MIKROBIEL NEDBRYDNING AF PESTICIDER I VANDVÆRKER OG PÅ AFVÆRGEANLÆG Christian Nyrop Albers Seniorforsker De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Klima- Energi- og Bygningsministeriet cal@geus.dk
Oversigt over præsentation Introduktion til problemstillingen Biologisk nedbrydning af pesticider i sandfiltre eksempler fra litteraturen Eksempel 1. Rensning af punktkildeforurening med phenoxysyre-herbicider, Hedeland Eksempel 2. Rensning af lav koncentration af BAM i indvindingsboring Fremtidsperspektiver
Hvor kommer pesticiderne fra? Fladebelastning (almindelig brug) Pesticider reguleres typisk, hvis de overskrider grænseværdien i grundvandet - VAP Punktkilder (spild, bortskaffelse) Indtil 1975: Tilrådet, at bortskaffe pesticidrester ( 1 kg) ved nedgravning eller på lossepladser 1 kg kan forurene 10 mio. m 3 grundvand over grænseværdien! 150.000 landbrug i Danmark i 1970
Hvilke pesticider er relevante i DK? Hyppigst fundne stoffer i dansk grundvand de sidste 20 år: BAM Triaziner Phenoxysyrer [GEUS, 2010]
Sandfiltre mest kendt fra vandværker Waterworks Oxidation Sand filter Water tank Consumers Water abstraction well Groundwater Filtrering gennem sandfiltre (hurtigfiltre) - Kvartssand eller lignende filtermateriale - 5-30 min opholdstid - Tilbageskyl for at undgå tilstopning
Simpel vandbehandling Komplicerede biologiske processer i simpel vandbehandling: Jernoxidation og udfældning (autokatalytisk / mikrobielt) Manganoxidation og udfældning (mikrobielt faciliteret) Ammonium-oxidation til nitrat (mikrobielt) Metan- og svovlbrinteoxidation (beluftning og mikrobielt) Pesticidnedbrydning??? Forfilter, Fe Friskt kvartssand Efterfilter, Mn Lige så mange bakterier i sandfiltermateriale som i muldjord!
Potentielle anvendelsesområder for pesticidnedbrydning i sandfiltre Traditionel vandbehandling Waterworks Oxidation Sand filter Water tank Consumers Afværgepumpning Water abstraction well Vandværk? Groundwater Pesticid i grundvand GEUS har deltaget i projekter med fokus på begge problemstillinger
Biologisk nedbrydning af pesticider i sandfiltre eksempler fra litteraturen Kerteminde vandværk: Belgiske vandværker (EU-Biotreat): USA sandfiltermateriale i laboratoriesøjler: [Hedegaard et al. 2014]; [Knudsen & Albers, upub.] [Zearley & Summers, 2012] [Vandermaesen et al 2013]
Eksempel 1. Punktkildeforurening med phenoxysyre-herbicider, Hedeland To faser: 2013: Første testperiode (Financieret af Reg. Sjæl. og Videncenter for jordforurening) 2014: Anden testperiode (Financieret af Reg. Sjæl. og MIRESOWA-projektet (DSF))
Phenoxysyrer et hyppigt punktkildeproblem? Pesticider i boringer i Reg. Sjæl. - andre analyser (nedlagte boringer, moniteringsboringer etc.) Phenoxysyrer-herbicider optræder hyppigt som punktkildeforureninger. Phenoxysyrer bindes dårligt til aktiv kul, og traditionelle Pump & Treat afværgeløsninger er derfor relativ dyre i drift. [Brüsch, og Langtofte 2013 Notat nr.: 05-VA-13-01 til Region Sjælland]
Mulige grundvandsforureninger fra pesticidpunktkilder i Reg. Sjæl. Figur 4 Boringer med fund af pesticider, Der er kun medtaget boringer som indeholder mere end 1 µg/l for AA og GRUMO mens der for BK er nedtaget boringer med koncentrationer 0,1?? µg/l. AA andre Analyser, BK vandværkernes boringskontrol, GRUMO - grundvandsovervågningen Figur 14 Sværm af AA boringer ved Tune med høje koncentrationer, mange fund og mange stoffer, og placering af kendte depoter. [Brüch & Langtofte / Reg. Sj., 2013]
