Water Matters december 2017

Uitgave H2O Voorwoord 2 Met eDNA visstand bepalen 4 Diergeneesmiddelen in mest, bodem en water 8

WATER

MATTERS KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS December 2017

Antibiotica resistente bacteriĂŤn in stedelijk water 12 Emissies medicijnresten meten met passive sampling 16 Gewasrotatie en nitraatuitspoeling 20 KRW-doelen haalbaar met schone landbouw? 24 Speuren naar Leptospirosa 28 Verwerking zuiveringsslib goedkoper met kationen 32 Glasvezelkabel meet beektemperatuur 36

2

VOORWOORD

Water Matters: nieuwe inzichten op basis gedegen onderzoek Voor u ligt de zesde editie van Water Matters, het kennismagazine van vakblad H2O. U treft negen artikelen over uiteenlopende onderwerpen, geschreven door Nederlandse waterprofessionals op basis van gedegen onderzoek.

De redactieraad heeft uit de ingediende voorstellen een selectie gemaakt en daarbij met name gekeken naar een duidelijke relatie met de dagelijkse praktijk in de watersector. Voorts geldt als criterium dat onderzoek, resultaten en bevindingen nieuw moeten zijn. Opgeteld levert dat artikelen die nieuwe inzichten presenteren met uitzicht op praktische toepassing.

Ook in deze editie komt een breed scala aan onderwerpen aan bod: van de verspreiding van antibioticaresistente bacteriĂŤn in het oppervlaktewater in woonwijken tot een nieuwe methode om de visstand te bepalen: via DNA-sporen die vissen in het water achterlaten. Verder onder meer: watertemperatuur monitoren met glasvezelkabels en de rol van gewasrotatie bij het terugdringen van nitraatuitspoeling.

Water Matters is, net als vakblad H2O, een initiatief van Koninklijke Nederlands Waternetwerk (KNW), het onafhankelijke kennisnetwerk voor en door Nederlandse waterprofessionals. Leden van KNW krijgen Water Matters twee keer per jaar als bijlage bij hun vakblad H2O. De uitgave van Water Matters wordt mogelijk gemaakt door vooraanstaande spelers in de Nederlandse watersector. Deze Founding Partners zijn ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV, Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) en Wageningen Environmental Research (Alterra). Met de uitgave van Water Matters willen de participerende instellingen nieuwe, toepasbare waterkennis toegankelijk maken.

U kunt Water Matters ook digitaal lezen op H2O-online (www.h2owaternetwerk.nl). Daarnaast is deze uitgave als digitaal magazine ook in het Engels beschikbaar via dezelfde website of via www.h2o-watermatters.com.

De Engelstalige uitgave wordt mede mogelijk gemaakt door Netherlands Water Partnerschip (NWP), het netwerk van circa 200 samenwerkende (publieke en private) organisaties op het gebied van water.

De Engelstalige artikelen kunnen vanuit het digitale magazine op H2O-online worden gedeeld. Voorts zijn artikelen uit eerdere edities terug te vinden op de site. Op Twitter zijn we ook te volgen: @WaterMatters1.

Veel leesplezier met deze editie. Wilt u reageren? Laat het ons weten via redactie@h2owaternetwerk.nl Monique Bekkenutte Uitgever (Koninklijk Nederlands Netwerk) Huib de Vriend Voorzitter redactieraad Water Matters

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

INHOUD eDNA

KRW-doelen

De methode is goedkoop, diervriendelijk en geeft snel goede informatie.

Mogelijk voor zandgebieden wel, voor ­­kleien veengebieden extra maatregelen nodig.

Met eDNA visstand bepalen 4 COLOFON Water Matters is een uitgave van Koninklijk ­Nederlands Waternetwerk (KNW) en wordt mogelijk g ­ emaakt door ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Netherlands Water Partnership (NWP), Royal HaskoningDHV, de Stichting Toegepast Onderzoek Water­beheer (STOWA) en Wageningen Environmental Research (Alterra) UITGEVER Monique Bekkenutte (KNW) HOOFDREDACTEUR Bert Westenbrink Eindredactie Nico van der Wel REDACTIEADRES Koningskade 40 2596 AA Den Haag redactie@vakbladh2o REDACTIERAAD Huib de Vriend (voorzitter), Gertjan Medema, Paul Roeleveld, Arjan Borger, Jeroen Vervaart, Joachim Rozemeijer, Michelle Talsma VORMGEVER Ronald Koopmans DRUK Senefelder Misset, Doetinchem

Diergeneesmiddelen In

mestkelder, bodem en water 8

Vooral stoffen die persistent én mobiel zijn vormen een risico.

Antibioticaresistent Zitten

deze bacteriën in stedelijk water? 12

Ja, waarschijnlijk door foute aansluitingen van gescheiden riool.

Medicijnresten Hoe meet je emissies? 16 Passive sampling is een kosteneffectieve methode.

Nitraat uitspoeling

Het effect van gewasrotatie 20

Nitraatconcentratie onder maïspercelen flink hoger dan onder gras.

DECEMBER 2017

Helpt schone landbouw? 24

Leptospirose

Bron nauwkeurig in beeld 28

Met eDNA methode is goed onderbouwd beheer mogelijk.

Zuiveringsslib Kan de verwerking goedkoper? 32

Met kationen lager verbruik van flocculanten en betere ontwaterbaarheid.

Beek temperatuur

Bepalende factor ecologisch functioneren 36

Glasvezelkabels meten temperatuur continue.

3

4

WATER MATTERS

Foto Paul van Hoof

Foto Marco Beers, Brabantse Delta

Rivierdonderpad en (links) monstername

NL-VISPOPULATIESCAN: SNEL EN EFFICIËNT VISPOPULATIES IN KAART BRENGEN MET eDNA METABARCODING

AUTEURS

Recent is de NL-Vispopulatiescan ontwikkeld. Deze methode maakt het moge­lijk om met één analyse van DNA-sporen in het oppervlaktewater een ­volledige vispopulatie te detecteren. De eerste resultaten van monsters uit de Roer en een vergelijking met vangstgegevens uit een vistrap zijn veelbelovend.

Bart Wullings (KWR Water)

Dennis van der Pauw Kraan (KWR Water)

Edwin Kardinaal (KWR Water)

Michiel Hootsmans (KWR Water)

eDNA: alternatief voor traditionele vismonitoring Vanuit de Kaderrichtlijn Water (KRW) zijn waterbeheerders verplicht om de visstand periodiek te monitoren. Daarnaast worden onder meer vanuit Natura 2000 wetgeving ook visinventarisaties gedaan. Met traditionele inventarisatiemethoden, zoals elektrovissen en visserij met zegen en kuil (een soort sleepnetten), is het niet gemakkelijk om zeldzame of moeilijk vangbare soorten op te sporen. Bovendien zijn deze technieken arbeidsintensief (en daarmee kostbaar) en verstoren ze de vis en het habitat. Het aantonen van vissen op basis van “DNA-sporen” (environmental DNA of eDNA) in het water(milieu) is een alternatief.

Dit werd onderzocht in een samenwerkingsproject van KWR, de waterschappen Brabantse Delta, Limburg en Aa en Maas, ATKB, Witteveen+Bos en Baseclear eDNA en metabarcoding De eDNA methodiek is gebaseerd op het identificeren van DNA-sporen die levende organismen achterlaten in het milieu. eDNA in het water is vooral afkomstig van uitwerpselen, slijm en huid of schubben. Deze DNA-sporen verspreiden zich in het water en worden langzaam en afhankelijk van o.a. de watertemperatuur in ongeveer twee weken afgebroken. In stilstaand water zal DNA zich maar weinig verplaatsen, maar in stromend water zal het zich verspreiden en zo verder verdunnen. Om het eDNA van alle vissoorten in een watermonster te “vangen” is een goede bemonsteringsstrategie noodzakelijk. Zo’n strategie heeft oog

5

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

0 basenparen verschil Grote Marene -Hou�ng Bronforel-Beekforel-Zeeforel

1 basepaar verschil Giebel-Goudvis

2 basenparen verschil Snoekbaars – Baars Beekdonderpad –Rivierdonderpad Zalm-Grote Marene Winde-Serpeling

3 basenparen verschil Ruisvoorn-Alver Alver-Kolblei Zilverkarper-Grootkopkarper Kroeskarper-Giebel Kroeskarper-Goudvis

Tabel 1: Verschillen in DNA van de geanalyseerde “barcode” tussen de meest verwante Nederlandse vissoorten.

van Nederlandse zoetwatervissen. Het hier beschreven onderzoek is het eerste resultaat van een uitgebreide studie.

voor alle ecologisch verschillende leefgebieden in een plas of riviervak. Bemonstering moet op de juiste diepte, de juiste afstand van de oever en op meerdere plaatsen in het water plaatsvinden.

Kwaliteitscontrole van de metabarcoding De kwaliteit van elke run van de NL-Vispopulatiescan is “geijkt” met een speciaal watermonster, een “Mock gemeenschap”. Dit is een kunstmatig monster met daarin het DNA van 16 verschillende vissoorten.

Dit monster wordt in elke analyse meegenomen om de procedure van DNA-vermenigvuldiging tot aan de identificatie te verifiëren. Ook de g ­ evoeligheid van de methode is geanalyseerd. Het DNA van e ­ nkele van de vissoorten in de Mock test is in zeer lage concentratie toegevoegd. Uit de resultaten van de Mock monsters blijkt dat alle gekozen vissoorten zijn gedetecteerd. De hoeveelheden van de geïdentificeerde DNA-fragmenten komt zeer goed overeen met de ­starthoeveelheden (zie figuur 1). Ook “sporen” van 5 tot 10 DNA-kopieën zijn bij alle Mock monsters gedetecteerd. De metabarcoding analyse doorstond deze Mock test dus met glans.

Met de in dit onderzoek ontwikkelde metabarcoding analyse worden de aanwezige vissoorten geïdenti­ ficeerd op basis van hun unieke DNA-code. Hiervoor is een kort DNA-fragment van ongeveer 110 bouw­ stenen van het 16S rRNA gen geselecteerd (regio 42’ tot 45’ van het 16S rRNA gen van vissen (uit Satoh et al. BMC Genomics (2016) 17:719)). Dit gen is aanwezig in de mitochondriën van vissen. De samenstelling van dit stukje DNA is uniek voor vrijwel elke vissoort, en kan zo fungeren als unieke “barcode”. Alleen bij zeer verwante vissoorten zijn de verschillen gering of afwezig, zoals bij forellen en Grote marene/Houting (tabel 1). Met specifieke DNA-technieken worden in alle monsters alleen deze stukjes DNA selectief vermenigvuldigd en vervolgens geanalyseerd met next-generation sequentieanalyse (NGS). In samenwerking met Baseclear is de DNA-volgorde van al deze fragmenten vergeleken met DNA “barcodes”

100%

90%

Baars

80%

Beekforel Bermpje

70%

Blankvoorn

Drie doornige stekelbaars 60%

Karper Kesslers grondel Kleine modderkruiper

50%

Kwabaal Meerval

40%

Pon�sche stroomgrondel Snoek

30%

Snoekbaars Spiering Zalm

20%

Zonnebaars

10%

0%

Calc.

H1

H2

DECEMBER 2017

Calc.

A1

A2

Calc.

B1

B2

Calc.

C1

C2

Figuur 1: Percentage van de geïdentificeerde DNA-fragmenten in de verschillende metabarcoding analyses van de Mock monsters (serie H, A, B en C). Deze series verschillen in de aantallen DNA-fragmenten die van elke vissoort zijn toegevoegd. Serie H is samengesteld uit DNA van 16 vissoorten. In serie A, B en C zijn van de vissoorten Baars, Blankvoorn, Karper, Pontische stroomgrondel, Driedoornige stekelbaars, Snoek, Kwabaal en Meerval resp. 100 (A), 10 (B) en 5 (C) DNA kopieën toegevoegd. Van de overige vissoorten is het aantal DNA-fragmenten in de serie A,B en C gelijk aan dat in serie H. In de kolom “Calc.” wordt het percentage weergegeven van het DNA van de vissoort dat in de betreffende Mock is toegevoegd en steeds in de twee daarop volgende kolommen (1 resp. 2) het percentage dat met de metabarcoding in duplo is gemeten.

Met eDNA visstand bepalen

4

6

WATER MATTERS

Soort Alver Baars Barbeel Beekdonderpad Beekforel/Zeeforel/Bronforel Bermpje Bittervoorn Blankvoorn Blauwband Brasem Donaubrasem Drie doornige stekelbaars Elrits Gestippelde alver Giebel/Goudvis Goudvis Grote marene Karper Kesslers grondel Kleine modderkruiper Kolbei Kopvoorn Marmergrondel Meerval Paling Pos Ruisvoorn Rivierdonderpad Riviergrondel Rivierprik c Roofblei Serpeling Siberische steurc Sneep Snoek Snoekbaars Tien doornige stekelbaars Vetje Vlagzalm Winde Zalm Zeelt Zeeprikc Zonnebaars Zwartbek grondel Aantal soorten

OROER905 0,82 10,07 6,70 0,36 0,30 5,09

OROER715 1,27 21,51 9,69 0,93 0,54 1,10

OROER550 0,65 19,57 9,17 3,85 0,87

Stroomopwaards OROER520 1,28 15,59 24,77 0,75

OROER440 4,14 18,51 23,11 1,04 0,23 0,36

OROER312 0,27 7,53 18,90 3,67 0,42 1,06

OROER195 0,23 9,48 34,33 1,03

2,39

2,39

1,15

2,57

13,52

4,18 0,06 4,97

0,36 0,70 2,70

15,56

5,59

5,75

7,29

1,05

1,51

5,01

7,57

3,94

4,35

8,11

2,75

0,06

0,40

0,10 0,33

0,81

3,67 0,72

14,51

5,83

1,96

4,66

10,97

4,72

6,02

5,21

11,00

11,38

10,14

0,17 14,74

24,93

1,14 4,79 8,09

1,99 8,92 0,63

1,98 0,88

0,79 1,12

1,24 3,26 0,09

1,52 3,17 0,15

0,21 0,45 0,25

3,63 3,20

2,45 6,60

1,72 6,72

3,43 15,21

2,79 6,34

4,00 6,06

1,62 7,13

2,77

2,21

6,01

2,71

8,08

5,67

4,91

0,83 5,20

0,73 0,37

0,38 1,11

0,36 0,91

0,45 0,57

0,81 0,88 0,20

0,20 0,11 0,15

0,46 0,95 0,17

1,20 0,09

2,47 0,35

0,47 3,68 26

0,10 0,32 24

0,08 0,37

0,55 20,67 22

0,50

0,26 0,31

0,16 1,08 5,26 26

1,37 2,66 21

DNA tot

2,04

0,45 0,56

0,04 0,33 0,06 26

0,63 0,19 23

34

ECI 2009-2014 3016 72574 754 542a 192+406+374b 6 6 15195 79 11019 7 34 36 91 1 1 33 6 1 192 272 382 48 3793 3353 362 542a 135 140 81 1125 12 116 96 816 3 9 6 116 8235 85 64 120 2408 45

Figuur 2: Geïdentificeerde vissoorten op verschillende locaties langs de Roer bij waterschap Limburg vergeleken met het aantal gevangen individuen per soort in de periode 2009-2014 bij de ECI stuw te Roermond a. In het ECI onderzoek is geen onderscheid gemaakt tussen de twee moeilijk van elkaar te onderscheiden donderpadden; b. De verschillende forellen behoren tot één soort; c. Deze soorten zijn niet geanalyseerd in de metabarcoding analyse.

