Overtollige stikstof is wereldwijd een grote bedreiging voor de waterkwaliteit in kustwateren. Gevonden in gezuiverd afvalwater, landbouw- en gazonmeststoffen en verbrandingsgassen, het voedt algenbloei die ondergedompelde grassen verduisteren en zuurstof uit het water zuigen wanneer ze afsterven en vergaan.

Een nieuwe studie door onderzoekers van William &Mary's Virginia Institute of Marine Science levert aanvullend bewijs dat afvalwater van een pluimveeverwerkingsfabriek een bijzonder significante invloed heeft op de waterkwaliteit en de nutriëntenkringloop. Het bevat namelijk niet alleen veel stikstof, maar antibiotica en bijproducten van het proces dat de planten gebruiken om hun afvalwater te behandelen. Men denkt dat deze bijproducten de groei en activiteit van microben remmen die anders zouden helpen stikstof uit getijdenkreken te verwijderen voordat het kustsystemen kan binnendringen.

De onderzoekers, VIMS Ph.D. student Miguel Semedo en professor Bongkeun Song, zeggen dat hun studie de eerste is die de effecten van de pluimvee-industrie op de waterkwaliteit en de nutriëntenkringloop evalueert met behulp van genetische, microbiële en teledetectietechnieken. De resultaten van hun werk verschijnen in het januarinummer van Milieuwetenschap en -technologie . De studie werd ondersteund door het Fulbright-programma en Semedo's graduate fellowship van Virginia Sea Grant.

Microben en denitrificatie

Microben verwijderen stikstof uit aquatische ecosystemen via een proces dat denitrificatie wordt genoemd. "Microben voeren een aantal ecosysteemfuncties uit, " zegt Semedo, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Interdisciplinair Centrum voor Marien en Milieuonderzoek (CIIMAR) van de Universiteit van Porto in Matosinhos, Portugal. "Denitrificatie is een van de meest vitale, omdat het de potentie heeft om overtollige stikstof uit het systeem te verwijderen."

Denitrificerende microben hebben unieke genen die het denitrificatieproces regelen, een reeks stappen die nitraat en nitriet - anorganische vormen van stikstof in afvalwater - omzetten in gasvormige vormen zoals stikstofmonoxide, lachgas en distikstof. Deze laatste verbindingen zijn voor de meeste organismen onbruikbaar en dragen dus weinig of niets bij aan overbemesting van kustwateren.

Veldstudies

Semedo en Song voerden het onderzoek uit in twee getijdenkreken aan de oostkust van Virginia - een met een pluimveeverwerkingsfabriek in de bovenloop en een zonder. De kreken monden uit in de kustlagunes die tussen het vasteland van het Delmarva-schiereiland en de barrière-eilanden voor de kust liggen.

Het paar mat stikstofniveaus in de bovenloop, midden, en monding van elke kreek vier keer tussen november 2016 en september 2017. Ze verzamelden ook sedimentmonsters voor laboratoriumanalyse bij VIMS, omdat denitrificerende microben over het algemeen in modder op de bodem van de kreek leven. In het labortorium, ze identificeerden de aanwezige soorten microben, opgemerkt die de genen bevatten waarvan bekend is dat ze denitrificatie beheersen en microben uit de niet-verontreinigde "controle" -kreek onderwierpen aan water uit de kreek die werd beïnvloed door het afvalwater van pluimveeplanten.

Hun veldresultaten toonden duidelijk bewijs dat het stikstofgehalte hoger was in de verontreinigde kreek.

"De nitraatniveaus in de bodemwateren van de getroffen kreek waren in de meeste seizoenen significant hoger dan die in de referentiekreek in alle stations, " zegt Lied.

"Gemiddeld, " voegt Semedo toe, "nitraatniveaus in de getroffen kreek waren 34 keer hoger bij het bovenloopstation, 47 keer hoger bij midstream, en 23 keer hoger in de buurt van de mond."

Terwijl de nitraatconcentraties in de getroffen kreek wel afnamen met toenemende afstand tot de lozingslocatie van de plant, de snelheid waarmee ze dat deden (33% verwijdering per kilometer) was veel lager dan in de referentiekreek (70% per km).

