統合フィールドLysimetryと間隙水土壌中の化学物質の移動性の評価のためのサンプリングと設立植生

要約

フィールドlysimetryと間隙水のサンプリングは、研究者が土壌や植生確立に適用される化学物質の運命を評価することを可能にする。このプロトコルの目的は、必要な計測機器を設置し、統合されたフィールドlysimetryと間隙水のサンプリング実験中に化学分析のためのサンプルを収集する方法を示すことです。

要約

潜在的に有害な化学物質は、日常的に廃棄物管理と食糧生産に対する高まる需要を満たすために、土地に適用されますが、これらの化学物質の運命は、多くの場合、十分に理解されていない。ここでは、土壌や植生確立に適用される化学物質の移動性を評価するための統合されたフィールドlysimetryと間隙水のサンプリング方法を示しています。ライシメーターは、金属やプラスチック製のオープンカラムは、baregroundや植生土壌に打ち込まれている。市販されており、土壌水分を浸透収集するために真空を使用して間隙水サンプラーは、ライシメーター内の所定の深さに設置されている。試験区への化学適用後の事前に決められたタイミングで、間隙水を採取して、ライシメーターは、土壌や植生を含む、発掘されている。ライシメータ土壌、植物、および間隙水、下向きの浸出率、土壌保持能力、および関心のある化学物質に対する植物取り込みの化学物質濃度を分析することによって定量化することができる。フィールドlysimetryと間隙水のサンプリングは、自然環境条件の下で、最小限の土壌撹乱を用いて行われているため、得られた結果は、実際のケースのシナリオを予測し、化学物質管理のための貴重な情報を提供する。化学物質は、ますます世界的に着陸するために適用されるように、記載された技術を適用化学物質がヒトの健康または環境に悪影響を及ぼすかどうかを決定するために利用されてもよい。

概要

潜在的に有毒な化学物質は、日常的な農薬、肥料、下水/バイオソリッド、産業廃棄物および一般廃棄物^、1,2などのソースから着陸するために適用される。これらの化学物質の運命-栄養素を含むことができる、要素、有機物、およびそれらに関連する代謝産物をトレースは-しばしばウェル^3と理解されていない。化学物質が適切に管理されていない場合、彼らは彼らへの転送や植物、地表水と地下水の蓄積を通じて、人間と環境の健康を脅かす可能性がある。 2050年に100億人に達する可能性が世界の人口と、そこに廃棄物管理と食糧生産の²に対する高まる需要があり、多くの化学物質の土地の適用は^3,4増加している。したがって、研究は土地の処分が必要な場合や、我々は作物の健康を向上させるために依存することが化学物質からの変換、移動性、積載制限、および全体的な環境リスクを定量化することが必要であると歩留まり。

多くの戦略が環境に適用化学物質からの脅威を評価するために使用されてきた。実験室ベースのモデル系の研究では、土壌中の化学物質の移動度を制御する基本的なメカニズムに関する情報を提供するために行われている。実験室での化学的運命を分析するとき、「環境」と入力の完全な操作を達成することができるが、これらはほとんどの実世界の環境条件^5,6一致しない。このように、フィールドの設定に検査結果を外挿すると、化学的脅威についての不正確な予測につながる可能性があります。対照的に、広い視野測定は、環境内の化学的挙動を定義するために使用されてきた。しかし、これらの測定値から環境運命についての結論は、多くの場合、印加化学物質の頻繁に低い使用率（ 例えば数グラムのA ^-1）だけでなく、E中の水文学と生物地球化学的プロセス間の複雑な相互作用が複雑で化学の分布を規制nvironment。

フィールドlysimetry含めLysimetryは、歴史的に体系的に土壌や植生確立に適用される化学物質の下方への移動性を評価するために、土壌や作物科学者によって使用されてきた。ライシメータは、関心のある土壌中に配置され、閉じ込められた領域に既知の量で適用される化学物質の運命を決定するために使用される金属製またはプラスチック製のデバイスである。ライシメーターから収集した土壌や植物試料は、経時的に化学物質の分布の変化を評価するために使用することができる。フィールドlysimetry自然環境条件下で行われるため、結果は、土壌·システムにアプリケーション化学由来の実ケースのシナリオを予測するために使用されてもよい。初期の研究ライシメータ蒸散、水分の流れ、および/または栄養素の移動を測定した。現代のライシメーター試験は、aforemeとともに、農薬や栄養素消費、農薬の動き、変動性、およびマスバランスを測定ntionedの測定^3。