Praktijkresultaten De NL-Vispopulatiescan is toegepast bij de drie deelnemende waterschappen op verschillende locaties, en vooral in stromende wateren. Voor de bemonstering is een werkvoorschrift opgesteld voor zwak- en snel stromende waterlopen. De eerste resultaten van monsters uit de Roer zijn nu beschikbaar. De resul­ taten van de overige locaties en een vergelijking met de inventarisatie volgens de traditionele, gestandaardiseerde KRW methode presenteren we in een ver­ volgartikel (in een volgende editie van Water Matters).

Voor Waterschap Limburg zijn op één dag op zeven locaties in de Roer monsters genomen (zie figuur 2).

In totaal zijn in de zeven eDNA-analyses 33 verschillende vissoorten gedetecteerd. Vervolgens zijn de geïdentificeerde vissoorten vergeleken met de

vangstgegevens van de vistrap bij de ECI centrale in de Roer bij Roermond. In 5 jaar zijn hier 45 vissoorten aangetroffen. Met deze eendaagse metabarcoding ­bemonstering zijn slechts acht vissoorten minder aangetroffen dan in de vijf jaar onderzoeksperiode bij de ECI vistrap (NB steuren en prikken zijn niet meegenomen in de eDNA-analyse). Met de metabarcoding is in één watermonster de Gestippelde alver aangetoond. Die is niet bij de ECI gevangen, maar wel aangetoond bij KRW-visstandbemonsteringen in de Roer.

Voor vissoorten zoals de Alver, Baars, Blankvoorn, Brasem, Paling, Pos, Serpeling en Zwartbekgrondel komt het beeld van de vangsten bij de ECI (>1.000 individuen) overeen met het beeld in de metabarcoding analyse. Er was een aanmerkelijk verschil tussen de visvangsten van de Zalm en de DNA-analyse. Dit

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

kan komen door het trekgedrag van deze vissoort, waardoor deze alleen in bepaalde perioden van het jaar aanwezig is. Om beter inzicht te krijgen in de volledigheid en betrouwbaarheid van de metabarcoding analyse zullen de resultaten in een later stadium uitgebreid worden vergeleken met de vissoorten die met de KRW methode zijn gevonden.

bureau Witteveen+Bos, Genomic services Baseclear en KWR Watercycle Research Institute. Financiering kwam mede uit de Toeslag voor Topconsortia voor Kennis en Innovatie (TKI's) van het ministerie van Economische Zaken (Topsector Water). Naturalis en Sportvisserij Nederland hebben bijgedragen aan het tot stand komen van de vissenbarcode database.

Conclusies • Een goed werkvoorschrift voor de bemonstering van waterlopen voor eDNA analyse is essentieel; • De 16S barcode van de NL-vispopulatiescan heeft een zeer groot onderscheidend vermogen voor vrijwel alle in Nederland voorkomende zoetwatervissen; • De next-generation sequentieanalyse (NGS) is ­gevalideerd: de methodiek is reproduceerbaar en zeer gevoelig (≥5 DNA-kopieën/monster); • Een Mock test is een waardevolle toevoeging waarmee de betrouwbaarheid van de analyses kan worden vastgesteld; • In de Roer zijn op één dag zeven watermonsters ­genomen en geanalyseerd met de metabarcoding methodiek. In de monsters zijn 33 van de 45 vissoorten aangetoond zoals die in 5 jaar onderzoek bij de ECI stuw zijn gevangen. Eén soort, de Gestippelde alver, is wel aangetoond met de metabarcoding analyse en niet gevangen bij de ECI stuw; • Een vergelijking tussen de resultaten van de meta­ barcoding analyse en de aanwezige vissoorten ­volgens traditionele KRW-bemonsteringen moet nog uitgevoerd worden. Rapportage daarover volgt later.

• De NL-vispopulatiescan is een geavanceerde ­methodiek waarmee relatief snel en kosteneffectief de soortensamenstelling van de visstand valt te ­bepalen. Voor routinematige toepassing zou een norm moeten worden opgesteld waarin criteria worden vastgelegd waaraan een metabarcoding methode moet voldoen. Een Mock test moet in elke analyse worden meegenomen.

Bart Wullings Dennis van der Pauw Kraan Edwin Kardinaal Michiel Hootsmans (KWR Water)

In dit project is samengewerkt door de waterschappen Limburg, Aa en Maas en Brabantse Delta, ­Milieuadviesbureau ATKB, Advies- en ingenieurs­

DECEMBER 2017

SAMENVATTING Waterbeheerders moeten periodiek de toestand van hun visbestand bepalen, bijvoorbeeld voor de Kaderrichtlijn Water (KRW). Afhankelijk van het watertype bepalen ze, naast de soortensamenstelling, aantallen of biomassa gegevens.

Nieuwe methoden die zich richten op de aan­ wezigheid van eDNA (sporen) zijn een goedkoop en diervriendelijk alternatief ten opzichte van ­traditionele visstandbemonstering en mogelijk ook betrouwbaarder door een hogere detectiekans. Voor monitoring van de soortensamenstelling van een vispopulatie is een nieuwe eDNA ­metabarcoding ontwikkeld, de NL-Vispopulatiescan. De methode is gevalideerd en er is een ­waterbemonsteringsprotocol opgesteld. De eerste resultaten laten zien dat in de geanalyseerde wateren met deze metabarcoding een grote diversiteit aan vissoorten is aangetoond.

Met eDNA visstand bepalen

7

8

WATER MATTERS

Shutterstock

AUTEURS

Joost Lahr en Louise Wipfler (Wageningen Environmental Research, Wageningen University & Research (WUR)

Diergeneesmiddelen die persistent én mobiel zijn, kunnen na bemesting in de sloot terechtkomen.

Nico Bondt en Tanja de Koeijer (Wageningen Economic Research, WUR)

Bjorn Berendsen (RIKILT, WUR)

Leo van Overbeek (Wageningen Plant Research, WUR)

Paul Hoeksma (Wageningen Live­stock Research, WUR)

Dik Mevius (Wageningen Bio­ veterinary Research, WUR)

AANZET TOT MILIEUPRIORITERING VAN DIERGENEESMIDDELEN UIT DIERLIJKE MEST In Nederland wordt dierlijke mest uit de intensieve veehouderij op grote schaal uitgereden op akkers en grasland. Deze mest kan resten bevatten van diergeneesmiddelen die aan landbouwhuisdieren zijn gegeven. Sommige van deze stoffen worden steeds vaker in grondwater en oppervlaktewater gevonden. Beleidsmakers en bodem- en waterbeheerders willen daarom graag meer inzicht in de waarschijnlijkheid dat diergeneesmiddelen in het milieu terecht komen.

9

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Tabel 1 Criteria voor karakterisering van het milieugedrag van diergeneesmiddelen.

1

Fractie van de hoeveelheid werkzame stof die na 24 dagen nog in de mest aanwezig is

Diergeneesmiddelen in mest, bodem en water

Wij hebben daarom een oriënterende studie uitgevoerd naar twee sectoren in de Nederlandse intensieve veehouderij, de varkens- en de kalverhouderij.

In beide sectoren wordt de mest van dieren die op stal staan opgevangen in mestkelders en vanaf het vroege voorjaar uitgereden op akkers en graslanden.

De studie richtte zich alleen op het milieugedrag van diergeneesmiddelen en niet op de eventuele risico’s voor de gezondheid van mensen en het ecosysteem.

Hoeveel werkzame stoffen uit de toegediende dier­ geneesmiddelen in het milieu terechtkomen hangt onder andere af van het gebruik, de persistentie tijdens de mestopslag en het gedrag in de bodem (met name persistentie en mobiliteit). Persistentie is de mate waarin een middel aanwezig blijft zonder af te breken of anderszins te verdwijnen. Mobiliteit betreft de kans dat stoffen uitspoelen naar grond- en oppervlaktewater.

Methodiek Het onderzoek richtte zich op de 20 meest gebruikte antibiotica en antiparasitaire middelen in de intensieve varkens- en kalverhouderij. Van deze middelen hebben wij van de jaren 2012-2014 voor varkens en van 2015 voor kalveren landelijke verbruiksgegevens verzameld uit het Bedrijveninformatienet van WUR en rapporten van de Autoriteit Diergeneesmiddelen (SDa). Om de werkzame stoffen uit de middelen in te delen hebben wij de volgende verbruiksklassen gehanteerd: • meer dan 10.000 kilogram werkzame stof/jaar • 5000-10.000 kg w.s./jr.

• 1000-5000 kg w.s./jr.

• Minder dan 1000 kg w.s./jr.

DECEMBER 2017

De afbraak in drijfmest van een aantal belangrijke ­antibiotica en antiparasitica is experimenteel bepaald in reageerbuizen waarin de omstandigheden in mestkelders werden gesimuleerd (onderzoek van het RIKILT). Wij hebben het resterende percentage werkzame stof aan het einde van deze experimenten gebruikt als indicatie voor de persistentie in mest (Tabel 1).

Informatie over de afbraaksnelheid en mobiliteit in de bodem werd gevonden in openbare literatuur.

De afbraaksnelheid is gekarakteriseerd met de halfwaardetijd (DT50), de tijd die nodig is om 50 procent van de werkzame stof in de bodem te doen verdwijnen. Voor de mobiliteit is de verdelingscoëfficiënt tussen water en organisch koolstof (Koc) gebruikt.

Deze wordt berekend door in een evenwichtssituatie te bepalen hoeveel van de stof is gebonden aan organisch koolstof in de bodem en deze fractie te delen door de fractie die opgelost is in het poriewater. De DT50 en de verdelingscoëfficient zijn geclassificeerd volgens een bestaande indeling van de University of Hertfordshire (Groot Brittannië), zie Tabel 1.

Resultaten De informatie over de 20 werkzame stoffen is ­samengevat in Tabel 2. Het eerste dat opvalt is dat de informatie niet compleet is. Voor ongeveer de helft van de 20 werkzame stoffen ontbreken één of meer parameters.

Werkzame stoffen die enigszins stabiel zijn in mest en bodem en een hoge mobiliteit vertonen, hebben een grotere kans om uit te spoelen naar grond- en oppervlaktewater. Dit geldt vooral voor de sulfonamiden (sulfamethoxazol en sulfadiazine) en trimethoprim.

8

10

WATER MATTERS

Tabel 2 Classificatie van gebruik, persistentie in mest, persistentie in de bodem en mobiliteit in de bodem voor 20 in Nederland veel toegepaste diergeneesmiddelen in de intensieve varkens- en kalverhouderij. De intensiteit van de gebruikte kleuren duiden hoge waardes voor de betreffende eigenschappen aan.

1

zie overzicht in rapport van ter Laak e.a. (2017)

2

geschat uit literatuur, geen eigen meting

3

deze verschillende stoffen zijn hier tezamen gepresenteerd omdat de

Op basis van persistentie in de bodem en hoge mobi­ liteit zou ook florfenicol in grond- en oppervlakte­ water terecht kunnen komen, maar de persistentie van deze stof in mest is onbekend.

Een recent overzicht van het voorkomen van diergeneesmiddelen in verschillende soorten water geeft een indicatie in welke mate onze voorspellingen kloppen (Tabel 2). Hieruit blijkt dat s­ ulfamethoxazol, sulfadiazine en trimethoprim inderdaad in de water­ keten voorkomen, maar voor trimethoprim en sulfamethoxazol komt dit waarschijnlijk mede door ­humaan gebruik. Daarnaast zijn, tegen de verwachting in, ook oxytetracycline en flumequine uit dieren in lage concentraties aangetroffen in oppervlaktewater en is amoxicilline gevonden in drinkwater gemaakt van grondwater. Van de antiparasitaire middelen is levamisol aangetroffen in afvalwater, maar dit betrof waarschijnlijk humaan gebruik.

Er zijn ook stoffen die naar verwachting wel in de ­bodem en niet in het grondwater van bemeste percelen voorkomen. Deze stoffen zijn persistent en weinig mobiel in de bodem. Voorbeelden zijn de antibiotica oxytetracycline, tilmicosin en flumequine en het antiparasitaire middel ivermectine (Tabel 2).

De fluorchinolonen enro- en marbofloxacine zijn immobiel, maar er zijn geen gegevens over de

­ ersistentie in de bodem. p De penicillines worden zeer weinig aangetroffen. Zij hydrolyseren zeer snel in mest en worden ook in de bodem goed afgebroken.

verbruiksgegevens alleen in combinatie beschikbaar zijn (de persistentie in mest is nagenoeg identiek voor beide stoffen) 4

gebruik aanzienlijk maar niet gekwantificeerd

Betekenis van de resultaten De benadering in onze studie is relatief eenvoudig en semi-kwalitatief. Er zijn dan ook kanttekeningen te plaatsen bij de uitkomsten. Allereerst hebben wij, in de keten van dier naar milieu, geen rekening gehouden met de omzetting in het lichaam van de dieren.

We weten echter dat voor veel antibiotica metabo­ lieten nauwelijks een rol spelen. Ze worden bijna niet gevormd of ze zijn niet actief. Een ander punt is dat bodems verschillen: in zandgronden treedt uitspoeling sneller op dan in klei; daar zal eerder oppervlakkige afspoeling naar sloten optreden of afvoer via drainpijpen. Verder zal het diergeneesmiddelen­ gebruik in beide sectoren veranderen in de tijd.

De hier geschetste prioritering is dan ook indicatief.

Bij voldoende beschikbare stofgegevens kan het gedrag worden gesimuleerd met lotgevallenmodellen om de concentraties van diergeneesmiddelen in ­bodem, grondwater en oppervlaktewater te voorspellen. Onze studie wees echter uit dat voor veel ­diergeneesmiddelen publieke gegevens over het

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

milieugedrag ontbreken. Deze cruciale kennislacune wordt ook in andere publicaties gesignaleerd. Een belangrijke aanbeveling is daarom om vooral meer gegevens over de milieueigenschappen van diergeneesmiddelen te genereren en/of openbaar te maken.

Er vindt tegenwoordig steeds meer mestverwerking plaats waardoor er minder drijfmest direct op het land terechtkomt. Er wordt op dit moment meer ­varkensmest dan kalvermest verwerkt. Wel wordt van de geproduceerde kalvermest een groter deel verwerkt (ongeveer een kwart) dan van de varkensmest (ongeveer een tiende). Naar de mestverwerking en de afzet van de verwerkingsproducten is hier niet gekeken. In de toekomst zal dit zeker een punt van aandacht moeten zijn.

Als laatste willen we benadrukken dat in onze studie alleen is gekeken naar de kans op aantreffen van diergeneesmiddelen in het milieu. Evaluatie van de mogelijke effecten op de gezondheid van mensen en van de ecologische risico’s zal waarschijnlijk tot aanpassing van de prioritering leiden. Van ­ivermectine is bijvoorbeeld bekend dat het zeer toxisch is voor waterorganismen. Hierdoor zou deze stof, ondanks de geringe kans op uitspoeling, toch effecten in oppervlaktewater kunnen hebben. Ivermectine is daarom mogelijk toch relevant voor het waterbeheer.

