Integrierte Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme für die Bewertung von Chemical Mobilität in Böden und Vegetation Gegründet
Summary
Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme Forschern erlauben, die das Schicksal von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet zu beurteilen. Das Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie erforderliche Instrumentierung installieren und sammeln Proben für die chemische Analyse im integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme Experimenten.
Abstract
Potenziell toxische Chemikalien werden routinemäßig angewendet, um zu landen, um wachsenden Anforderungen an die Abfallwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion gerecht zu werden, aber das Schicksal dieser Chemikalien ist oft nicht gut verstanden. Hier zeigen wir ein integriertes Feld Lysimetrie und Porenwasserprobenahmeverfahren für die Bewertung der Mobilität von Chemikalien in Böden und Vegetation fest aufgebracht. Lysimeter, offene Spalten aus Metall oder Kunststoff, in bareground oder bewachsenen Böden angetrieben. Porenwassersammler, die im Handel erhältlich sind und mit Vakuum zu sammeln sickert Bodenwasser, in vorgegebenen Tiefen innerhalb der Lysimeter installiert. Am verabredeten Zeiten folgende chemische Anwendung auf Versuchsflächen wird Porenwasser gesammelt und Lysimeter, Boden und Vegetation enthalten, werden exhumiert. Durch die Analyse von chemischen Konzentrationen im Lysimeter Boden, Vegetation und Porenwasser, nach unten Auslaugraten, Bodenrückhaltevermögen und Pflanzenaufnahme für die Chemie von Interesse kann quantifiziert werden.Da Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme werden unter natürlichen Umweltbedingungen und mit minimalen Bodenstörung durchgeführt, abgeleitet Projektergebnisse real-case-Szenarien und liefern wertvolle Informationen für die chemische Management. Als Chemikalien werden weltweit zunehmend angewendet, um zu landen, können die beschriebenen Techniken verwendet, um zu bestimmen, ob brachten Chemikalien stellen Risiken für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt werden.
Introduction
Potenziell toxische Chemikalien werden routinemäßig angewendet, um aus Quellen wie Pflanzenschutzmittel, Dünger, Abwasser / biosolids, Industrieabfälle und Siedlungsabfälle 1,2 landen. Das Schicksal dieser Chemikalien – die Nährstoffe zählen kann, Spurenelemente, organische und die damit verbundenen Stoffwechselprodukte – wird oft nicht gut verstanden 3. Wenn die Chemikalien nicht richtig verwaltet, haben sie das Potenzial, die menschliche Gesundheit und Umwelt durch Übertragung an und wuchs in Pflanzen, Oberflächenwasser und Grundwasser gefährden. Mit einer Weltbevölkerung von 10 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050 erreichen kann, gibt es wachsenden Anforderungen an die Abfallwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion 2 und Ausbringen von vielen Chemikalien hat zugenommen 3,4. Dementsprechend wird die Forschung benötigt, die die Transformationen, Mobilität, Belastungsgrenzen, und die allgemeine Umweltrisiken von Chemikalien, die Land entsorgt werden müssen oder dass wir hängen von den Pflanzengesundheit zu verbessern quantifiziertund zu erhalten.
Eine Anzahl von Strategien wurden verwendet, um Bedrohungen von Chemikalien in der Umwelt angewendet auszuwerten. Labor-basierte Modellsystem Studien wurden durchgeführt, um Informationen über grundlegende Mechanismen, die die Mobilität von Chemikalien in Böden bereitzustellen. Bei der Analyse der Verbleib in einem Labor, kann eine vollständige Manipulation der "Umwelt" und Eingänge erreicht werden, die aber nur selten entsprechen realen Umweltbedingungen 5,6. So Extrapolation Laborergebnisse auf Feldeinstellungen können zu ungenauen Vorhersagen über chemische Bedrohungen führen. Im Gegensatz dazu breiten Feldmessungen wurden zur chemischen Verhalten in der Umwelt zu definieren. Allerdings sind Rückschlüsse auf Umweltverhalten aus diesen Messungen oft aufgrund der häufig geringen Einsatz Raten (zB ein paar g A -1) der angewandten Chemie, sowie die komplexen Wechselwirkungen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozesse in der E kompliziertnvironment, die chemische Verteilungen regulieren.