従来の電界lysimetryの制限は、あまり注目を土壌を介して浸透水に溶解した化学濃度に着目しながら土壌断面内の化学移動度が大きく、固体位相測定値によって定義されることである - 地下水汚染の可能性に影響を与える可能性がある重要なコンポーネント土地応用化学物質から。ライシメーターの底からの浸出水を時々分析のために収集されていますが、一般的に、このアプローチの限界深度間隙水濃度の分解能とは、実験前に重要な土壌の掘削を必要とします。代わりに、土壌中の水の化学的濃度に関するデータを取得するために、間隙水サンプラーは、フィールドの設定に利用することができる。間隙水サンプラーは、ディスクリート、希望の深さから水を集め、最小限しか土壌システムを乱さ土壌にインストールされています。間隙水サンプラー吸引立方、ライシメーターを含む多くの名前で呼ばれているPのライシメーター、あるいは土壌溶液サンプラー、上記の伝統的なフィールドライシメーターとの区別を畳み込む。本論文では、混乱を軽減するために、用語「間隙水サンプラー」を使用します。

ここでは、植生、土壌やbaregroundシステムに適用化学物質の下方への浸出の可能性を評価するためのフィールドlysimetryと間隙水のサンプリングを組み合わせた実験的なアプローチを示しています。セラミック間隙水のサンプリングは1960年代初頭⁸から使用されているがLysimetryは、1700年代⁷以降に使用する強力なツールとなっている。土壌の乱れを最小限に抑えながら、これらのロバストな技術の統合は、固体及び溶解相の化学的濃度分布の両方のフィールド判定を可能にする。本論文では、サイト選択、デバイスのインストール、およびサンプル収集を含め、実験を設計する際に考慮すべき要因について説明します。アプローチはの運命を評価した実験で示されている有機ヒ素系農薬はbaregroundと確立された芝草システムに適用。記載されている技術は、それによって、研究者や土地応用化学物質の環境運命と行動を理解しようとする政策立案者に非常に貴重なツールを提供する、多種多様な化学物質の運命を調べるために、必要に応じて調整することができます。

プロトコル

フィールドサンプリングは、この実験で実施し、農業·消費者サービスのノースカロライナ州省の許可の下になっている。

1。フィールドライシメータインストール

1. 適用化学物質の横方向の動きがありそうされている実験サイトを選択してください（ つまり、。ほとんど、あるいは全くの傾きを持つサイト）。興味のある土壌や植生の特性に基づいてサイトを選択します。
2. プロットは植生している場合は、インストールします（ 図1A）をライシメーターの前植生プラグを引き抜きます。
3. 適用される化学物質が含まれており、横方向の化学的動きを最小限に抑えるために、土壌表面の上にライシメーターの約1〜2センチ残して、反転後のドライバを使用して（植生の有無にかかわらず）希望のプロットに下向きのライシメーターを駆動します。このため、使用は、ロールと18ゲージの鋼板（91 cm奥行きX直径15cm）（ 図1B）を溶接し。解像度に合わせて様々な材料や寸法のライシメーターを使用earch目的。
4. ライシメータインストール後の植生プラグを交換してください。
5. 実験に応じて任意の植生を管理します。プロットは、裸のままで植生の空き領域を維持するグリホサートのスポットアプリケーションを使用している場合。
6. 灌漑、施肥、およびその他の管理手法がbaregroundや植生プロットに同一であることを確認してください。研究目的を満たすために灌漑を事前。

