Geïntegreerde Field Lysimetry en poriënwater bemonstering voor evaluatie van chemische Mobiliteit in de bodem en bestaande vegetatie

Summary

Veld lysimetry en poriënwater bemonstering kunnen de onderzoekers het lot van chemische stoffen die de bodem en bestaande vegetatie te evalueren. Het doel van dit protocol is om aan te tonen hoe de benodigde instrumentatie installeren en monsters voor chemische analyse te verzamelen tijdens geïntegreerde veld lysimetry en poriënwater bemonstering experimenten.

Abstract

Potentieel toxische chemicaliën worden routinematig op het land aan de groeiende eisen aan het beheer van afval en de productie van levensmiddelen te voldoen, maar het lot van deze stoffen wordt vaak niet goed begrepen. Hier laten we zien een geïntegreerde veld lysimetry en poriënwater sampling methode voor het evalueren van de mobiliteit van chemische stoffen die de bodem en bestaande vegetatie. Lysimeters open kolommen gemaakt van metaal of kunststof, worden gedreven in bareground of begroeide bodems. Poriënwater samplers, die commercieel verkrijgbaar zijn en gebruik maken van vacuüm te verzamelen sijpelt bodemwater, zijn geïnstalleerd op vooraf bepaalde diepte in de lysimeters. Op afgesproken tijden volgende chemische toepassing op experimentele percelen, wordt poriënwater verzameld en lysimeters, met bodem en vegetatie, zijn opgegraven. Door het analyseren van chemische concentraties in de lysimeter bodem, vegetatie, en poriënwater, neerwaartse uitloging, retentie bodem capaciteiten en opname door de planten voor de chemische van belang kunnen worden gekwantificeerd.Omdat veld lysimetry en poriënwater bemonstering worden uitgevoerd onder natuurlijke milieu-omstandigheden en met minimale verstoring van de bodem, afgeleid projectresultaten real-case scenario's en waardevolle informatie voor chemisch beheer. Chemicaliën in toenemende mate op het land over de hele wereld, kan de beschreven technieken worden gebruikt om te bepalen of toegepaste chemicaliën vormen schadelijke gevolgen voor de menselijke gezondheid of het milieu.

Introduction

Potentieel toxische chemicaliën worden routinematig op het land uit bronnen zoals pesticiden, meststoffen, riolering / biosolids, industrieel afval, en huishoudelijk afval ^1,2. Het lot van deze stoffen – waaronder nutriënten, sporenelementen, organische en bijbehorende metabolieten – vaak niet goed begrepen ^3. Als de chemicaliën niet goed worden beheerd, ze hebben het potentieel om de gezondheid van mens en milieu bedreigen door overbrenging naar en opbouw in planten, oppervlaktewater en grondwater. Met een wereldbevolking die 10 miljard mensen kunnen bereiken in 2050, zijn er steeds meer eisen gesteld aan het beheer en de voedselverspilling productie ^2, en in de bodem brengen van veel chemische stoffen is toegenomen ^3,4. Daarom is onderzoek nodig dat de transformaties, mobiliteit, laden grenzen, en de algehele milieurisico's kwantificeert van chemische stoffen die het land ter beschikking nodig hebben of dat we afhankelijk zijn van de gezondheid van gewassen te verbeterengeven.

Een aantal strategieën zijn gebruikt om gevaren van chemische stoffen die in het milieu te beoordelen. Op basis van laboratoriumonderzoek, model-systeem studies zijn uitgevoerd om informatie over de fundamentele mechanismen die de mobiliteit van chemische stoffen in de bodem te bieden. Bij het ​​analyseren van chemische omzetting in een laboratorium, kan volledige manipulatie van het "milieu" en de ingangen worden bereikt, maar deze zelden overeenkomen met de echte wereld omgevingscondities ^5,6. Zo extrapoleren lab resultaten veld instellingen kunnen leiden tot onnauwkeurige voorspellingen over chemische bedreigingen. Daarentegen hebben brede veldmetingen gebruikt om chemisch gedrag in het milieu te definiëren. Echter conclusies milieuverderf van deze metingen vaak gecompliceerd vanwege de vaak lage doses (bijv. enkele g A ^-1) Toegepaste chemicaliën, evenals de complexe interacties tussen hydrologische en biochemische processen in de environment die chemische distributies regelen.

Lysimetry, waaronder veld lysimetry, van oudsher gebruikt door de bodem en gewas wetenschappers om de neerwaartse mobiliteit van chemische stoffen die de bodem en bestaande vegetatie systematisch te evalueren. Een lysimeter is een apparaat gemaakt van metaal of plastic die wordt geplaatst in een bodem plaats en wordt gebruikt om het lot van chemicaliën toegepast bekende hoeveelheden tot een begrensd gebied te bepalen. Bodem en vegetatie monsters van lysimeters worden gebruikt om de ontwikkeling van chemische distributies tijd te beoordelen. Omdat veld lysimetry onder natuurlijke milieu-omstandigheden wordt uitgevoerd, kunnen de resultaten worden gebruikt om real-case scenario's afgeleid van chemische toepassingen in de bodem systemen te voorspellen. Vroege lysimeter studies gemeten transpiratie, vocht stroom en / of beweging voedingsstof. Hedendaagse lysimeter studies meten van bestrijdingsmiddelen en voedingsstoffen dissipatie, beweging pesticide, volatiliteit, en massabalans, samen met de aforementioned metingen ^3.

