Metabolic and cometabolic degradation of herbicides in the fine material of railway ballast

Microbial degradation of 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea (diuron) and mineralization of 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) were studied in soil samples taken from the ballast layers of three Swedish railway embankments. The degradation of diuron followed first-order kinetics and half-lives ranged between 122 and 365 days. The half-lives correlated strongly with microbial biomass estimated by substrate-induced respiration (SIR; R=-0.85; p<0.05) and with the amount of organic matter measured as loss on ignition (R=-0.87; p<0.05). Accumulation of the metabolites 1-(3,4-dichlorophenyl)-3-methyl urea (DCPMU) and 1-(3,4-dichlorophenyl) urea (DCPU) was observed in all samples and these were only detectably degraded in the sample with the highest SIR. Addition of ground lucerne straw to the ballast samples stimulated microbial activity and led to increased formation of metabolites, but further transformation of DCPMU and DCPU was not enhanced. Mineralization of MCPA followed growth-linked kinetics and the time for 50% mineralization was 44.5±7.1 days in samples of previously untreated ballast. In samples of ballast that had been previously treated with the herbicide formulation MCPA 750, the time for 50% mineralization was reduced to 13.7±11.3 days. The number of MCPA degraders, quantified using an MPN technique, was clearly increased but highly variable. An average yield of 0.18 cells pg−1 of MCPA was estimated from the kinetic data. The yield estimates correlated with the amount of nitrogen in the ballast, indicating that mineralization of MCPA was nitrogen-limited in the railway embankments studied. This has practical implications for weed control using herbicides on railways

Koll på miljökontrollen – en sammanställning av resultaten från det nationella miljökontrollprogrammet för kemisk ogräsbekämpning på järnväg 2006–2019

Den här rapporten sammanställer resultaten från de miljökontrollprogram för kemisk ogräsbekämpning på järnväg som har bedrivits på uppdrag av Banverket och Trafikverket mellan åren 2006–2010 (period 1) och 2015–2019 (period 2). Inom ramen för miljökontrollprogrammen har koncentrationen av glyfosat och dess nedbrytningsprodukt AMPA analyserats i grundvatten från provtagningsrör installerade i eller vid sidan av järnvägen och under period 2 även halten glyfosat och AMPA i jordprover som tagits i närheten av rören. Totalt har strax över 600 grundvattenprover analyserats från 12 olika provplatser utspridda över landet och 645 jordprover från fem av dessa provplatser. Glyfosat och AMPA detekterades i 16% respektive 14% av de grundvattenprover som tagits från provtagningsrör som installerats i själva spårområdet. De högsta koncentrationerna som uppmätts i några enskilda prover var 7 μg glyfosat/l respektive 1,1 μg AMPA/l i grundvatten direkt under spåret. Dessa värden är dock knappast representativa för hela datasetet vilket illustreras av att de 95:e percentilerna för grundvatten under spåret var 0,15 μg glyfosat/l och 0,037 μg AMPA/l. Spridningen till omgivningen tycks också vara relativt begränsad, glyfosat och AMPA detekterades bara i 1–3% av proverna som tagits i grundvattenrör utanför spårområdet. 2018 avviker som ett år med ovanligt förhöjda koncentrationer detekterade i grundvattnet under flera av provplatserna vilket förmodligen hänger samman med den ovanligt torra sommaren det året. Halterna i jordprover från tre av provplatserna var väldigt låga vilket indikerar att de endast har bekämpats i begränsad utsträckning (period 2) medan halterna för de två övriga platserna är rimliga utifrån den använda dosen och en förväntad halveringstid på 4 ± 2 månader. Rapporten diskuterar hur resultaten ska tolkas, hur miljökontrollprogrammet har bedrivits och hur det kan utvecklas framöver

Utveckling av metoder för vegetationsbekämpning i järnvägsmiljö : redovisning av genomförda aktiviteter 2019–2021 samt förslag på fortsatt verksamhet