Ondanks de beperkingen menen wij dat ons overzicht een nuttige eerste aanzet tot prioritering is. Stoffen als sulfamethoxazol, sulfadiazine, trimethoprim en mogelijk ook florfenicol zijn relevant voor drinkwater­ bescherming en oppervlaktewaterkwaliteit. Dit zijn daarom belangrijke stoffen voor ­drinkwaterbedrijven en waterschappen om te monitoren en om de risico’s van in kaart te brengen. Daarnaast kunnen de anti­biotica oxytetracycline (en waarschijnlijk ook doxycycline), tilmicosin, flumequine, enrofloxacine en marbofloxacine en het antiparasiticum ivermectine mogelijk met drijfmest in de bodem terechtkomen.

De meest persistente stoffen uit deze groep kunnen misschien zelfs ophopen in de bodem en terrestrische voedselketens bereiken (bijvoorbeeld via bodemdieren). Wij bevelen daarom nader onderzoek door de bodemsector en de agrarische sector aan, naar de verspreiding en risico’s van ook deze stoffen.

DECEMBER 2017

Joost Lahr Louise Wipfler (Wageningen Environmental Research, Wageningen University & Research (WUR) Nico Bondt Tanja de Koeijer (Wageningen Economic Research, WUR) Bjorn Berendsen (RIKILT, WUR) Paul Hoeksma (Wageningen Livestock Research, WUR) Leo van Overbeek (Wageningen Plant Research, WUR) Dik Mevius (Wageningen Bioveterinary Research, WUR) Bronnen Bedrijveninformatienet (BIN) http://www.wur.nl/nl/ExpertisesDienstverlening/Onderzoeksinstituten/Economic-Research/ Data-Insights/Bedrijveninformatienet.htm SDa Autoriteit Diergeneesmiddelen. Diverse rapportages. http://www.autoriteitdiergeneesmiddelen.nl/nl/sda-rapportages Ter Laak, T., R. Sjerps & S. Kools, 2017. Quick-scan diergeneesmiddelen in de waterketen. Rapport 2017.037, KWR Water Cycle Research Institute, Nieuwengein, 47p.

University of Hertfordshire, 2017. The University of ­Hertfordshire Agricultural Substances Database Background and ­Support Information, version: September 2017, The University of ­Hertfordshire, Groot-Brittannië.

SAMENVATTING De toepassing van drijfmest op akkers en grasland kan leiden tot verspreiding van diergeneesmiddelen naar bodem, grondwater en oppervlaktewater. Voor de 20 meest gebruikte antibiotica en ­antiparasitica in twee Nederlandse veehouderijsectoren, de intensieve varkens- en de kalverhouderij, hebben wij gebruiksgegevens en stofeigenschappen ­verzameld, zowel door middel van eigen metingen als uit de openbare literatuur. Met deze gegevens is voor deze stoffen de kans om de periode van mestopslag te overleven en vervolgens - na toepassing op het land - de kans op uitspoeling naar grond- en opper­ vlaktewater en persistentie in de bodem beoordeeld.

11

Diergeneesmiddelen in mest, bodem en water

12

WATER MATTERS

Monstername op een plek waar het hemelwaterstelsel op de sloot loost.

Nog net zichtbaar is een ‘pluim’ met vervuiling die naar rechts afbuigt.

AUTEURS

Hetty Blaak en Heike Schmitt (RIVM)

Rémy Schilperoort en Jeroen Langeveld (Partners4UrbanWater)

Bert Palsma (STOWA)

ANTIBIOTICARESISTENTE BACTERIËN IN STEDELIJK OPPERVLAKTEWATER EN DE ROL VAN FOUTAANSLUITINGEN Antibioticaresistente (ABR) bacteriën zijn wereldwijd een opkomend probleem.

Infecties bij de mens met deze bacteriën zijn vaak moeilijk te behandelen.

Mensen kunnen op verschillende manieren zulke bacteriën oplopen, bijvoorbeeld in ziekenhuizen, via landbouwhuisdieren of door het eten van vlees. ABR bacteriën kunnen echter ook in het oppervlaktewater voorkomen.

Dit artikel beschrijft de resultaten van onderzoek naar antibioticaresistente bacteriën in klein stedelijk oppervlaktewater en de mogelijke rol van foutaansluitingen van het riool.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

13

Tabel 1: Jaarlijks in Nederland geloosde volumes, concentraties en aantallen E.coli en ESBL-producerende E.coli via drie transmissieroutes van afvalwater naar oppervlaktewater (kve = kolonievormende eenheden, ofwel aantallen bacteriën)

* STOWA-RIONED, 2017 ** Emissieregistratie, 2017

Watergebonden blootstelling Eerder onderzoek heeft laten zien dat antibioticaresistente darmbacteriën veel voorkomen in grote oppervlaktewateren in Nederland. Blootstelling kan ontstaan bij recreatie (zwemmen, kanoën, etc.) of door irrigatie van gewassen (bestemd voor menselijke consumptie). De ABR darmbacteriën in het oppervlaktewater zijn afkomstig uit menselijke en dierlijke uitwerpselen. De afvalwaterketen speelt hierin waarschijnlijk een belangrijke rol. Daarbij kan het gaan om het gezuiverde effluent van rioolwaterzuiveringen (rwzi) en om verdund rioolwater dat bij zware neerslag via gemengde overstorten in het oppervlakte­ water terechtkomt. Een schatting gebaseerd op ­recent onderzoek laat zien dat de rioolwaterzuiveringen jaarlijks het grootste aantal normale, niet-resistente E.coli bacteriën lozen op het oppervlaktewater (1017-1019 kve, zie tabel 1). De hoeveelheid E.coli geloosd via de gemengde overstorten is echter niet veel kleiner (1017-1018 kve – kve betekent ‘­kolonievormende eenheden’, een maat voor aantallen bacteriën).

Ongeveer 1 procent van deze E.coli populaties betreft de antibioticaresistente variant ESBL-EC (ESBL-­ producerende E. coli). Beide routes brengen ongeveer evenveel bacteriën in het oppervlaktewater terwijl rw-

zi’s ruim vijf keer zoveel water lozen. De concen­tratie van bacteriën in water uit gemengde overstorten is dan ook veel hoger dan in rwzi-effluent.

Foutaansluitingen Antibiotica resistente bacteriën Een relatief onbekende bron van ABR in het opperin stedelijk water vlaktewater zijn foutaansluitingen bij gescheiden riolering. Door een omgewisselde huisaansluiting kan huishoudelijk afvalwater uit een woning in het hemelwaterriool terecht komen. Het hemelwaterriool loost dit afvalwater dan ongezuiverd op het oppervlaktewater. Een schatting leert dat circa 2 procent van de aansluitingen op de hemelwater­ riolering in Nederland foutief zijn. Daarmee wordt het afvalwater van circa 60.000 inwoners ongezuiverd op ­oppervlaktewater geloosd (op jaarbasis 2,7 miljoen m3). Met een totaal E.coli-gehalte in ruw en ­onverdund afvalwater in de range van 108-109 kve per liter is het geschatte aantal bacteriën dat zo in het oppervlaktewater terechtkomt vergelijkbaar met dat van rwzi effluent en gemengde overstorten, zie tabel 1. Daarmee lijken foutaansluitingen - in ieder geval in theorie - een belangrijke route van bacteriën naar Nederlands oppervlaktewater.

12

Figuur 1: Monsternamelocaties X1 t/m X15 in systeem X (links) en Y1 t/m Y5 in systeem Y (rechts)

DECEMBER 2017

14

WATER MATTERS

Figuur 2: Analyseresultaten van locaties Y1 t/m Y5 met in groen E.coli en ESBLproducerende E.coli en in rood Enterococcus spp. en ampiciline resistente Enterococcus (ARE). De lichtere kleuren geven de concentraties resistente bacteriën weer

Opzet onderzoek In dit onderzoek is gekeken of foutaansluitingen in de praktijk kunnen leiden tot de aanwezigheid van ABR bacteriën in oppervlaktewater. In totaal zijn vijf watersystemen in Nederland onderzocht. Dit artikel presenteert de resultaten van twee watersystemen: X en Y. In watersysteem X zijn op 15 locaties (X1 t/m X15) monsters genomen, zie figuur 1 (links). Het systeem is hydrologisch nagenoeg geïsoleerd en ligt in een relatief groot bemalingsgebied (ruim 2300 h ­ ectare) met veel woonwijken, enkele winkelgebieden en bedrijventerreinen. De bemonsteringslocaties zijn willekeurig gekozen, maar wel gelijkmatig verspreid over het gebied. In het gebied is alleen gescheiden riolering aangelegd. De hemelwateruitlaten lozen op het oppervlaktewater.

In watersysteem Y zijn op 5 locaties (Y1 t/m Y5) monsters genomen uit een serie onderling verbonden vijvers in een woonwijk, zie figuur 1 (rechts). De wijk is circa 70 hectare groot en oorspronkelijk uitgerust met een verbeterd gescheiden stelsel dat sinds ­enkele jaren functioneert als normaal gescheiden rioolstelsel. De hemelwateruitlaten lozen op de vijvers. De monsters zijn genomen direct nabij de hemelwateruitlaten. De vijvers hebben verder geen bovenstroomse aanvoer.

Voor beide watersystemen geldt dat er geen rwzi ­effluent op wordt geloosd, noch water vanuit gemengde overstorten. Ook wordt in beide gebieden geen

­ ater aangevoerd vanuit bovenstroomse agrarische w gebieden. Hiermee zijn deze drie mogelijke bronnen van ABR bacteriën uitgesloten. In beide gebieden zijn alle locaties tweemaal bemonsterd: één keer in een droge periode en één keer in een periode met veel neerslag. De monsters zijn geanalyseerd op de darmbacteriën Escherichia coli (E.coli) en Entero­ coccus spp. Ook is geanalyseerd op ABR-varianten: ESBL-producerende Escherichia coli (ESBL-EC) en ­Ampiciline-resistente Enterococcus faecium (ARE).

Deze twee ABR varianten zorgen geregeld voor problemen in ziekenhuizen.

Analyseresultaten Figuur 2 toont de analyseresultaten voor systeem Y. In alle 10 monsters van het oppervlaktewater zijn E.coli en Enterococcen aangetroffen. Op locaties Y2, Y3 en Y4 zijn concentraties totaal E.coli tot ruim boven 104 kve per liter aangetroffen. Dat zijn vrij hoge concentraties die in zwemwater van ‘goede kwaliteit’ ­alleen incidenteel voor mogen komen. Van een ­duidelijk verschil tussen droog- en regenweer was geen sprake: bij droogweer werden iets meer bacteriën gevonden. In alle 10 monsters zijn ­ESBL-EC aangetroffen en in 5 van de 10 monsters ARE. De aantallen resistente bacteriën per liter water ­varieerden enorm (van 1 tot ruim 105 kve). Ook voor de ABR bacteriën verschilden de resultaten van de droogweermonsters niet duidelijk van die van de regenweermonsters. Monsters genomen op locatie Y4 bevatten consistent de hoogste aantallen (resistente) bacteriën.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

De resultaten in systeem X vertoonden wél een duidelijk onderscheid tussen droog- en regenweer: bij regenweer lagen de concentraties E.coli (103-106) fors hoger dan bij droogweer (102-103). Hetzelfde ging op voor de concentraties Enterococcus spp.

Veel monsters bevatten tevens resistente bacteriën: 17 van de 30 (57%) monsters ESBL-EC en 11 van de 30 (37%) monsters ARE. Net als bij de gewone E.coli en ­Enterococcus is het leeuwendeel van de resistente bacteriën aangetroffen in de monsters verzameld tijdens regenweer. De concentraties ABR bacteriën lagen in de range 1-1000 kve/l.

Discussie en conclusies Op het moment van monstername waren twee typen antibioticaresistente bacteriën alom aanwezig in het onderzochte stedelijk oppervlaktewater. Deze bacteriën konden niet afkomstig zijn uit rwzi effluent of uit gemengde overstorten noch uit de aanvoer van besmet water uit agrarisch gebied. Wél mogelijk is dat de ABR bacteriën (deels) afkomstig waren uit huishoudelijk afvalwater dat door foutaansluitingen ongezuiverd via het hemelwaterstelsel op het oppervlakte­ water is geloosd. De beheerder van het rioolstelsel dat loost op systeem Y heeft ‘aanwijzingen’ dat nabij de bemonsteringlocaties (vooral locatie Y4) foutaansluitingen in het rioolstelsel voorkomen. ­Dergelijke aanwijzingen zijn er niet voor systeem X. Wel ­werden in systeem X méér bacteriën gevonden tijdens neerslag dan tijdens droogweer. Dit suggereert dat ook hier het voorkomen van resistente bacteriën in het oppervlaktewater samenhangt met de uitstroom uit de hemelwaterstelsels. Voor beide systemen (X en Y) geldt dat dierlijke uitwerpselen ook een mogelijke bron van ABR bacteriën kunnen zijn. Voorbeelden zijn de afspoeling van hondenpoep en (vooral in systeem Y) de aanwezigheid van watervogels.

Hoewel foutaansluitingen op de locaties X en Y de meest waarschijnlijke bron van antibioticaresistente bacteriën in het oppervlaktewater zijn, is dat in dit onderzoek niet onomstotelijk bewezen. Het voor­ nemen is in één of meerdere gebieden de mogelijke foutaansluitingen op te sporen en te verhelpen (of een end-of-pipe maatregel door te voeren) waardoor het

DECEMBER 2017

15

afvalwater niet meer op het oppervlaktewater wordt geloosd. Een vervolgonderzoek van het oppervlakte­ water kan dan meer duidelijkheid geven over de bron(nen) van ABR bacteriën.

Hetty Blaak Heike Schmitt (RIVM) Rémy Schilperoort, Jeroen Langeveld (Partners4UrbanWater) Bert Palsma (STOWA) Bronnen Blaak et al. (2015). Multi-drug resistant and extended spectrum β -lactamase-producing Escherichia coli in Duch surface water and wastewater. PlosOne 10(6): e0127752.

Emissieregistratie (2017). Www.emissieregistratie.nl, ­geraadpleegd november 2017 Schilperoort et al. (2011). Opsporen en classificeren van foutaansluitingen. Vakblad Riolering, jaargang 18, december 2011, 14-15.

STOWA - Stichting RIONED (2017). ESBL-producerende ­ Escherichia coli en ampicillineresistente Enterococcus faecium in oppervlaktewater. Een verkennend onderzoek naar bronnen van antibioticaresistentie in oppervlaktewater. In voorbereiding.

SAMENVATTING Antibioticaresistente (ABR) bacteriën kunnen op verschillende manieren in klein stedelijk oppervlaktewater terechtkomen. Al langer bekende stedelijke bronnen zijn rioolwaterzuiveringen en gemengde overstorten. Een relatief onbekende bron van ABR zijn foutaansluitingen bij gescheiden riolering; daardoor stroomt ­huishoudelijk afvalwater ongezuiverd in de sloot. Naar schatting is circa 2 procent van de aansluitingen op de hemelwaterriolering in Nederland foutief.

