Environmental fate of herbicides: the application of mitigation measures and the role of conservation agriculture

Conservation agriculture can improve soil structure and increase water infiltration, thus reducing runoff and soil erosion. However, during the transition phase from conventional to conservation agriculture the soil can be prone to compaction. This could favor runoff and soil erosion, increasing the herbicides losses from the field. Buffer strips are considered an effective conservation practice to reduce herbicide runoff from cultivated fields owing to the ability of vegetation to delay surface runoff, promote infiltration, and adsorb herbicides. Among the most used herbicides there is glyphosate, for weed control of the seedbed, and terbuthylazine, S-metolachlor, and mesotrione, after seeding. They are among the most frequently found pesticides in surface waters and groundwater in Italy. Therefore, it is critical to study their environmental fate. Aminomethylphosphonic acid (AMPA) is the main metabolite of glyphosate. Several studies on the environmental fate of glyphosate and AMPA have been done, but there is a lack of information about the effect of the co-formulants contained in glyphosate-based formulations on its environmental behavior. To study the environmental fate of glyphosate and AMPA it is necessary to have a sensitive and reliable analytical method. Nevertheless, the analysis of glyphosate and AMPA in water and soil is challenging due to their polar character, low volatility, and low mass, and lack of chemical groups that could facilitate their detection. Given these premises, the overall aim of this PhD was to study the environmental fate of the above-mentioned herbicides, to evaluate the application of buffer strips as a mitigation measure, and to assess the role of conservation agriculture with regard to surface runoff and soil loss. Chapter 1 investigates the role of conservation agriculture in runoff and soil erosion processes during the transition period from conventional to conservation agriculture in comparison to a tilled field. Chapter 2 presents an analytical method for the determination of glyphosate and AMPA in water samples by using Ultra-High Performance Liquid Chromatography coupled with mass spectrometry (UHPLC-MS/MS). The method was applied to the glyphosate and AMPA analysis in runoff water to evaluate the efficacy of six m wide buffer strips in mitigating the runoff of these pollutants. Chapter 3 study the efficacy of different tupes of buffer strips in reducing runoff of terbuthylazine, S-metolachlor, and mesotrione from a non-tilled field during the transition period from conventional to conservation agriculture. Chapter 4 presents an analytical method for the determination of glyphosate and AMPA in soil samples by using UHPLC-MS/MS. The method was applied to evaluate the dissipation of glyphosate and the formation/dissipation of AMPA from a field managed with conservation agriculture compared to a conventionally managed field. Chapter 5 investigates the effect of soil texture and depth on the dissipation of terbuthylazine, S-metolachlor, and mesotrione. Chapter 6 examined the influence of sewage amendment on the dissipation of terbuthylazine and S-metolachlor in the soil. Chapter 7 investigate whether the presence of an alkyl polyglucoside based surfactant, Triton CG-110, has the potential to affect adsorption, leaching, and mineralization of glyphosate in three soils with different texture. With this thesis, insights have been gained about the environmental fate of these widely used herbicides, which can be important if we consider the widespread and recurrent use of these agrochemicals all over the world.

L’agricoltura conservativa può migliorare la struttura del suolo e aumentare l’infiltrazione dell’acqua, riducendo così il ruscellamento superficiale e l’erosione del suolo. Tuttavia, durante la fase di transizione dall’agricoltura convenzionale a quella conservativa, il suolo può essere soggetto a compattamento. Questo può favorire il ruscellamento superficiale e l’erosione del suolo, andando a incrementare le perdite di erbicida dal campo. Le fasce tampone sono considerate uno strumento efficace nel ridurre il ruscellamento di erbicidi, grazie alla capacità della vegetazione di ritardare il ruscellamento, favorire l’infiltrazione e adsorbire gli erbicidi. Tra gli erbicidi maggiormente utilizzati vi è il glifosate, per la pulizia del letto di semina, e la terbutilazina, l’S-metolaclor e il mesotrione dopo la semina. Essi sono tra i pesticidi più frequentemente trovati nelle acque superficiali e sotterranee in Italia. Per questo è di grande importanza studiare il loro destino ambientale. Il principale metabolita del glifosate è l’acido aminometilfosfonico (AMPA). Sono stati condotti diversi studi sul destino ambientale di glifosate e AMPA, ma le informazioni sull’effetto dei co-formulanti contenuti nei formulati a base di glifosate sul suo destino ambientale sono per il momento molto scarse. Per studiare il destino ambientale di glifosate e AMPA è necessario avere un metodo analitico sensibile e affidabile. Tuttavia, l’analisi di glifosate e AMPA in acqua e nel suolo è complessa per via del loro carattere polare, bassa volatilità, basso peso molecolare, e mancanza di gruppi chimici che potrebbero facilitare la rilevazione. Date queste premesse, lo scopo complessivo di questo PhD è stato di studiare il destino ambientale degli erbicidi sopra menzionati, di studiare l’applicazione delle fasce tampone come misura di mitigazione e di valutare il ruolo dell'agricoltura conservativa per quanto riguarda il ruscellamento superficiale e l’erosione del suolo. Il capitolo 1 studia il suolo dell’agricoltura conservativa nei processi di ruscellamento superficiale ed erosione del suolo durante il periodo di transizione. Il capitolo 2 presenta un metodo analitico per la determinazione di glifosate e AMPA in campioni acquosi usando la cromatografia liquida ad altissime prestazioni accoppiata con spettrometria di massa (UHPLC-MS/MS). Il metodo è stato applicato all’analisi di glifosate e AMPA in acqua di ruscellamento per valutare l’efficacia di una fascia tampone di sei metri nel ridurre il ruscellamenti di questi inquinanti. Il capitolo 3 studia l’efficacia di diversi tipi di fasce tampone nel ridurre il ruscellamento di terbutilazina, S-metolaclor e mesotrione da un campo non lavorato in transizione tra agricoltura convenzionale e conservativa. Il capitolo 4 presenta un metodo analitico per la determinazione di glifosate e AMPA nel suolo usando l’UHPLC-MS/MS. Il metodo è stato applicato allo studio della dissipazione di glifosate e della formazione e dissipazione di AMPA in un campo gestito con agricoltura conservativa in confronto con un campo convenzionale. Il capitolo 5 studia l’effetto della tessitura e della profondità del suolo sulla dissipazione di terbutilazina, S-metolaclor e mesotrione. Il capitolo 6 esamina l’influenza della fertilizzazione con liquame zootecnico sulla dissipazione di terbutilazina e S-metolaclor nel suolo. Il capitolo 7 indaga se la presenza di un surfattante alchilpoliglucosidico, Triton CG-110, può influenzare l’adsorbimento, la lisciviazione e la mineralizzazione del glifosate in tre suoli con differente tessitura. Con questa tesi, sono state acquisite informazioni sul destino ambientale di questi erbicidi ampiamente usati, che possono rivelarsi rilevanti se si considera l'uso diffuso e ricorrente di questi prodotti agrochimici in tutto il mondo.