Τύχη και συμπεριφορά γεωργικών φαρμάκων σε συστήματα βιοκλινών προσαρμοσμένων στον ελλαδικό χώρο και αξιολόγησή τους στον περιορισμό της, από σημειακές πηγές, ρύπανσης με γεωργικά φάρμακα

Abstract

Biobeds are cost effective biopurification systems that are simple to operate. They have the ability to impede groundwater contamination by retaining and subsequently degrading pesticides. The main component of a biobed, the activated biomixture, has been identified as the major factor controlling its efficacy. In its typical form a biomixture consists of straw, peat and topsoil in a 2:1:1 ratio. The aim of the study was to evaluate various agricultural products found locally as substitutes of peat and straw in the biomixture. For this reason 3 different laboratory studies (degradation, sorption and leaching studies) were conducted in our laboratory. The organic substrates included in the study were various lignocellulosic materials and composts or peat. Soils with different physicochemical characteristics were also included in the study. Analytical methods for pesticide residues determination in biomixtures and soil were developed and evaluated. The chromatographic analysis of the 9 pesticides included in the study (terbuthylazine, dimethoate, metalaxyl-M, metribuzin, buprofezin, chlorpyrifos, iprodione, indoxacarb, azoxystrobin) was performed by gas chromatography with NPD and ECD detectors, while the analysis of the metabolites of terbuthylazine, metribuzin and chlorpyrifos were performed by HPLC with UV detector. In degradation experiments pesticides were extracted with acetone while their metabolites were extracted using a water:methanol mixture. In sorption/desorption studies pesticides were extracted by passed through C18 cartridges while pesticide residues in the leachate were extracted utilizing liquid-liquid extraction. The evaluation of the analytical methods included the calculation of accuracy, precision, linearity, the determination of LOD and LOQ and matrix effect. The first study examined the relative contribution of individual components in the degradation efficiency of compost biomixtures. It was found that the presence of all three components was a prerequisite for maximized degradation efficiency. Another degradation study was performed to evaluate the relative efficiency of various composts as peat alternatives in biomixtures. All pesticides were degraded faster in composts’ biomixture environment, with the exception of terbuthylazine and azoxystrobin for which the low pH value of the peat xiv biomixture leaded to equal or higher degradation rates. Biomixture containing olive leave compost appeared to be the most efficient in the degradation of most pesticides tested. In further study four lignocellulosic materials (corn cobs, grape stalks, orange peels and sunflower residues) were evaluated as substitutes of straw. Substituting straw with grape stalks led to enhanced degradation rates while biomixtures containing corn cobs or sunflower residues showed an over all similar degradation behaviour as the typical straw biomixture. The incorporation of orange peels or olive leaves in the biomixture should be avoided as it can lead to severe inhibition of microbial activity due to the inhibitory effect of phenolic substances. Spent mushroom substrate (SMS) provided an ideal environment for enhanced biodegradation of certain pesticides, with estimated t 1/2 values negatively correlated to the volumetric ratio of SMS in the biomixture. The degradation of pesticides was adversely affected by the concentration level. The concentration effect on pesticide persistence varied among treatments, usually in the order of prominence soil>compost biomixture=peat biomixture. Incubation temperature and repeated applications also affected degradation in a similar manner. The adsorption of pesticides was best described by the Freundlich equation. BX biomixtures (biomixtures with compost as organic substrate) with high degradation efficiency generally showed increased sorption capacity. However OBX biomixture (biomixtures with peat as organic substrate) were more efficient in retaining pesticides than BX biomixtures, which can be partly explained by the higher OC content. In addition BX biomixtures showed much higher K f coefficients than soil. Normalization of adsorption coefficients to organic carbon content (K oc ) significantly reduced variability between treatments for terbuthylazine but not for metribuzin and metalaxyl-M. This was explained by the higher affinity of relatively hydrophobic compounds like terbuthylazine to organic matter. A correlation between adsorption and desorption coefficients was found, indicating a low reversibility of the sorption process in substrates with extended sorption capacity. Leaching studies were performed in plastic cores (1 m length x 12.5 cm diameter). The cores were packed with successive layers of gravel (bottom 10 cm), biomixture or soil (80 cm) and sand (5 cm). The cores were treated with a mixture of 5 pesticides (terbuthylazine, metribuzin, metalaxyl-M, iprodione and chlorpyrifos) applied at the mean recommended dose and pesticide residues on the leachate were monitored on a weekly basis following a 600 mL water addition/week. Peat containing biomixture showed the lowest pesticide residues in the leachate, followed by compost biomixture. The higher leaching was evident in the soil columns. At the end of the 120 days’ incubation period the biomixture was analysed for mass balance studies. The residual amounts of all pesticides were higher in peat than in compost biomixture which is attributed to the higher degradation efficiency in compost biomixture environment and the extended sorption of pesticides in the organic components of peat biomixtures. The high alkalinity of soil favoured iprodione and chlorpyrifos degradation while terbuthylazine showed a tendency to accumulate.