Bij onderzoek in twee woonwijken in Nederland werden antibioticaresistente bacteriën in het oppervlaktewater aangetoond. Foutaansluitingen zijn hier de meest waarschijnlijke bron.

Antibiotica resistente bacteriën in stedelijk water

16

WATER MATTERS

Passive sampling op een rwzi

AUTEURS

PASSIVE SAMPLING GEEFT BETER INZICHT IN EMISSIES VAN MEDICIJNEN De methode van passive sampling geeft een beter en tijdsgeïntegreerd beeld van emissies van medicijnresten in het afvalwater.

Erwin Roex en Andre Cinjee (Deltares)

Henry Beeltje (TNO)

De aanwezigheid van medicijnresten in het milieu staat hoog op de politieke agenda. Daarom wordt door partijen in zowel de zorg- als watersector onder leiding van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat samengewerkt in de ketenaanpak ‘Medicijnresten uit water’1.

In deze ketenaanpak wordt gekeken naar mogelijke maatregelen in de hele medicijnketen, zoals maatregelen bij ontwikkeling, toelating, voorschrijven en gebruik van g ­ eneesmiddelen of waar het beste de rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi) kunnen worden aangepast (de zogenaamde hotspot-analyse). Om tot een onderbouwde afweging van maatregelen te ­komen is een goed inzicht in emissies, gedrag en transport van medicijnresten door de keten essentieel.

Conventionele bemonstering met steekmonsters geeft een beperkt beeld van het werkelijke concentratieverloop in het milieu, zeker bij stoffen met een onregelmatig emissiepatroon.

Dit kan leiden tot het trekken van verkeerde conclusies en uiteindelijk tot het nemen van 1 http://jamdots.nl/view/239/Medicijnresten-uit-water

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

minder effectieve maatregelen. Een oplossing is een verhoging van de monitoringsfrequentie, maar dit gaat vaak gepaard met ongewenste hoge kosten.

Om beter inzicht in te krijgen in hun emissies van medicijnresten, en de relatieve bijdrage op de totale vracht op de rwzi, hebben twee academische zieken­ huizen, samen met Deltares, de methodiek van passive sampling toegepast. Hierbij wordt een adsorptiemateriaal in het betreffende milieucompartiment gebracht, in dit geval het afvalwater op verschillende locaties in het riool. De in het afvalwater ­aanwezig stoffen adsorberen op het materiaal, en na een bepaalde periode wordt de passive sampler uit het afvalwater gehaald, geëxtraheerd en geanalyseerd.

Zo wordt een tijdsgeïntegreerd beeld gecreëerd van de concentraties aan stoffen in het afvalwater, en worden geen stoffen meer ‘gemist’. Verder wordt de detectielimiet verlaagd, omdat vaak meer dan één liter water wordt bemonsterd via de samplers. Dit bemonsterd volume is vooral afhankelijk van de duur van de bemonstering, de stroomsnelheid in het riool en de fysisch-chemische eigenschappen van de stof.

Intermezzo passive sampling Er zijn twee verschillende types passive sampling te onderscheiden, partitiesamplers en adsorptiesamplers. Bij partitiesamplers, zoals siliconenrubber, kan de concentratie van een stof op de sampler in evenwicht met de waterfase komen, mits deze lang genoeg blootgesteld is. Deze eigenschap maakt het mogelijk om de concentratie op de sampler om te rekenen naar een tijdsgeïntegreerde concentratie in de waterfase. Dit type samplers is voornamelijk geschikt voor hydrofobe stoffen. Aangezien medicijnen over het algemeen vrij hydrofiel zijn, is in dit onderzoek gekozen voor de Speedisk®, een adsorptiesampler. Hierbij worden de stoffen gebonden aan een adsorptiemateriaal en nauwelijks meer afge­ geven, wat het moeilijker maakt de concentraties op de sampler om te rekenen naar concentraties in de ­waterfase. De berekende concentraties in dit onderzoek zijn dan ook indicatief. Meer informatie over passive sampling en de mogelijke toepassingsmogelijkheden is te vinden in De Weert & Smedes (2014)2.

DECEMBER 2017

Materiaal & Methoden In dit onderzoek zijn bij het effluent van het Radboud­ umc in Nijmegen en het Universitair Medisch Centrum (UMC) in Utrecht en bij het influent en het effluent van de rwzi in Nijmegen en Utrecht gedurende anderhalve week Speedisks in het riool uitgehangen. Daarna zijn de samplers geëxtraheerd en geanalyseerd in het laboratorium van TNO, partner van Deltares in Utrecht Castel. Om een zo relevant mogelijk analysepakket tot onze beschikking te hebben is de lijst met ‘standaard’ medicijnen aangevuld met relevante middelen afkomstig uit een analyse van de uitgiftelijst van de ziekenhuisapotheker. Het uiteindelijke analysepakket bestond uit 80 medicijnen, verdeeld over de categorieën antibiotica, röntgencontrastmiddelen, cytostatica, pijnstillers, ß-blokkers, cholestorolremmers, schimmelwerende middelen en overig. Deze laatste categorie bevat onder andere het anti-epilepticum carbamazepine, het antidiabeticum metformine, maar ook ritalinezuur, het belangrijkste afbraakproduct van de psychostimulans ritalin.

Uit eerdere projecten is bekend hoeveel water de speedisk ongeveer gemiddeld per dag bemonstert.

Deze hoeveelheid is gebruikt om de geanalyseerde concentraties op de samplers om te rekenen naar indicatieve concentraties in de waterfase. Om de relevantie van de emissies van het ziekenhuis ten opzichte van de totale vracht op de rwzi te duiden, zijn met behulp van debietgegevens van het ziekenhuis en de rwzi de concentraties omgerekend naar vrachten.

Op basis van de concentraties in het influent en het effluent van de rwzi zijn v­ erwijderingsrendementen van de aangetroffen medicijnen bepaald. Een combinatie van deze twee resultaten levert een lijst van milieu­relevante middelen op, waar het ziekenhuis een belangrijke bron van is.

Resultaten Een vergelijking van de uitkomsten uit dit onderzoek met resultaten van steekmonsters uit eerdere onderzoeken bij dezelfde rwzi’s laat zien dat meer medicijnen werden aangetroffen op de passive samplers.

2 Jasperien de Weert, Foppe Smedes (2014) Overzicht toepassingsmogelijkheden

van passive sampling. STOWA rapport 2014.042. ISBN 978.90.5773.643.8.

17

Emissies medicijnresten meten met passive sampling

16

18

WATER MATTERS

Figuur 1: Berekende concentraties van antibiotica in de waterfase op verschillende locaties in het riool

Over het algemeen zijn de geschatte concentraties in het effluent van het ziekenhuis voor alle stofgroepen vele malen hoger dan in het influent van de rwzi. Een voorbeeld voor de groep van antibiotica is te zien in figuur 1.

De vrachtberekeningen laten zien dat de ziekenhuizen voor een beperkt aantal stoffen een relevante bron zijn op de rioolwaterzuivering, veroorzaakt door het relatief lage debiet van de ziekenhuizen ten o ­ pzichte van het totale debiet op de rwzi, zie figuur 2 voor dezelfde groep antibiotica.

De emissies van medicijnresten op de rwzi zijn voornamelijk afkomstig uit andere bronnen dan ziekenhuizen, waarbij huishoudens de voornaamste bron zijn. Vooral bij de β-blokkers, cholesterolverlagers, fungiciden, een aantal pijnstillers en antibiotica en carbamazepine is dit te zien. De stoffen met een substantieel ziekenhuis aandeel op de totaalvracht op de rwzi zijn de röntgencontrastmiddelen, de pijnstillers paracetamol en lidocaïne, de weekmaker Bisfenol A en een aantal antibiotica. Overigens is het aandeel van het ziekenhuis op de rwzi in Nijmegen in de bemonsterde periode groter dan in Utrecht, veroorzaakt door de hogere concentraties van medicijnresten op de passive samplers. De debieten van zowel de ­ziekenhuizen als de rwzi’s zijn in beide steden ver­ gelijkbaar.

Wat opvalt bij de röntgencontrastmiddelen en in mindere mate bij de antibiotica is dat het bij beide ziekenhuizen andere middelen betreft, en dat voor de röntgencontrastmiddelen deze ook weer afwijken

van het middel dat in een ander onderzoek naar voren kwam3. Ieder ziekenhuis maakt zijn eigen afweging in keuze van middelen, een belangrijk aspect bij het samenstellen van een analysepakket.

Overeenkomstig eerdere onderzoeken blijkt een groot verschil te bestaan in verwijderingsrendementen tussen medicijnen, zelfs wanneer ze tot dezelfde groep behoren. Zo wordt de pijnstiller paracetamol volledig verwijderd op de rwzi, terwijl een andere pijnstiller, diclofenac, nauwelijks een afname laat zien in de rwzi. Gecombineerd met het ziekenhuisaandeel levert dit een groep van ziekenhuisrelevante stoffen op die slecht verwijderd worden, namelijk de röntgencontrastmiddelen, en in minder mate de pijnstiller lidocaïne, de weekmaker bisfenol A en het antibioticum trimethoprim. Vanuit andere bronnen, met name huishoudens, zijn het vooral de β-­blokkers, cholestorolverlagers, de pijnstiller diclofenac en carbemazepine, die een belangrijke bijdrage leveren aan emissies op het oppervlaktewater. De groep van antibiotica laat een wat diffuus beeld zien. Zowel ­ziekenhuizen als andere bronnen spelen bij deze groep een rol, en het beeld per middel verschilt ook tussen de twee steden.

Voor beide steden kon een zekere mate van validatie op de passive sampling resultaten plaatsvinden. In Nijmegen gebeurde dit door de geschatte concentraties te vergelijken met modelmatige emissieschattingen van het ziekenhuis op basis van onder andere de uitgifte in het ziekenhuis4, en in Utrecht door een vergelijking van metingen aan dagelijkse steekmon3 Waterschap Groot Salland (2015) Grip op medicijnresten in ons water.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

19

Figuur 2: Berekende vrachten aan antibiotica op verschillende concentraties in het riool

sters in hetzelfde tijdsinterval van het effluent op de rwzi, uitgevoerd door het RIVM. Beide vergelijkingen laten zien dat de passive sampling resultaten voor de meeste stoffen slechts binnen een factor 2 verschillen van zowel de emissie­ schattingen als de uitgebreide metingen van de steekmonsters. Het antidiabeticum metformine blijkt in beide gevallen een uitzondering op de regel te zijn, wat verklaard kan worden door het sterke ­hydrofiele karakter van deze stof. Hierdoor bindt deze stof waarschijnlijk niet aan de passive sampler. Uit de in het laboratorium uitgevoerde recovery-experimenten bleken ook enkele cytostatica in onvoldoende mate worden teruggevonden. Deze zijn ook niet verder meegenomen in de evaluatie.

Net zoals de meeste studies naar het voorkomen van medicijnresten in het milieu richt ook deze studie zich voornamelijk op de aanwezigheid van moederstof van deze medicijnen, terwijl het medicijn in het menselijk lichaam, dan wel in het riool zal worden omgezet in een of meerdere metabolieten. Uit de analyses van ritalinezuur in deze studie blijkt dat de concentraties van metabolieten van medicijnen substantieel kunnen zijn, en dat daardoor het uiteindelijk beeld van de emissies van medicijnen kan veranderen.

Ondanks dat met passive sampling een tijdsgeïntegreerd beeld van emissies van medicijnresten wordt verkregen, blijft het een “snapshot” van in 4 C.J. van Loon (2016) Risk-based prioritization of pharmaceutical emission

estimations based on pharmacy pur-chase data of the Radboudumc hospital.

Reports Environmental Science no 545, master thesis.

DECEMBER 2017

dit geval anderhalve week. Om een meer consistent van de emissies te verkrijgen is een herhaling van deze m ­ eting wenselijk. Tevens blijft de doorvertaling van speedisk naar waterconcentratie een schatting, die voor de meeste stoffen goed blijkt te kloppen. Dit maakt dat passive sampling met ­speedisks vooral een goede screeningsmethodiek is om de emissies van medicijnresten in verschillende ­milieucompartimenten in te schatten. In vergelijking met monitoring met hoogfrequente steekmonsters kan dit een behoorlijke kostenbesparing opleveren.

Erwin Roex (Deltares) Andre Cinjee (Deltares) Henry Beeltje (TNO)

SAMENVATTING Metingen aan microverontreinigingen zijn noodzakelijk om een beter inzicht in de emissies en verspreiding van deze stoffen te krijgen, maar zijn relatief duur en geven slechts een beperkt deel van de werkelijkheid weer. Deze studie laat zien dat voor medicijnresten passive sampling een kosteneffectieve methode is om emissies beter in beeld te krijgen.

Emissies medicijnresten meten met passive sampling

20

WATER MATTERS

AUTEURS

Arno Hooijboer en Dico Fraters (RIVM)

Koos Verloop (WUR)

HET EFFECT VAN ROTATIE VAN MAÏS EN GRAS OP DE NITRAATUITSPOELING De nitraatconcentratie in het bovenste grondwater op zandgrond is onder maïs ruim hoger dan onder gras. Wat is de rol van gewasrotatie hierin en hoe kun je nitraatuitspoeling terugdringen?

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

In de Evaluatie van de Meststoffenwet schrijft het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) dat de nitraatnorm van 50 mg/l in het grondwater ­gemiddeld gezien bijna overal gehaald wordt. Alleen in ‘Zand zuid’ (Zandgronden in Noord-Brabant en noord en midden Limburg) is de gemiddelde concentratie hoger dan de nitraatnorm. Deels kan dit verklaard worden door de grotere uitspoelingsgevoeligheid van de bodems in Zand zuid. Een andere oorzaak voor de overschrijding van de nitraatnorm in Zand zuid is het grotere aandeel maïs in dit gebied. Maïs wordt geteeld als voedergewas vaak in rotatie met gras.

Er worden al maatregelen genomen om de uitspoeling onder maïsland te beperken. Zo zijn boeren verplicht om op zand- en lössgrond een vanggewas te telen na de maïs. Boeren die rijenbemesting toepassen bij de maïsteelt mogen gebruikmaken van een verruiming van de stikstof gebruiksnorm. In dit artikel onderzoeken we het effect van rotatie op de nitraatuitspoeling en verkennen we ­handelingsperspectieven om de nitraatuitspoeling onder maïspercelen te verminderen.

Op de 16 individuele monsters wordt in het veld de nitraatconcentratie gemeten met een door RIVM geprotocolleerde Nitrachekmethode. De coördinaten van de meetpunten zijn gekoppeld aan gewasinformatie afkomstig uit de Basisregistratie Gewaspercelen (BRP). Per meetpunt hebben we de gewasgeschiedenis vanaf 2009 beschikbaar van het perceel. Dit is, afhankelijk van het jaar van bemonsteren, maximaal 6 jaar gewasrotatie voorafgaand aan de meting. Voor dit onderzoek hebben we nitraatmetingen geselecteerd op zandgrond waarop in het voorgaande jaar gras of maïs is geteeld. Het betreft metingen tussen 2010 en 2015 (circa 10.000 nitraatmetingen).