Incubatie-experimenten en genetische analyses

De laboratoriumresultaten van het paar ondersteunden de veldstudies, en hielp de oorzaken van de verminderde denitrificatie op te helderen.

"Toen we sedimenten uit de controlekreek 24 uur lang bebroedden met water uit de verontreinigde kreek, denitrificatie daalde met 93%, " zegt Semedo. "Het lijkt er dus op dat een combinatie van verhoogde stikstofniveaus en afvalwaterbijproducten de stikstofverwijdering in het water en sedimenten van de verontreinigde kreek remt."

De genetische studies van Semedo en Song onthulden dat de laagste hoeveelheid denitrificerende genen voorkwam in monsters van de getroffen kreek, het dichtst bij de lozing van het verwerkingsbedrijf. Dit patroon deed zich het hele jaar voor. De totale hoeveelheid bacteriën volgde dezelfde trend.

"Algemeen, " zegt Lied, "de overvloed aan denitrificatiegenen in de getroffen kreek volgde een duidelijke trend, met de laagste abundanties het dichtst bij de verwerkingsfabriek, en hogere abundanties bij het stroomafwaartse station, verder van de verwerkingsfabriek. Die trend zagen we niet in de controlekreek."

"Het bovenloopstation in de getroffen kreek onderscheidt zich duidelijk van het bovenloopstation in de controlekreek en alle andere monsters, " zegt Semedo, 'wat erop wijst dat er een heel duidelijke bacteriegemeenschap is in de buurt van de afvalwaterlozing van de verwerkingsfabriek. En van alle dominante klassen bacteriën die afwezig waren op de bovenloop van de getroffen kreek is bekend dat ze een of twee denitrificatiegenen dragen."

Verdere ondersteuning van satellietbeelden

Verdere ondersteuning voor hun bevindingen komt van verschillen in de overvloed aan chlorofyl-a in de wateren van nabijgelegen kustlagunes, zoals geschat door satellietbeelden. Dit fotosynthetische pigment is een indicator voor algengroei.

"De concentraties chlorofyl-a onder de monding van de getroffen kreek waren altijd hoger dan die onder de monding van de controlekreek, ", zegt Semedo. De gemiddelde concentraties van chlorofyl-a varieerden van 5,8 tot 16,1 microgram per liter in de lagune onder de getroffen kreek, vergeleken met 1,8-5,2 g/L voor de controlekreek.

Hoewel uitgevoerd op een enkel paar kreken die lagunes aan de kust voeden, De analyse van Semedo en Song heeft bredere implicaties voor de waterkwaliteit en het afvalwaterbeheer in de Chesapeake Bay, de Verenigde Staten en de wereld. Een pas afgestudeerde student in Song's lab is van plan om een ​​vervolgonderzoek uit te voeren om te onderzoeken hoe de uitbreiding van pluimvee-uitbreidingshuizen de waterkwaliteit in de getijdenkreken van de Eastern Shore kan beïnvloeden. In de provincie Accomack, waar de bestudeerde kreken zich bevinden, In 2014 waren er 254 vleeskuikenstallen in bedrijf, met 245 nieuwe huizen geautoriseerd sindsdien. Van deze, 218 zijn gebouwd vanaf februari 2019, en 11 daarvan waren in 2018 toegestaan.

Een voorlopige studie die in 2018 werd uitgevoerd door onderzoekers van het VIMS' Eastern Shore Laboratory in Wachapreague, vond geen effecten van regenwaterafvoer in stroomgebieden met recent gebouwde pluimveeteeltactiviteiten. Dat onderzoek loopt. Met nieuwe regelgeving die regenwatercontroles en zwerfvuilbeheer vereist, de nieuwere faciliteiten zullen naar verwachting minder impact hebben dan in het verleden.

Het Delmarva-schiereiland - met 56 getijdenkreken die afwateren in lagunes aan zee en de Chesapeake Bay - heeft de hoogste concentratie vleeskuikens per landbouwgebied in de VS. Het Amerikaanse Environmental Protection Agency schat dat van de 1. 186 pluimveeverwerkers in het hele land, 108 (9,1%) lozen gezuiverd afvalwater rechtstreeks in het oppervlaktewater van meren, rivieren en oceanen.