L'eccesso di azoto è una grave minaccia per la qualità dell'acqua nelle acque costiere di tutto il mondo. Trovato nelle acque reflue trattate, fertilizzanti agricoli e per prati e scarichi di combustione, alimenta fioriture di alghe che ombreggiano le erbe sommerse e succhiano ossigeno dall'acqua quando muoiono e si decompongono.

Un nuovo studio condotto dai ricercatori del Virginia Institute of Marine Science di William &Mary fornisce ulteriori prove del fatto che le acque reflue di un impianto di lavorazione del pollame hanno un impatto particolarmente significativo sulla qualità dell'acqua e sul ciclo dei nutrienti. Questo perché contiene non solo molto azoto, ma antibiotici e sottoprodotti del processo che le piante usano per trattare le loro acque reflue. Si pensa che questi sottoprodotti inibiscano la crescita e l'attività dei microbi che altrimenti aiuterebbe a rimuovere l'azoto dai torrenti di marea prima che possa entrare nei sistemi costieri.

I ricercatori, VIMS Ph.D. studente Miguel Semedo e il professor Bongkeun Song, affermano che il loro studio è il primo a valutare gli impatti dell'industria avicola sulla qualità dell'acqua e sul ciclo dei nutrienti utilizzando fattori genetici, tecniche microbiche e di telerilevamento. I risultati del loro lavoro appaiono nel numero di gennaio di Scienze e tecnologie ambientali . Lo studio è stato sostenuto attraverso il programma Fulbright e la borsa di studio per laureati di Semedo della Virginia Sea Grant.

Microbi e denitrificazione

I microbi rimuovono l'azoto dagli ecosistemi acquatici attraverso un processo chiamato denitrificazione. "I microbi svolgono una serie di funzioni dell'ecosistema, "dice Semedo, ora ricercatore post-dottorato presso il Centro interdisciplinare di ricerca marina e ambientale dell'Università di Porto (CIIMAR) a Matosinhos, Portogallo. "La denitrificazione è una delle più vitali, in quanto ha il potenziale per rimuovere l'azoto in eccesso dal sistema."

I microbi denitrificanti hanno geni unici che controllano il processo di denitrificazione, una serie di passaggi che trasforma nitrati e nitriti, forme inorganiche di azoto presenti nelle acque reflue, in forme gassose come l'ossido nitrico, protossido di azoto e diazoto. Questi ultimi composti sono inutilizzabili dalla maggior parte degli organismi e quindi contribuiscono poco o nulla all'eccessiva fertilizzazione delle acque costiere.

Studi di settore

Semedo e Song hanno condotto lo studio in due torrenti di marea sulla costa orientale della Virginia, uno con un impianto di lavorazione del pollame nelle sue sorgenti e uno senza. Le insenature sfociano nelle lagune costiere che si trovano tra la terraferma della penisola di Delmarva e le sue isole barriera al largo.

La coppia ha misurato i livelli di azoto nelle sorgenti, mezzo, e foce di ogni torrente in quattro occasioni tra novembre 2016 e settembre 2017. Hanno anche raccolto campioni di sedimenti per analisi di laboratorio presso VIMS, in quanto i microbi denitrificanti vivono generalmente nei fanghi sul fondo del torrente. Nel laboratorio, hanno identificato le specie di microbi presenti, ha notato che conteneva i geni noti per controllare la denitrificazione e ha sottoposto i microbi dal torrente di "controllo" incontaminato all'acqua del torrente colpito dall'effluente delle piante di pollame.

I loro risultati sul campo hanno mostrato una chiara evidenza che i livelli di azoto erano più alti nel torrente contaminato.

"I livelli di nitrati nelle acque di fondo del torrente colpito erano significativamente più alti di quelli del torrente di riferimento in tutte le stazioni nella maggior parte delle stagioni, "dice Canzone.

"In media, "aggiunge Semedo, "i livelli di nitrati nel torrente colpito erano 34 volte più alti alla stazione delle sorgenti, 47 volte più alto a metà del flusso, e 23 volte più in alto vicino alla bocca."

Mentre le concentrazioni di nitrati nel torrente colpito sono diminuite con l'aumentare della distanza dal sito di scarico dell'impianto, la velocità con cui lo hanno fatto (33% di asportazione per chilometro) era molto inferiore a quella del torrente di riferimento (70% per km).

