Kurzfassung Band 77

Braun, G. (2019): Salinity intrusion in Vietnam´s coastal delta regions: Impact on use and fate on plant protection products and antibiotics. 165 S.

Kurzfassung
Die fortschreitende Versalzung in den Küstengebieten der Deltaregionen von Vietnam stellt eine zunehmende Gefährdung für die intensive landwirtschaftliche Produktion dar. Es kommt daher zu verschiedenen Anpassungsmaßnahmen in den Regionen, mit unbekannten Folgen für den Einsatz und den Verbleib von Agrochemikalien in der Umwelt. Ziel meiner Studie war es, zu evaluieren, i) in welchem Maß  Deichsysteme, welche unter anderem zur Verhinderung von Salzintrusion gebaut werden, den Verbleib und die räumliche Verteilung von Pestiziden beeinflussen, ii) auf welche Weise verschiedene landwirtschaftliche Landnutzungen die Umweltbelastung und die Verbreitung von Pestiziden und Antibiotika beeinflussen sowie iii) einen möglichen Einfluss des Salzgehaltes auf die Dissipationsraten dieser Stoffe. Interviews mit lokalen Behörden und Haushaltsbefragungen mit Landwirten zu den jeweiligen lokalen und regionalen landwirtschaftlichen Praktiken wurden durchgeführt. Dafür analysierte ich: i) zwölf am häufigsten verwendete Pestizide im Oberboden von Reisanbauflächen und in Sedimenten von Bewässerungsgräben, welche sich perpendikular zu einem Deich befanden (Giao Thuy, Red River Delta) und ii) quantifizierte diese repräsentativen Pestizide (n = 12) und Antibiotika (n = 6) im Oberboden von permanenten Reisanbausystemen, alternierenden Reis-Garnelensystemen und in permanenten Garnelensystemen (Soc Trang und Ben Tre, Mekong Delta). Des Weiteren habe ich Laborinkubationsexperimente mit verschiedenen Salzgehaltskonzentrationen (0, 10 und 20 g L-1) durchgeführt, um die Dissipationsraten der häufig verwendeten Pestizide und Antibiotika in Boden-Wasser-Systemen zu bewerten.

Die Ergebnisse zeigten, dass i) im Red River Delta Isoprothiolan und Chlorpyrifos in Böden unter Reisanbau omnipräsent waren (100% bzw. 85% Nachweisfrequenz) und eine maximale Konzentration von 42,6 µg kg-1 Isoprothiolan aufwiesen. Der häufige Nachweis basierte entweder auf der hydrophoben Eigenschaft (Chlorpyrifos: log Kow = 4,7) oder der hohen Anwendungsdosis (Isoprothiolan: empfohlene Anwendungsdosis= 480 g ha-1) der Stoffe. Das Sediment enthielt weniger häufig und in geringerer Menge Pestizide als der Boden. Insbesondere die Konzentration der hydrophoben Pestizide im Boden erhöhte sich mit zunehmender Nähe zum Deich. Insgesamt dokumentieren die Daten, dass der Deichbau die räumliche Verteilung von Pestizidrückständen im Delta maßgeblich beeinflusst hat. Vermutlich wird dies durch die Akkumulation von Sedimentpartikeln in der Nähe des Deiches ermöglicht, welche in der Lage sind, signifikante Anteile von Pestiziden aufzunehmen und zu transportieren. Im ii) Mekong Delta habe ich am häufigsten Fungizide mit maximalen Konzentrationen von bis zu 67 µg Isoprothiolan kg-1 im Oberboden unter permanentem Reisanbau nachgewiesen. In permanenten Garnelensystemen wurden am häufigsten Antibiotikarückstände detektiert, überwiegend aus der Klasse der Fluorchinolone. Da diese Systeme durch Wasserkanäle miteinander verbunden sind, besteht somit ein hohes Risiko einer Kreuzkontamination zwischen den verschiedenen Agrarsystemen. Dies wird gefördert durch hohe Anwendungsdosen im jeweiligen Produktionssystem sowie durch Sorption an Sedimentpartikeln (z.B. Fenoxaprop-p-ethyl, Fluorchinolon) und den Transport über das Bewässerungswasser. Die Ergebnisse der Inkubationsstudien zeigten keine iii) Verlangsamung der Dissipation der Stoffe bei erhöhten Salzkonzentrationen und damit keine Begründung für die häufige Detektion der untersuchten Pestizide und Antibiotika in Boden und Sediment der küstennahen Deltaregionen. Bemerkenswert ist, dass die Dissipation der Pestizide nicht einfachen Einzel- oder Doppel-Exponentialzerfallsmodellen erster Ordnung folgten. Dies wurde deutlich durch die Sequestrierung von Pestiziden, welche in der Bodenphase den weiteren Abbau signifikant verzögerten. Diese Ergebnisse differenzierten sich von der Dissipation der Antibiotika, die durch ein exponentielles Zerfallsmodell erster Ordnung für Sulfonamide und durch ein Doppel-Exponentialzerfallsmodell erster Ordnung für Diaminopyrimidine beschrieben werden konnte. Die persistentesten Antibiotika waren Sulfamethazin (DT50 = 77) und Sulfadiazin (DT50 = 53) in den gefluteten Bodensystem.

