Во многих штатах Среднего Запада фермеры используют дренаж из плитки, чтобы защитить свои поля от переувлажнения. Трубы зарыты на три-четыре фута ниже поверхности водного пути в водораздел Миссисипи. Плиточные трубы сохраняют поля сухими, но они также отправляют большое количество азота вниз по течению. Азот — это естественное питательное вещество, содержащееся в почве, и обычный компонент удобрений.
Избыток азота в воде создает проблемы для водных экосистем.Кристиансон изучает способы уменьшить количество азота, который перемещается вниз по течению, используя траншеи, заполненные щепой.
Их задача — перехватить путь воды от поля к рекам и ручьям. Траншеи называются биореакторами.Сами окопы — не главные герои.
Именно живущие в них бактерии нейтрализуют азотную угрозу. «Хорошие бактерии колонизируют древесную щепу и используют ее в пищу», — сказал Кристиансон. Этот концентрированный источник пищи дает бактериям дополнительную энергию для преобразования азота в доброкачественный газ. Кристиансон сказала, что ее поразила простота биореакторов. «Мы улучшаем естественный процесс», — сказала она. "В этом есть элегантность".
Штаты в верхнем бассейне реки Миссисипи, такие как Миннесота, Айова и Иллинойс, являются горячими точками для азота в дренажных водах. «Только в Иллинойсе есть 10 миллионов акров полей, облицованных плиткой, — сказал Кристиансон.EPA призвало двенадцать штатов, граничащих с рекой Миссисипи, уменьшить количество питательных веществ, которые вымываются вниз по реке и в Мексиканский залив. Осадки и орошение вытягивают азот из почвы и откладывают его в океане, где им питаются водоросли.
В конце концов, водоросли вытесняют другие формы жизни за солнечный свет и кислород. Кроме того, когда водоросли умирают, процесс разложения поглощает весь растворенный в воде кислород. Образовавшаяся «мертвая зона» в Мексиканском заливе составляет более 5 000 квадратных миль.Биореакторы полезны не только в сельскохозяйственном секторе.
Кристиансон сказал, что за последние 5-8 лет интерес к биореакторам как к качеству воды вырос. Ученые используют биореакторы как дешевый способ уменьшить количество патогенов в городских сточных водах и сточных водах аквакультуры. Все больше государств присоединяются к делу, и новые исследования из разных частей мира добавляют исследованиям сложность, связанную с конкретным местоположением.
Биореакторы имеют простую конструкцию. Хотя размеры меняются, типичная траншея имеет длину 100 футов и ширину 20 футов и покрыта одним футом верхнего слоя почвы.
Траншея обычно имеет глубину 3,5 фута и заполнена богатыми углеродом источниками пищи для бактерий, такими как щепа или кукуруза. Плиточные трубы с полей перенаправляются через траншею перед тем, как впасть в ручей.Несмотря на простую конструкцию, при использовании биореакторов возникают сложные проблемы. «Мы постоянно пытаемся улучшить дизайн, — сказал Кристиансон. «Как и люди, бактерии не справляются со своей работой, когда им холодно».
Бактерии не так эффективны в сокращении азота в весенние месяцы Среднего Запада, когда таяние снега начинает просачиваться сквозь них. Биореакторы также необходимо наполнять каждые десять лет или около того древесной стружкой или другим источником углерода, чтобы бактерии хорошо питались.Кристиансон сказал, что, хотя некоторые гранты компенсируют стоимость установки биореактора, поощрение фермеров к участию — трудная задача. «Мы просим фермеров тратить деньги на общественное благо, и это непросто, когда вы пытаетесь свести концы с концами», — сказала она.Несмотря на проблемы, использование биореакторов для улучшения качества воды продолжает расширяться, а их производительность продолжает улучшаться.
Узнайте больше о последних исследованиях и внедрении биореакторов в Journal of Environmental Quality.