Esperimenti di incubazione e analisi genetiche

I risultati di laboratorio della coppia hanno supportato gli studi sul campo, e ha contribuito a chiarire le cause della ridotta denitrificazione.

"Quando abbiamo incubato i sedimenti del torrente di controllo con l'acqua del torrente contaminato per 24 ore, i tassi di denitrificazione sono diminuiti del 93%, " dice Semedo. "Sembra quindi che una combinazione di livelli elevati di azoto e sottoprodotti delle acque reflue stia inibendo la rimozione dell'azoto nell'acqua e nei sedimenti del torrente contaminato".

Gli studi genetici di Semedo e Song hanno rivelato che la più bassa abbondanza di geni denitrificanti si è verificata nei campioni del torrente colpito, più vicino allo scarico dell'impianto di lavorazione. Questo modello si è verificato durante tutto l'anno. L'abbondanza batterica totale ha seguito la stessa tendenza.

"Globale, "dice Canzone, "l'abbondanza di geni di denitrificazione nel torrente colpito ha seguito una chiara tendenza, con le abbondanze più basse più vicine all'impianto di lavorazione, e maggiori abbondanze alla stazione a valle, più lontano dall'impianto di lavorazione. Non abbiamo visto questa tendenza nel torrente di controllo".

"La stazione della sorgente nel torrente colpito si distingue chiaramente dalla stazione della sorgente nel torrente di controllo e da tutti gli altri campioni, "dice Semedo, 'indicando che c'è una comunità batterica molto distinta vicino allo scarico delle acque reflue dell'impianto di lavorazione. E tutte le classi dominanti di batteri che erano assenti dal sito della sorgente del torrente colpito sono note per portare uno o due geni di denitrificazione".

Ulteriore supporto dalle immagini satellitari

Un ulteriore supporto per i loro risultati viene dalle differenze nell'abbondanza di clorofilla-a nelle acque delle lagune costiere vicine, come stimato dalle immagini satellitari. Questo pigmento fotosintetico è un indicatore della crescita delle alghe.

"Le concentrazioni di clorofilla-a al di sotto della foce del torrente colpito erano sempre superiori a quelle al di sotto della foce del torrente di controllo, " dice Semedo. Le concentrazioni medie di clorofilla-a variavano da 5,8 a 16,1 microgrammi per litro nella laguna sotto il torrente colpito, rispetto a 1,8-5,2 μg/L per il torrente di controllo.

Sebbene condotto su un unico paio di insenature che alimentano le lagune marittime, L'analisi di Semedo e Song ha implicazioni più ampie per la qualità dell'acqua e la gestione degli effluenti nella baia di Chesapeake, gli Stati Uniti e il mondo. Un nuovo studente laureato nel laboratorio di Song ha in programma di condurre uno studio di follow-up per esaminare come l'espansione delle case di allevamento del pollame potrebbe influire sulla qualità dell'acqua nei torrenti di marea della costa orientale. Nella contea di Accomack, dove si trovano le insenature studiate, 254 pollai erano in funzione a partire dal 2014, con 245 nuove case autorizzate da allora. Di questi, 218 sono stati costruiti a partire da febbraio 2019, e 11 di questi sono stati autorizzati nel 2018.

Uno studio preliminare condotto nel 2018 dai ricercatori dell'Eastern Shore Laboratory di VIMS a Wachapreague non ha riscontrato impatti del deflusso delle acque piovane nei bacini idrografici con operazioni di coltivazione del pollame di recente costruzione. Questo studio è in corso. Con le nuove normative che richiedono il controllo delle acque piovane e la gestione dei rifiuti, si prevede che le strutture più recenti avranno un impatto minore rispetto al passato.

La penisola di Delmarva, con 56 insenature di marea che drenano nelle lagune costiere e nella baia di Chesapeake, ha la più alta concentrazione di polli da carne per area di terreno agricolo negli Stati Uniti. L'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti stima quella del 1, 186 trasformatori di pollame in tutta la nazione, 108 (9,1%) scaricano acque reflue trattate direttamente nelle acque superficiali dei laghi, fiumi e oceani.