Beschikbare data Om het effect van gewasrotatie op de nitraatconcentratie te bepalen maken we gebruik van gegevens uit het Landelijk Meetnet effecten Mestbeleid (LMM, www.rivm.nl/lmm). Het LMM is een meetnet waarin sinds 1992 de waterkwaliteit en de bedrijfsvoering worden gemonitord. In het LMM wordt op 450 bedrijven jaarlijks de kwaliteit bepaald van het water dat uitspoelt uit de wortelzone van de landbouwpercelen.

De nitraatconcentratie onder percelen waar het voorgaande jaar maïs is geteeld, is ongeveer twee keer zo hoog als onder grasland. Dit is onder meer het gevolg van de hogere denitrificatie in de graszode; nitraat wordt zo omgezet in stikstofgas. Daarnaast ligt maïsland in het najaar (afhankelijk van de effectiviteit van het vanggewas) enige tijd braak waardoor de na de oogst in de bodem achtergebleven stikstof gemakkelijker kan uitspoelen als nitraat.

Op zandgrond wordt de uitspoeling bepaald in de ­bovenste meter van het grondwater of, in het geval het grondwater dieper staat dan vijf meter beneden maaiveld, in het bodemvocht van de laag tussen 1,5 en 3,0 meter. Door ondiep te meten worden de effecten van de landbouwpraktijk zo snel mogelijk duidelijk.

De nitraatconcentratie hangt niet alleen af van het gewas in het voorgaande jaar maar ook van de teeltgeschiedenis in de jaren daarvoor. Voor eerstejaars gras na maïs is de nitraatconcentratie bijna 60 mg/l gemiddeld (Figuur 1). Indien de periode dat gras wordt geteeld na maïs toeneemt, neemt de nitraatconcentratie af. In deze jaren ontwikkelt de graszode zich waardoor de denitrificatie toeneemt en stikstof wordt vastgelegd in de graszode. Ook is er sprake van een zogenaamd naijl-effect, het duurt een paar jaar voordat de hoge nitraatconcentratie van de mais­ productie is weggespoeld.

Per bedrijf wordt op zestien willekeurig bepaalde punten water bemonsterd. Hiervan worden twee mengmonsters gemaakt en in het lab wordt de water­ kwaliteit hiervan bepaald op een breed ­analysepakket.

DECEMBER 2017

Resultaten De gemeten nitraatconcentratie in het bovenste grondwater wordt gekoppeld aan het gewas van het voorgaande jaar. De bovenste meter grondwater is namelijk samengesteld uit de grondwateraanvulling van het jaar ervoor. Bij diepere grondwaterstanden zorgt de reistijd door de onverzadigde zone voor een nog grotere vertragingstijd.

21

Gewasrotatie en nitraatuitspoeling

20

22

WATER MATTERS

Figuur 1: Nitraatconcentratie in het bovenste grondwater onder grasland (na maisland) en maisland (na grasland) 1 jaar tot met na zes of meer jaar na de wisseling van gewas.

De lijn geeft het 95 procent-betrouwbaarheidsinterval van het gemiddelde

20 procent maïsland en 80 procent grasland en verschillende rotatie. Bedrijf 1 heeft geen rotatie, bedrijf 2 heeft 40 procent van het bedrijf in rotatie tussen gras en maïs (2 jaar maïs, twee jaar gras). Bedrijf 3 heeft 100 procent van het bedrijf in een rotatie van 4 jaar gras en 1 jaar maïs (zie figuur 2)

Het maximaal aantal jaren waarvoor we de gewasinformatie beschikbaar hebben is 6 jaar; voor 6-jarig gras weten we dus niet wat daarvoor is verbouwd, gras of maïs. Voor de periode grasteelt van 6 jaar of langer is de nitraatconcentratie hoger dan de kortere periode grasteelt. We vermoeden dat dit komt doordat oud gras netto geen stikstof meer opneemt, de vastlegging van organisch stikstof door het gewas is ongeveer gelijk aan de afbraak. Daarnaast geldt voor een langere periode gras dat de kans groter wordt dat er ergens in de periode het gras gescheurd is. Bij het scheuren van grasland komt veel stikstof vrij en dit leidt tot een hogere gemiddelde nitraatconcentratie.

Informatie over het scheuren van grasland in een gras-gras-rotatie is niet beschikbaar voor de meet­ locaties.

Voor eerstejaars maïs na gras is de nitraatconcentratie rond 100 mg/l. Deze nitraatconcentratie is hoog omdat uit de gescheurde graszode veel stikstof beschikbaar komt die niet allemaal opgenomen wordt door de maïsplanten. Bij een toenemende lengte van de periode maïs na gras lijkt de nitraatconcentratie toe te nemen. Gezien het geringe aantal waarnemingen zijn de betrouwbaarheidsintervallen groot en is dit verschil niet significant. Wel zien we dat voor 6 jaar of langer maïs achtereen de nitraatconcentratie significant lager is dan voor een kortere periode maïs achtereen. Deze afname verklaren we doordat het effect van het scheuren van grasland dan is uitgewerkt.

Effecten van de rotatie gras en maïs Om het effect van verschillende rotatie te bestuderen op basis van de hiervoor gegeven informatie, introdu­ ceren we 3 imaginaire bedrijven op zandgrond met

Hieruit blijkt dat dat de rotatie van gras en maïs leidt tot hogere uitspoeling van nitraat dan bij ­permanente teelt. Om maïs te verbouwen wordt het grasland gescheurd en komt er veel stikstof beschikbaar. Deze stikstof wordt niet meteen volledig door de maïs opgenomen, zeker als hier geen rekening mee wordt gehouden bij de bemesting, en spoelt uit als nitraat.

Omgekeerd, in het geval dat er gras gezaaid wordt na maïs duurt het een paar jaar voordat de nitraatconcentratie weer gedaald is en de graszode voldoende is opgebouwd om nitraat op te nemen of af te breken.

In de voorbeelden houden we steeds 20 procent maïs aan. Als het percentage maïs hoger is, wordt automatisch de gemiddelde uitspoeling op het bedrijf hoger.

Dit percentage is voor het gemiddelde meer van invloed dan het wel of niet roteren van gras of maïs.

Op basis van deze gegevens lijkt de conclusie gerechtvaardigd dat beperking van rotatie de nitraatuitspoeling terug kan dringen. Beperking van rotatie staat echter haaks op adviezen van landbouwkun­ digen en strookt niet met de resultaten van onderzoek op proefboerderijen.

Een lange periode achtereen maïs verbouwen kan ongunstig zijn voor het gehalte aan organische stof in de bodem, de bodem raakt uitgeput. Dit zou in theorie ook weer tot meer nitraatuitspoeling kunnen leiden.

Een gezonde, vruchtbare bodem leidt tot hogere opbrengsten en dus minder uitspoeling, ook kan in een organische stofrijke bodem nitraat beter worden afgebroken. Daarnaast is gewasrotatie een middel om ziekten en plagen tegen te gaan.

Onderzoek op proefboerderij de Marke wijst uit dat

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

23

Figuur 2: Drie imaginaire bedrijven met 80 procent grasland. Bedrijf 1 heeft geen rotatie, bedrijf 2 heeft 40 procent rotatie en bedrijf 3 heeft 100 procent rotatie van gras en maïs

Bedrijf 1 heeft alleen permanente gewassen. Met permanente maïs (76 mg/l gemiddeld, >=6j in figuur 1) en permanent gras (34 mg/l, >=6j in figuur 1) komt dit bedrijf uit op een gemiddelde nitraatconcentratie van 42 mg/l.

Bedrijf 2 heeft 60 procent permanent gras, van gemiddeld 34 mg/l, 20 procent jong gras (gemiddelde van eerste en tweedejaars gras, 47 mg/l) en 20 procent jong maïs (gemiddelde 98 mg/l).

Gemiddeld op het gehele bedrijf is de nitraatconcentratie 49 mg/l.

nitraatuitspoeling juist lager is bij rotatie van gras en maïs. In de praktijk kan nog winst worden b ­ ehaald door teeltmethoden die in dergelijk onderzoek worden toegepast, breder toe te passen. Het belangrijkste advies is om eerstejaars maïs op gescheurd grasland niet te bemesten. Elke kilogram stikstof die dan gegeven wordt, is volledig verspild en zal ­uitspoelen naar het bovenste grondwater. Andere mogelijke maatregelen die de uitspoeling van nitraat bij rotatie verminderen zijn: • Vroeg oogsten van maïs, zodat het gras nog de mogelijkheid heeft om in het najaar goed te groeien.

• Gras als gewas na maïs alvast onderzaaien bij de teelt van maïs.

• Aanhouden van langere periodes van rotatie, dat wil zeggen een aantal jaren achter elkaar gras of maïs telen alvorens te roteren en te roteren volgens een vast rotatieschema.

Met het algemener toepassen van deze methodes in de praktijk zal het gat tussen praktijk en proefboerderijen kleiner worden en kunnen de voordelen van gewasrotatie (hogere organische stof, beperkte ziektelast) samengaan met een lagere uitspoeling van nitraat.

DECEMBER 2017

Bedrijf 3 bestaat uit 4 gelijke delen gras van 1 tot en met 4 jaar oud (57, 36, 33, 28 mg/l respectievelijk) en één deel eerstejaars maïs (97 mg/l).

Voor deze fictieve boerderij is de nitraatconcentratie gemiddeld 51 mg/l.

Arno Hooijboer Dico Fraters (RIVM) Koos Verloop (WUR)

SAMENVATTING De nitraatconcentratie in het bovenste grond­ water op zandgrond is onder maïs ruim hoger dan onder gras. De rotatie tussen gras en maïs levert in de praktijk meer nitraatuitspoeling op dan de permanente teelt van deze ­gewassen.

Hierbij wordt voorbijgegaan aan andere ­positieve effecten van rotatie namelijk tegengaan van uitputting van de bodem en bestrijden van ziekten. Onderzoek op proefboerderijen heeft aangetoond dat met aangepaste teeltmethoden de ­nitraatuitspoeling bij gewasrotatie lager is dan bij permanente gewassen. De belangrijkste maatregel hiervoor is het niet bemesten van eerstejaars maïs.

Gewasrotatie en nitraatuitspoeling

24

WATER MATTERS

AUTEURS

Piet Groenendijk en Erwin van Boekel Wageningen Environmental Research (Alterra)

LANDBOUW EN DE KRW-OPGAVE VOOR NUTRIĂ‹NTEN IN REGIONALE WATEREN Om de ecologische doelen van de Kaderrichtlijn Water te bereiken is onder meer inzet van de landbouw nodig, om de uit- en afspoeling van stikstof en fosfor te verminderen. De vraag is hoeveel die uit- en afspoeling uit landbouwgronden omlaag moet, en wat de effectiviteit is van mogelijke maatregelen.

De Europese Kaderrichtlijn Water (KRW) heeft als doel de duurzame bescherming van ecosystemen en watervoorraden. Ondanks een lichte verbetering zullen de nutriĂŤntenconcentraties in 2027 waarschijnlijk in ruim de helft van de regionale wateren nog te hoog zijn3.

Om de ecologische doelen te bereiken is vermindering van de uit- en afspoeling van stikstof en fosfor nodig. Voor een realistische afweging welke maatregelen hiervoor geschikt zijn, is inzicht nodig in de herkomst van stikstof en fosfor in het oppervlaktewater, en in effectiviteit en kosten van de verschillende maatregelen.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

25

Figuur 1. Toerekening van overschrijding van de normen voor N- en P-concentraties aan bronnen. Van linksboven met de klok mee: de bronnen van mineralen in het oppervlakte water; door retentie komt slechts een deel in het oppervlaktewater terecht; daarvan geldt een deel als overschrijding; rekening houdend met retentie is er ‘meer dan de overschrijding’ nodig aan emissiereductie.

Opgave voor regionale waterlichamen Voor regionale wateren is de opgave voor de landbouw gedefinieerd als de vermindering van uit- en afspoeling van stikstof en fosfor uit landbouwgronden die nodig is om de ecologische toestand “goed” in het oppervlaktewater te bereiken. Deze opgave is afgeleid van de overschrijding van de normen voor de ­­stikstofen de fosforconcentratie in regionale waterlichamen3.

Met gegevens uit water- en nutriëntenbalansen zijn deze overschrijdingen omgerekend naar de benodigde vermindering van de stikstof- en fosforvracht bij de uitstroom- en lozingspunten. Hierbij is rekening gehouden met retentie in het oppervlaktewater.

Retentie6 is een verzamelterm voor verschillende verdwijn-, vastleggings- en naleveringsprocessen van stikstof en fosfor. Voorbeelden zijn denitrificatie (bij stikstof) en binding van fosfaat aan bodemdeeltjes.

De bijdrage uit landbouwgronden is berekend met het STONE-model1, waarin gewas-, bodem- en uitspoelingsprocessen zijn beschreven. Met behulp van een gevoeligheidsanalyse zijn de bijdragen uit landbouwgronden uitgesplitst in 5 deeltermen: atmosferische depositie op landbouwgronden; bemesting; bodemprocessen; afvoer van in de zomer geïnfiltreerd slootwater en kwel (zie figuur 1, linksboven – zie verder de genoemde achtergrondrapportage1. De b ­ odem is een belangrijke bron in veengebieden door de ­mineralisatie van het veen; in zeekleigebieden kunnen m ­ ineralen uitspoelen bij de afvoer van water door nutriëntrijke sedimentlagen in jonge kleigronden.

De bron ‘bemesting’ is gedefinieerd als de uit- en afspoeling die wordt veroorzaakt door het toevoeren van mest, recent en al langer geleden. Slechts een deel van bovenstaande bronnen is beïnvloedbaar.

Aandeel van landbouw in de opgave: methode De bron ‘landbouw’ draagt voor een deel bij aan de nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater.

Deze bijdrage is berekend door per waterlichaam een nutriëntenbalans op te stellen. Inkomende posten zijn: uit- en afspoeling uit landbouw- en ­natuurgronden, aanvoer uit bovenstrooms gelegen buurgebieden en aanvoer uit puntbronnen en andere diffuse bronnen4. De vracht die bij het uitstroompunt passeert is de uitgaande post; door retentie verdwijnt stikstof en fosfor en is de vracht bij het uitstroompunt lager dan de som van de bronnen.

Op basis van de bijdrage van de diverse bronnen aan de nutriëntenbelasting en de benodigde reductie bij het uitstroompunt is de benodigde vermindering van de N- en P-vracht berekend. Na verrekening van de invloed van retentie is de opgave voor alle diffuse bronnen en puntbronnen bepaald.

DECEMBER 2017

Aandeel van landbouw in de opgave: resultaten Om aan de doelen voor stikstof en fosfor in het regionale oppervlaktewater te voldoen, is een flinke vermindering van de uitstoot nodig. De benodigde reducties bij alle uitstroompunten komen o ­ pgeteld >

KRW-doelen haalbaar met schone landbouw?