Lysimeter, einschließlich Feld Lysimetrie, war historisch von Boden-und Futter Wissenschaftlern verwendet, um die Abwärtsmobilität von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet systematisch zu evaluieren. Ein Lysimeters ist eine Vorrichtung aus Metall oder Kunststoff, die in einer Boden von Interesse platziert und wird verwendet, um das Schicksal von Chemikalien in bekannten Mengen zu einem begrenzten Bereich aufgebracht zu bestimmen. Boden-und Pflanzenproben gesammelt Lysimeter kann verwendet werden, um die Entwicklung von chemischen Verteilungen über die Zeit zu beurteilen. Da Feld Lysimetrie wird unter natürlichen Umweltbedingungen durchgeführt wird, können die Ergebnisse verwendet werden, um Echt-Case-Szenarien von chemischen Anwendungen zu Bodensystemen abgeleitet vorherzusagen. Frühe Lysimeterstudien gemessen Transpiration, Feuchtigkeit Fluss und / oder Nährstoff Bewegung. Die heutigen Lysimeterstudien messen Pestizid-und Nährstoffabfuhr, Pestizid-Bewegung, Volatilität und Massenbilanz, zusammen mit der aforementioned 3 Messungen.
Eine Einschränkung der traditionellen Bereich Lysimetrie ist, dass chemische Mobilität innerhalb einer Bodenprofil ist weitgehend durch Festphasen-Messungen definiert, während weniger Aufmerksamkeit wird auf gelöste chemische Konzentrationen in Wasser sickert durch die Böden bezahlt – eine wichtige Komponente, die das Potenzial des Grundwassers auswirken können vom Land aufgebrachten Chemikalien. Obwohl Sickerwasser aus dem Boden der Lysimeter ist manchmal für die Analyse gesammelt, dieser Ansatz Grenzen Tiefenauflösung von Porenwasserkonzentrationen und erfordert in der Regel erhebliche Bodenaushub vor dem Experiment. Stattdessen, um Daten über chemische Konzentrationen im Bodenwasser zu erhalten, Porenwassersammler kann im Feld Einstellungen genutzt werden. Porenwassersammler sind im Boden installiert, um Wasser aus diskreten, gewünschte Tiefe zu sammeln und nur minimal stören die Boden-System. Porenwassersammler haben viele Namen einschließlich Lysimeter-, Saug-cu bezeichnetp Lysimeter oder Bodenlösung Sampler, Falten ihrer Unterscheidung mit den oben beschriebenen traditionellen Bereich Lysimeter. In diesem Papier werden wir den Begriff "Porenwasser-Sampler" zu verwenden, um Verwirrung zu lindern.
Hier zeigen wir einen experimentellen Ansatz, der Feld-und Porenwasser Lysimetrie Probenahme für die Bewertung der Auslaugung nach unten Potenzial von Chemikalien zu bewachsenen Boden oder bareground Systeme angewendet verbindet. Lysimeter ist ein leistungsfähiges Werkzeug, seit der 1700er 7 verwendet, während keramische Porenwasserproben haben seit den frühen 1960er Jahren 8 verwendet. Die Integration dieser Techniken ermöglicht eine robuste Feldbestimmung der beiden Festkörper-und gelöste Phase chemischen Konzentrationsverteilungen bei gleichzeitiger Minimierung Bodenstörung. Dieses Papier beschreibt Faktoren, die bei der Gestaltung ein Experiment, einschließlich Standortauswahl, Installation der Geräte und Beispielsammlung. Der Ansatz wird mit einem Experiment, das das Schicksal der ein ausgewertet dargestelltorganische Arsenhaltiges Pestizid zu einem bareground und einem etablierten Rasen System angewendet. Die beschriebenen Techniken können bei Bedarf angepasst werden, um das Schicksal einer Vielzahl von Chemikalien zu untersuchen, um dadurch wertvolle Werkzeuge für Forscher und Politiker, die das Umweltverhalten und das Verhalten der Landbrachten Chemikalien zu verstehen suchen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit Hilfe einer integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasserstichprobenansatz ermöglicht es Forschern, räumliche und zeitliche Verteilung von einer Vielzahl von Land-brachten Chemikalien beurteilen. Das Schicksal von Chemikalien in Böden und bewachsenen Systeme können durch eine Reihe von Umweltprozessen und Attribute, wie unten Auslaugung, Verflüchtigung, Hydrolyse, Photolyse, mikrobielle Umwandlung / Zersetzung, Pflanzenaufnahme, Bodentyp, Boden-pH 16,17 und gesteuert werden. Anders als Gewächshaus od…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren erkennen die Mitarbeiter an der Sandhills NCDA Forschungsstation für die Unterstützung bei der Installation und Lysimeter Exhumierung. Die Finanzierung in Repräsentative Ergebnisse beschriebenen Experimenten wurde vom Zentrum für Umweltforschung Turfgrass & Bildung zur Verfügung gestellt. Video-und Manuskript-Produktion wurde durch die North Carolina State University Departments für Bodenkunde und Pflanzenbau unterstützt.