Trafikverket bekämpar regelbundet ogräsen på banvallen för att säkra en god bankvalitet. Ett återkommande problem är svårigheten att veta hur stort behovet av bekämpning är, vilka bansträckor som skall prioriteras och vilken teknik som skall användas för bekämpningen. Ogräsbekämpningen sker idag främst kemiskt med glyfosatpreparat. Det är dock av flera anledningar osäkert hur länge glyfosat kommer att finnas tillgängligt för Trafikverket och bekämpningsbehovet måste i alla händelser lösas även för så kallade restriktionsytor dvs. sträckor som ej får bekämpas kemiskt, som finns bl.a. vid vattenskyddsområden och vattendrag. Trots att ett flertal metoder för icke-kemisk vegetationsbekämpning studerats de senast 25 åren finns det fortfarande få etablerade metoder och tekniska lösningar som kommit till större användning. Det finns således ett fortsatt behov av att prova icke-kemiska metoder i praktisk drift i samarbete med Trafikverket och entreprenörer samt ta fram bättre underlag – handböcker – för att de icke-kemiska metoderna ska komma till praktisk användning. Inom projektet har två redskap – en uppryckningsgrip och en kratta/skrapa – utvecklats och provats i spår. En nygammal metod för rensning och profilering av banketten - ballastplogning – har testats med äldre utrustning. Demonstrationsytor där de olika metoderna utvärderas i full skala, har anlagts på bandel 371 MoraÄlvdalen. I samma fältförsök utvärderas också ett system för gröna spärrzoner som syftar till att minska sannolikheten att aggressiv vegetation växer in i spår från angränsande ytor. Inledande försök och teknikutveckling för användning av ånga och hetvatten har också påbörjats. Det finns också ett allt större behov av bättre metoder för att styra och utvärdera bekämpningsinsatserna (oavsett metod) samt att kunna bedöma hur den utförda bekämpningen långsiktigt påverkar såväl ogräsen som banan. Inom projektet utnyttjas högupplöst data över ogräsförekomster på järnvägen och data över utförda kemiska bekämpningar som samlats in under de senaste åren för att undersöka hur tillståndet utvecklas långsiktigt, undersöka effektsamband och ta fram bättre planeringsverktyg för ogräsbekämpningen. Vindavdrift från ogräsbekämpningståget har uppmätts i 4 olika fältförsök utförda på 3 olika bandelar. Resultaten visar att på 1 m avstånd från det besprutade områdets gräns så har den deponerade mängden minskat till i genomsnitt 0,3 0,2 % av den använda dosen, motsvarande 5 4 g/ha med den föreskrivna dosen på 1800 g glyfosat/ha. Resultaten kommer att användas för att göra en uppdaterad riskkarakterisering. Projektet löper även under 2021 och planering för fortsatt verksamhet därefter har inletts

Overcoming biochar limitations to remediate pentachlorophenol in soil by modifying its electrochemical properties

In this study, we produced modified biochars with enhanced electrochemical properties to increase PCP remediation in soil. Although all biochars enhanced PCP remediation in aerobic conditions, only a few did in anaerobic soil. The most successful modifications were (i) the preloading of biomass with 10% w/w FeCl3, to obtain a biochar rich in redox-active metals (B-Fe); (ii) the oxidation of a conductive biochar pyrolyzed at 1000 ºC with 0.025 M KMnO4, to produce a biochar with both moderate conductivity and redox capacity (B-1000-KMnO4); and (iii) KMnO4 oxidation of an amorphous biochar pyrolyzed at 400 ºC to obtain a biochar with very high redox capacity (B-KMnO4). B-Fe reduced extractable PCP to almost zero after 50 days in both incubations, but showed slow kinetics of remediation in aerobic soil. B-1000-KMnO4 had the highest rate of remediation under aerobic conditions, but no significant effect under anaerobic conditions. B-KMnO4, however, presented high rates of remediation and high removal of extractable PCP under both conditions, which made it the recommended modification strategy for increased PCP remediation. We found that the degree of remediation primarily depends on the redox capacity, while the rate of remediation was determined by both the conductivity and redox capacity of biochar

