Undersøgelse involverer yderligere fjerkræforarbejdning i kystforurening

Overskydende kvælstof er en stor trussel mod vandkvaliteten i kystnære farvande verden over. Findes i renset spildevand, gård- og plænegødning og forbrændingsudstødning, det giver næring til opblomstring af alger, der skygger for neddykket græs og suger ilt fra vandet, når de dør og henfalder.

En ny undersøgelse foretaget af forskere ved William &Mary's Virginia Institute of Marine Science giver yderligere beviser for, at spildevand fra et fjerkræforarbejdningsanlæg har en særlig betydelig indvirkning på vandkvaliteten og næringsstofkredsløbet. Det er fordi det ikke kun indeholder masser af nitrogen, men antibiotika og biprodukter af den proces, planterne bruger til at rense deres spildevand. Disse biprodukter menes at hæmme væksten og aktiviteten af ​​mikrober, der ellers ville hjælpe med at fjerne nitrogen fra tidevandsbække, før det kan trænge ind i kystsystemer.

Forskerne, VIMS Ph.D. studerende Miguel Semedo og professor Bongkeun Song, siger, at deres undersøgelse er den første til at evaluere fjerkræindustriens indvirkning på vandkvaliteten og næringsstofkredsløbet ved hjælp af genetiske, mikrobielle og fjernmålingsteknikker. Resultaterne af deres arbejde vises i januarudgaven af Miljøvidenskab og -teknologi . Undersøgelsen blev støttet gennem Fulbright-programmet og Semedos graduate-stipendium fra Virginia Sea Grant.

Mikrober og denitrifikation

Mikrober fjerner nitrogen fra akvatiske økosystemer gennem en proces kaldet denitrifikation. "Mikrober udfører en række økosystemfunktioner, " siger Semedo, nu post-doc forsker ved universitetet i Portos tværfaglige center for hav- og miljøforskning (CIIMAR) i Matosinhos, Portugal. "Denitrifikation er en af ​​de mest vitale, da det har potentialet til at fjerne overskydende nitrogen fra systemet."

Denitrificerende mikrober har unikke gener, der styrer denitrifikationsprocessen, en række trin, der omdanner nitrat og nitrit - uorganiske former for nitrogen, der findes i spildevand - til gasformige former såsom nitrogenoxid, dinitrogenoxid og dinitrogen. Sidstnævnte forbindelser er ubrugelige af de fleste organismer og bidrager således kun lidt eller intet til overgødskning af kystvande.

Feltstudier

Semedo og Song udførte undersøgelsen i to tidevandsbække på Virginia's Eastern Shore - en med et fjerkræforarbejdningsanlæg i hovedvandet og en uden. Bækkene dræner ind i de kystnære laguner, der ligger mellem fastlandet på Delmarva-halvøen og dens offshore-barriereøer.

Parret målte nitrogenniveauer i hovedvandene, midten, og udmundingen af ​​hver å ved fire lejligheder mellem november 2016 og september 2017. De indsamlede også sedimentprøver til laboratorieanalyse på VIMS, da denitrificerende mikrober generelt lever i mudder på åens bund. I laboratoriet, de identificerede arten af ​​mikrober til stede, noteret, som indeholdt de gener, der vides at kontrollere denitrifikation, og udsatte mikrober fra den uforurenede "kontrol"-bæk for vand fra åen, der var påvirket af fjerkræ-plantespildevand.

Deres feltresultater viste klare beviser for, at nitrogenniveauerne var højere i den forurenede å.

"Niveauerne af nitrat i bundvandet i den påvirkede å var betydeligt højere end niveauerne i referenceåen på tværs af alle stationer i de fleste årstider, " siger Song.

"Gennemsnitlig, " tilføjer Semedo, "nitratniveauerne i den påvirkede å var 34 gange højere ved hovedvandsstationen, 47 gange højere ved midstream, og 23 gange højere nær munden."

