Groundwater contamination in fractured bedrock and sandy aquifer environments from agricultural neonicotinoid use

D. Browne, J. Levison, V. Limay-Rios, K. Novakowski, A. Schaafsma

In the proceedings of: GeoOttawa 2017: 70th Canadian Geotechnical Conference; 12th joint with IAH-CNC

Session: Groundwater Contamination

ABSTRACT: Neonicotinoids are used prolifically as a seed coating for corn, soybean and wheat in Ontario. The first neonicotinoid (imidacloprid) was produced in 1995, followed by several different generations (including clothianidin and thiamethoxam) in the early 2000s. Recently, neonicotinoids have come under criticism due to assertions that their use is linked to a decline in pollinator populations and certain aquatic species. As a result, research investigating the fate of neonicotinoids in the environment has primarily focused on their longevity in soil and surface water concentrations. These studies have illustrated the environmental persistence and possible leaching potential of neonicotinoids, yet research into the presence and movement of neonicotinoids in groundwater is sparse. This project links the land-rate application of neonicotinoids to groundwater concentrations in Ontario. The sandy aquifer in Norfolk County was compared to the fractured crystalline bedrock aquifer in Lanark County. Roughly 25 monitoring intervals from multi-level wells were sampled at each location six times between 2016 and 2017. Spatial and temporal variations were investigated. Numerical and analytical modelling was used to simulate neonicotinoid transport in these two distinct aquifer settings. The groundwater samples were analyzed for a total of seven neonicotinoids using a LC-ESI-MS/MS system. It was found that despite higher application rates of thiamethoxam, clothianidin was detected more frequently and at higher concentrations in each hydrogeological setting. Physical properties of these two neonicotinoids indicate that clothianidin is likely to only be transported by significant precipitation events while thiamethoxam is released gradually from the soil. No reference values for neonicotinoids in groundwater exist in Canada; however, all observed groundwater concentrations are below the threshold of what is considered harmful to humans, pollinators and aquatic species. Results from this study can help to inform policy development regarding the fate of neonicotinoids in the environment.

RÉSUMÉ: Les néonicotinoïdes sont utilisés de manière prolifique pour enrober les graines de maïs, de soja et de blé en Ontario. Le premier néonicotinoïde (imidaclopride) a été produit en 1995, suivi de plusieurs générations différentes (y compris la clothianidine et le thiaméthoxame) au début des années 2000. Récemment, les néonicotinoïdes ont été critiqués en raison des affirmations selon lesquelles leur utilisation est liée à une baisse des populations de pollinisateurs et de certaines sur la longévité de leurs concentrations dans le sol et dans les eaux de surfaces. Ces études ont illustré la persistance environnementale et le potentiel possible de lixiviation des néonicotinoïdes, mais la recherche sur le destin et du mouvement des néonicotinoïdes dans les eaux souterraines est encore rare. Ce projet lie l'application des néonicotinoïdes aux concentrations d'eaux souterraines en Ontario. L'aquifère sablonneux dans le comté de Norfolk a été comparé à l'aquifère rocheux cristallisé fracturé dans le comté de Lanark. Environ 25 intervalles de surveillance des puits à niveaux multiples ont été échantillonnés à chaque endroit, six fois entre 2016 et 2017. Les variations spatiales et temporelles ont été étudiées. La modélisation numérique et analytique a été utilisée pour simuler le transport des néonicotinoïdes dans ces deux paramètres distincts de l'aquifère. Les échantillons d'eau souterraine ont été analysés pour un total de 7 néonicotinoïdes en utilisant un système LC-ESI-MS / MS. On a constaté que, malgré des taux d'application plus élevés de thiaméthoxame, la clothianidine a été trouvée plus fréquemment et à des concentrations plus élevées dans chaque établissement hydrogéologique. Les propriétés physiques de ces deux néonicotinoïdes indiquent que la clothianidine ne devrait être transportée que par des événements importants de précipitation alors que le thiaméthoxame est libéré progressivement du sol. Aucune valeur de référence pour les néonicotinoïdes dans les eaux souterraines n'existe au Canada, mais toutes les concentrations d'eau souterraine observées sont inférieures au seuil de ce qui est considéré comme dangereux pour les humains, les pollinisateurs et les espèces aquatiques. Les résultats de cette étude peuvent aider à informer l'élaboration des politiques concernant le sort des néonicotinoïdes dans l'environnement.

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