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 |
Referências
- Wuana, R. A., Okieimen, F. E. Heavy Metals in Contaminated Soils: A Review of Sources, Chemistry, Risks and Best Available Strategies for Remediation. ISRN Ecology. , 1-20 (2011).
- Donaldson, D., Kiely, T., Wu, L. . 1-38 U.S. Environmental Protection Agency. , (2011).
- Bergström, L., Bergström, J. Environmental fate of chemicals in soil. Ambio. 27, 16-23 (1998).
- Sutton, M. A., et al. . Our Nutrient World. The challenge to produce more food & energy with less pollution. Key Messages for Rio +20. , (2012).
- Du, W., et al. Fate and Ecological Effects of Decabromodiphenyl Ether in a Field Lysimeter. Environmental Science and Technology. 47, 9167-9174 (2013).
- Fuhr, F., Burauel, P., Mittelstaedt, W., Putz, T., Wanner, U. . Environmental fate and effects of pesticides. , 1-29 (2003).
- Hire, D. L. Remarques sur l’eau de la pluie, et sur l’origine des fontaines; avec quelues particularites sur la construction des cisternes. Memoires de l’ Academie Royale. , 56-69 (1703).
- Wagner, G. H. Use of porous ceramic cups to sample soil water within the profile. Soil Science. 94, 379-386 (1962).
- Matteson, A. R., et al. Arsenic Retention in Foliage and Soil Following Monosodium Methyl Arsenate (MSMA) Application to Turfgrass. Journal of Environmental Quality. 43, 379-388 (2014).
- Sakaliene, O., Papiernik, S. K., Koskinen, W. C., Kavoliunaite, I., Brazenaitei, J. Using Lysimeters to Evaluate the Relative Mobility and Plant Uptake of Four Herbicides in a Rye Production System. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 57, 1975-1981 (2009).
- Cai, Y., Cabrera, J. C., Georgiadis, M., Jayachandran, K. Assessment of arsenic mobility in the soils of some golf courses in South Florida. Science of the Total Environment. 291, 123-134 (2002).
- . Water quality, pesticide occurrence, and effects of irrigation with reclaimed water at golf courses in Florida. Swancar, A. (ed USGS) Tallahassee. , (1996).
- . Organic arsenical herbicides (MSMA, DSMA, CAMA, and Cacodylic Acid), reregistration eligibility decision; notice of availability. Environmental Protection Agency, Federal Register Environmental Documents. , 1-70 (2006).
- . EPA (not Araujo as stated before) Organic Arsenicals; Amendments to Terminate Uses: Amendment to Existing Stocks Provision. Environmental Protection Agency) 18590-18591 Federal Registrar. 78, (2013).
- . Drinking Water Regulations; Arsenic and Clarifications to Compliance and New Source Contaminants Monitoring Final Rule. Environmental Protection Agency. 66, (2001).
- Winton, K., Weber, J. B. A review of field lysimeter studies to describe the environmental fate of pesticides. Weed Technology. 10, 202-209 (1996).
- Bergström, L. Use of lysimeters to estimate leaching of pesticides in agricultural soils. Environmental Pollution. 67, 325-347 (1990).
- Byron, J. Lysimeters promoted for pesticide research. Environmental Science and Technology. 31, (1997).
- . Infographic: Pesticide Planet. Science. 341, 730-731 (2013).
- Severson, R., Grigal, D. Soil solution concentrations: effects of extraction time using porous ceramic cups under constant tension. Water Resources Bulletin. 12, 1161-1170 (1976).
- Allaire, S. E., Roulier, S., Cessna, A. J. Quantifying preferential flow in soils: A review of different techniques. Journal of Hydrology. 378, 179-204 (2009).
- Weihermüller, L., Kasteel, R., Vanderborght, J., Püz, T., Vereecken, H. Soil Water Extraction with a Suction Cup. Valdose Zone Journal. 4, 899-907 (2005).
- Jury, W. A., Fluhler, H. . Advances in Agronomy. 47, 141-201 (1992).