Een beperking van de traditionele veld lysimetry is dat chemische mobiliteit binnen een bodemprofiel grotendeels wordt bepaald door vaste-fase-metingen, terwijl minder aandacht wordt besteed aan opgeloste chemische concentraties in water sijpelt door de bodem – een kritische component die de mogelijke verontreiniging van het grondwater kan beïnvloeden vanaf het land toegepaste chemicaliën. Hoewel percolaat van de bodem van de lysimeters soms voor analyse, deze naderingslimieten diepteresolutie van poriewater concentraties en vereist normaliter aanzienlijke grondverzet voor experimenten. In plaats daarvan, om gegevens over chemische concentraties in de bodem water te verkrijgen, poriënwater samplers kan worden gebruikt in lokale instellingen. Poriënwater samplers zijn geïnstalleerd in de bodem om water te halen uit discrete, gewenste diepte en de bodem systeem slechts minimaal verstoren. Poriënwater samplers hebben door vele namen, waaronder lysimeters, zuig cu naar verwezenp lysimeters, of bodemoplossing samplers, convoluting hun onderscheid met de traditionele veld lysimeters hierboven beschreven. In dit artikel zullen we de term "poriënwater sampler" te gebruiken om verwarring te verlichten.

Hier tonen we een experimentele benadering dat veld lysimetry en poriënwater bemonstering voor het evalueren van de neerwaartse uitloging potentieel van chemicaliën toegepast op begroeide bodem of bareground systemen combineert. Lysimetry is een krachtig instrument dat wordt gebruikt sinds 1700 ^7, terwijl keramische poriënwater steekproef is gebruikt sinds de vroege jaren 1960 ^8. Integratie van deze robuuste technieken zorgt voor bepaling gebied van zowel vaste-en opgeloste fase chemische concentratieverdeling terwijl het minimaliseren van verstoring van de bodem. Dit document beschrijft factoren te overwegen bij het ontwerpen van een experiment, waaronder de selectie van locaties, installatie-apparaat, en monstername. De benadering wordt geïllustreerd met een experiment dat het lot van een geëvalueerdorganische arseen pesticide toegepast op een bareground en een gevestigde turfgrass systeem. De beschreven technieken kunnen zo nodig worden aangepast om het lot van een breed scala van chemische stoffen te onderzoeken, waardoor waardevolle instrumenten voor onderzoekers en beleidsmakers die proberen om de lotgevallen in het milieu en het gedrag van het land toegepaste chemicaliën begrijpen.

Protocol

Bemonstering veld wordt uitgevoerd in dit experiment en is onder de vergunning van de North Carolina Department of Agriculture & Consumer Services. 1. Field Lysimeteronderzoek Installatie Kies een experimentele terrein waar laterale beweging van toegepaste chemicaliën onwaarschijnlijk (dwz. Gebieden met weinig of geen helling). Selecteer sites op basis van bodem en vegetatie-eigenschappen van belang. Als percelen zijn begroeid, trek vegetatie stekkers voora…

Representative Results

Deze methode maakt het mogelijk voor de accumulatie van gegevens over het lot van chemische stoffen die bareground en begroeide bodem systemen 5,10. Deze benadering werd gebruikt voor arseen (As) neerwaartse uitloging, absorptie en translocatie evalueren in planten voor bermudagrass (Cynodon dactylon) systemen na het aanbrengen van de organische arseen herbicide mononatrium methyl arsenaat (MSMA) 9. Sinds de jaren 1960, is MSMA gebruikt in niet-akkerland, grasmat, en de productie van katoe…

Discussion

Gebruik makend van een geïntegreerde veld lysimetry en poriënwater steekproefsgewijze aanpak stelt onderzoekers in staat om ruimtelijke en temporele verdeling van een grote verscheidenheid van het land toegepaste chemische stoffen te beoordelen. Het lot van stoffen in de bodem en begroeide systemen kunnen worden geregeld door een aantal milieu-processen en attributen, zoals neerwaartse uitspoeling, vervluchtiging, hydrolyse, fotolyse, microbiële transformatie / degradatie, opname door de planten, grondsoort en pH van…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Prenart Super Quartz Samplers (PFTE/Quartz)	Prenart Equipment ApS	N/A	Any samplers for  trace metal analysis can be used (e.g. SoilMoisture Equipment Corp.)
Prenart Installation Kit	Prenart Equipment ApS	N/A	Contains all items necessary to install porewater samplers
2 L collecting bottles	Prenart Equipment ApS		Bottles can also be purchased from Fisher Scientific (02-923-2) or other laboratory supply companies, but fittings will need to be adjusted. Bottles can be covered with dark material if light sensitive
Portable vacuum pump	Prenart Equipment ApS	N/A	Vacuporter from Decagon Devices or other field battery-operated or hand vacuum pump may be used
1 oz HDPE Nalgene Bottles	Fisher Scientific	03-313-4A	Sample bottle type will depend on analyte of interest and may be glass
Concentrated nitric acid	Fisher Scientific	A509-P212	Oxidizing and corrosive-other acids may be needed for preservation and should be used with caution
25 mm 0.2 µm nylon syringe filters	VWR	28145-487	Other filter types and pore sizes may be used, dependent on the analyte of interest and analytical instrumentation
60 mL Luer-Lok syringes	Fisher Scientific	13-689-8	Other sizes may be used depending on sample volume collected
Portable pH meter	VWR	248481-A01	Other pH meters can be used following calibration
Graduated Cylinder	any	N/A
Field lysimeters (metal, plastic, etc.)	N/A	N/A	Often these are constructed based on the researchers specifications
Inverted Post Driver Tractor	N/A	N/A	Any tractor can be used to install the lysimeters
Handheld Boom Sprayer	N/A	N/A	To apply the rate needed for application
Polyethylene bags	Johnson & Johnson	N/A	Other brands may be used for soil storage
Reciprocating saw	Black & Decker	N/A	Any reciprocating saw can be used with a metal cutting attachment