Guidelines for estimation of biochar durability : Background report

Biochar is produced by heating biomass in the total or partial absence of oxygen. This report addresses the long-term persistence of biochar in soil and how this can be managed in climate calculations and reporting. The report consists of this summary and four chapters, which can be read independently.Different terms have been used to describe the durability of biochar carbon storage, but also the physical presence of biochar in soils, e.g. persistence, permanence, recalcitrance, residence times, stability. Today, the term “durability of carbon storage” is preferred in policy contexts, but various academic disciplines such as soil science have other established terms like “persistence”. Here, both durability and persistence are used, rather interchangeably. It is important to be aware of differences in meaning that exist between disciplines.The purpose of this report is to present the state of knowledge regarding the proportion of carbon in biochar that remains in the soil over time and provide recommendations for calculating this. There is a need to calculate the persistence of biochar in soil for national climate reporting, corporate climate reporting, carbon credit trading, and life cycle assessments for various purposes.On the persistence of biocharThe amount of biochar remaining after a certain time depends on the properties of the biochar and the environment in which it is located. Nearly all research on biochar persistence has focused on its application in agricultural soils.The main reason for the high durability of biochar carbon storage is the formation of fused aromatic stable structures during biomass pyrolysis. A high degree of fused aromatic structures makes biochar much less prone to microbial decomposition than fresh biomass.Different biochars have different properties, and this influences how long they persist in the soil. To achieve biochar with properties that provide higher persistence, it should be produced at higher temperatures for a sufficient duration.Measuring and calculating biochar persistenceEstablished quantification methods of 100-year biochar persistence (e.g. referenced in IPCC inventory guidelines and used in voluntary carbon markets, to date) extrapolate short-term soil decomposition processes, and do not fully consider the processes that may explain millennial persistence.Calculations regarding biochar persistence have traditionally used a time span of 100 years to describe the amount of remaining carbon after a certain time. The use of specifically 100 years lacks a well founded scientific reason, but has been regarded as “far enough” into the future from a climate perspective and close enough for modelling to be meaningful.An active area of research relevant for the understanding biochar carbon storage durability is the development of advanced analytical characterisation methods of biochar that will enable measurement of the physicochemical heterogeneity in carbon structures present in biochar.Another area of continued research is biochar incubation, with a focus on field conditions, to elucidate both differences from laboratory conditions, and how transport processes affect biochar in the field.Recommendation and conclusionIn the project, available research data has been aggregated into a functional model that calculates how much of the carbon in biochar remains after a given number of years. The model is based on the H/C ratio of the biochar placed in the soil and the annual average temperature at the location.The model is made freely accessible to provide biochar market actors with the best available knowledge for estimating the durability of biochar carbon.Existing research results provide a sufficient foundation for estimation of the amount of biochar expected to remain over time. Future research results are expected to lead to increased knowledge regarding the decomposition properties of biochar, in particular biochars with a very low H/C ratio. Therefore, this recommendation will be revised by the end of the project in 2025

Utveckling av metod för att bedöma behovet av ogräsbekämpning i spår

En miljöanpassad och resurseffektiv hantering av ogräs i spår ställer krav på god kunskap om vegetationsförhållanden för att behovsanpassa bekämpningsinsatserna. En automatiserad registrering skulle kunna utgöra ett komplement till dagens manuella inspektioner och skulle över tiden helt eller delvis kunna ersätta dessa. En utmaning är att hitta en metod som ger en rimlig upplösning i informationen som samlas in, så att den kan hanteras rationellt av berörda aktörer och samtidigt utgöra ett beslutsunderlag med tillräcklig precision. Projektet studerade två automatiserade metoder som kan vara aktuella för Trafikverket att använda i framtiden: 1) Machine vision metoden utnyttjar kamerasensorer för att känna av sin omgivning i det synliga respektive nära infraröda spektrumet. 2) N-sensorn sänder ut ljus inom det område som reflekteras av växternas klorofyll. Mängden klorofyll ger ett mätvärde som kan korreleras till biomassan. Valet av teknik beror på vad informationen ska användas till. Om syftet är att översiktligt kartlägga vegetationsförekomst i spår, för att planera åtgärder för underhåll, kan N-sensortekniken vara lämplig. Om man över ytan och tiden vill övervaka och kartlägga aktuell och precis vegetationsstatus, för att kunna bekämpa utvald vegetation med rätt insats, är machine vision tekniken bättre lämpad. Såväl machine vision metoden som N-sensortekniken bygger på registrering av data tillsammans med en GPS-positionering. På sikt kan denna information läggas i databaser som är direkt åtkomliga för berörda organisationer och t o m online i fält under eller i samband med en bekämpningsåtgärd. De två teknikerna jämfördes med manuella (visuella) skattningar av ogräsförekomsten. Den visuella skattningen av yttäckningsgrad av ogräs i fält skiljde sig statistiskt mellan olika bedömare. När det gäller att uppskatta frekvensen (antalet) vedartade växter (träd och buskar) inom provytorna så var observatörerna relativt överens. Samma person är ofta konsekvent i sitt bedömande, men att jämföra med andra personers bedömning kan ge missvisande resultat. Systemet för användning av informationen om ogräsförekomst behöver utvecklas som helhet. Tröskelvärden för hur mycket ogräs som kan tolereras på olika typer av spår/driftsplatser är en viktig komponent i ett sådant system. Klassificeringssystemet ska kunna hantera de krav som ställs för att säkerställa banans kvalitet och olika förutsättningar som trafikförhållanden, platsgivna förutsättningar för banan och vegetationens egenskaper. Projektet rekommenderar Trafikverket att: diskutera hur tröskelvärden för vegetationsförekomst på spår kan fastställas genomföra registrering av vegetationsförekomst över längre och fler sträckor med en eller flera av de metoder som studerats i projektet inleda införande av system som effektivt kopplar informationen om vegetation till position inkludera förekomst av vegetation i den registrering som idag sker av spårens (banans) tekniska kvalitet och ansluta datamaterialet till övriga underhållsrelaterade databaser inrätta ett antal representativa ytor där ogräsfloran på spåren regelbundet inventeras och mäts för att få en bild av den långsiktiga utveckling som grund för säkrare prognoser för vegetationsutveckling säkerställa att nödvändiga utbildningsinsatser genomför

