Veiavrenning av glyfosat til overflatevann : et felt-, metode- og modelleringsstudie fra Holttjern

Abstract

Glyfosat er det plantevernmiddelet som det blir brukt mest av i Norge. Det inngår i en rekke preparater og gjennomsnittlig årlig omsetning av glyfosat fra 2007 til 2011 var ca. 300 tonn av totalt ca. 750 tonn plantevernmidler (Mattilsynet 2012). Langs norske veier har det lenge vært tillatt å sprøyte med plantevernmidler under rekkverket på vegskulderen for å holde vegetasjonen nede. Det finnes flere plantevernmidler som brukes til dette formålet, men glyfosat er det som blir hyppigst brukt. Langs norske veger ble det i 2014 brukt 4,2 tonn glyfosat (aktivt stoff), mens det i 2015 «kun» ble brukt 2,3 tonn. Det eksisterer ikke risikovurderinger for eventuell avrenning av glyfosat til veinære vannforekomster i Norge. Derfor har denne oppgaven til hovedhensikt å vurdere risiko for avrenning av ugressmiddelet glyfosat fra et vegområde som sprøytes, i nærheten av vannforekomsten Holttjern. Glyfosat har sterk sorpsjon til jord, spesielt leire, jern og aluminiumhydroksider. Innhold av organisk materiale er også av stor betydning for sorpsjonen. På grunn av den sterke bindingen til jord, vil avrenningen av glyfosat i hovedsak være knyttet til partikkelbundet overflateavrenning og erosjon. Plantevernmidler kan lekke ut i vann og dermed utgjøre en miljørisiko for vannlevende organismer. I tidligere undersøkelser er det funnet flere tilfeller av gjenværende plantevernmiddelrester i vann. Toksisiteten til plantevernmidler uttrykkes gjennom miljøfarlighetsverdier (MF-verdier). MF-verdier sier altså noe om hvor giftig plantevernmidler er for organismer. Disse verdiene blir sammenlignet med våre målte/predikerte verdier for glyfosat, og dermed gjøres en risikovurdering. For å undersøke forekomsten av glyfosat og AMPA er det i denne oppgaven foretatt både feltundersøkelser (jord, vann og sediment) og modellering med PRZM 5. Problemstillingen for feltstudien i oppgaven å se om det blir gjort funn av glyfosat og AMPA i jord, vann og sedimentprøvene fra Holttjern. Resultatene fra feltstudien viser at det kun ble funnet lave konsentrasjoner av glyfosat i jord. Det høyeste konsentrasjonen ble funnet under rekkverk på veiskulderen (121,1 ng/g glyfosat og 423 ng/g AMPA). I overflatevann var den høyeste konsentrasjonen av glyfosat funnet midt mellom innløpet og utløpet til Holttjern (0.0196 µg/L). For AMPA ble den høyeste konsentrasjonen funnet ved innløpet (0.0275 µg/L). Oppgaven omfatter også metodeutvikling for ekstraksjon av glyfosat i jord som en del av problemstillingen. Til metoden ble det testet med forskjellige løsninger (KOH, Na2-tetraborat og MQ-vann) i fast fase ekstraksjon med MIP (Molecularly Imprinted Polymers)-påføring. Metoden ga lav gjenfinning i spiket jord; 2,77% glyfosat, sannsynligvis tapes mye gjennom prøveopparbeidelsen. Gjenfinningen var høyest med vannekstraktet på 53,2% for glyfosat og 29,4% for AMPA. Gjenfinning med tetraboratekstraktet for glyfosat var lav (5 - 6,9 %). For AMPA var gjenfinningen med tetraborat høyere (8,3 – 20,6%). Som en del av risikovurderingen og for å vurdere modellens egnethet for å beskrive situasjonen ved Holttjern, ble eksponeringen av glyfosat og AMPA simulert. Tilpasning mot målte data ble undersøkt ved manipulering av sensitive parametre som sorpsjon, Curve Number, nedbør i forhold til sprøyting og sprøytet areal i forhold til størrelsen på nedbørsfeltet. Resultatene fra modelleringen kan deretter sammenlignes opp mot MF-verdier (miljøfarlighetsverdier) og ADI (Anbefalt Daglig Inntak) for å si noe om risikovurderingen av Holttjern. Pearsons korrelasjonskoeffisient viste en sterk positiv sammenheng (r = 0.57) mellom nedbør- og avrenningsmengde av vann (figur 35 og 36). MF-verdien for den vannlevende algearten «Skeletonema costatum» er 28 µg/L, og simulering av Cropped Area Fraction med henholdsvis halvering og dobling av størrelsen viste at gjenfinningen av glyfosat lå i størrelsesordenen 0.13 – 0.52 µg/L. Dette er langt unna laveste MF-grense for alger (figur 48). Simuleringer for glyfosat med Curve Number hvor CN = 99 viser også at gjennomsnittskonsentrasjonen av glyfosat ikke overstiger MF-verdien for «Skeletonema costatum». CN = 99 gir gjennomsnittlig konsentrasjon på 2.77 µg/L (figur 46). I modellen var den høyeste gjennomsnittskonsentrasjonen for glyfosat og AMPA i overflatevann henholdsvis 0.26 µg/L (figur 42) og 0.0013 µg/L (figur 45), mens gjennomsnittskonsentrasjonen for feltstudiet ved Holttjern viste henholdsvis 0.0158 µg/L og 0.0186 µg/L. Muligens er ulikheter i sorpsjonsisoterm, halveringstid i vann, sprøytetidspunkt og sprøytedose viktige faktorer som kan forklare årsaken til forskjellene i resultatene for overflatevann mellom modelleringen og feltarbeidet. Akseptabelt daglig inntak (ADI) for glyfosat 0.1 mg/kg kroppsvekt. Med disse simuleringsresultatene og feltobservasjoner fra Holttjern til grunn, kan man konkludere med at verken glyfosat eller AMPA overstiger miljøfarlighetsverdiene for akvatiske organismer eller ADI for mennesker.