Valg af lokalitet i Hedeland Rhode Nielsens Mindstrupgård Forsøgs container Skraldegraven Gasbjerget Hedebo Roskildevej 56 KARA Losseplads Steenberg Larsens Ældste
206.1134 valgt som test-boring Filtersat 25-28 m (kalk, anaerob) Pesticider i boringen: Phenoxysyrer (µg/l): Cl MCPP (~1) O CH 3 OH DCPP (~0.2) Cl CH 3 O O CH 3 OH 4-CPP (~1) Cl Cl O CH 3 O OH O Intet betydeligt fald i koncentration de sidste 20 år
Installation - 2013 Grundvand iltes kraftigt To filtre i serie Filter 1 tilbageskylles ofte Filter 2 tilbageskylles sjældent Opholdstid 2 x 7 min Fase 2013a: Naturlige grundvandsbakterier Fase 2013b: Tilsætning af laboratorie-stamme
Ikke så godt design, dog Meget højt kalkindhold i grundvand (270 mg/l Ca) og lavt ph (6.6). Iltning øgede ph til >7.0 (=> 120 mg/l CaCO 3 (s) (0.7 kg/d)) Filter 1 blokeret efter 70 dage og Filter 2 også påvirket Lufttilførsel måtte herefter mindskes => mulig iltbegrænsning efter dag 70 Datasæt derfor lidt hullet og svært at tolke
Resultater Fase 2013a: Pesticidfjernelse (eksempel MCPP) Målte koncentrationer: Fjernelse i procent: Øvrige phenoxysyrer viste lignende fjernelse Sorptions og nedbrydningsforsøg i laboratoriet understøttede at det var mikrobiel nedbrydning
Kvantificering af nedbryderbakterier Vigtigt værktøj, for at forstå systemet hvem, hvor mange og hvorfor? MPN (kvantificering af bakterier som er i stand til at leve af bestemt pesticid) qpcr (kvantificering af bakterier med bestemt nedbrydergen) Kan anvendes i jord, (grund)vand og sandfiltre
MPN (most probable number) Bakterier fra jord/sand/vand dyrkes på pesticid + næringsstoffer i fortyndingsrække Efter 1-3 mdr. måles, hvor langt ud i fortyndingen, der er vokset bakterier op / nedbrudt pesticid MPN beregnes med statistik-program Fordel: Lav detektionsgrænse Ulemper: Arbejdstung og kvantificerer kun bakterier der høster energi ved pesticidnedbrydningen og kan dyrkes i lab.
DNA-analyser (kvantitativ polymerasekædereaktion - qpcr) Pesticidnedbrydning kræver specifikke enzymer, som dannes, hvis specifikke gener udtrykkes. Hvis generne kendes, kan de kvantificeres med qpcr Fordel: Kvantificerer også ikke-dyrkbare bakterier. Ulemper: Høj detektionsgrænse. Nedbrydergener skal kendes. Eksempel: Gener som vides at være involveret i første nedbrydningstrin for phenoxypropion-syrer: - SdpA-gen (nedbryder S-enantiomer af phenoxypropionsyrer)
Pesticidnedbrydere i fase 2013a MPN: qpcr: Filter 1 Konklusioner: Vækst af nedbryder-bakterier i filtrene (følger nedbrydningsmønster) MPN og qpcr-data udvikler sig parallelt Bemærk logaritmiske skalaer! >1 SdpA-gener pr 100 totale bakterier sammenlignet med <1:10.000 i landbrugsjord
Fase 2013b, inokulering Hvert filter tilsat 10 L PM2-kultur (10 13 celler pr filter) Målinger viser, at mere end 50% af de tilsatte bakterier vedhæftes sandfilteret Konklusioner: Der ses en umiddelbar stigning i pesticidnedbrydning (fra 20% til 40%) De tilsatte bakterier mistes dog i løbet af få uger
2014 Hele 2013-eksperimentet gentages principielt, men med forsigtig iltning med rent ilt og dermed gode iltforhold uden kalkudfældning Næsten ingen nedbrydning, men en del bakterier (næsten som i 2013)!