2。間隙水サンプラーのインストール

1. 間隙水の浸透収集するライシメーターの中央に、例えばPTFE /クォーツ（50/50％）と間隙水サンプラーをインストールします。
2. ライシメーターの中央に2.5cmのステンレス鋼棒を配置し、希望のサンプラー深さに槌で地面に挿入します。
   NOTE：オーガもこの工程に使用することができる。
3. 灌漑水の700ミリリットル化学的に不活性なシリカ粉を〜900グラムのシリカ粉と水スラリーを準備します。スラリーthorougをミックス各サンプラーは、混合物中に配置されたhly前。ハンドヘルドまたはバッテリ駆動の真空ポンプからサンプラーに-50〜-70 kPaの間の圧力を適用します。
4. 10分後にシリカ粉末スラリーからサンプラーを取り外し、再度十分にシリカスラリーを混合する。穴の底部に直径2.5cm管に接続漏斗でスラリーの60ミリリットルを注ぐ。
5. プラスチックや金属パイプで所望のサンプリング深さで穴にサンプラーを置きます。サンプラーからのチューブが穴から伸びることを確認してください。残りの穴を埋め戻すために未処理、ネイティブの土壌と水のスラリーを使用してください。
6. 落ち着くまで土壌埋め戻し時間を許可する;必要に応じて追加された土を突き固めるために、パイプを使用しています。
7. 元のレベルに土を埋め戻す。適切な場合には、穴の上部に植生を交換してください。
8. フッ化エチレンプロピレン（FEP）チューブの部分を介して真空ボトルにサンプラーチューブを取り付けます。プラスチックチューブクランプで、うち二チューブラインを接続する真空ポンプ真空ボトル。
9. 目的の化学（S）が光分解（ 図1C）の傾向がある場合には黒いビニールやテープとチューブと収集ボトルをカバーしています。
10. 適切なサンプラーのインストールを確実にするために、実験前に数日間にわたって繰り返しサンプラーに真空瓶を経由して、約-50〜-70 kPaの真空圧力をかける。

ライシメーターに3。化学アプリケーション

1. 化学アプリケーションが行われる前に順化のために、少なくとも2週間かかり。
2. 関心対象の薬剤（単数または複数）の背景濃度を定量するライシメータ処理前の背景間隙水のサンプルを収集する。
3. このようなハンドヘルド型のCO ₂加圧式ブームスプレーヤー（ 図1D）またはライシメーターを含むプロットの表面に直接粒剤を配布するなど、一般的な方法によって土壌や植生に関心のある化学物質を適用する。複数の化学のアプリケーションが有効のために必要な場合、典型的な使用パターンやラベルの指示ごとに適用します。対照とするために未処理のいくつかのライシメーターを残す。

4。間隙水の収集と分析

1. 間隙水サンプラー真空瓶前日またはサンプリングの日に真空を約-50〜-70 kPaのを適用します。サンプラーを周囲の水は、サンプリングされるまで、それが収集され、真​​空ボトルに流れる、チューブにサンプラーを通って描画されます。間隙水が収集された土壌体積および水回収時間は、土壌の種類、土壌の性状、土壌水分含量及びサンプラの深さなどの要因に依存し得る。
2. 研究者が所定のように、化学的な適用後の指定された時間間隔でサンプルを収集します。
3. 各間隙水サンプラー用のメスシリンダーに集められた水の量を測定します。濾過が必要な場合には、ルアーロックにsyの水を置くringe（大きさは水の量に依存します）と、25ミリメートル0.2ミクロンのナイロンフィルターを通してサンプルを渡します。
4. 異なるサンプルの保存方法が必要とされる十分なサンプルが収集される場合、一意の容器に試料を分ける。
5. 非酸性化試料のpHを決定するために、ハンドヘルドpHメーターを使用してください。
6. サンプル保存のため必要に応じて適切な酸の十分な量を添加してpHを調整します。
   注：濃酸には腐食性であり得るか、またはそれらを使用するときの酸化剤と注意が必要です。
7. 氷の上に置いてサンプルクーラーや分析まで冷蔵庫に入れた。このような誘導結合プラズマ質量分析（ICP-MS）、誘導結合プラズマ発光分光分析（ICP-OES）、原子吸光分析（AAS）、または高速液体クロマトグラフィー（HPLC）のような化学的測定のための分析方法を使用しサンプルを分析する。