Οι βιοκλίνες είναι χαμηλού κόστους συστήματα απορρύπανσης νερού που έχουν την ικανότητα να αποτρέψουν τη ρύπανση των υπόγειων υδάτων από φυτοπροστατευτικές ουσίες (φ.ο.) μέσω της συγκράτησης και της συνακόλουθης αποδόμησης τους. Το κυριότερο συστατικό στα συστήματα βιοκλίνης είναι το ενεργό βιομίγμα που έχει αναγνωριστεί ως ο σημαντικότερος παράγοντας ελέγχου της συνολικής αποτελεσματικότητας του συστήματος. Το βιομίγμα των τυπικών συστημάτων βιοκλινών είναι μίγμα τύρφης, άχυρου και εδάφους σε ογκομετρική αναλογία 1:2:1. Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η αξιολόγηση διαφόρων παραπροϊόντων της τοπικής αγροτικής παραγωγής ως υποκατάστατων της τύρφης ή/και του άχυρου στα βιομίγματα με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης τους σε συστήματα βιοκλινών προσαρμοσμένων στις εδαφοκλιματικές συνθήκες και στις γεωργικές πρακτικές του μεσογειακού χώρου. Για το λόγο αυτό παραπροϊόντα της ελληνικής γεωργίας και αγροβιομηχανίας (υπολείμματα καλλιεργειών, ελαιουργίας, οινοποιίας, παραγωγής μανιταριών) χρησιμοποιήθηκαν (είτε αυτούσια, είτε μετά από κομποστοποίηση) για την παρασκευή ενεργών βιομιγμάτων. Η αξιολόγηση αυτών των βιομιγμάτων περιελάμβανε τη μελέτη της αποδόμησης, προσρόφησης και έκπλυσης επιλεγμένων φ.ο. (terbuthylazine, dimethoate, metalaxyl-M, metribuzin, buprofezin, chlorpyrifos, iprodione, indoxacarb και azoxystrobin) με εργαστηριακές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Για την παρακολούθηση των υπολειμμάτων των φ.ο. στο έδαφος, στα βιομίγματα και στα υδατικά εκχυλίσματα αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν αναλυτικές μέθοδοι προσδιορισμού τους με αέρια χρωματογραφία με εκλεκτικούς ανιχνευτές (GC-NPD και GC-ECD), ενώ για τον προσδιορισμό των μεταβολιτών των terbuthylazine (hydroxy terbuthylazine, desethyl terbuthylazine), metribuzin (desamino metribuzin, diketo metribuzin, desaminodiketo metribuzin) και chlorpyrifos (3,5,6-trichloro-2-pyridinol - TCP) χρησιμοποιήθηκε υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC). Παράλληλα με τις δοκιμές αποδόμησης πραγματοποιήθηκε και μέτρηση ορισμένων βιολογικών (συνολική βιομάζα C, μικροβιακή αναπνοή, μέτρηση εργοστερόλης, συνολική υδρολυτική δραστηριότητα) και ενζυμικών x (δραστηριότητα φαινολοξειδασών) παραμέτρων στο έδαφος και στα βιομίγματα σε διάφορα χρονικά διαστήματα μετά την εφαρμογή των φ.ο. Η αρχική δοκιμή αφορούσε τη σχετική συνεισφορά μεμονωμένων υλικών (συστατικών του βιομίγματος) στην αποδομητική ικανότητα των βιομιγμάτων. Προέκυψε ότι η ταυτόχρονη παρουσία και των τριών συστατικών (έδαφος, άχυρο, κομπόστα) ήταν αναγκαία συνθήκη για τη μεγιστοποίηση της αποδομητικής ικανότητας του βιομίγματος. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση διαφόρων κομποστών (κομπόστα από υπολείμματα καλλιέργειας μανιταριών, κομπόστα από ελαιόφυλλα, κομπόστα εμπορίου, κομπόστα από παραπροϊόντα απόχνωσης βάμβακος και κομπόστα από βαμβακόπιτα) ως υποκατάστατων της τύρφης στα βιομίγματα. Όλες οι φ.ο. αποδομήθηκαν ταχύτερα στα βιομίγματα κομπόστας σε σχέση με τα βιομίγματα τύρφης, με εξαίρεση το terbuthylazine και το azoxystrobin για τα οποία το όξινο περιβάλλον της τύρφης συνέβαλε στην εμφάνιση παρόμοιων ή και υψηλότερων ρυθμών αποδόμησης. Το βιομίγμα που περιείχε κομπόστα από ελαιόφυλλα εμφάνισε μεγαλύτερη αποδομητική ικανότητα για τις περισσότερες φ.ο. της δοκιμής, συμπεριλαμβανομένων και ορισμένων μεταβολιτών αυτών, σε σχέση με το έδαφος ή άλλα βιομίγματα. Σε επόμενη δοκιμή διάφορα λιγνινοκυτταρινούχα υλικά (σπάδικες αραβόσιτου, βόστρυχοι αμπέλου, φλούδες πορτοκαλιού και υπολείμματα καλλιέργειας ηλίανθου) αξιολογήθηκαν ως υποκατάστατα του άχυρου. Η αντικατάσταση του άχυρου με βόστρυχους αμπέλου οδήγησε σε βελτιωμένους ρυθμούς αποδόμησης των φ.ο., ενώ η αντικατάσταση του με σπάδικες αραβόσιτου ή με υπολείμματα καλλιέργειας ηλίανθου οδήγησε σε παρόμοια συμπεριφορά αποδόμησης με το τυπικό βιομίγμα με βάση το άχυρο. Η χρήση των ελαιόφυλλων ή των φλούδων πορτοκαλιού οδήγησε σε αναστολή της αποδομητικής δραστηριότητας του βιομίγματος, που αποδόθηκε στην αυξημένη παρουσία φαινολικών ουσιών στα υλικά αυτά. Επιπλέον δοκιμές για την αξιοποίηση του εξαντλημένου υποστρώματος ανάπτυξης μανιταριών (SMS) μετά από ανάμιξη του με έδαφος ή έδαφος και άχυρο φανέρωσαν την ικανότητα του υλικού αυτού να δημιουργεί ιδανικό περιβάλλον για επιτάχυνση των βιοαποδομητικών διεργασιών. Οι ρυθμοί αποδόμησης, μάλιστα, συσχετίστηκαν αρνητικά με την ογκομετρική αναλογία του SMS στο βιομίγμα. Από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν για την εξέταση της επίδρασης της συγκέντρωσης των φ.ο., της θερμοκρασίας επώασης και της επαναλαμβανόμενης εφαρμογής φ.ο. στην αποτελεσματικότητα της αποδόμησης προέκυψε ότι και οι τρεις αυτοί παράμετροι επηρέασαν το ρυθμό αποδόμησης όλων των φ.ο. της δοκιμής, όμως η αποδόμηση τους στο έδαφος επηρεάστηκε σε μεγαλύτερο βαθμό από μεταβολές της τιμής των παραμέτρων αυτών από ότι στα βιομίγματα τύρφης ή κομπόστας.Από τα πειράματα προσρόφησης προέκυψε ότι η προσρόφηση των φ.ο. (terbuthylazine, metribuzin, metalaxyl-M) περιγράφεται καλύτερα με ισόθερμη Freundlich. Τα βιομίγματα με βάση την κομπόστα που εμφάνισαν υψηλή αποδομητική ικανότητα, παρουσίασαν ταυτόχρονα και αυξημένη προσροφητική ικανότητα. Παρ’ όλα αυτά, τα βιομίγματα τύρφης αποδείχθηκαν πιο αποτελεσματικά στη συγκράτηση των φ.