ITEM METADATA RECORD
Title: Influence of dissolved organic matter on biodegradation of pesticides in soils
Other Titles: Rol van opgeloste organische stof op de biodegradatie van pesticiden in de bodem
Authors: Cheyns, Karlien
Issue Date: 1-Apr-2010
Abstract: De toepassing van pesticiden in de landbouw maakt het mogelijk om te vol doen aan de voedselvraag van de hedendaagse snelgroeiende bevolking. Het intensieve gebruik van deze pesticiden veroorzaakt echter contaminaties van oppervlakte- en grondwater. Wanneer pesticiden toegepast worden op de bodem wordt de verspreiding ervan in het milieu beïnvloed door fysisc he, chemische en biologische processen. Het is belangrijk deze processen te doorgronden zodat het risico van milieucontaminatie ingeschat kan wo rden. Deze thesis focust op de uitspoeling van pesticiden doorheen de va dose zone van de bodem naar het grondwater en het effect van opgeloste o rganische stof (DOM) op deze uitspoeling. DOM wordt in de natuur gevormd door mobilisatie van bodemorganische stof, door afbraak van wortels en plantenresten of direct door de bodembiomassa en wortelexudaten. DOM kan zowel de sorptie als de biodegradatie van pesticiden in de bodem beïnvl oeden. In deze studie werd de invloed van DOM op de biodegradatie van he t herbicide atrazine (AT) geanalyseerd. Biodegradatie van AT is een bela ngrijk proces dat de uitloging naar het grondwater kan voorkomen, zeker wanneer pesticiden weinig gesorbeerd worden, bv. in bodems met een laag gehalte aan organische stof. Onderzoek over de effecten van DOM op pesticide-degradatie vertoont tege nstrijdige resultaten. De hypothese voor deze studie was dat DOM de biod egradatie van AT kan beïnvloeden maar dat de effecten afhankelijk zijn v an de concentratie en de eigenschappen van deze DOM. Ook de schaal (bv. labostellingen tov. veldproeven) van het onderzoek speelt een grote rol. In deze thesis werd het effect van gemakkelijk afbreekbare en complexe DOM oplossingen op de Atbiodegradatie nagegaan. Dit werd geanalyseerd op verschillende niveaus, namelijk in batch-experimenten met zuivere stamm en, in batch-experimenten met een globale bodemmicrobiële gemeenschap, i n bodemkolom-experimenten en in een veld experiment. De degradatie van AT door Chelatobacter heintzii LR3-3 in oplossing werd geanalyseerd in de aanwezigheid van verschillende DOM-substraten in bat ch-experimenten. De DOM-substraten varieerden van gemakkelijk afbreekbar e modelcomponenten tot complexe, natuurlijke, ongedefinieerde substraten . De verschillende gemakkelijk afbreekbare DOM-oplossingen beïnvloedden de degradatie van AT door Chelatobacter heintzii op een verschillende ma nier. Het toevoegen van glucose stimuleerde de degradatiesnelheid van AT reeds bij lage concentratie aan opgeloste organische koolstof (DOC) (2. 5 mg C L-1) met een factor 10 en tot een factor 20 bij hoge DOC-concentr aties (10-1000 mg C L-1). Deze versnelde AT-degradatie werd slechts geob serveerd bij een gluconaat concentratie van 1000 mg C L-1. Het toevoegen van citraat had een negatief effect op de Atdegradatiesnelheid bij een hoge DOC-concentratie (1000 mg C L-1). De tijd die nodig was om AT volle dig af te breken was 1.4 to 1.9 keer korter bij DOM-oplossingen die geëx traheerd werden uit een bodem waar stro onder gemengd was en bij 2 oplos singen van humuszuren (10 mg C L-1). Dit was echter niet het geval voor een oplossing met fulvuszuren, uitlogingswater afkomstig van een landbou wveld en extracten van een bos- en veenbodem bij eenzelfde DOC-concentra tie. De versnelde AT-degradatie in de aanwezigheid van glucose werd toeg ewezen aan een versnelde groei van de cultuur. Dit werd bevestigd door d e optische densiteit van de cultuur op te volgen in de tijd. Deze result aten bewijzen dat de eigenschappen van de DOM-oplossingen de relatieve e ffecten van DOM op AT-degradatie beïnvloeden. De resultaten met een bepa alde