24

26

WATER MATTERS

Figuur 2. Benodigde vermindering van de stikstofen fosforuitspoeling uit landbouwgronden om aan doelen van de KRW te voldoen.

op 24 miljoen kg N en 2,3 miljoen kg P per jaar (NB figuur 1, rechtsonder). Terugrekenend naar de vrachtreducties bij de bronnen en rekening houdend met retentie in het oppervlaktewater, is een reductie van 28 miljoen kg N en 3,1 miljoen kg P per jaar nodig (NB figuur 1, linksonder).

Welke bronnen ‘landbouw-bronnen’ zijn, is een punt van discussie. Dat levert in de praktijk voor zowel stikstof als fosfor een range op voor de opgave voor de landbouw. Voor geheel Nederland moet de uit- en afspoeling uit het totale areaal landbouwgronden jaarlijks met 5,7-8,1 miljoen kilo stikstof en 0,38-1,19 miljoen kilo fosfor omlaag2. Dit komt neer op 10-20% voor van de totale uitspoeling van stikstof en 10-40% voor fosfor. Uit figuur 2, waarin de bovengrens van de ranges is aangehouden5, blijkt dat de verschillen tussen de gebieden groot zijn.

Effecten van maatregelen Voor een aantal maatregelen is met het STONE-­ model verkend wat het effect is op nitraatconcentraties in het grondwater (uitspoeling) en de stikstof- en fosforbelasting van het oppervlaktewater2: 1. Wijziging in het bouwplan van akker- en tuinbouwgewassen in het zuidelijke zandgebied: consumptieaardappelen vervangen door een gewas met een kleiner stikstofoverschot, of: een “late-oogst”-gewas gedeeltelijk vervangen door een “vroege-oogst”-gewas gecombineerd met het telen van een vanggewas. De nitraatconcentratie in het grondwater kan hierdoor met 9-13 milligram per liter dalen en de stikstofbelasting van het oppervlaktewater met 5-10%. Het effect op de uit- en afspoeling van fosfor is gering.

2. Verbetering van de bodemstructuur. Dit kan door maatregelen voor bodemherstel (breken ploegzool), door preventieve maatregelen (o.a. aangepaste landbouwmachines, verhoging van het organisch stofgehalte door aanvoer van compost) en door een keuze voor dieper wor­telende landbouwgewassen. De nitraatconcentratie in het grondwater kan hierdoor met 7-10 milligram per liter dalen en de stikstofbelasting van het oppervlaktewater met 7-26%. Het effect op de uit- en afspoeling van fosfor is onduidelijk omdat dit, sterker dan voor stikstof, vaak wordt ­bepaald door oppervlakkige afspoeling en o ­ ndiepe transportroutes. Deze transportroutes, die in de praktijk mede bepaald worden door extreme weersomstandigheden, bodemeigenschappen en maaiveldligging, zijn moeilijk in rekenmodellen te beschrijven.

3. Verbetering van nutriëntenbenutting, o.a. door ­betere plaatsing en timing van mestgiften en maximale inzet van vanggewassen. Dit kan gemiddeld voor bouwlandgewassen op zandgronden tot een daling van de nitraatconcentraties in het grondwater van 8-18 milligram per liter leiden.

De stikstofbelasting van het oppervlaktewater daalt met 12-23%. Voor de kleigronden is het effect kleiner en bij fosfor is het effect voor alle grondsoorten onduidelijk.

4. Aanpassing van de waterhuishouding van landbouwpercelen door: a. Aanleg van regelbare buisdrainage in natte gronden die tot op heden nog niet gedraineerd zijn. Dit leidt tot een toename van de stikstofbelasting van oppervlaktewater met gemiddeld 33%

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

en een afname van de fosforbelasting met 25%. b. Vervangen van bestaande buisdrainage (vast peil) door nieuwe buisdrainage met een regelbaar peil, leidt tot een afname van de stikstofuitspoeling met 27-35%. De fosforuitspoeling neemt met 9-16% toe, maar voor sommige kleigronden kan het tot een afname leiden. c. Toepassing van onderwaterdrainage in natte veengronden leidt tot een vermindering van 24% en 11% van de belasting van oppervlakte­ water met stikstof en fosfor. d. Het installeren van met ijzerzand-omhulde drainbuizen in zandige bloembollenpercelen in het westelijke zandgebied leidt tot een vermindering van de fosforuitspoeling met 60 tot 90%.

Conclusies Om in 2027 aan de normen voor stikstofconcentraties in het regionale oppervlaktewater te voldoen dient in delen van het Zuidelijk en Oostelijk zandgebied de uit- en afspoeling uit landbouwgronden met meer dan 40% en soms meer dan 70% te worden verminderd.

Met de maatregelen is in de zandgebieden een vermindering van de stikstofuitspoeling naar het grondwater te bereiken die varieert van 5 à 10% tot 15 à 25%. Door een combinatie van de maatregelen lijkt het in de zandgebieden mogelijk om voor een groot aantal waterlichamen aan de opgave te voldoen, maar voor de klei- en veengebieden zullen de maatregelen slechts gedeeltelijk bijdragen aan het realiseren van de opgave.

Om aan de normen voor fosforconcentraties te ­voldoen dient in West-Nederland, het Zuidelijke ­zandgebied en Twente de uit- en afspoeling uit ­landbouwgronden met 40 tot 70% en voor een aantal gebieden met meer dan 70% verminderd te worden.

Met de onderzochte maatregelen of een combinatie ervan, is niet aan deze opgave te voldoen. Omdat de uit- en afspoeling voor een groot deel bepaald wordt door al in de bodem aanwezige fosfaatvoorraden is de beïnvloedbaarheid ervan gering. Naast hier behandelde maatregelen zijn daarom ook maatregelen nodig die ingrijpen op transportroutes en/ of ­maatregelen met een zuiverende werking in het oppervlaktewater.

DECEMBER 2017

27

Piet Groenendijk Erwin van Boekel Wageningen Environmental Research (Alterra)

Bronnen 1. Groenendijk et al (2014) Bronnen van diffuse nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater; Evaluatie Meststoffenwet 2012: deelrapport ex post. Wageningen, Alterra. Rapport 2328.

2. Groenendijk et al (2016) Landbouw en de KRW-opgave voor nutriënten in regionale wateren. Het aandeel van landbouw in de KRW-opgave, de kosten van enkele maatregelen en de effecten ervan op de uit- en afspoeling uit landbouwgronden.

Wageningen, Alterra. Rapport 2749.

3. PBL (2015) Waterkwaliteit nu en in de toekomst. Eindrapportage ex-ante evaluatie van de Nederlandse plannen voor de Kaderrichtlijn Water. Den Haag: PBL. PBL-publicatie 1727 4. www.emissieregistratie.nl versie 2013 5. PBL (2017) Evaluatie Meststoffenwet 2016: Syntheserapport.

Den Haag: PBL. 6. Van Gerven et al (2009) Retentieschatting van N en P in het oppervlaktewater op verschillende schaalniveaus. ­Wageningen, Alterra. Rapport 1848.

SAMENVATTING In een deel van de regionale waterlichamen voldoen de stikstof- en/of fosforconcentraties nog niet aan de normen van een goede ecologische toestand.

De overschrijding wordt deels veroorzaakt door de uit- en afspoeling uit landbouwgronden. Door het kwantificeren van verschillende bronnen is per ­waterlichaam berekend hoeveel de uit- en afspoeling verminderd zou moeten worden.

Landelijk gemiddeld is dit 10 à 20% voor stikstof en 10 à 40% voor fosfor. Voor een viertal maatregelen (aanpassing teeltplan in het zuidelijke zandgebied, bodemverbetering, verbetering ­nutriëntenbenutting en drainage) is met modellen verkend wat het effect zou kunnen zijn op de uitspoeling van stikstof en ­fosfor. Met een combinatie van de maatregelen lijkt in de zandgebieden de opgave voor een groot deel van de regionale waterlichamen haalbaar. De maatregelen hebben slechts een gering effect op de uit- en afspoeling van fosfor. Voor fosfor zijn andere en/of aanvullende maatregelen nodig.

KRW-doelen haalbaar met schone landbouw?

28

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Elmar Becker (KWR Watercycle Research Institute/ University of Amsterdam)

Hans Ruiter (RijkswaterstaatWVL) Amsterdam)

Ahmed Ahmed en Marga Goris (OIE and National Collaborating Centre for Reference and Research on Leptospirosis, AMC, Amsterdam)

Bart Wullings en Edwin Kardinaal (KWR Watercycle Research Institute)

NIEUW DNA-INSTRUMENT VOOR OPSPOREN VAN ZIEKTE VAN WEIL BACTERIËN EN DE BRON IN OPPERVLAKTEWATER Met nieuw ontwikkelde (e)DNA-methodes is het mogelijk de aanwezigheid van pathogene Leptospirosa en de bruine rat in oppervlaktewatermonsters aan te tonen. Door per locatie meerdere monsters te nemen kan de bron nauwkeurig worden bepaald.

Sinds het jaar 2014 is het aantal ziektegevallen van Leptospirose in Nederland t­ oegenomen naar 0.57 per 100.000 inwoners, een drievoudige toename ten opzichte van de periode ­2010-2013. Deze zorgwekkende trend is ook gesignaleerd in buurlanden en is de afgelopen jaren (2014-2016) onverminderd hoog gebleven.

Leptospirose is wereldwijd een van de meest voorkomende van dier op mens overdraagbare ziektes, een zogenoemde zoönose. De ziekte wordt veroorzaakt door spiraalvormige bac­ teriën van het geslacht Leptospira. Overdracht op mensen gebeurt doorgaans door directe of indirecte blootstelling (bijv. via besmet water) aan urine van geïnfecteerde dieren en resulteert wereldwijd in meer dan één miljoen ernstige ziektegevallen per jaar. B ­ esmetting kan bij mensen leiden tot een breed scala aan symptomen variërend van griepachtige verschijnselen tot het ontwikkelen van de ziekte van Weil wat gepaard kan gaan met o.a. geelzucht en ernstige nier- en longproblemen, met mogelijk dodelijke afloop.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Circa 60 procent van de besmettingen in Nederland kan in verband worden gebracht met watercontact, dit is dus de belangrijkste bron van besmetting. De piek van de besmettingen ligt in de zomermaanden.

De belangrijkste redenen hiervoor zijn verhoogde blootstelling door meer (zwem)recreatie, langere overlevingskans van leptospiren in het opgewarmde water en verhoogde activiteit van de verspreiders van deze ziekteverwekkende bacteriën.

Eerste screening Recentelijk is een DNA-methode ontwikkeld om pathogene Leptospira bacteriën in oppervlaktewater aan te tonen (H2O online, 21 aug 2017). Een eerste screening van monsters afkomstig van zwemwaterlocaties liet zien dat gemiddeld 16 procent van de monsters DNA-materiaal van leptospiren bevatte.

Dit percentage verschilde sterk per locatie, met een aantal uitschieters tot 40 procent. Echter, de bron van dergelijke positieve waarnemingen is onbekend.

Knaagdieren en, specifieker, de bruine rat (Rattus norvegicus), worden algemeen gezien als belangrijkste drager van leptospiren. De Leptospira soort die bruine ratten verspreiden is een van de varianten waar mensen erg ziek van kunnen worden. In Nederland is naar schatting 30 procent van de bruine ratten geïnfecteerd met ziekteverwekkende Leptospira spp.

Vangen en monitoren van ratten is specialistisch en omslachtig werk dat speciale training vereist en ­bovendien met aanzienlijke kosten gepaard gaat.

Om, naast het aantonen van leptospiren in water, een beeld te vormen van mogelijke bronnen is recentelijk een methode ontwikkeld om het DNA op te sporen dat de bruine rat achterlaat in het milieu (­zogenoemde environmental DNA = eDNA). Door eDNA van de bruine rat te detecteren, kan relatief snel, op grote schaal en op niet invasieve wijze de aanwezigheid van deze rat in oppervlaktewater worden aangetoond en gemonitord.

Het hier beschreven onderzoek omvatte drie ­doelen: i) de ontwikkeling van een eDNA methode voor detecteren van de bruine rat in oppervlaktewater,

DECEMBER 2017

29

ii) screenen van oppervlaktewatermonsters om pathogene Leptospira en de waarschijnlijke bron, de bruine rat, aan te tonen in de tijd, en iii) inzicht krijgen in de ruimtelijke verspreiding van leptospiren en de bruine rat op lokale schaal.

Met behulp van deze DNA-methodes kunnen (locatie) beheerders de kans van besmetting met pathogene Leptospira inschatten en beoordelen of maatregelen tegen potentiële bronnen (bijv. bruine rat) kunnen bijdragen aan betere bescherming van zwemmers en overige recreanten.

MATERIAAL EN METHODE Ontwikkeling eDNA methode voor bruine rat Voor het screenen van oppervlaktewater op de aanwezigheid van leptospiren is gebruik gemaakt van een eerder ontwikkelde set DNA-primers (H2O online, 21 aug 2017). Voor de screening op de aanwezigheid van de bruine rat is een set DNA-primers met probe ontwikkeld die zich richt op het cytochroom-B-gen.

Deze set is speciaal ontworpen om specifiek het cytochroom-B-gen van de bruine rat te detecteren.

De selectiviteit van de primer-set is geverifieerd door deze te testen met DNA van verschillende diersoorten (tabel 1), waaronder nauwe en minder nauwe ver­ wanten van de bruine rat.

Experimentele opzet screening Met behulp van de hier beschreven eDNA-methode zijn oppervlaktewater monsters gescreend op het voorkomen van de bruine rat en pathogene ­Leptospira. Deze watermonsters zijn genomen in het kader van monitoring van Rijkswaterstaat naar fecale verontreiniging en schadelijke algen op officiële zwemwaterlocaties. Monstername vond, afhankelijk van de locatie, tweewekelijks of maandelijks plaats

Speuren naar Leptospirosa

28

30

WATER MATTERS

Figuur 1.

Grafische weergave van locatie 1 (A) en 14 (B) met de monstername punten

van mei tot eind september. Deze periode besloeg daarmee het zwemseizoen en de samenhangende piek van leptospirose gevallen. In totaal zijn er voor de screening van 13 locaties 86 monsters geanalyseerd.

Twee locaties zijn gedetailleerder onderzocht, hier zijn meerdere monsters genomen om het verband tussen Leptospira en de bruine rat op lokale (­ ruimtelijke) schaal te bepalen. Daarnaast kan hiermee g ­ ekeken worden wat het effect van monstername­strategie is op de detectiekans van beide soorten.

Op locatie 1 (figuur 1-A) zijn 10 monsters ­genomen, op deze locatie zijn eerder hoge waardes voor ­leptospiren gevonden. Op locatie 14 (figuur 1-B, niet opgenomen in de hierboven genoemde screening) zijn 16 monsters genomen, na een uitbraak van ­leptospirose in 2015 zijn hier beheersmaatregelen geïmplementeerd om de rattenpopulatie terug te dringen.

Van alle monsters is 100-250 ml water gefiltreerd.

Vervolgens is het DNA geïsoleerd volgens KWR-voorschrift.

RESULTATEN Detectie van bruine rat eDNA Met het hier ontwikkelde eDNA-instrument is het ­mogelijk de bruine rat te detecteren in oppervlaktewater, in 15,1 procent van de gescreende monsters werd namelijk eDNA van de bruine rat aangetoond.

