Gedrag van pesticiden in wetland buffer zones: reactief transport en invloed van seizoensgebonden veranderingen in het milieu.

Natte oeverzones worden voorgesteld als mitigerende maatregel om de diffuse verontreiniging van oppervlaktewater met pesticiden in landbouwgebied tegen te gaan. Biodegradatie kan hierin een belangrijke rol spelen, vooral in het geval van mobiele pesticiden, maar informatie hierover is schaars. De algemene doelstelling van dit proefschrift was om een beter inzicht te verwerven in het proces van biologische afbraak van pesticiden in natte oeverzones. De nadruk lag op de dynamiek van de biologische afbraak en de verantwoordelijke micro-organismen als gevolg van seizoensgebonden omgevingsveranderingen enerzijds en de betrokken reactief-transportmechanismen anderzijds. Isoproturon (IPU) en 2-methoxy-4-chloorfenoxyazijnzuur (MCPA) werden als relevante modelpesticiden gebruikt, voornamelijk vanwege hun geringe sorptie aan de bodem. Een natte oeverzone in Bernissem (België), die in 2009 werd gerestaureerd als een gecontroleerd overstromingsgebied, vormde een belangrijk studieobject.

In een eerste studie werd onderzocht hoe seizoensgebonden omgevingsveranderingen de mineralisatiekinetiek van pesticiden (IPU en MCPA) in overstroomde omstandigheden in natte oeverzones beïnvloeden. Microkosmen, die sediment van Bernissem bevatten, werden onderworpen aan kunstmatig opgewekte vries-dooi en droog-nat cycli, voordat ze werden verrijkt met 14C-gemerkte pesticiden. De daaropvolgende productie van 14CO2 werd gemeten. De mineralisatie van zowel IPU als MCPA verminderde significant na blootstelling aan in het bijzonder de vries-dooi cycli. Lagere mineralisatiesnelheden en langere lagtijden werden waargenomen in vergelijking met controlemicrokosmen die niet blootgesteld werden aan vries-dooi of droog-nat cycli. De gewijzigde mineralisatiekinetiek zou verklaard kunnen worden door een afname in de omvang van de pesticidedegraderende biomassa. Analyses van de pesticidemineraliserende biomassa op basis van een meest waarschijnlijke aantal (MPN) aanpak, toonden echter aan dat de aantallen van IPU/MCPA mineraliseerders hoger was in microkosmen die blootgesteld waren aan vries-dooi en droog-nat cycli, in vergelijking met de controlemicrocosmen en dat er dus geen correlatie was tussen de pesticidemineralisatiekinetiek en de celaantallen van pesticidemineraliseerders. Dit suggereerde dat de waargenomen effecten van seizoensgebonden omgevingsveranderingen verklaard moesten worden door andere mechanismen dan verval van pesticidemineraliseerders, zoals katabolische repressie. Daarnaast stelden we vast dat in een tweede reeks microkosmen, waarin de groei van pesticidemineraliserende bacteriën vooraf gestimuleerd was door toediening van IPU en MCPA, de blootstelling aan een vries-dooi of droog-nat cyclus de pesticidemineralisatiekinetiek slechts marginaal beïnvloedde.

Er is slechts weinig informatie beschikbaar over de ruimtelijke en tijdsgebonden variaties van het biologisch afbraakpotentieel van pesticiden in natte oeverzones, met inbegrip van variaties als gevolg van in situ seizoensgebonden omgevingsveranderingen, zoals vriezen en dooien. Daarom werd in een tweede studie onderzocht hoe het mineralisatiepotentieel van IPU en MCPA in het sediment van de gerestaureerde natte oeverzone in Bernissem varieerde gedurende een periode van twee jaar, waarin zich meerdere vriesperiodes voordeden. Daartoe werden op 30 locaties in de natte oeverzone herhaaldelijk sedimentstalen genomen om de mineralisatiekinetiek van IPU en MCPA ex situ te bepalen in een high throughput laboratoriumtest. Het potentieel voor mineralisatie van beide pesticiden was duidelijk in het sediment aanwezig, tot vier jaar na de restauratie. Het mineralisatiepotentieel varieerde ruimtelijk echter sterk en dit zelfs voor replicaatstalen die genomen waren op dezelfde locatie, wat kan worden gerelateerd aan het bestaan van hotspots van pesticidemineralisatiepotentieel in het sediment. De verschillen in pesticidemineralisatiepotentieel tussen de locaties in de natte oeverzone konden grotendeels worden verklaard door de variatie in fysisch-chemische eigenschappen van het sediment. Bovendien vertoonden locaties die een constant overstroomd werden consequent een lager pesticidemineralisatiepotentieel dan locaties die maar zelden overstroomd werden, wat erop wijst dat de redoxconditie van het sediment een belangrijke rol speelt. Het pesticidemineralisatiepotentieel verschilde ook tussen de tijdstippen van staalname, met grotere lagtijden voor stalen genomen in de winter, dus bij lagere temperaturen, en dit in het bijzonder in stalen van natte locaties. Het pesticidemineralisatiepotentieel werd duidelijk ook aangetast na (herhaaldelijk) vriezen en dooien, maar herstelde zich in het voorjaar. De resultaten geven aan dat er rekening moet worden gehouden met de ruimtelijke en tijdsgebonden variatie om de bijdrage van biodegradatie in natte oeverzones en hun doeltreffendheid als maatregel tegen diffuse verontreiniging van het oppervlaktewater door pesticiden te bepalen.

