluss gedacht. Die Verwendung von Bioswales und anderen städtischen Green-Infrastruktur-LID-Praktiken ist als endgültiges Stück des Puzzles gedacht, um Verunreinigungen im Abfluss zu entfernen, bevor sie angrenzende angrenzende Gewässer erreichen. Dieses Protokoll unterstreicht Methoden, um städtische Bioswales zu überwachen, um die Behandlungswirksamkeit für die Beseitigung der Toxizität im Zusammenhang mit städtischen Verunreinigungen zu bestimmen, wobei der Schwerpunkt auf der derzeitigen Verwendung von Pestiziden liegt.

Kritische Schritte bei der Gestaltung von Monitoring-Studien umfassen Modellierungsansätze und Stichprobenentwürfe zur Erfassung von Sturmfluktographien, geeignete Analytlisten mit adäquaten Nachweisgrenzen und Verwendung von Toxizitätsindikatoren und Endpunkten, die für städtische Verunreinigungen geeignet sind, von denen bekannt ist, dass sie eine Oberflächenwässertoxizität verursachen.

Zum Beispiel, Entfernung von Abbauen der Phenylpyrazol Pestizid FipronenIch war inkonsistent, wahrscheinlich aufgrund seiner moderaten Löslichkeit 2 , 13 . Modifikationen von aktuellen Bioswale-Designs könnten erforderlich sein, um spezifische Verunreinigungen, die nicht vollständig von Bioswales und anderen LID-Praktiken entfernt sind, zu adressieren. Beispielsweise nimmt die Verwendung von hoch löslichen Neonicotinoid-Pestiziden zu, und diese putzen sich nicht leicht an Pflanzenquellen 14 . Die Behandlung von löslicheren Pestiziden kann zusätzliche Schritte erfordern, wie die Filterung unter Verwendung von GAC 4 .

Vegetationsbehandlungssysteme zur Entfernung von Pestiziden und anderen Verunreinigungen aus der Landwirtschaft Bewässerung Abfluss kombinieren Design-Komponenten ähnlich wie die Bioswales. Integrierte vegetierte Entwässerungsgräben umfassen Sedimentationsflächen, die entworfen sind, um grob suspendierte Teilchen zu begleichen, gefolgt von vegetativen Abschnitten zum Sorbieren von Pestiziden. Studien haben gezeigt, diese Behandlungen entfernen landwirtschaftliche Verunreinigungen durch PromoTunginfiltration und Entfernung von Pestiziden durch Sorption zu abgesetzten Partikeln und Pflanzenoberflächen 15 , 16 .

Studien haben auch gezeigt, dass die Entfernungseffizienzen in Abhängigkeit von der Zielverunreinigung variieren und dass mehr lösliche Pestizide schwerer zu entfernen sind 3 . Da es darum geht, Pestizide zu ungiftigen Konzentrationen zu reduzieren, bevor sie in die Gewässer gelangen, ist eine zusätzliche Behandlung erforderlich, um als "Polier" -Stufen zu dienen. Dazu gehören die Verwendung der Behandlungsenzyme 3 , 4 , 17 und neuerdings die Verwendung von GAC.

Systeme, die GAC enthalten, werden wahrscheinlich effektiver sein 4 , und neuere Experimente haben gezeigt, dass das Neonicotinoid-Imidacloprid vollständig durch GAC bei Feldströmungsraten und Konzentrationen entfernt wurde (VoorheesEt al. , In Presse 21 ). Praktische Überlegungen für Züchter, die sich für die Integration von GAC in integrierte Vegetationsbehandlungssysteme interessieren, sind eine einfache Bedienung, GAC-Lebenserwartung und Beschaffungs- und Entsorgungskosten. Zum Beispiel sind die aktuellen Beschaffungs- und Entsorgungskosten für GAC etwa drei Dollar pro Pfund. Dies sind die Themen der laufenden Forschung. Wie in dem hier vorgestellten Beispiel kann die Wirksamkeit von GAC im Feld durch den Einbau von GAC-gefüllten Behandlungshülsen am Ende der Vegetationssysteme verlängert werden, nachdem die Sedimentations- und Vegetationsgrabenabschnitte die Mehrheit der suspendierten Partikel und Verunreinigungen entfernt haben. Kostenbetrachtungen für die Installation und Instandhaltung aller Komponenten von integrierten Vegetationsbehandlungssystemen für Landwirtschaft und Biowissenschaften für den Stadtabfluss erfordern detailliertere techno-ökonomische Machbarkeitsstudien 18 .

Toxizitätsüberwachung NachteileIderationen

Als Pestizid-Gebrauchsmuster entwickeln sich mit der Regulierung älterer Klassen wie Organophosphate für den städtischen Gebrauch und verstärkte Verwendung von neueren Klassen, wie Pyrethroiden, Phenylpyrazolen ( z. B. Fipronil) und Neonicotinoiden ( z. B. Imidacloprid), ist es wichtig, Testarten empfindlich zu verwenden Zu den am häufigsten verwendeten Pestiziden. Die beiden Arten, die in dem städtischen Bioswale-Beispiel verwendet werden, das in diesem Papier beschrieben wird, gehören zu den empfindlichsten Arten, die gegenwärtig Pestizide verwenden. Das Amphipod H. azteca ist sehr empfindlich gegen Pyrethroid-Pestizide 19 und einige Organophosphate, und C. dilutus gehört zu den empfindlichsten Spezies zu Fipronil und seinen Abbauprodukten und zu Neonicotinoiden 20 .

Angesichts der variablen Leistung von Vegetationssystemen zur Behandlung dieser Klassen von Pestiziden ist es wichtig, geeignete Toxizitätstests für die Nachbehandlung zu übernehmenG von städtischen und landwirtschaftlichen Abwässern, um sicherzustellen, dass sie schützende Gewässer schützen.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Acknowledgments

Die Finanzierung für die hier beschriebene Arbeit stammte aus dem California Department of Pesticide Regulation und dem 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

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References

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