Analysis of biomixtures to determine the fate of pesticides

Abstract

Worldwide, water contamination from agricultural use of pesticides has received increasing attention within the last decades. In general, sources of pesticide water pollution are categorized into diffuse (indirect) and point sources (direct). To reduce point pollution from farm yards, where the spray equipment is washed, biobed or biofilter systems are conventionally used to treat the washing water. The organic material usually used in these systems is often not environmentally sustainable (e.g. peat) and incorporated organic material such as straw leads to a highly heterogeneous water flow, with negative effects on the retention and degradation behavior of the pesticides. Therefore, the objective of this present study was to substitute the classical materials (peat and straw) with bioenergy residues namely biochar and digestate to investigate their effects on fate of pesticides in soil at different mixing ratios.<br /> Prior to study the pesticides fate, the microbial respiration was measured over 3 months to gain information about the turnover rate of the organic biomixtures, which can be used as an indirect indicator of the soils/biomixture degradation potential for pesticides and provides information about the long-term stability of the material. Mixtures of biochar and digestate showed an intermediate CO₂ flux compared to the single addition of biochar or digestate, whereby the oxygen consumption in presence of biochar was generally significantly lower compared to the consumption after addition of digestate only. Additionally, to correlate the microbial respiration with the dissipation (or degradation) potential of pesticides a laboratory incubation study was performed over 135 days with three contrasting pesticides (bentazone, boscalid, and pyrimethanil). In general, biochar based mixtures resulted in stronger binding of all studied pesticides, and therefore, ensued higher dissipation. On the other hand, 5 % and 30 % digestate based mixtures enhanced mineralization and addition of 5 % biochar to these mixtures showed a desired balance between stronger sequestration and mineralization for all pesticides. A sorption-desorption study revealed that biochar and digestate based mixtures caused stronger sorption for all compounds compared to bare soil. K_d and K_oc values of the pesticides were different according to their physico-chemical properties and quality (nature) of organic matter. Desorption was hysteretic for all pesticides.<br /> Overall, this thesis elucidated and updated the knowledge of the mechanisms for C-turnover rates of novel biomixtures for biopurification (or biobed) systems along with the long term behavior of three different pesticides and their interaction with these biomixtures. However, future work is required to qualify these mixtures for long-term (>3 yrs) outdoor biofilter constructions under varying hydraulic and chemical conditions.

<strong>Umsatz und Verbleib von Pestiziden in Biofilteranlagen<br /></strong>Während der letzten Jahrzehnte wurde der Gewässerverunreinigung durch Anwendung von Pestiziden in der Landwirtschaft zunehmend Beachtung geschenkt. Als Eintragspfade in Gewässer und Grundwasser kann generell zwischen diffusen (indirekten) und punktförmigen (direkten) Einträgen unterschieden werden. Um direkte Verunreinigungen von landwirtschaftlichen Betrieben durch Reinigung von Spritzen und Zubehör auf dem Betriebsgelände zu vermeiden, werden in einigen Regionen „Biobeds“ oder Biofilteranlagen zur Behandlung des Waschwassers betrieben. Das konventionell in diesen Systemen verwendete organische Material ist unter Umweltgesichtspunkten oftmals nicht nachhaltig (wie im Falle von Torf) oder es führt zu heterogenen hydraulischen Flüssen, was sich negative auf den Rückhalt und den Abbau von Pestizide auswirken kann.Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die üblichen Materialien, Torf und Stroh, durch organische Reste aus der Gewinnung von Bioenergie, wie Gär- und Pyrolyserückstände, zu ersetzen und unterschiedliche Mischungsverhältnisse auf den Verbleib von Pestiziden zu untersuchen.<br /> In einem ersten Schritt wurde die mikrobielle Respiration über drei Monate bestimmt, um Kenntnisse über die Umsatzrate der Boden/Organik-Mischungen zu erhalten. Diesekann als erster Hinweis auf das Abbaupotential der unterschiedlichen Mischungen auf Pestizide genutzt werden und Informationen über die Langzeitstabilität der Materiale liefern. Mischungen aus Boden mit Gär- und Pyrolyserückständen ergaben eine mittlere CO₂-Freisetzungsrate verglichen mit Mischungen aus Boden und den jeweils einzelnen Komponenten. Die Respiration in Bodenmischungen mit Gärrückständen lag generell niedriger, wenn zusätzlich Pyrolyserückstände eingearbeitet wurden.Desweiteren wurde in einer Laborstudie über eine Inkubationszeit von 135 Tagen mit drei unterschiedlichen Pestiziden (Bentazon, Boscalid und Pyrimethanil) die Korrelation zwischen mikrobieller Respiration und dem Abbaupotential der Mischungen für Pestizide untersucht.Mischungen, welche Pyrolyserückstände enthielten erhöhten generell die Festlegung der untersuchten Pestizide bei einer entsprechend schlechteren Extrahierbarkeit. Andererseits wurde die Mineralisierung der Pestizide durch Einmischung von 5% und 30% Gärrückständen in Boden erhöht und mit zusätzlich 5% Pyrolyserückständen wurde eine gewünschte Balance zwischen verstärkter Festlegung und Mineralisierung der Pestizide erreicht.Sorptions-Desorptionsversuche ergaben für alle Gemische stärkere Sorptionseigenschaften im Vergleich zu reinem Boden. Die K_d- und K_oc-Werte der Pestizide waren entsprechend ihrer physiko-chemischen Eigenschaften und der Art des beigemischten organischen Materials unterschiedlich. Die Desorption aller Pestizide verhielt sich hysteretisch zur Sorption.<br /> Diese Arbeit erweitert und ergänzt das derzeitige Wissen bezüglich des Mechanismus` des Kohlenstoffumsatzes in den neuartigen Bodenmischungen für Biofilteranlagen und das Langzeitverhalten dreier unterschiedlicher Pestizide und ihrer Wechselwirkungen mit diesen Bodenmischungen. Dennoch bedarf es weiterer Forschung zur Bestätigung der Eignung dieser Bodenmischungen in technischen Biofilteranlagen über noch längere Zeiträume (> 3 Jahre) unter Freilandbedingungen und unter wechselnden hydraulischen Bedingungen und Wirkstoffbelastungen.