Wanneer pesticiden een natte oeverzone binnenkomen en pesticide-afbrekende microbiota aanwezig zijn aan lage densiteiten, zal mineralisatie worden voorafgegaan door een lagtijd, zoals waargenomen in onze microkosmestudies. Tijdens de lagtijd kan het pesticide diffunderen in de zuurstofloze sedimentlaag. Wij formuleerden de hypothese dat aerobe afbraak van het pesticide in de zuurstofrijke waterkolom en toplaag van het sediment en gelijktijdige groei van de verantwoordelijke microbiota vervolgens de concentratie van het pesticide aan het sedimentoppervlak zouden reduceren en zo desorptie en opwaartse diffusie van het pesticide zouden induceren. Dit mechanisme werd onderzocht en ondersteund met behulp van een experimentele opzet op basis van laboratoriumdiffusiecellen waarvan de waterkolom werd verrijkt met IPU en het sediment werd geënt met een gespecialiseerde IPU-afbrekende Sphingomonas sp. stam SH. De concentratie van IPU in de diffusiecellen werd opgevolgd met HPLC en de groei van Sphingomonas sp. stam SH werd vastgesteld door kwantificatie van katabole genen met behulp van real-time kwantitatieve PCR. Door middel van een eendimensionaal wiskundig model werd de interactie van neerwaartse en opwaartse diffusie en groeigekoppelde afbraak van het pesticide succesvol geïllustreerd. Hiervoor gebruikten we de dichtheid van de microbiële biomassa en groeisnelheden die we eerder bepaald hadden in suspensie in batch experimenten. Optimalisatie van het model toonde aan dat de oorspronkelijke grootte van de pesticide-afbrekende biomassa in het systeem en de groeisnelheid belangrijke parameters zijn die het proces van pesticideafbraak in natte oeverzones bepalen. De studie suggereert dat het sediment kan functioneren als opslag en buffer van een unieke koolstof- en energiebron, die daardoor langere tijd beschikbaar blijft voor pesticide-afbrekende biomassa ondanks onregelmatige input van pesticiden in een natte oeverzone. We helderden een mechanisme op, dat mogelijks kan voorkomen in natte oeverzones en dat van belang is om het gedrag en het lot van de mobiele pesticiden in natte ecosystemen beter te begrijpen.

Ons werk draagt bij tot een beter begrip van de microbiële afbraak van pesticiden in natte oeverzones. In het algemeen kunnen onze bevindingen samengevat worden door vier statements:

- Mineralisatie van pesticiden kan in overstroomde omstandigheden gerealiseerd worden.

- Het pesticidemineralisatiepotentieel varieert ruimtelijk in natte oeverzones, maar de essentiële verschillen in redoxconditie van het sediment tussen natte en droge locaties kunnen mogelijk verklaren waarom het mineralisatiepotentieel lager is in locaties die constant overstroomd worden in vergelijking met locaties die maar zelden overstroomd worden.

- Seizoensgebonden omgevingsveranderingen, in het bijzonder vriezen en dooien, verlagen de pesticidemineralisatiekinetiek, wat aanzienlijke gevolgen kan hebben voor de doeltreffendheid van een natte oeverzone.

- De “fate” van pesticiden in het sediment van een natte oeverzone wordt bepaald door de interactie tussen biotische (groeigekoppelde afbraak) en abiotische (diffusie en sorptie) processen.