DOM-oplossing waren immers niet te veralgemenen voor andere DOM-opl ossingen bij eenzelfde DOC-concentratie. De invloed van DOM op AT-degradatie werd vervolgens nagegaan in batch-ex perimenten met bodemsuspensies. Verschillende DOM-oplossingen (een gluco se-oplossing, een oplossing van fulvuszuren en gefiltreerd varkensdrijfm est) werden geïnoculeerd met bodemstalen. Van deze bodem was gekend dat er een AT-mineraliserende microbiële populatie aanwezig was. 14C-mineral isatieexperimenten werden uitgevoerd met deze DOM-oplossingen aan concen traties van ongeveer 10 en 40 mg C L-1. De mineralisatiecurven vertoonde n een exponentieel verloop, wat erop wees dat de AT als C- of N-bron geb ruikt werd voor de groei van de AT-afbrekende populatie. De AT-mineralis atie door de microbiële gemeenschap in de bodem werd niet beïnvloed in d e aanwezigheid van DOM-oplossing van 10 mg C L-1, uitgezonderd van de dr ijfmestbehandeling waar de AT mineralisatie gestimuleerd werd. AT-minera lisatie in de DOM-oplossingen van 40 mg C L-1 werd gestimuleerd (met een factor 1.3 tot 1.7) met uitzondering van de varkensdrijfmest. Ook het e ffect op AT mineralisatie in de aanwezigheid van uitlogingsoplossingen v an een landbouwveld werd geanalyseerd. Uitlogingsoplossingen afkomstig v an staalname onder niet-geïrrigeerde proefvelden (5-10 mg C L-1) beïnvlo edde de AT-mineralisatie niet, maar uitlogingsoplossingen afkomstig van staalnames onder proefvelden geïrrigeerd met afvalwater (25 mg C L-1) in hibeerde de ATmineralisatiecapaciteit. Deze resultaten bevestigen het be lang van de samenstelling van de DOM oplossing wanneer het effect van DO M op AT-degradatie voorspeld wordt. Bovendien waren de effecten van gluc ose op de AT-mineralisatie die eerder waargenomen werden in testen met e en zuivere stam maar beperkt in deze batchexperimenten met bodemsuspensi es met een diverse microbiële gemeenschap, zelfs bij hoge glucose concen traties. Om het interpreteren van de effecten van DOM op AT-transport mogelijk te maken op een relevante schaal (veldsituatie) is er een modelbenadering nodig. Verschillende pesticidentransport modellen bestaan reeds en maken meestal gebruik van eerste-orde pesticide degradatiekinetiek wanneer he t reactieve transport van pesticiden in de bodem wordt beschreven. Deze benadering kan echter de lag-periode die vaak geobserveerd wordt in mine ralisatie-experimenten niet beschrijven. Alexander (1999) verklaarde dez e lag periode mogelijk als een periode waarin een initieel kleine pestic ide-degraderende microbiële populatie aangroeit tot een populatiegrootte waarbij pesticide degradatie wordt waargenomen. Het pesticidedegradatie potentieel kan bijgevolg gedefinieerd worden als het aantal pesticide-de graderende organismen, wat invers gerelateerd is met de lag-tijd voor de gradatie. In deze studie werd nagegaan of deze degradatiekinetiek ook ge observeerd werd voor AT-transport in bodemkolommetjes. Tevens werd er ee n model voorgesteld om de geobserveerde metingen te beschrijven. Kolomme tjes werden beregend met AT in twee toedieningen van 30 dagen. Tussen de ze stappen werden de kolommetjes beregend met een oplossing met een same nstelling van regenwater voor 161 dagen. Tijdens de eerste AT toediening steeg, na doorbraak van AT in het effluent, de AT-concentratie tot de i nfluent concentratie, waarna deze snel daalde. Dit duidde op een lag-per iode voor degradatie. Hetzelfde patroon werd geobserveerd bij de tweede AT toediening, maar de piek concentratie en het percentage AT dat uitgel oogd werd, was lager. Een Monod-model met afbraak van biomassa werd succ esvol gekalibreerd aan de hand van de geobserveerde data. Dit model werd vervolgens succesvol geëvalueerd voor batchdegradatie data en voor kolo mmetjes die aan een lagere snelheid uitgeloogd werden. Deze resultaten b evestigden de hypothese dat eerste-orde degradatiemodellen het risico op pesticideuitspoeling