The microbiology of railway tracks

Swedish railways are regularly treated with herbicides in order to keep the track beds free from weeds. However, finding appropriate preparations and dosages that provide a good weed control but that are still environmentally acceptable, has proven to be difficult. This thesis investigates some fundamental aspects of the microbiology of railways, such as amounts, activities and spatial distributions of microorganisms in the track bed, in order to provide the knowledge base for a more informed use of herbicides on railway tracks. The railways investigated were characterized by overall low but highly variable rates of respiratory activity. Distributions were positively skewed and autocorrelation distances were short. Microbial biomass measured as substrate-induced respiration (SIR), microbial activity measured as basal respiration and a kinetically derived parameter r corresponding to the active fraction of the SIR covaried significantly with the organic matter content of the ballast. For basal respiration and r, the most important covariate was the water content of the ballast and microbial activity was higher when determined in the autumn during moist conditions. The functional diversity, assessed as substrate richness on Biolog ECO plates, was low but highly variable and covaried with SIR, indicating that functional groups of microorganisms were missing where the microbial biomass was low. The substrate utilization patterns were homogeneous among the railway samples, which suggest that heterotrophic microorganisms are randomly distributed on railway tracks. Degradation of diuron in fine material of railway ballast followed first-order kinetics and thus did not support growth of degrading microorganisms. The metabolites DCPMU and DCPU were formed in all samples and accumulated in most of them. The mineralization of MCPA followed growth-linked degradation kinetics and was enhanced where the railway track had been previously treated with MCPA. This enhancement was related to higher numbers of MCPA-degraders and higher specific growth rates (µ) of these in the previously treated track. The yield (Y) correlated to the nitrogen content of the railway, indicating that the formation of microbial cells from MCPA on railways is nutrient limited. These findings indicate that it would be sensible to use metabolically degradable herbicides and to apply them using weed-seeker techniques in order to decrease the likelihood of groundwater beneath the track being contaminated

Environmental fate of glyphosate used on Swedish railways — Results from environmental monitoring conducted between 2007–2010 and 2015–2019

Glyphosate herbicides are widely relied upon by European railway operators for controlling vegetation growing on railway tracks. In Sweden, concentrations of glyphosate and its main degradation product AMPA have been monitored in the groundwater close to railways during two monitoring periods: between 2007–2010 and 2015–2019. In total, 603 groundwater samples from 12 different monitoring sites and 645 soil samples from 5 of these sites were analyzed. Glyphosate and AMPA were detected in 16% and 14%, respectively, of groundwater samples taken from directly beneath the track, with concentrations exceeding the EU groundwater quality standard of 0.1 μg/L in 6 and 4% of the cases, respectively. The highest concentrations detected in single samples were 7 μg glyphosate/L and 1.1 μg AMPA/L. However, further horizontal spread in the groundwater zone appeared to be limited as glyphosate and AMPA were only detected in 1–3% of the groundwater samples taken from outside the track area itself, and since no difference was seen between water from reference and down-gradient wells. In the autumn of 2018, higher concentrations were detected in the groundwater from beneath 3 out of the 5 then active monitoring sites and a possible explanation is that the unusually hot and dry summer of 2018 limited degradation, thus leading to an increased susceptibility of leaching. The contents of glyphosate and AMPA in soil samples from three of the sites were very low (average < 0.05 mg/kg in soil from 0 to 30 cm), indicating that they were only sprayed to a limited degree, whereas the contents from two of the test sites were in line with what would be expected based on the used dose and a predicted half-life of about 4 ± 2 months (average 0.22–0.84 mg/kg). No signs of accumulation of glyphosate in the railway ballast over time were observed