Insgesamt führt die zunehmende Versalzung der küstennahen Deltaregionen zur Bildung von Schadstoffzonen durch die Akkumulation von Pestiziden im Boden in der Nähe eines Deichsystems. Der Wandel zu einer salztoleranteren landwirtschaftlichen Produktion führt entweder zu einer reduzierten Pestizid- und Antibiotikabelastung (alternierendes Reis-Garnelensystem) oder zu einer erhöhten Belastung (permanente Garneleproduktion) im Boden, mit anschließender Verbreitung in nicht anwendungsbezogenen Flächen. Da sich die Dissipationsraten unabhängig von Veränderungen des Salzgehalts darstellten, bleiben bestehende Prognosemodelle gültig, um den Verbleib der untersuchten Pestizide und Antibiotika in der Umwelt vorherzusagen. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Risiken der zunehmenden Versalzung für die Applikation und den Verbleib der Pestizide und Antibiotika durch die miteinander verbundenen Kanalsysteme gefördert werden. Künftige Forschungsarbeiten sollten sich daher mit Schadstoffflüssen zwischen den verschiedenen Agrarsystemen, sowie mit der Entwicklung neuer Methoden zur Vermeidung von Schadstoffverteilungen, befassen.

Abstract Band 77

Braun, G. (2019): Salinity intrusion in Vietnam´s coastal delta regions: Impact on use and fate on plant protection products and antibiotics. 165 S.

Abstract 
The results showed that i) in the Red River Delta, isoprothiolane and chlorpyrifos were ubiquitous (100% and 85% detection frequency, respectively) in soils under paddy rice cultivation, exhibiting a maximum concentration of 42.6 µg isoprothiolane kg-1 soil. The frequent detection was explained by their hydrophobic nature (chlorpyrifos: log Kow = 4.7) or high application dose (isoprothiolane: recommended application dosage = 480 g ha-1). The sediment contained pesticides less frequently and in lower quantity than the soil. Notably, the concentration of the hydrophobic pesticides in the soil increased with increasing proximity to the sea dyke. This finding demonstrates that dyke construction affected the spatial pollutant pattern of pesticide residues in the delta, probably due to the trapping of sediment particles near the dyke, which are known to be able to contain and transport significant fractions of pesticides. 

In ii) the Mekong Delta, I detected fungicides most frequently with maximum concentrations of up to 67 µg isoprothiolane kg-1 in topsoil under permanent paddy rice cultivation. In permanent shrimp systems, antibiotic residues were most frequently present, predominantly of the class of fluoroquinolones. As these systems are interconnected by water channels, there is thus a high risk of cross-contamination between the different land-use systems, promoted by high application dosages in the respective production system, as well as by high sorption to sediments (e.g., fenoxaprop-p-ethyl, fluoroquinolone) and transport via irrigation water. 

The results of the incubation studies revealed that iii) there was no prolongation of dissipation rates at elevated salt concentrations, which might have explained the frequent presence of target pesticides and antibiotics in the coastal soil and sediment. Notably, pesticide dissipation did not follow simple first-order single or double exponential decay models, because sequestration of pesticides in the soil phase delayed further degradation significantly. This was different from the dissipation of the antibiotics, which could be described by a first order single exponential decay model for sulfonamides and by first-order double exponential decay models for diaminopyrimidines. The most persistent antibiotics in the flooded soil system were sulfamethazine (DT50 = 77) and sulfadiazine (DT50 = 53). 

Overall, salinity intrusion lead to the formation of pollution zones due to pesticide accumulation close to a dyke system. Furthermore, the change towards more salt-tolerant agricultural production leads to either reduced pesticide and antibiotic pollution (alternating rice-shrimp system) or to enhanced agrochemical pollution (permanent shrimp), with subsequent dissemination to non-application sites. As dissipation rates were independent of salinity changes, existing e-fate models remain valid for forecasting the fate of the selected pesticides and antibiotics in the environment. My findings suggest that the main risks of salinity intrusion on the use and fate of pesticides and antibiotics are driven by the interconnected channel systems. Future research should thus address pollutant fluxes between different land-use systems as well as establish novel methods of avoidance.