kunnen onderschatten wanneer de pesticide degrader ende gemeenschap initieel te beperkt is. In een volgende fase werd het effect van het toevoegen van DOM oplossing en op het reactieve transport van AT door deze bodemkolommetjes geanalys eerd. De kolommetjes werden beregend met een koolstof-vrije oplossing, e en glucose-oplossing (10-50 mg C L-1) en een uitlogingsoplossing afkomst ig van een landbouwbodem (10 mg C L-1). Meer bepaald werd het effect van deze DOM-oplossingen op de AT-degradatie en het overleven van de AT-afb rekende populatie in afwezigheid van AT nagegaan. De doorbraakcurven ver toonden geen verschillen voor de verschillende behandelingen. Ondanks he t feit dat glucose (tot 50 mg C L-1) de AT-degradatie door Chelatobacter heintzii of door een totale microbiële populatie in de bodem stimuleerd e, werd dit niet waargenomen in de bodemkolommetjes. Verder werden ook g een effecten van glucose waargenomen op het afsterven van de AT-afbreken de biomassa. We besluiten hieruit dat de DOM oplossingen geen effecten v eroorzaken op de AT-degradatie bij veld-relevante DOC concentraties. In een laatste fase werd de verandering van het AT-mineralisatiepotentie el in bodemstalen van veldplotjes (met of zonder mest-toediening) op twe e dieptes (0-10 cm en 35-45 cm) nagegaan. Voor de start van het experime nt was het veld voor meer dan 10 jaar niet behandeld met AT, tijdens het experiment werden de proefvelden jaarlijks bespoten met AT. Op verschil lende tijdstippen na deze toedieningen werden bodemstalen bemonsterd om de AT-mineralisatiecapaciteit te bepalen. De AT-mineralisatie in de onbe handelde bodemstalen begon na een lag-tijd van rond de 13 dagen. Deze la g-tijd was < 0.1 dag na AT-toediening op het veld en steeg tot 3 tot 12 dagen naarmate bodems later na AT applicatie werden bemonsterd. De lag-t ijd steeg significant (p < 0.001) met de tijd na AT-toediening voor alle oppervlakte stalen gedurende het 3 jaar durende veld experiment. Deze e ffecten kunnen verklaard worden door de groei- en afbraakdynamiek van de AT-degraderende gemeenschap in de bodem; de grootte van deze AT-degrade rende gemeenschap blijkt dus afhankelijk van de AT toedieningen. Deze hy pothese werd gedeeltelijk bevestigd door de kwantificatie van het atzA g en. Volgens een ANOVA analyse waren er geen effecten van de drijfmestbeh andeling op de lag-tijd in beide bodemlagen, noch op de mineralisatie sn elheid in de toplaag maar was er wel een significant (p = 0.04) positief effect op de mineralisatiesnelheid in de diepe bodemlaag. De versnelde degradatie in de bodemstalen afkomstig van de diepe bodemlaag onder de d rijfmestbehandeling kon veroorzaakt worden door een stijging van beschik bare nutriënten. De AT-concentratie in de uitlogingsoplossingen op 40 cm diepte varieerde van < 0.01 tot 2.49 g L-1 en werd niet beïnvloed door de drijfmestbehandeling of de DOM. De resultaten benadrukken het belang van de voorgeschiedenis van AT-toediening op een veld voor het AT-minera lisatiepotentieel. Het feit dat de AT degraderende gemeenschap lange tij d overleeft in afwezigheid van AT zorgt ervoor dat deze snel aangroeien eenmaal AT opnieuw wordt toegepast op het veld. Effecten van de drijfmes tbehandeling waren echter minimaal vergeleken met de effecten van AT-toe diening. Deze thesis benadrukt het belang van onderzoek naar het effect vanDOM op pesticide-degradatie op een relevante schaal. Effecten van DOM op AT-de gradatie die waargenomen werden in experimenten met zuivere stammen, wer den niet of in mindere mate waargenomen in experimenten met een bodemsus pensie in batch of in kolomexperimenten. Op een relevante schaal beïnvlo edt DOM waarschijnlijk de AT degradatie niet. Bovendien wijst deze studi e erop dat het belangrijk is rekening te houden met de dynamiek van de p esticidedegraderende gemeenschap wanneer het risico op pesticideuitspoel ing ingeschat wordt.