Ogräsbekämpning med hetvattenskum

Som en del i arbetet att utvärdera alternativ till kemiska bekämpningsmedel för ogräsbekämpning i järnvägsmiljöer utfördes under sommaren 2014 ett test med hetvattenskum på en bangård i Kristianstad. Den här rapporten presenterar resultat från fältförsöket och innehåller också en sammanställning av kunskapsläget kring ogräsbekämpning med hetvattenskum och dess miljöpåverkan. Ogräsbekämpning med hetvattenskum är en termisk metod som dödar ogräsen genom att denaturera proteiner och förstöra cellstrukturer. Skummet, vars funktion är att bilda ett isolerande skikt så att mer energi kan överföras till växten, består av biologiskt nedbrytbara alkylpolyglykosider. Behandlingen med hetvattenskum gav en tydlig men relativt kortvarig minskning av ogräsens täckningsgrad på behandlade ytor men behöver upprepas under växtsäsongen för att förhindra att ogräs återväxer från överlevande rötter och att nya ogräs etablerar sig efter utförd bekämpning. Även en enkel behandling med hetvattenskum kan dock ge skillnader i hur högväxande ogräsen blir och i vilken utsträckning de går i blom som kvarstår under större delen av sommaren. Litteraturstudien indikerade att den största miljöpåverkan från hetvattensbekämpningen uppstår i samband med uppvärmningen av preparatet. En rekommendation är därför att i samband med framtida användning ålägga entreprenören att redovisa data över vatten-, bränsleförbrukning och bekämpad areal i form av dagrapporter för att bättre kunna bedöma hur stor denna påverkan är. Bekämpning med hetvattenskum är dyrare än kemisk ogräsbekämpning men framstår ändå som ett intressant alternativ för ytor där användningen av kemiska bekämpningsmedel inte är tillåten

Riskkarakterisering av oavsiktlig spridning av glyfosat vid ogräsbekämpning på järnväg

I den här rapporten undersöks riskerna med oavsiktlig spridning av glyfosat, via vindavdrift eller utlakning, när glyfosatpreparat används för ogräsbekämpning på järnväg. Syftet med arbetet har varit att ta fram ett underlag som kan användas för att besluta om vilka skyddsavstånd som i normalfallet krävs till olika typer av käns-liga områden som omger järnvägen. Så kallade riskkarakteriseringskvoter har räk-nats fram genom att jämföra förutspådda miljökoncentrationer (PEC-värden) med förutspådda koncentrationer utan effekt (PNEC-värden). Beräkningarna visar att riskerna med mänsklig exponering och spridning till ytvatten genomgående är små och relativt okänsliga för olika antaganden kring spridningens storlek. De minimi-skyddsavstånd för skydd av yt- och dricksvatten (6 och 12 m) som föreslås av Na-turvårdsverket bedöms därmed som tillräckliga. Risken för påverkan på omkring-liggande vegetation bedöms som acceptabel men då riskkarakteriseringskvoten för påverkan på vegetation ligger nära ett är den bedömningen mer känslig för vilka antaganden som görs. Då det råder vissa frågetecken rörande hur representativa de vindavdriftsmätningar som har utförts på ogräståget är för svenska förhållanden är det därför av vikt att dessa mätningar upprepas för att ge ett bättre beräkningsun-derlag. Risken att enskilda brunnar som ligger nära järnvägen kontamineras via utlakning i koncentrationer som överstiger 0,1 μg/l kan inte helt uteslutas och be-hovet av skyddsavstånd till dessa bör bedömas från fall till fall