Journal of Environmental Quality

Quản lý bền vững việc sử dụng phân bón và phân động vật P nhằm giảm thiểu hiện tượng thủy sinh do quá nhiều chất dinh dưỡng cần xác định các mức P trong đất mà vượt quá yêu cầu của cây trồng và có khả năng làm giàu P trong nước chảy tràn. Mặc dù một số bang đã thiết lập các mức P như vậy, nhưng còn thiếu dữ liệu để biện luận lý thuyết cho chúng. Do đó, nghiên cứu này xem xét mối quan hệ giữa nồng độ P trong nước chảy tràn và trong đất. Các mẫu bề mặt (0–10 cm) của 10 loại đất ở Oklahoma đã được đóng vào các hộp kích thước 0,15 m², ấp ủ trong 7 ngày với phân gia cầm (0–20 Mg ha⁻¹) để đạt được một phạm vi nội dung P Mehlich‐3 (7–360 mg kg⁻¹), và nhận được năm lần mưa kéo dài 30 phút được áp dụng cách nhau 1 ngày. Nồng độ P hòa tan, có khả năng sinh học và P dạng hạt trong nước chảy tràn có mối liên hệ (r² > 0.90; P < 0.1) với nội dung P Mehlich‐3 trong lớp đất bề mặt (0–1 cm), với độ dốc hồi quy dao động từ 2.0 đến 7.2, tăng lên khi khả năng hấp thụ P của đất tăng lên (r² = 0.93). Hai loại đất có 200 mg kg⁻¹ P Mehlich‐3 hỗ trợ nồng độ P hòa tan trong nước thoát ra là 280 μg L⁻¹ (đất San Saba; mịn, montmorillonitic, nhiệt Udic Pellustert) và 1360 μg L⁻¹ (đất Stigler; mịn, trộn, nhiệt Aquic Paleudalf). Như vậy, mối quan hệ giữa nước chảy tràn và P trong đất sẽ phải mang tính cụ thể cho từng loại đất để sử dụng trong các khuyến nghị quản lý. Một mối quan hệ tuyến tính duy nhất đã mô tả sự phụ thuộc của P hòa tan (r² = 0.86) và P có khả năng sinh học (r² = 0.85) vào sự bão hòa hấp thụ P của đất. Sự phức tạp thêm của phương pháp bão hòa P có thể hạn chế việc áp dụng của nó; tuy nhiên, phương pháp này tích hợp tác động của loại đất với nội dung P trong đất để ước lượng tốt hơn tiềm năng mất P trong nước chảy chứ không chỉ dựa vào P trong đất.

Bởi vì Cr giảm đã được coi là dạng ổn định trong đất, chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng Cr ba hóa trị thêm vào dễ dàng bị oxy hóa thành dạng sáu hóa trị trong các điều kiện phổ biến ở nhiều loại đất ruộng. Chìa khóa cho quá trình oxy hóa có vẻ như là sự hiện diện của Mn đã oxy hóa trong đất, đóng vai trò là chất nhận electron trong phản ứng. Khả năng tương đối của một loại đất trong việc oxy hóa Cr có thể được dự đoán bằng cách đo lượng Mn có thể khử được bằng hydroquinone, hoặc có thể được xác định trực tiếp qua một bài kiểm tra nhanh trong đó Cr(III) được thêm vào một mẫu đất ẩm mới.