ο., κάτι που κυρίως μπορεί να αποδοθεί στην υψηλότερη περιεκτικότητα τους σε οργανικό άνθρακα. Σε κάθε περίπτωση βέβαια η προσροφητική ικανότητα των βιομιγμάτων βρέθηκε υψηλότερη αυτής του εδάφους. Η κανονικοποίηση της τιμής του συντελεστή προσρόφησης Κ f ως προς την περιεκτικότητα του κάθε υποστρώματος σε οργανικό άνθρακα μείωσε σημαντικά την παραλλακτικότητα του συντελεστή μεταξύ των μεταχειρίσεων για το terbuthylazine, αλλά όχι και για το metribuzin και το metalaxyl-M. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στην υψηλότερη συνάφεια των σχετικά λιπόφιλων ουσιών, όπως το terbuthylazine, με την οργανική ουσία. Και για τις τρεις φ.ο. καταγράφηκε θετική συσχέτιση μεταξύ των συντελεστών προσρόφησης και εκρόφησης, καθώς και μικρή δυνατότητα αντιστρεψιμότητας της διεργασίας της προσρόφησης. Οι δοκιμές έκπλυσης πραγματοποιήθηκαν σε στήλες (1m μήκος, 12,5 cm διάμετρος), οι οποίες πληρώθηκαν με διαδοχικά στρώματα χαλικιού, βιομίγματος ή εδάφους (80 cm) και άμμου και στις οποίες εφαρμόστηκε υδατικό διάλυμα που περιείχε πέντε φ.ο. (terbuthylazine, metribuzin, metalaxyl-M, iprodione and chlorpyrifos) στη μέση συνιστώμενη δόση εφαρμογής τους στον αγρό. Τα υπολείμματα των ουσιών στο έκπλυμα υπολογίστηκαν σε εβδομαδιαία βάση μετά από άπαξ προσθήκη 600 mL νερού ανά εβδομάδα. Τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις των φ.ο. στο έκπλυμα εμφάνισε το βιομίγμα τύρφης ακολουθούμενο από το βιομίγμα με βάση την κομπόστα από στέμφυλα. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις φ.ο. στο έκπλυμα εμφανίστηκαν στη στήλη με το έδαφος-μάρτυρα. Στο τέλος των 120 ημερών της επώασης των στηλών τα βιομίγματα αναλύθηκαν για τον προσδιορισμό των υπολειμμάτων φ.ο., ώστε να είναι δυνατή ο υπολογισμός του ισοζυγίου μάζας των φ.ο. Η συγκέντρωση των υπολειμμάτων των φ.ο. που παρέμειναν στις στήλες μετά το τέλος της δοκιμής ήταν υψηλότερη στο βιομίγμα τύρφης σε σχέση με αυτή στα βιομίγματα που περιέχουν κομπόστα, γεγονός που αποδόθηκε στην υψηλότερη αποδομητική ικανότητα των βιομιγμάτων κομπόστας και στην ισχυρότερη προσρόφηση των φ.ο. στην οργανική ουσία των βιομιγμάτων τύρφης. Η υψηλή αλκαλικότητα του εδάφους ευνόησε την αποδόμηση του chlorpyrifos και του iprodione, ενώ το terbuthylazine εμφάνισε έντονη τάση συσσώρευσης στο έδαφος, γεγονός που εξηγεί την ανίχνευση του σε υψηλές συγκεντρώσεις στο έκπλυμα καθόλη τη διάρκεια του χρόνου επώασης. Η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων βιοαπορρύπανσης για το χειρισμό των απόνερων, που προέρχονται από την εφαρμογή φυτοπροστατευτικών προϊόντων στον αγρό, μπορεί και θα πρέπει να συνδεθεί με την αξιοποίηση υλικών μικρής οικονομικής αξίας, όπως τα παραπροϊόντα της τοπικής αγροτικής παραγωγής, με τελικό στόχο τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και τη μείωση του κόστους τέτοιων συστημάτων.