Monsters van locaties 12 en 13 waren het vaakst positief, namelijk 30 procent (figuur 2). Op locaties 2, 4, 6, 9 en 11 werd gedurende de gehele onderzoeksperiode geen eDNA van de bruine rat gedetecteerd.

Detectie van pathogene Leptospira Van de gescreende monsters is in 34,9 procent pathogene Leptospira gedetecteerd. Bij locatie 1 en 13 waren respectievelijk 55,6 en 60,0 procent van de monters positief voor pathogene Leptospira. Van de 13 onderzochte locaties zijn er bij drie de gehele ­periode geen leptospiren gedetecteerd, dit waren locatie 3, 6 en 7 (figuur 2).

Gezamenlijk voorkomen van Leptospira en bruine rat eDNA Op zes locaties zijn sporen van zowel pathogene ­Leptospira als bruine rat aangetoond, dit waren locaties 1, 5, 8, 10, 12 en 13. Van de monsters die positief waren voor sporen van de bruine rat was ruim de helft gelijktijdig positief voor Leptospira. Dit betrof 8,15 procent van alle geanalyseerde monsters.

Lokale verspreiding van Leptospira en bruine rat eDNA Twee locaties zijn intensief bemonsterd, 1 en14.

Op locatie 1 (figuur 1-A) zijn tien watermonsters genomen, drie daarvan testte positief op leptospiren (namelijk: 1-2, 1-6 en 1-10) en twee op de bruine rat (namelijk: 1-1 en 1-8), geen enkel monster was ­echter tegelijk voor beide positief. De monstername punten lagen maximaal vijftig meter uit elkaar. Op locatie 14 (figuur 1-B) was geen van de monsters ­positief voor de bruine rat, vier monsters waren positief voor leptospiren: 14-C1, 14-C3, 14-C8 en 14-C9.

DISCUSSIE EN CONCLUSIE Met de beschreven DNA-methodes is gescreend op het voorkomen van leptospiren en de bruine rat in watermonsters afkomstig van zwemwaterlocaties

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

31

Figuur 2. Percentage positieve monsters voor de bruine rat (bruine balken) en Leptospira (blauwe balken) per locatie.

waarvan RWS de waterkwaliteitsbeheerders is. Zowel leptospiren als de bruine rat zijn aangetoond in een aanzienlijk aantal monsters. Dit duidt erop dat de bruine rat op deze locaties de waarschijnlijke bron van leptospiren is.

In het oog springen de gevallen waarbij wel Leptospira en niet de bruine rat, of omgekeerd, zijn aangetroffen.

Het eerste zou verklaard kunnen worden doordat de rattenpopulatie op die plekken niet besmet is met leptospiren - geschat wordt dat ongeveer 30 procent van de Nederlandse ratten besmet is. Het tweede zou veroorzaakt kunnen zijn doordat er een andere verspreider is van de leptospiren dan de bruine rat, zoals andere knaagdieren of vee. Verder onderzoek om andere bronnen dan de bruine rat op te sporen zou hier antwoord op kunnen geven. Hiervoor zou gebruik ­gemaakt kunnen worden van bestaande DNA-­merkers voor diverse diergroepen, zoals die gebruikt worden ten behoeve van de bronopsporing van fecale verontreiniging (zie ook Heijnen et al, 2014, H2O-­online). Ook het nauwkeuriger bepalen van de specifieke soort van Leptospira zou alternatieve verspreiders aan kunnen wijzen.

Bij het huidige onderzoek waren de gefilterde volumes water klein (100-250 ml). Het nemen van grotere volumes of het combineren van meerdere kleine volumes van een locatie zou de detectiekans aanzienlijk vergroten. Een voorbeeld hiervan is de fijnmazige monsternamestrategie zoals toegepast op locatie 1 en 14. Een bijkomend voordeel van intensievere bemonstering van een locatie is dat in sommige ­gevallen de bron vrij nauwkeurig opgespoord kan worden waarna gerichte beheersmaatregelen kunnen worden toegepast.

DECEMBER 2017

Elmar Becker (KWR Watercycle Research Institute/University of Amsterdam) Ahmed Ahmed Marga Goris (OIE and National Collaborating Centre for Reference and Research on Leptospirosis, AMC, Amsterdam) Hans Ruiter (Rijkswaterstaat-WVL) Bart Wullings Edwin Kardinaal (KWR Watercycle Research Institute)

SAMENVATTING Het is met de ontwikkelde (e)DNA-methodes mogelijk om de aanwezigheid van leptospiren en de bruine rat in oppervlaktewatermonsters aan te tonen. Uit het huidige onderzoek blijkt echter ook dat de sporen van de bruine rat en leptospiren zowel gezamenlijk als los van elkaar waargenomen kunnen worden. Door per locatie meerdere monsters te combineren kan een nauwkeurig beeld van de bron worden opgebouwd, hiermee kunnen specifieke beheersmaatregelen goed onderbouwd en gericht worden gedefinieerd.

Speuren naar Leptospirosa

32

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

David Berkhof Leon Korving (Royal HaskoningDHV) (Aiforo)

DE INVLOED VAN DOSERING VAN KATIONEN EN BELUCHTING OP SLIBONTWATERING Het ontwateren van zuiveringsslib is een belangrijke kostenpost voor de ­waterschappen. Alleen al de inkoop van flocculanten voor de ontwatering kost jaarlijks zo’n 23 miljoen euro. Uit de literatuur is bekend dat toediening van zouten van meerwaardige kationen (ijzer, magnesium, calcium) en beluchting de ontwaterbaarheid van zuiveringsslib kunnen verbeteren. Op drie rioolwaterzuiveringen en in het lab werd onderzocht of dit ook in de praktijk werkt.

De combinatie van beluchten en dosering van kationen (magnesium) wordt (bijvoorbeeld) toegepast in het Airprex proces. Daarin wordt struviet teruggewonnen en verbetert de ontwaterbaarheid. Een door Stowa gefinancierd onderzoek (Stowa 2016-11) moest meer inzicht geven in de rol van kationen en de invloed van beluchten op de ontwaterbaarheid.

Testen in de praktijk en in het lab Uit literatuuronderzoek blijkt dat vooral de tweewaardige kationen als magnesium en calcium de ontwater­baarheid verbeteren door hun effect op de lading van de slibvlokken; ze worden vooral gebonden aan de polysacchariden van het slib. Driewaardige kationen als ijzer (Fe3+) gedragen zich anders, waarschijnlijk doordat ze zich vooral binden aan c­ olloïdale eiwitten en op die manier de ontwatering verbeteren. In dit onderzoek is de invloed van calcium (Ca2+), magnesium (Mg2+), en driewaardig ijzer (Fe3+) onderzocht.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

In dit onderzoek zijn praktijktesten uitgevoerd op de rioolwaterzuiveringen Nieuwgraaf, Beverwijk en ­Amsterdam West. Het doel was effecten aan te tonen van kationen en beluchting op de ontwaterbaarheid van slib. Daarnaast zijn laboratoriumproeven gedaan met de toevoeging van kationen aan slib.

Praktijktesten Op drie rwzi’s is het effect van de dosering op de ­ontwaterbaarheid onderzocht.

In de praktijktest op rwzi Nieuwgraaf (zie grafiek 1) werd driewaardig ijzer (Fe3+) toegevoegd aan het slib.

De twee lijnen in de onderstaande grafiek geven voor 2 Fe-doseringen het verband aan tussen dosering van poly-elektrolyt (PE) en ontwateringsresultaat (DS% van het slib). De resultaten links van een lijn leiden tot een besparing ten opzichte van de bestaande situatie.

Rechts van een lijn zijn de kosten voor dosering hoger dan de besparingen. De letters verwijzen naar de periode zoals genoemd in de tabel.

Bij de rwzi Nieuwgraaf kon door toevoeging van Fe3+ het PE verbruik met meer dan 50% worden terug­ gebracht. Ook kon het drogestofgehalte van de slibkoek worden verhoogd van 25% naar 29% doordat de ijzerdosering verhoging van het koppel op

33

de centrifuge toeliet. De verlaging van PE-verbruik en het hogere drogestofgehalte leiden tot een netto besparing tot 180.000 tot 210.000 euro per jaar, ofwel circa 15% van de kosten voor slibafzet en PE verbruik.

In deze bedragen zijn de vorming van chemisch slib (neerslag van ijzerzouten in het slib) en de kosten voor de dosering van ijzer meegenomen.

Op rwzi Beverwijk bleek dat door toevoeging van magnesium het PE verbruik met 40% kan worden teruggebracht. Het drogestofgehalte van de slibkoek nam netto toe met ca 1%. Een vergelijkbare dosering met calcium gaf een zelfde verbetering van het drogestofgehalte van de slibkoek, maar de afname van het PE verbruik was minder: 18%.

Bij de praktijkproef op de rwzi Amsterdam West (zie grafiek 2, volgende pagina) is invloed van de ­Airprex-installatie getest. Daarin wordt in het kader van de struvietproductie altijd al gewerkt met magnesium en met beluchting. Tijdens de proef is respectievelijk gewerkt met lage beluchting, hoge beluchting; in periode C is zonder de Airprex-instal­latie gewerkt (bypass).

Een lage beluchting in combinatie met de gangbare dosis magnesium geven samen een betere ontwater­ baarheid van het uitgegiste slib. Het PE verbruik daalde met ca. 28 %. Bij een hogere beluchting nam

Grafiek 1

Verwerking zuiveringsslib goedkoper met kationen

32

DECEMBER 2017

34

WATER MATTERS

Grafiek 2

het PE verbruik met 15% af, en werd de slibkoek iets droger (0,5-1,0 DS%). De beluchting kon niet volledig stil gezet worden omdat beluchting noodzakelijk is voor onder andere menging en sturing van de pH in de Airprex reactor.

De situatie met lage beluchting is financieel het gunstigst. Een positief effect van de hogere beluchting is dat de struvietproductie toeneemt door een hogere pH in de struvietreactor. Tegelijkertijd zorgt de beluchting echter ook voor desintegratie van de slibvlokken waardoor de ontwaterbaarheid achteruit gaat.

Op de drie rwzi’s is ook gekeken naar de invloed van de dosering van kationen op de EPS, de extracelluaire polymere structuren. Dit zijn lange organische moleculen in het slib die “stevig” of “los” aan de slibvlokken gebonden kunnen zijn. “Loosely bound” EPS geeft een slechte ontwaterbaarheid omdat er dan meer geladen en colloïdale deeltjes zijn die door PE moeten worden gebonden. De resultaten laten voor de drie onderzochte rwzi’s zien dat bij dosering van kationen (Fe, Mg of Ca) het gehalte aan “loosely bound” EPS daalt. Meer informatie hierover is te vinden in het volledige STOWA rapport.

Labtesten De laboratoriumtesten werden uitgevoerd in het Technical Research Centre (TRC) van Royal HaskoningDHV. Doel was om te beoordelen of labtesten gebruikt kunnen worden bij de inschatting van het effect van kationen op de ontwaterbaarheid van uitgegist slib.

De ontwaterbaarheid is vastgesteld met de volgende methoden: • Capillary Suction Time (CST): de tijd (in seconden) die het water uit het slib nodig heeft om een vaste

afstand over een standaard stuk filterpapier te vloeien. Hoe hoger de CST, hoe slechter de ont­ waterbaarheid van het slib; • Filtratie met een Mareco filterpers: na toevoeging van polyelektroliet (PE) wordt slib samengeperst tussen twee filterdoeken, waarna het drogestofgehalte van de slibkoek wordt bepaald. Hoe hoger het drogestofgehalte, hoe beter de ontwaterbaarheid; • Streaming current test (SC): Na meting van de lading van het slib, wordt een PE-oplossing toegevoegd, totdat het iso-electrisch punt (0 mV, neutrale lading) wordt bereikt. De hoeveelheid PE-oplossing is een maat voor het PE-verbruik in de praktijk.

De CST test is een veel gebruikte test om de ontwaterbaarheid van slib te meten, maar bepaalt alleen het vrije water. Persproeven met de Mareco pers worden vaker gebruikt als indicatie voor de ontwaterbaarheid en zijn hier uitgevoerd volgens een door Royal HaskoningDHV ontwikkeld proto­ col. Het protocol voor de SC test is door Royal HaskoningDHV en Aiforo ontwikkeld.

• Uit alle drie de testen bleek dat de toevoeging van kationen een positief effect heeft op de ontwaterbaarheid. Voor alle drie rwzi’s bleken de labora­ toriumproeven een goede indicatie te geven van veranderingen in de ontwaterbaarheid in de praktijk. De meest consistente resultaten werden gekregen met de CST test en streaming current test (SC). Persproeven kunnen als enige infor­matie geven over veranderingen in de droogtegraad van de slibkoek, maar toonden een grote spreiding zien in de meetresultaten.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Conclusies Dit onderzoek laat zien dat door dosering van z­ outen van meerwaardige kationen (ijzer, magnesium, ­calcium) de ontwaterbaarheid van slib verbeterd kan worden en dat in veel gevallen de kosten voor de ­dosering van deze zouten terugverdiend wordt door een lager PE verbruik en soms ook een drogere slibkoek. De dosering van ijzerzouten liet zowel op labals op praktijkschaal de grootste verbetering zien.

De resultaten met magnesium verschaffen inzicht in het mechanisme achter de positieve effecten op de ontwaterbaarheid van slib, die vaak worden gevonden bij terugwinning van struviet. Deze positieve ­effecten worden vermoedelijk vooral veroorzaakt door de noodzakelijke overdosering van magnesium waardoor de structuur van de slibvlokken wordt verbeterd. ­Bovendien laat dit onderzoek zien dat de beluchting van slib, die onder meer bij het Airprex proces nodig is voor de winning van struviet, juist een negatief effect heeft op de ontwaterbaarheid. Een maximale winning van struviet vergt voldoende beluchting voor een verhoging van de pH van het slib, maar levert dus niet een maximale verbetering van de ontwaterbaarheid.

De gebruikte labproeven bleken een redelijk goede voorspelling te geven van de effecten op de ontwater­baarheid. Praktijkproeven blijven echter nodig om de kwantitatieve effecten goed te kunnen ­onderbouwen. Verder bleken de effecten niet gelijk bij alle onderzochte slibben. De conclusie is dat elke ­slibontwatering zijn eigen onderzoek vergt om de optimale behandeling vast te stellen.

Verder onderzoek is nodig om de mechanismen van de ontwatering van slib verder te ontrafelen. In dit onderzoek is een eerste bemoedigende stap gezet door effecten op de extracellulaire polymere ­structuur (EPS) in het slib te meten. Verschillen in het EPS ­gehalte correleerden goed met de gevonden verschillen in de ontwaterbaarheid.

David Berkhof (Royal HaskoningDHV) Leon Korving (Aiforo)

DECEMBER 2017

35

Bronnen D. Berkhof, L. Korving, “De invloed van kationen en ­beluchting op slibontwatering”, STOWA rapport 2016-11, ISBN nr. 978.90.5773.712.1 Novak, J. T., Sadler, M. E., & Murthy, S. N. (2003). Mechanisms of floc destruction during anaerobic and aerobic digestion and the effect on conditioning and dewatering of biosolids. Water Research, 37(13), 3136-3144 Sobeck, D. C., & Higgins, M. J. (2002). Examination of three ­theories for mechanisms of cation-induced bioflocculation.