Kháng sinh thường được bổ sung vào thức ăn gia súc như một chất thúc đẩy tăng trưởng của động vật thực phẩm. Tuy nhiên, sự hấp thụ kháng sinh trong đường ruột của động vật không hoàn toàn và do đó, một lượng lớn kháng sinh bị thải ra trong nước tiểu và phân, cuối cùng đi vào phân bón. Phân bón được sử dụng trên toàn thế giới không chỉ như một nguồn dinh dưỡng cho cây trồng mà còn là một nguồn chất hữu cơ để cải thiện chất lượng đất, đặc biệt trong nông nghiệp hữu cơ và bền vững. Các nghiên cứu trong nhà kính đã được tiến hành để xác định xem liệu thực vật trồng trong đất đã được bón phân có hấp thụ kháng sinh có trong phân hay không. Các loại cây thử nghiệm bao gồm ngô (Zea maysL.), hành xanh (Allium cepaL.), và bắp cải (Brassica oleraceaL. nhóm Capitata). Cả ba loại cây đều hấp thụ chlortetracycline nhưng không hấp thụ tylosin. Nồng độ chlortetracycline trong mô thực vật rất nhỏ (2–17 ng g⁻¹ trọng lượng tươi), nhưng nồng độ này tăng lên khi lượng kháng sinh có trong phân tăng. Nghiên cứu này nhấn mạnh những rủi ro tiềm ẩn đối với sức khỏe con người liên quan đến việc tiêu thụ rau tươi được trồng trong đất đã được bón phân chứa kháng sinh. Các rủi ro có thể cao hơn đối với những người bị dị ứng với kháng sinh và có khả năng gia tăng kháng thuốc kháng sinh do con người tiêu thụ những loại rau này.

Literature về sự hao hụt thuốc trừ sâu trong nước chảy từ các cánh đồng nông nghiệp đã được tổng hợp. Đối với hầu hết các loại thuốc trừ sâu thương mại, tổng sự hao hụt là 0,5% hoặc ít hơn so với lượng đã sử dụng, trừ khi xảy ra điều kiện mưa lớn trong vòng 1–2 tuần sau khi phun thuốc. Những ngoại lệ là các loại thuốc trừ sâu hữu cơ clo, có thể mất khoảng 1% bất kể kiểu thời tiết vì tính bền lâu của chúng; và các dạng thuốc diệt cỏ dạng bột ướt được áp dụng trên bề mặt đất, có thể mất tới 5%, tùy thuộc vào thời tiết và độ dốc, do dễ bị rửa trôi của bột.

Kháng sinh được sử dụng trong sản xuất chăn nuôi gia súc để điều trị bệnh và ở mức độ dưới trị liệu nhằm thúc đẩy tăng trưởng và cải thiện hiệu suất thức ăn. Ước tính khoảng 75% kháng sinh không được hấp thụ bởi động vật và bị thải ra ngoài qua chất thải. Việc chọn lọc kháng kháng sinh xảy ra giữa các vi sinh vật đường tiêu hóa, mà cũng được bài xuất trong phân và được lưu trữ trong hệ thống chứa chất thải. Việc áp dụng chất thải động vật trên đất là một phương pháp thải bỏ phổ biến được sử dụng ở Hoa Kỳ và cũng là một phương tiện đưa cả kháng sinh và các yếu tố di truyền kháng thuốc vào môi trường. Những lo ngại về việc chọn lọc gen kháng vi sinh vật và sự truyền bá của các gen kháng thuốc đã thúc đẩy sự quan tâm về nồng độ và hoạt tính sinh học của dư lượng thuốc và các sản phẩm phân hủy của chúng, cùng với số phận và vận chuyển của chúng. Vi khuẩn phân có thể sống sót từ vài tuần đến vài tháng trong môi trường, tùy thuộc vào loài và nhiệt độ, tuy nhiên, các yếu tố di truyền có thể tồn tại bất chấp sự sống còn của tế bào. Phân tích phả hệ chỉ ra rằng các gen kháng kháng sinh đã tiến hóa, mặc dù một số gen đã tồn tại trong vi khuẩn trước thời kỳ kháng sinh hiện đại. Cần có các phép đo định lượng về dư lượng thuốc và mức độ gen kháng, bên cạnh việc hiểu các cơ chế môi trường của chọn lọc di truyền, tiếp nhận gen, và động lực không gian - thời gian của các gen kháng này cùng với các khoang vi khuẩn của chúng. Bài báo tổng quan này thảo luận về việc tích lũy các phát hiện liên quan đến khía cạnh số phận, vận chuyển, và sự tồn tại của kháng sinh và gen kháng kháng sinh trong môi trường tự nhiên, với sự nhấn mạnh vào các cơ chế liên quan đến môi trường đất sau khi áp dụng các chất thải động vật.