5。ライシメーター発掘、土壌/植生コレクションAND分析

1. 化学適用後の指定された時間間隔で、土壌や植生を含んだ、ライシメーターを掘り出す。土壌および植物内の背景化学濃度を決定するために、各サンプリング時点で未処理ライシメーターを掘り出す。
2. 実装トラクターに装着バレルクランプを利用ライシメーターを掘り出す。ライシメーターの露出縁の上に配置されるクランプが可能に位置にバケツを下ろします。
3. クランプは、土壌（ 図1E）からライシメータ列を引っ張って、露出縁を把握させる実装持ち上げます。
4. キャップは、ライシメーターの直径にカット断熱シートでライシメータ端を発掘。ガロンサイズのポリエチレンライシメータ終了上に挿入バッグ、ダクトテープとの安全な袋で所定の位置にキャップを保持する。
5. 土壌·植生サンプル部門のフィールド実験室にライシメーターを輸送する。汚染AMを防ぐために、最初の未処理ライシメーターを処理オングライシメーター。
6. 片側に縦にライシメーターをカットする金属切削ブレードを装備した往復を使用してください。より深い深さで土壌が浅い深度の土壌に汚染されないように（予想より高い濃度のゾーン）を下から上へ（予想される低濃度のゾーン）から列をカット。
7. ライシメーターを弾ける。離散土壌や植生のセクションを分離するために金属製の分割板を使用してください。ライシメーターや研究目的の長さに基づいて、土壌の深さの増分を選択してください。
8. 切断した土壌や植生を掘削するためにスプーンやヘラを使用してください。適切に標識されたポリエチレンのフリーザーバッグに各サンプルを置きます。ライシメーターと直接接触した土壌を収集することはありません。
9. 各所望のサンプル深度掘削のプロトコルに従ってください。氷で満たされたクーラーにサンプルバッグを置き、研究室に輸送。分析まで冷凍庫に保管したサンプル。

結果

化学物質の運命に関するデータの蓄積が^5,10を baregroundや植生、土壌システムに適用するためのこの方法は可能です。このアプローチは、砒素（As）を下方浸出、吸収、および有機ヒ素除草剤モノメチル砒酸^（MSMA）9を塗布した後バミューダグラス （Cynodon dactylon）システムのための植物への移行を評価するために使用した。 1960年代から、MSMA、非農耕地、芝草、及...

ディスカッション

統合されたフィールドlysimetryと間隙水のサンプリング手法を利用すると、研究者が土地を適用多種多様な化学物質の空間的および時間的分布を評価することができます。土壌や植生系における化学物質の運命は、このような下向きの浸出、揮発、加水分解、光分解、微生物の形質転換/分解、植物の摂取、土壌の種類、土壌のpH ^16,17などの環境プロセスおよび属性の数によって制御す?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Prenart Super Quartz Samplers (PFTE/Quartz)	Prenart Equipment ApS	N/A	Any samplers for  trace metal analysis can be used (e.g. SoilMoisture Equipment Corp.)
Prenart installation kit	Prenart Equipment ApS	N/A	Contains all items necessary to install porewater samplers
2 L collecting bottles	Prenart Equipment ApS		Bottles can also be purchased from Fisher Scientific (02-923-2) or other laboratory supply companies, but fittings will need to be adjusted. Bottles can be covered with dark material if light sensitive
Portable vacuum pump	Prenart Equipment ApS	N/A	Vacuporter from Decagon Devices or other field battery-operated or hand vacuum pump may be used
1 oz HDPE Nalgene bottles	Fisher Scientific	03-313-4A	Sample bottle type will depend on analyte of interest and may be glass
Concentrated nitric acid	Fisher Scientific	A509-P212	Oxidizing and corrosive-other acids may be needed for preservation and should be used with caution
25 mm 0.2 µm nylon syringe filters	VWR	28145-487	Other filter types and pore sizes may be used, dependent on the analyte of interest and analytical instrumentation
60 ml Luer-Lok syringes	Fisher Scientific	13-689-8	Other sizes may be used depending on sample volume collected
Portable pH meter	VWR	248481-A01	Other pH meters can be used following calibration
Graduated cylinder	any	N/A
Field lysimeters (metal, plastic, etc.)	N/A	N/A	Often these are constructed based on the researchers specifications
Inverted post driver tractor	N/A	N/A	Any tractor can be used to install the lysimeters
Handheld boom sprayer	N/A	N/A	To apply the rate needed for application
Polyethylene bags	Johnson & Johnson	N/A	Other brands may be used for soil storage
Reciprocating saw	Black & Decker	N/A	Any reciprocating saw can be used with a metal cutting attachment