Water research, 36(3), 527-538.

DWA (2008), Merkblat M-383, Kenwerte der Klärschlamment­ wässerung, ISBN nr. 978-3-941089-29-7.

SAMENVATTING Dit onderzoek ging over de invloed van toegevoegde kationen en beluchting op de ontwaterbaarheid van uitgegist zuiveringsslib. Labtesten werden gecombineerd met praktijktesten op de rwzi’s Nieuwgraaf, Beverwijk en Amsterdam West. Effecten bleken te verschillen van locatie tot locatie. Op rwzi Nieuwgraaf kan de toevoeging van ijzerzouten naar verwachting leiden tot een besparing van ca € 200.000,- per jaar. Op rwzi Amsterdam West bleek dat extra beluchting van slib voor verhoging van de struvietproductie, de positieve effecten van magnesium op de ontwaterbaarheid kan beperken.

Op de locatie Beverwijk bleek er een optimum te zitten in de PE-dosering. Voorbij dit optimum leidt dosering van kationen juist tot hogere slibverwerkingskosten. Daarom is het belangrijk om op elke locatie verkennende lab- en praktijktests te doen om in te schatten wat het te verwachten effect is en welke dosering nodig is om een bepaald effect te bereiken. Locaties met een hoog PE verbruik komen als eerste in aanmerking voor verkennend onderzoek.

Verwerking zuiveringsslib goedkoper met kationen

36

WATER MATTERS

AUTEURS

Vince Kaandorp en Perry de Louw (Deltares)

Pieter Doornenbal (Deltares)

MONITORING MET GLASVEZELKABELS IN BEKEN LAAT LOKALE EFFECTEN EN HETEROGENITEIT IN WATERTEMPERATUUR ZIEN De watertemperatuur is een bepalende factor voor het ecologisch functio­ neren van beken. In twee Twentse beken is met lange glasvezelkabels de beektemperatuur continue gemonitord.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

37

Figuur 1. Dag en nacht temperatuurmetingen van de Springendalse Beek van bovenstrooms naar benedenstrooms (links naar rechts) in zowel de zomer als winter laten de invloed zien van een zijstroom (b), bronmeertjes (c, e, f) en kwel (a, d). Deze locaties maken een sprong in temperatuur of hebben een ander opwarming/afkoelingspatroon.

De cirkels zijn metingen met onafhankelijke temperatuurloggers.

De watertemperatuur in beken beïnvloedt (bio)chemische processen, de aanwezigheid van soorten en het functioneren van ecosystemen. De watertemperatuur van beken wordt beïnvloed door processen zowel aan de oppervlakte als in de ondergrond. Enerzijds zorgen de luchttemperatuur en directe of diffuse straling voor opwarming of afkoeling, anderzijds zorgen kwel en diffuse uitwisseling met de ondergrond voor een regulering van de watertemperatuur.

Momenteel is er weinig kennis over het samenspel tussen deze lokale processen en dan met name de rol van kwel, ondanks het feit dat temperatuur een belangrijke factor is voor de oppervlaktewaterkwaliteit.

Inzicht in de warmtegraad van beeksystemen is nodig om de juiste maatregelen ten behoeve van de beektemperatuur en dus ecologie te kunnen nemen, zeker met het oog op toekomstige klimaatverandering.

Voor het lokaliseren van kwel en het begrijpen van de rol van kwel op de beektemperatuur in relatie tot andere factoren zijn temperatuurmetingen met glasvezelkabels gedaan. Deze techniek, Distributed Temperature Sensing (DTS), is gebruikt om zowel continue in de ruimte als in de tijd de temperatuur te meten. Zo wordt de ruimtelijke dynamiek in de watertemperatuur als gevolg van verschillen in de morfologie, stroomsnelheid en beekbegeleidende v­ egetatie bemeten, alsmede het effect van lokale kwel. Deze metingen zijn uitgevoerd binnen het Europese MARS-project, waarin onderzoek wordt gedaan naar het effect van combinaties van stressoren op aquatische ecologie. Vanaf zomer 2016 tot en met begin

DECEMBER 2017

2017 zijn de DTS-temperatuurmetingen uitgevoerd in twee beken in Twente: de Elsbeek bij Losser en de Springendalse Beek. Hiervoor zijn glasvezelkabels met een lengte van 1,5 km in deze beken geplaatst en is de temperatuur in elke meter van de kabel om het half uur verzameld.

Springendalse Beek: een bronbeek De Springendalse Beek ontspringt op de Stuwwal van Ootmarsum en stroomt de eerste 2 km door het Staatsbosbeheer natuurreservaat ‘Het Springendal’.

In het gebied zijn enkele bronmeren aanwezig, welke afwateren op de beek. De metingen zijn uitgevoerd van ongeveer 250 meter van het ontspringen van de beek tot ongeveer 1.400 meter benedenstrooms daarvan. Figuur 1 geeft de dag en nacht watertemperatuur weer voor een warme zomerdag en een koude winterdag.

De metingen in Figuur 1 beginnen ongeveer 300 m stroomafwaarts van het ontspringen van de beek, waar de watertemperatuur zowel in de zomer als in de winter ongeveer 10 graden is. De oorzaak van deze constante temperatuur is dat het grondwater een temperatuur van rond de 10-11 graden heeft en gedurende het jaar niet veel fluctueert, en als gevolg van de grote kwelstroom is deze temperatuur ook nog aanwezig als het grondwater aan het oppervlak komt.

Op een warme zomerdag warmt de met grondwater gevoede beek in benedenstroomse richting op en op een koude winterdag koelt de beek juist af.

Glasvezelkabel meet beektemperatuur

36

38

WATER MATTERS

Figuur 2. Zomer temperatuurmetingen van de Elsbeek van bovenstrooms naar benedenstrooms (links naar rechts) laten de invloed zien van schaduw in combinatie met stroomsnelheid en diepte. De cirkels zijn metingen met onafhankelijke temperatuurloggers.

Bij punt b stroomt een zijstroom de beek in. In het gebied zijn bronmeren aanwezig, dit zijn door grondwater gevoede meertjes die in de beek uitstromen (Figuur 1: c, e, f). In deze langzaam uitstromende bronmeren is de invloed van het weer te zien: in de winter zorgen de bronmeren voor een koude instroom naar de beek en in de zomer zorgt instraling van de zon voor een opwarming van de bronmeren, vooral duidelijk te zien bij het 2e bronmeer (Figuur 1: e).

Opvallend is dat het 1e bronmeer ook op een warme zomerdag juist een koele instroom levert (Figuur 1: c).

Metingen van het isotoop Radon-222, wat een indicator is voor recente kwel, tonen aan dat de verklaring voor dit temperatuurverschil is dat het water een kortere verblijftijd heeft in het 1e dan in het 2e bronmeer en daardoor minder kan opwarmen. Het 2e bronmeer is namelijk veel groter en dieper dan het 1e bronmeer.

Significante instroom van grondwater is uit de metingen te halen doordat er een afkoeling van de beek in de zomer en opwarming in de winter te zien is. Het verschil in de temperatuur van kwel is goed te zien op locatie a in Figuur 1, waar de glasvezelkabel is gelust door een bronnetje direct naast de beek welke zorgt voor een constantere watertemperatuur. Afwijkingen in de opwarming/afkoeling curve van de beek geven aan dat significante kwel plaatsvindt en zijn te zien op verschillende locaties in Figuur 1: rond de bron bij a waar de afkoeling in de winter afremt, stroomafwaarts van bronmeer c waar de temperatuur toeneemt in de winter, en bij punt d waar in de zomer de beek stopt met opwarmen en in de winter de temperatuur juist toeneemt in plaats van afneemt.

Verticale temperatuurmetingen in de beekbodem en metingen met kwelmeters in het Springendal toonden kwelfluxen aan van 86 tot 490 mm/d. Een belangrijke

observatie uit deze metingen is dat de heterogeniteit binnen een beekprofiel groot is: er zijn locaties waar rond de ene oever van de beek kwel plaatsvindt terwijl water aan de andere zijde infiltreert. Ook metingen met Radon-222 bevestigen de invloed van kwel.

De temperatuurmetingen in de Springendalse Beek laten duidelijke verschillen zien. Het b ­ ovenstroomse deel heeft een maximale zomertemperatuur van 14 graden en is op een koude winterdag boven de 6 graden. Het benedenstroomse deel warmt op deze dagen op tot 17 graden en koelt af tot rond de 5 graden. Door de constante afvoer en constante lagere temperaturen als gevolg van de toevoer van grondwater komen in de bovenloop koud stenotherme soorten voor zoals de steenvliegen Nemoura cinerea en Amphinemura standfussi en vedermuggen Hetero­ tanytarsus apicalis en Heterotrissocladius marcidus (Verdonschot et al., 2002).

De Elsbeek bij Losser: een beek door afwisselend agrarisch gebied en bosstroken De Elsbeek bij Losser is een typisch Nederlandse laaglandbeek die voor een groot deel stroomt door agrarisch gebied. De temperatuurmetingen in de Elsbeek laten vooral het effect van schaduw duidelijk zien: waar de beek door open veld stroomt, warmt deze een paar graden op, waarna de beek weer afkoelt in de beschaduwde gebieden (Figuur 2). Hierbij zijn de stroomsnelheid, de diepte van de beek en het voorkomen van eventuele poelen ook van belang.

Tussen 1400-1200m heeft de beek diepe langzaam doorstroomde poelen, welke voor een afkoeling zorgen doordat de watertemperatuur in deze watermassa gedurende de dag gebufferd wordt. In het open gebied tussen de 900-800m warmt de beek op, en deze opwarming versnelt tussen 800-700m wanneer

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

de beek door een open en langzamer stromend deel gaat. Hierna koelt het water weer af in het beboste gebied. In tegenstelling tot de Springendalse Beek laten de DTS-metingen geen duidelijke invloed van kwel op de temperatuur van de Elsbeek zien. Dit wil niet zeggen dat er geen kwel is, alleen is deze te marginaal is voor enig effect op de watertemperatuur doordat de kwelstroom te klein is in verhouding tot de afvoer van de beek.

De metingen in de Elsbeek laten zien dat de beektemperatuur over kleine beektrajecten al enkele graden kan verschillen, als gevolg van stroomsnelheid, diepte en schaduw. Kwelmetingen in november 2016 toonden een kwelstroom aan in het benedenstroomse deel van de Elsbeek van ongeveer 150 mm/dag, maar geen kwel of zelfs infiltratie in andere delen van de beek. Radon-222 metingen toonden geen significante kwel aan en de verticale temperatuurmetingen lieten net als in de Springendalse Beek een grote hetero­ geniteit zien.

Grondwater en oppervlakte processen sturen de beektemperatuur Waar de metingen in het Springendal duidelijke buffering van de temperatuur laten zien door grondwater, wordt de temperatuur van de Elsbeek vooral bepaald door instraling en luchttemperatuur in ­combinatie met de diepte en stroomsnelheid van de beek. Grondwater zorgt voor een lagere maximumtemperatuur in de zomer en hogere minimumtemperatuur in de winter. Uit de metingen blijkt dat de heterogeniteit van beektemperatuur groot is en met behulp van DTS-metingen kan deze heterogeniteit worden gemeten. Deze afwijkende locaties en extremen kunnen juist zorgen voor specifieke standplaatsfactoren die nodig zijn voor (zeldzame) aquatische soorten. ­Verdere analyse van de metingen zal zich richten op het effect van schaduw en het kwantificeren van het effect van kwel op de beektemperatuur.

Een beter begrip van de grond- en oppervlaktewatertemperatuur draagt bij aan het behalen van KRW-doelstellingen, omdat efficiëntere herstelmaatregelen kunnen worden genomen. Door beter

DECEMBER 2017

39

systeembegrip kan bijvoorbeeld worden gestuurd op herstel of behoud van ecologisch gunstige watertemperaturen in oppervlaktewateren onder stijgende temperaturen door klimaatverandering. Voor het behoud van kwelzones is het belangrijk het grondwater mee te nemen in beheersplannen, wat ook een positief effect heeft op de basisafvoer en waterkwaliteit. De DTS-techniek kent daarnaast het gebruik voor het opsporen van kwel nog vele andere toepassingen zoals het bepalen van droogval, stilstand, sedimen­ tatie, lozingen, lekke riolen en het effect van maat­ regelen op watertemperatuur zoals het aanbrengen van beekbegeleidende vegetatie.

Vince Kaandorp Perry de Louw Pieter Doornenbal (Deltares) Literatuur Verdonschot, P.F.M., van den Hoek, T.H., van den Hoorn, M.W., 2002. De effecten van bodemverhoging op het beekecosysteem van de Springendalse beek. Wageningen. doi:1075

SAMENVATTING De watertemperatuur is een bepalende factor voor het ecologisch functioneren van beken. In twee beken in Twente is door middel van 1.5 km lange glasvezelkabels de beektemperatuur continue gemonitord. Doordat kwel zorgt voor een buffering van de beektemperatuur zijn met deze metingen locaties met kwel opgespoord. Ook beschaduwen heeft een duidelijk effect op de beektemperatuur.

Voor het halen van KRW-doelstellingen en het klimaat-proof maken van beken is het van belang te sturen op de watertemperatuur. Met deze techniek kan de beektemperatuur op fijne schaal worden bemeten, en kan de heterogeniteit van de beektemperatuur beter worden meegenomen bij ingrepen in het watersysteem.

Glasvezelkabel meet beektemperatuur

Het kennismagazine Water Matters van H2O is een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk Onafhankelijk kennis(sen)netwerk voor en door Nederlandse water­ professionals.

Water Matters wordt mogelijk gemaakt door ARCADIS Wereldwijd opererende ontwerp- en adviesorganisatie op het gebied van de natuurlijke en gebouwde omgeving die duurzame resultaten levert door de toepassing van ontwerp, advisering, engineering, project- en managementdiensten.

Deltares Onafhankelijk kennisinstituut op het gebied van water, ondergrond en infrastructuur. Wereldwijd wordt gewerkt aan slimme innovaties, oplossingen en toepassingen voor mens, milieu en maatschappij.

KWR Watercycle Research Institute Instituut voor toegepast wetenschappelijk wateronderzoek dat kennis genereert en samenbrengt voor innovaties in en optimaal beheer van de waterketen.

Royal HaskoningDHV Onafhankelijk internationaal advies-, ingenieurs- en projectmanagementbureau, dat samen met klanten en partners een bijdrage levert aan een duurzame samenleving.

Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) Kenniscentrum van regionale waterbeheerders in N ­ ederland, dat zorgt voor het ontwikkelen, bijeenbrengen, delen en implementeren van kennis die nodig is om de opgaven waar waterbeheerders voor staan, goed uit te voeren.

Netherlands Water Partnership (NWP) Netwerk ter ondersteuning van de watersector bij export en internationale samenwerking. 200 organisaties (profit en non-profit) hebben zich erbij aangesloten.

Wageningen Environmental Research (Alterra) Onderzoeksinstituut dat door onafhankelijk onderzoek bijdraagt aan het realiseren van een kwalitatief hoogwaardige en duurzame groene leefomgeving.