Table of Contents: Dankwoord i
Summary iii
Samenvatting vii
List of symbols and abbreviations xi
Contents xv
1 Introduction 1
1.1 Pesticides, agriculture and the environment . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Fate of pesticides in the environment . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Biodegradation kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Atrazine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Atrazine and its characteristics . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Atrazine degradation pathway . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.3 AT degradation in the environment . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Dissolved organic matter and its effect on organic pollutant degradation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.1 Influence of land use and management practices on DOM
in soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.2 Biodegradability of DOM . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.3 Effect of dissolved organic matter on transport of pesticides
in soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.4 Effect of dissolved organic matter on biodegradation of
organic pollutants in soils . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 Hypotheses and general objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Effect of Dissolved Organic Carbon on atrazine degradation by
Chelatobacter heintzii LR3-3 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Bacteria and culture conditions used . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Batch degradation assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Growth experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Analytical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 Influence of easily degradable DOM on degradation of AT
by Chelatobacter heintzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 Influence of complex and environmental DOM solutions
on degradation of AT by Chelatobacter heintzii . . . . . . 33
2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 Effect of Dissolved Organic Matter on kinetics of atrazine mineralisation
by a subsoil microbial community 41
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 Soil samples used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Media and DOM solutions used . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3 14C-AT mineralisation assays . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.4 Interactions between AT and the soil . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 Analytical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 Monod-kinetics rather than a first-order degradation model explains
atrazine fate in soil columns: implications for pesticide fate modelling 53
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Materials en Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.1 Soil column setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 Batch degradation experiments . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.3 Analytical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.4 Degradation and reactive transport model development . . 57
4.2.5 Sensitivity analysis: Morris’ One-At-a-Time design . . . . 59
4.2.6 Shuffed Complex Evolution Metropolis (SCEM) algorithm 59
4.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 Bromide break through curve . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2 Transport of atrazine in the column experiment . . . . . . 61
4.3.3 Sensitivity analysis: Morris’ One-At-a-Time design . . . 63
4.3.4 Shuffed Complex Evolution Metropolis (SCEM) algorithm 64
4.3.5 Model evaluation: batch degradation experiments . . . . . 64
4.3.6 Model evaluation: Mini-columns at lower flow rate . . . . 67
4.3.7 Population dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5 Effect of Dissolved Organic Matter on reactive transport of atrazine
in unsaturated soil column systems 71
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.2 Batch AT degradation assays . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.3 Analytical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.4 Degradation and reactive transport model . . . . . . . . . 76
5.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.1 Bromide break through curves . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.2 First mini-column experiment: irrigation with different
DOM solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.3 Second mini-column experiment: effect of different DOC
concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6 The dynamics of the atrazine mineralisation potential in an agricultural
field at varying atrazine and pig manure application 87
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.1 Experimental site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.2 Soil sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.3 Soil leachates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.4 DNA extraction from soil and real-time qPCR . . . . . . . 91
6.2.5 14C-AT mineralisation assays . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.6 Statistical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3.1 Effect of AT and pig manure application on the AT mineralisation
potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3.2 Soil leachates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.3.3 atzA gene detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 General conclusions and future outlook 105
Bibliography 113
List of publications 121
ISBN: 978-90-8826-130-5
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Division Soil and Water Management

Files in This Item:
File Status SizeFormat
thesisKarlienCheyns_digi.pdf Published 1716KbAdobe PDFView/Open Request a copy

These files are only available to some KU Leuven Association staff members

 




All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.