Sự phú dưỡng gia tăng nhanh chóng của hầu hết các nguồn nước ngọt được hạn chế bởi việc cung cấp phospho (P). Các nguồn P không điểm từ nước chảy trong nông nghiệp hiện đang đóng góp một phần lớn hơn vào các nguồn nước ngọt, do việc xác định dễ dàng hơn và kiểm soát gần đây các nguồn điểm. Mặc dù quản lý P là một phần không thể thiếu trong các hệ thống nông nghiệp có lãi, việc tiếp tục cung cấp phân bón và P từ phân động vật vượt quá yêu cầu của cây trồng đã dẫn đến sự tích lũy các mức P trong đất, mà là mối quan tâm môi trường hơn là nông học, đặc biệt là ở các khu vực sản xuất cây trồng và chăn nuôi quy mô lớn. Vì vậy, các vấn đề chính đối với việc thiết lập các hệ thống quản lý P kinh tế và bền vững về môi trường gồm việc xác định các mức P trong đất có mối quan tâm môi trường; nhắm mục tiêu kiểm soát cụ thể cho các tiêu chí chất lượng nước khác nhau trong các lưu vực; và cân bằng các giá trị kinh tế với những giá trị môi trường. Trong việc phát triển các lựa chọn hiệu quả, chúng tôi đã kết hợp chuyên môn trong nông nghiệp và sinh thái nước ngọt để ưu tiên các thực hành quản lý lưu vực và các chiến lược khắc phục nhằm giảm thiểu ảnh hưởng từ nguồn không điểm của P nông nghiệp. Các lựa chọn bao gồm kiểm soát dòng chảy và xói mòn cùng với quản lý nguồn P, dựa trên các xem xét về tình trạng phú dưỡng hơn là nông học. Các phương pháp kiểm tra P trong đất hiện tại có thể sàng lọc đất trên đó sự sẵn có sinh học của P trong nước phải được ước tính. Các lựa chọn của chủ đất để sử dụng hiệu quả hơn P từ phân động vật bao gồm việc dựa vào tỷ lệ ứng dụng trên mức độ dễ bị tổn thương của đất đối với mất mát P trong nước chảy, phân tích phân động vật, và các chương trình khuyến khích di chuyển phân đến diện tích rộng hơn. Nhắm mục tiêu các khu vực nguồn có thể đạt được bằng cách sử dụng các chỉ số để xếp hạng khả năng dễ bị tổn thương của đất đối với mất mát P trong dòng chảy và độ nhạy của hồ đối với việc cung cấp P.

Phốt pho (P) là một nguyên tố thiết yếu cho tất cả các dạng sự sống. Nó là một chất dinh dưỡng khoáng. Orthophosphate là dạng P duy nhất mà các sinh vật tự dưỡng có thể đồng hóa. Các enzyme ngoại bào phân giải các dạng hữu cơ của P thành phosphate. Eutroph hóa là tình trạng làm giàu quá mức các nguồn nước tiếp nhận với các chất dinh dưỡng khoáng. Kết quả là sản xuất quá mức của các sinh vật tự dưỡng, đặc biệt là tảo và vi khuẩn lam. Mức độ sản xuất cao này dẫn đến sự gia tăng quần thể vi khuẩn và tỷ lệ hô hấp cao, gây ra tình trạng thiếu oxy hoặc vô khí trong các vùng nước đáy được trộn lẫn kém và vào ban đêm trong các nguồn nước mặt trong điều kiện thời tiết yên tĩnh, ấm áp. Nồng độ oxy hòa tan thấp gây ra sự mất mát động vật thủy sinh và giải phóng nhiều chất mà thường được gắn kết với các trầm tích đáy, bao gồm nhiều dạng P khác nhau. Việc giải phóng P này càng gia tăng quá trình eutroph hóa. Nồng độ P quá mức là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra eutroph hóa ở các hồ nước ngọt, hồ chứa, dòng suối và vùng đầu của các hệ thống cửa sông. Trong đại dương, N trở thành chất dinh dưỡng khoáng thiết yếu kiểm soát sản xuất sơ cấp. Các vùng cửa sông và nước trên kệ lục địa là khu vực chuyển tiếp, nơi mà P và N quá mức gây ra các vấn đề. Tốt nhất là đo lường và kiểm soát tổng lượng đầu vào P vào toàn bộ hệ sinh thái thủy sinh, nhưng để có một phép đo dễ dàng, tốt nhất là đo nồng độ tổng P, bao gồm P dạng hạt, trong các nguồn nước mặt hoặc tỷ lệ nguyên tử N/P trong fitoplankton.

