Med vattenkvaliteten i Chesapeake Bay som lider av överskott av näringsämnen och fiskpopulationer i floder som Susquehanna upplever skevhet mellan könen och andra reproduktiva abnormiteter, Att förstå hur man minimerar avrinning av både näringsämnen och hormonstörande föreningar från jordbruksmarker efter gödseltillförsel är ett kritiskt mål för jordbruket.

En ny studie gjord av forskare vid Penn State College of Agricultural Sciences visar att applicering av gödsel på odlingsfält med hjälp av grund diskinjektion i jorden snarare än traditionell ytsändning avsevärt minskar östrogener i ytavrinning. Detta fynd tyder på att gödselappliceringsmetoder kan användas för att kontrollera mobiliseringspotentialen för östrogener och pekar på möjligheter att skydda nedströms vattenkvalitet.

Forskningen, publiceras denna månad i Lantbruk, Ekosystem och miljö , undersökte också hur gödselspridningsmetoder påverkade avrinning av totalt löst fosfor och löst organiskt kol. Forskare fann att transporthastigheter av dessa näringsämnen, i mindre grad, var också lägre efter gödselinjektion än efter ytspridning.

Tidigare resultat från studien, som genomfördes från oktober 2014 till sommaren 2015, publicerades i Journal of Environmental Quality i november 2016. Forskningen tog prover på 10 ytavrinningshändelser från 12 forskningsområden – sex med varje appliceringsmetod – efter höstspridningen av gödsel.

Appliceringen av boskapsgödsel på jordbruksmarker ger viktiga näringsämnen för grödor och tillför organiskt material till marken. Dock, gödsel introducerar också nya föroreningar till miljön, inklusive de naturliga östrogenerna 17 alfa-östradiol, 17 beta-östradiol, östron och östriol, enligt Heather Gall, biträdande professor i jordbruks- och biologisk teknik.

vForskarna använde gödsel från mjölkboskap, men östrogener är en komponent i avfallsflödet från inte bara mejeriprodukter, men alla boskap och människor. Även om denna studie fokuserade på allestädes närvarande naturliga östrogener, syntetiska östrogener kan också påverka vattenkvaliteten, såsom etinylestradiol, den aktiva ingrediensen i p-piller eller syntetiska androgener som trenbolon, ofta ges som öronimplantat till köttboskap.

Många faktorer påverkar ödet och transporten av dessa gödselburna hormoner, förklarade huvudforskaren Odette Mina, en ny doktorsexamen i jordbruks- och biologisk teknik, inklusive typen av gödsel som appliceras, hastigheten och tidpunkten för appliceringen, metoden och historiken för tillämpningen, såväl som naturliga drivkrafter som hydrologiska processer och biogeokemisk kretslopp.

"Metoden för applicering av djurgödsel kan påverka tillgången på näringsämnen och östrogener till avrinnande vatten, ", sade Mina. "Flera studier har visat de potentiella fördelarna med injektion av ytlig skiva för att minska fosfor- och nitrattransporten i ytavrinning jämfört med ytutsändning. Vår forskning visade signifikant minskad östrogentransport i avrinning från ytor för injektion av ytor i förhållande till ytutsändningar."

Mina kom till forskningen på ett oortodoxt sätt. Hon tog sin grundexamen i kemi för mer än två decennier sedan, en magisterexamen i företagsekonomi, och hade arbetat inom konsulterande ingenjör i mer än 20 år innan hon 2010 bestämde sig för att ta en civilingenjörsexamen. Hon tog en magisterexamen i miljöteknik vid Penn State Harrisburg och började på Galls labb 2013.

Denna forskning ägde rum på Kepler Farms tomter vid Russell E. Larson Agricultural Research Center i Rock Springs, nära Penn State University Park campus. Området består av 12 hydrologiskt isolerade tomter som leder ytavrinning från varje tomt nedförsbacke genom PVC-rör till hyddor nära tomterna. Hydorna är utrustade med tippskopor som mäter flödet av ytavrinning och gör det möjligt för forskare att samla in flödesviktade prover för att analysera näringsämnen och föroreningar i avrinningen.

Forskare såg en slående skillnad mellan östrogenbelastningar och koncentrationer i avrinning efter nederbördshändelser, Mina påpekade. När gödsel injicerades i jorden, östrogener var mycket mindre benägna att lämna fältet. "Vi hade en nederbördshändelse som hände två dagar efter att gödseln spreds - det var ingen stor nederbördshändelse, en typisk storm som du kan förvänta dig varje år – och den orsakade en riktigt stor rörelse av östrogener, kol och fosfor från ytsändningar, " Hon sa.

"Men samma händelse räckte inte ens för att utlösa avrinning från de tomter som hade genomgått grund skivinjektion av gödsel. Den första spolningen tvättade bort riktigt höga koncentrationer av fosfor och östrogener i förhållande till hela resten av studien, men det fanns ingenting från de ytliga skivinjektionsplotterna."

På små mjölkgårdar som är typiska för USA:s mitten av Atlanten, gödsel appliceras oftast på våren och hösten, men gödselspridning kan ske året runt, även om vissa stater begränsar eller förbjuder applicering av vintergödsel. Gödsel appliceras vanligtvis på majsgrödor, även om andra grödor också får gödsel, inklusive baljväxter.

Införandet av gödselinjektion på grunda skivor bland jordbrukare har gått långsamt, Gall påpekade, och det beror främst på de höga kostnaderna för ny injektionsutrustning. Men metoden är kompatibel med jordbruk utan jord och har den extra fördelen att den orsakar mindre lukt.

Innan hon kan rekommendera alla bönder att gå över till att injicera gödsel, Gall har för avsikt att forska mer. I en uppföljningsstudie som nu planeras, hon vill vara säker på att hålla östrogener borta från ytavrinning inte leder till att föroreningarna läcker ut i grundvattnet.

"Det kan potentiellt finnas vissa avvägningar med grundvattenkvaliteten, så genom att göra den ytliga diskinjektionen kan du främja mer närings- och östrogenförlust till grundvattnet, kanske orsakar lokal oro för människor som drar sitt vatten från brunnar, sa Gall.

"Dock, åtminstone ur ett ytavrinningsperspektiv, resultaten tyder på att injektion av ytlig skiva kan vara ett gångbart alternativ för att minska transporten av både näringsämnen och östrogen till ytvattenförekomster, såsom Susquehanna River och Chesapeake Bay."