Nanomaterialer kan betyde flere algeudbrud for vådområder, vandveje

De sidste 10 år har der været en stigning i brugen af ​​små stoffer kaldet nanomaterialer i landbrugskemikalier som pesticider og fungicider. Tanken er at give mere sygdomsbeskyttelse og bedre udbytte til afgrøder, samtidig med at mængden af ​​giftstoffer, der sprøjtes på landbrugsmarker, mindskes.

Men når det kombineres med afstrømning af næringsstoffer fra gødet afgrødejord og gødningsfyldte græsgange, disse "nanopesticider" kan også betyde flere giftige algeudbrud for nærliggende vandløb, søer og vådområder, finder en ny undersøgelse.

Resultaterne vises 25. juni i tidsskriftet Økologiske anvendelser .

For lille til at se med alle undtagen de mest kraftfulde mikroskoper, konstruerede nanomaterialer er stoffer, der er fremstillet til at være mindre end 100 nanometer i diameter, mange gange mindre end en hårsbredde.

Deres nanoskala giver dem andre kemiske og fysiske egenskaber end deres bulk-modstykker, herunder mere overfladeareal til reaktioner og interaktioner.

Disse interaktioner kan intensivere skadelig algeopblomstring i vådområder, ifølge eksperimenter ledet af Marie Simonin, en postdoc associeret med biologiprofessor Emily Bernhardt ved Duke University.

Carbon nanorør og små bittesmå partikler af sølv, titaniumdioxid og andre metaller er allerede tilføjet til hundredvis af kommercielle produkter for at gøre alt fra hurtigere, lettere elektronik, selvrensende stoffer, og smartere fødevareemballage, der kan overvåge fødevarer for fordærv. De bruges også på gårde til langsom eller kontrolleret frigivelse af plantegødning og pesticider og mere målrettet levering, og fordi de er effektive ved lavere doser end konventionelle produkter.

Disse og andre applikationer har skabt enorm interesse og investeringer i nanomaterialer. Men de potentielle risici for menneskers sundhed eller miljøet er ikke fuldt ud forstået, sagde Simonin.

De fleste af de 260, 000 til 309, 000 tons nanomaterialer produceret på verdensplan hvert år bliver til sidst bortskaffet på lossepladser, ifølge en tidligere undersøgelse. Men af ​​resten, op til 80, 400 tons om året frigives til jorden, og op til 29, 200 tons ender i naturlige vandområder.

"Og disse nye forurenende stoffer ender ikke alene i vandområder, " sagde Simonin. "De forekommer sandsynligvis samtidig med afstrømning af næringsstoffer. Der er sandsynligvis flere stressfaktorer, der interagerer."

Algeudbrud plager allerede forurenet vand over hele verden, sagde Steven Anderson, en forskningsanalytiker i Bernhardt Lab hos Duke og en af ​​forfatterne til forskningen.

Kvælstof- og fosforforurening trænger ind i vådområder og vandløb i form af afstrømning fra landbruget og urenset spildevand. De overdrevne næringsstoffer får alger til at vokse ude af kontrol, skabe en tyk måtte af grønt afskum eller slim på overfladen af ​​vandet, der blokerer for sollys i at nå andre planter.

Disse næringsstofdrevne "opblomstringer" reducerer til sidst iltniveauet til det punkt, hvor fisk og andre organismer ikke kan overleve, skabe døde zoner i vandet. Nogle algeopblomstringer frigiver også giftstoffer, der kan gøre kæledyr og mennesker, der sluger dem, syge.

For at finde ud af, hvordan de kombinerede virkninger af afstrømning af næringsstoffer og forurening af nanopartikler ville påvirke denne proces, kaldet eutrofiering, forskerne opstillede 18 separate 250-liters tanke med sandet skrå bund for at efterligne små vådområder.

Hver friluftsbeholder var fyldt med vand, jord og en række forskellige vådområders planter og dyr såsom vandgræs og myggefisk.

I løbet af det ni måneder lange eksperiment, nogle tanke fik en ugentlig dosis af algefremmende nitrater og fosfater som dem, der findes i gødning, nogle tanke fik nanopartikler – enten kobber eller guld – og nogle tanke fik begge dele.

Undervejs overvågede forskerne vandkemi, plante- og algevækst og stofskifte, og nanopartikelakkumulering i plantevæv.

"Resultaterne var overraskende, " sagde Simonin. Nanopartiklerne havde små effekter individuelt, men når det tilsættes sammen med næringsstoffer, selv lave koncentrationer af nanopartikler af guld og kobber, der blev brugt i fungicider og andre produkter, gjorde det engangsklare vand til en grumset ærtesuppe, dens overflade dækket af lyse grønne ildelugtende måtter af flydende alger.

I løbet af eksperimentet, store algeopblomstringer var mere end tre gange hyppigere og mere vedvarende i tanke, hvor nanopartikler og næringsstoffer blev lagt sammen, end hvor næringsstoffer blev tilsat alene. Algetilgroningerne reducerede også opløst ilt i vandet.

Det er endnu ikke klart, hvordan eksponering af nanopartikler ændrer den delikate balance mellem planter og alger, når de konkurrerer om næringsstoffer og andre ressourcer. Men resultaterne tyder på, at nanopartikler og andre "metalbaserede syntetiske kemikalier kan spille en undervurderet rolle i de globale tendenser til stigende eutrofiering, " sagde forskerne.