The phosphorus (P) in agro‐industrial by‐products—a potential source of freshwater eutrophication but also a valuable fertilizer—needs to be speciated to evaluate its fate in the environment. We investigated to what extent X‐ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy at the P K‐ and L_2,3‐edges reflected differences in sequentially extracted filter cakes from sugarcane (Saccharum officinarum L.) (FIC) and niger seed (Guizotia abyssinica Cass.; NIC) processing industry in Ethiopia. The P fractionation removed more labile (54%) and H₂SO₄–P (28%) from FIC than from NIC (18% labile, 12% H₂SO₄–P). For the FIC residues after each extraction step, linear combination (LC) fitting of P K‐edge spectra provided evidence for the enrichment of Ca‐P after the NaOH‐extraction and its almost complete removal after the H₂SO₄–treatment. The LC‐fitting was unsuccessful for the NIC samples, likely because of the predominance of organic P compounds. The different proportions of Ca‐P compounds between FIC (large) and NIC (small) were more distinctive in L_2,3‐ than in the K‐edge XANES spectra. In conclusion, the added value of complementary P K‐ and L_2,3‐edge XANES was clearly demonstrated, and the P fractionation and speciation results together justify using FIC and NIC as soil amendments in the tropics.

The discharge of agricultural chemicals (i.e., soil‐fertilizer nutrients and pesticides) in runoff waters is important from both agronomic and environmental standpoints. Presented here is an overview of our current concepts and approaches employed for describing this discharge, based on studies we have conducted over the past decade. Most of our field testing and validation of concepts regarding chemical discharge has focused on approximately 24 grassland and cropland watersheds across the Southern Plains. Chemicals considered include N, P, K, S, atrazine [2‐chloro‐4(ethylamino)‐6‐(isopropylamino)‐s‐triazine], alachlor [2‐chloro‐2′,6′‐diethyl‐N‐(methoxymethyl) acetanilide], and cyanazine [2‐[[4‐chloro‐6‐(ethylamino)‐s‐triazine‐2‐yl]amino]‐2‐methylpropionitrile]. Soluble chemical discharge has been described by kinetic desorption and uniform or nonuniform mixing approaches, incorporating parameters reflecting watershed management and the nature of the surface soil × precipitation interaction. Particulate chemical discharge has been described by the relationship between the discharge enrichment ratio (chemical content of eroded sediment/source soil) and soil loss. Special situations considered include type of tillage, computed water and sediment runoff, severe storms, bioavailability of P, cover crops, and manure applications. For the most part, predicted chemical discharge values compared favorably with their measured counterparts, r² values often being >0.9. Further research needs include refinement and development of the prediction equations, data bases, runoff indices, and multidisciplinary systems.

The degradation rate of 2,4‐dichlorophenoxyacetic acid (2,4‐D) was studied in silica–slurry systems to evaluate the bioavailability of sorbed‐phase contaminant. After the silica particles were saturated with 2,4‐D, the system was inoculated with the 2,4‐D–degrading microorganism Flavorbacterium sp. strain FB4. The disappearance rate of 2,4‐D was found to be greater than the rate predicted based upon liquid‐phase 2,4‐D concentrations. A kinetic formulation, termed the enhanced bioavailability model, was developed to describe the desorption and biodegradation processes in this batch system. The approach assumes that 2,4‐D resides in both the liquid and solid phases and degradation occurs via both suspended and attached biomass. All biomass can degrade liquid‐phase 2,4‐D at one rate, while only attached biomass can degrade sorbed 2,4‐D at another rate. An enhanced transformation factor (E_f) was introduced to express the increased biodegradation rate over that expected from the liquid phase only. This approach was able to account for the increased degradation rates observed experimentally. The results provide evidence that desorption to the bulk solution is not prerequisite to degradation, and that sorbed substrate may be available for degradation.