Effekt af opholdstid på nedbrydning 480 L/h 160 L/h 520 L/h 180 L/h 60 L/h Konklusioner: Længere opholdstid øger nedbrydning indtil en vis grænse Samme for de andre phenoxysyre-pesticider
Eksempel 2. Nedbrydning af lav koncentration af BAM Meget stabilt nedbrydningsprodukt af herbicidet dichlobenil N O NH 2 Det enkeltstof, der har lukket flest indvindingsboringer i DK Cl Cl Cl BAM Cl Metode: Isolering af bakterier, der kan nedbryde pesticider (fra jord) Karakterisering af nedbrydningspotentiale i batch og søjler (potentiale er vist) Afprøvning i pilotanlæg i felten
Feltforsøg nær Ballerup To indvindingsboringer lukket pga. BAM (0.2 µg/l) Grundvand pt. til nærliggende å efter jernfjernelse BAM-nedbrydende bakterier tilsat tre gange til sandfiltre, der drives som på vandværk
Eksempel på resultater Under 0.1 µg/l -grænseværdien de første dage efter tilsætning, men så forsvinder en stor del af bakterierne fra filtrene Øvrige bakterietilsætninger viste lignende resultater ~10 7 bakterier/cm 3 er stabilt i filtrene, men der kræves 10 8 Tab af celler skyldes tilbageskyl, predation (protozooer) og sult
Kan en laboratoriestamme overhovedet klare sig i (sandfilter)-miljøet?
Andre og mere beskyttende måder at tilsætte bakterierne på? Forskellige europæiske forskningsgrupper arbejder med såkaldte carriers En carrier kan f.eks. beskytte bakterien, supplere næringsstoffer eller begge dele Beskyttende carriers er forsøgt anvendt for BAMnedbrydende bakterie i EU-projekt delvis succes Figure 3.3. BAM concentrations in the influent and effluent of the four columns after bioaugmentation of column 2 and 3 in the (A) first pilot experiment and the (B) second pilot experiment. The dashed line indicates the drinking water norm of 0.1 µg/l for pesticide residues. Table 3.2. BAM removal from intake water in column 2 (free MSH1 cells) and column 3 (MSH1 carriers) in the 1 st and 2 nd pilot scale experiment during the first 30 days of operation Nedbrydning over 30 dage: 1 st pilot 2 nd pilot Free MSH1 cells 30 % 50 % Carriers 70 % 70 %
Konklusioner Sandfiltre er udmærkede levesteder for bakterier, inklusive pesticidnedbrydere. Flere projekter har dokumenteret pesticidnedbrydning i sandfiltre med/uden tilsætning af bakterier, men rigtig succeshistorie efterlyses! Lave pesticidkoncentrationer er en udfordring størst sandsynlighed for succes ved højere koncentration? (afværge vs. vandværker ) Potentialet er til stede, og mange uafklarede spørgsmål og forbedringsmuligheder gør det for tidligt at afskrive effektiv biologisk nedbrydning af pesticider i sandfiltre.
Tak til GEUS-kolleger involveret i denne forskning: Lea Ellegaard-Jensen, Louise Feld, Sebastian R. Sørensen, Jens Aamand Biotreat-kolleger (KU-Leuven): Joeke Vandermaesen, Benjamin Horemans, Dirk Springael Øvrige samarbejdspartnere: - Krüger (Liselotte Clausen og Peter Borch Nielsen) - Region Sjælland (Tommy Nielsen) - HOFOR
Tak for jeres opmærksomhed Spørgsmål?