Mens nitratkoncentrationerne i den påvirkede å faldt med stigende afstand fra anlæggets udledningssted, hastigheden, hvormed de gjorde det (33 % fjernelse pr. kilometer) var meget lavere end i referenceåen (70 % pr. km).

Inkubationsforsøg og genetiske analyser

Parrets laboratorieresultater understøttede feltstudierne, og hjalp med at afklare årsagerne til den reducerede denitrifikation.

"Da vi inkuberede sedimenter fra kontrolåen med vand fra den forurenede å i 24 timer, denitrifikationsraterne faldt med 93 %, " siger Semedo. "Det ser således ud til, at en kombination af forhøjede nitrogenniveauer og spildevandsbiprodukter hæmmer nitrogenfjernelsen i vandet og sedimenterne i den forurenede å."

Semedo og Songs genetiske undersøgelser afslørede, at den laveste mængde af denitrificerende gener forekom i prøver fra den ramte bæk, tættest på udledningen fra forarbejdningsanlægget. Dette mønster fandt sted hele året. Samlet bakteriel overflod fulgte samme tendens.

"Samlet set, " siger Sang, "overfloden af ​​denitrifikationsgener i den påvirkede bæk fulgte en klar tendens, med de laveste mængder tættest på forarbejdningsanlægget, og højere mængder ved nedstrømsstationen, længere fra forarbejdningsanlægget. Den tendens så vi ikke i kontrolåen."

"Forløbsstationen i den påvirkede å adskiller sig tydeligt fra hovedvandsstationen i kontrolåen og alle andre prøver, " siger Semedo, 'det indikerer, at der er et meget tydeligt bakteriesamfund i nærheden af ​​spildevandsudledningen fra behandlingsanlægget. Og alle dominerende klasser af bakterier, der var fraværende fra hovedvandsstedet i den ramte bæk, er kendt for at bære et eller to denitrifikationsgener."

Yderligere støtte fra satellitbilleder

Yderligere støtte til deres resultater kommer fra forskelle i mængden af ​​klorofyl-a i vandet i nærliggende kystlaguner som estimeret af satellitbilleder. Dette fotosyntetiske pigment er en indikator for algevækst.

"Koncentrationerne af klorofyl-a under mundingen af ​​den ramte å var altid højere end dem under mundingen af ​​kontrolåen, " siger Semedo. Gennemsnitlige koncentrationer af klorofyl-a varierede fra 5,8 til 16,1 mikrogram pr. liter i lagunen under den ramte å, sammenlignet med 1,8-5,2 μg/L for kontrolåen.

Selvom det foregår på et enkelt par åer, der fodrer laguner ved havet, Semedo og Songs analyse har bredere implikationer for vandkvalitet og spildevandshåndtering i Chesapeake Bay, USA og verden. En ny kandidatstuderende i Songs laboratorium planlægger at udføre en opfølgende undersøgelse for at undersøge, hvordan udvidelsen af ​​fjerkræudvoksningshuse kan påvirke vandkvaliteten i den østlige kysts tidevandsbække. I Accomack County, hvor de undersøgte åer er placeret, 254 slagtekyllingerstalde var i drift i 2014, med 245 nye huse godkendt siden da. Af disse, 218 er bygget fra februar 2019, og 11 af disse blev tilladt i 2018.

En foreløbig undersøgelse udført i 2018 af forskere ved VIMS' Eastern Shore Laboratory i Wachapreague fandt ikke påvirkninger fra regnvandsafstrømning i vandskel med nyligt konstruerede fjerkræudvoksningsoperationer. Den undersøgelse er i gang. Med nye regler, der kræver regnvandskontrol og affaldshåndtering, de nyere faciliteter forventes at have mindre effekt end tidligere.

Delmarva-halvøen – med 56 tidevandsbække, der dræner ud i laguner ved havet og Chesapeake Bay – har den højeste koncentration af slagtekyllinger pr. landbrugsareal i USA. Det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur vurderer, at af de 1. 186 fjerkræforædlere over hele landet, 108 (9,1%) udleder renset spildevand direkte i søernes overfladevand, floder og oceaner.