Glyphosate is the most widely used pesticide in Norway. Glyphosate is the main ingredient in several pesticide products, and average annual sales of glyphosate from 2007 to 2011 was approximately 300 tons, out of a total of 750 tons pesticides (Mattilsynet 2012). For a long time it has been allowed to use pesticides under roadside barriers to keep the vegetation short along Norwegian roads. There are several pesticides used for this purpose, but glyphosate is the pesticide most commonly used. In 2014 it was used 4.2 tons of glyphosate (active ingredient) along Norwegian roads, while it was "only" used 2.3 tons in 2015. Risk assessment for glyphosate runoff to water bodies which is near roads does not exist in Norway. Therefore the main purpose of this thesis is to assess the risk of glyphosate runoff from a sprayed road area, near the water body Holttjern. Glyphosate has strong adsorption to soil, especially clay, iron and aluminum. Contents of organic matter in soil is also of great importance for sorption. Because of glyphosate's strong bond to the soil, there will be mainly particle bound runoff and erosion. Pesticides can leach into the water and thus pose an environmental risk to aquatic organisms. In previous studies it has been found several cases of pesticide residues in water. The toxicity of pesticides is expressed by environmental risk index (MF-values). These values are compared to our measured / predicted values for glyphosate and AMPA (risk assessment). In this thesis it is used both field surveys (soil, water and sediment) and modeling with PRZM 5 to examine the finding of glyphosate and AMPA. The approach to the problem for the field surveys is to see if there is glyphosate and AMPA in soil, water and sediment samples from Holttjern. The results of the field study shows only low concentrations of glyphosate in soil. The highest concentrations in soil was found under the road barrier (121.1 ng/g of glyphosate and 423 ng/g of AMPA). In surface water, the highest concentration of glyphosate (0.0196 mcg/L) was found in the middle of Holttjern (in between the inlet and outlet). For AMPA the highest concentration was found at the inlet (0.0275 mcg/L). Another approach to the problem in this thesis is development of methods for extraction of glyphosate in soil. The methods will be tested with different solutions (KOH, Na2 tetraborate and MQ-water) in the solid phase extraction with MIP application. The method gave low retrieval in spiked soil (2.77% glyphosate), and probably much of it was lost through the sample preparation. The retrieval was highest with the water extract (53.2% for glyphosate and 29.4% for AMPA). The retrieval with tetraboratextract for glyphosate was low (5 - 6.9%). For AMPA the retrieval with tetraborate was slightly higher (8.3 to 20.6%).

6 As a part of the risk assessment, and to assess the suitability of the model to describe the situation at Holttjern, the exposure of glyphosate and AMPA was simulated. The measured data was examined by manipulation of sensitive parameters such as sorption, Curve Number, precipitation compared to spraying and sprayed area relative to the size of the catchment area. Then the results will be compared with environmental risk index (MF-values) and ADI (Acceptable Daily Intake). Pearson's correlation coefficient showed a strong positive correlation (r = 0.57) between precipitation and runoff amount of water (Figure 35 and 36). The MF-value for the aquatic algae species "Skeletonema costatum" is 28 mcg/L, and simulation of Cropped Area Fraction with respectively halving and doubling the size, showed that the retrieval of glyphosate was in the order of 0.13 to 0.52 mcg/L (figure 48), which is far away from the lowest MF-value for algaes. Simulations of glyphosate with Curve Number as high as CN = 99, also shows that the average concentration of glyphosate does not exceed the MF-value of "Skeletonema costatum". CN = 99 gives the average concentration of 2.77 mcg/L (figure 46). For the modeling, the highest average concentration of glyphosate and AMPA in surface water respectively 0.26 mcg/L (figure 42) and 0.0013 mcg/L (figure 45), while the average concentration for the field study of Holttjern showed respectively 0.0158 mcg/L and 0.0186 mcg/L. Probably, the differences in sorption isotherms, half-life in water, injection timing and injection dose are important factors that could explain the differences in the results for surface water between modeling and field work. Acceptable daily intake (ADI) for glyphosate is 0.1 mg/kg body weight. With these simulation results and field observations from Holttjern, one can conclude that neither glyphosate or AMPA exceed the MF-values for aquatic organisms or ADI for humans.