Överskott av kväve är ett stort hot mot vattenkvaliteten i kustvatten över hela världen. Finns i renat avloppsvatten, jordbruks- och gräsmattagödsel och förbränningsavgaser, det driver upp blommor av alger som skuggar nedsänkta gräs och suger syre ur vattnet när de dör och förfaller.

En ny studie av forskare vid William &Marys Virginia Institute of Marine Science ger ytterligare bevis på att avloppsvatten från en fjäderfäbearbetningsanläggning har en särskilt betydande inverkan på vattenkvaliteten och näringscykeln. Det beror på att den inte bara innehåller mycket kväve, men antibiotika och biprodukter av processen som växterna använder för att rena sitt avloppsvatten. Dessa biprodukter antas hämma tillväxten och aktiviteten hos mikrober som annars skulle hjälpa till att avlägsna kväve från tidvattenbäckar innan det kan komma in i kustsystem.

Forskarna, VIMS Ph.D. studenten Miguel Semedo och professor Bongkeun Song, säger att deras studie är den första som utvärderar fjäderfäindustrins effekter på vattenkvaliteten och näringscykeln med hjälp av genetiska, mikrobiella och fjärranalyserande tekniker. Resultaten av deras arbete visas i januarinumret av Miljövetenskap och teknik . Studien fick stöd genom Fulbright -programmet och Semedos doktorandstipendium från Virginia Sea Grant.

Mikrober och denitrifikation

Mikrober avlägsnar kväve från vattenlevande ekosystem genom en process som kallas denitrifikation. "Mikrober utför ett antal ekosystemfunktioner, "säger Semedo, nu postdoktoral forskare vid University of Porto's Interdisciplinary Center of Marine and Environmental Research (CIIMAR) i Matosinhos, Portugal. "Denitrifikation är en av de mest vitala, eftersom det har potential att ta bort överskott av kväve från systemet. "

Denitrifierande mikrober har unika gener som styr denitrifikationsprocessen, en serie steg som omvandlar nitrat och nitrit - oorganiska former av kväve som finns i avloppsvatten - till gasform, såsom kväveoxid, lustgas och dinitrogen. De senare föreningarna är oanvändbara för de flesta organismer och bidrar därmed lite eller ingenting till överbefruktning av kustvatten.

Fält studier

Semedo och Song genomförde studien i två tidvattensbäckar på Virginia Eastern Shore - en med en fjäderfäbearbetningsanläggning i sitt huvud och en utan. Bäckarna rinner ut i kustlagunerna som ligger mellan fastlandet på Delmarvahalvön och dess barriäröar.

Paret mätte kvävehalter i vattnet, mitten, och mynningen av varje bäck vid fyra tillfällen mellan november 2016 och september 2017. De samlade också sedimentprover för laboratorieanalys vid VIMS, eftersom denitrifierande mikrober generellt lever i leror på bäckens botten. I labbet, de identifierade de arter av närvarande mikrober, noterade vilka innehöll de gener som är kända för att kontrollera denitrifikation och utsatte mikrober från den okontaminerade "kontroll" bäcken för vatten från bäcken som påverkades av fjäderfäväxtens avlopp.

Deras fältresultat visade tydliga bevis på att kvävehalterna var högre i den förorenade bäcken.

"Nitrathalterna i bottenvatten i den drabbade bäcken var betydligt högre än i referensfloden på alla stationer under de flesta säsonger, "säger Song.

"I genomsnitt, "tillägger Semedo, "nitrathalterna i den drabbade bäcken var 34 gånger högre vid utloppsstationen, 47 gånger högre i midstream, och 23 gånger högre nära munnen. "

Medan nitratkoncentrationerna i den påverkade bäcken minskade med ökande avstånd från anläggningens utsläppsplats, hastigheten med vilken de gjorde det (33% avlägsnande per kilometer) var mycket lägre än i referensbäcken (70% per km).

Inkubationsexperiment och genetiska analyser

Parets laboratorieresultat stödde fältstudierna, och hjälpte till att klargöra orsakerna till den minskade denitrifikationen.

"När vi inkuberade sediment från kontrollbäcken med vatten från den förorenade bäcken i 24 timmar, denitrifikationshastigheterna minskade med 93%, "säger Semedo." Det verkar således som att en kombination av förhöjda kvävehalter och biprodukter från avloppsvatten hämmar kväveborttagningen i vattnet och sedimenten i den förorenade bäcken. "

Semedo och Songs genetiska studier avslöjade att det lägsta överflödet av denitrifierande gener inträffade i prover från den drabbade bäcken, närmast utsläppet från bearbetningsanläggningen. Detta mönster inträffade under hela året. Det totala antalet bakterier följde samma trend.

"Övergripande, "säger Song, "överflödet av denitrifikationsgener i den drabbade bäcken följde en tydlig trend, med de lägsta mängderna närmast bearbetningsanläggningen, och högre mängder vid nedströmsstationen, längre från bearbetningsanläggningen. Vi såg inte den trenden i kontrollbäcken. "

"Vattenstationen i den drabbade bäcken skiljer sig tydligt från huvudvattenstationen i kontrollbäcken och alla andra prov, "säger Semedo, 'indikerar att det finns ett mycket distinkt bakteriesamhälle nära avloppsvattenutsläppet från bearbetningsanläggningen. Och alla dominerande bakterieklasser som var frånvarande från den berörda bäckens vattendrag är kända för att bära en eller två denitrifikationsgener. "

Ytterligare stöd från satellitbilder

Ytterligare stöd för deras resultat kommer från skillnader i överflöd av klorofyll-a i vattnen i närliggande kustlaguner, uppskattat med satellitbilder. Detta fotosyntetiska pigment är en indikator på algtillväxt.

"Koncentrationerna av klorofyll-a under mynningen av den drabbade bäcken var alltid högre än de under kontrollbäckens mynning, "säger Semedo. Genomsnittliga koncentrationer av klorofyll-a varierade från 5,8 till 16,1 mikrogram per liter i lagunen nedanför den drabbade bäcken, jämfört med 1,8-5,2 μg/L för kontrollbäcken.

Även om det utförs på ett par bäckar som matar laguner vid havet, Semedo och Songs analys har bredare konsekvenser för vattenkvaliteten och hanteringen av avloppsvatten i Chesapeake Bay, USA och världen. En ny doktorand i Songs lab planerar att genomföra en uppföljningsstudie för att undersöka hur expansion av fjäderfäodlingar kan påverka vattenkvaliteten i Eastern Shores tidvattensbäckar. I Accomack County, där de studerade bäckarna ligger, 254 slaktkycklinghus var i drift från 2014, med 245 nya hus godkända sedan dess. Av dessa, 218 har konstruerats från och med februari 2019, och 11 av dessa var tillåtna under 2018.

En preliminär studie genomförd 2018 av forskare vid VIMS 'Eastern Shore Laboratory i Wachapreague fann inga effekter från avrinning från dagvatten i vattendrag med nybyggda fjäderfäväxter. Den studien pågår. Med nya förordningar som kräver dagvattenkontroll och avfallshantering, de nyare anläggningarna beräknas ha mindre effekt än tidigare.

Delmarvahalvön - med 56 tidvattensbäckar som rinner ut i laguner vid havet och Chesapeake Bay - har den högsta koncentrationen av slaktkycklingar per jordbruksområde i USA. U.S. Environmental Protection Agency uppskattar att 1, 186 fjäderfäbearbetare över hela landet, 108 (9,1%) avloppsrenat avloppsvatten direkt i sjöarnas ytvatten, floder och hav.