Electrokinetic treatment of environmental matrices. Contaminants removal and phosphorus recovery

There is a need to develop viable techniques for removal and recovery organic and inorganic compounds from environmental matrices, due to their ecotoxicity, regulatory obligations or potential supplies as secondary materials. In this dissertation, electro –removal and –recovery techniques were applied to five different contaminated environmental matrices aiming phosphorus (P) recovery and/or contaminants removal. In a first phase, the electrokinetic process (EK) was carried out in soils for (i) metalloids and (ii) organic contaminants (OCs) removal. In the case of As and Sb mine contaminated soil, the EK process was additionally coupled with phytotechnologies. In a second phase, the electrodialytic process (ED) was applied to wastes aiming P recovery and simultaneous removal of (iii) toxins from membrane concentrate, (iv) heavy metals from sewage sludge ash (SSA), and (v) OCs from sewage sludge (SS). EK enhanced phytoremediation showed to be viable for the remediation of soils contaminated with metalloids, as although remediation was low, it combines advantages of both technologies while allowing site management. EK also proved to be an effective remediation technology for the removal and degradation of emerging OCs from two types of soil. Aiming P recovery and contaminants removal, different ED cell set-ups were tested. For the membrane concentrates, the best P recovery was achieved in a three compartment (3c) cell, but the highest toxin removal was obtained in a two compartment (2c) cell, placing the matrix in the cathode end. In the case of SSA the best approach for simultaneous P recovery and heavy metals removal was to use a 2c-cell placing the matrix in the anode end. However, for simultaneous P recovery and OCs removal, SS should be placed in the cathode end, in a 2c-cell. Overall, the data support that the selection of the cell design should be done case-by-case.

Variations inter- et intra-spécifiques de la phytoextraction des éléments traces As, Cd, Cu, Ni, Pb et Zn chez trois cultivars de saule

La phytoextraction représente une solution environnementale prometteuse face au problème de contamination des sols en éléments traces (É.T). La présente étude s’intéresse aux différences intra et interspécifiques (S. purpurea, S. dasyclados, S. miyabeana) de trois cultivars de saule lorsqu’ils sont utilisés pour la phytoextration de six É.T. (As, Cd, Cu, Ni, Pb et Zn). Les objectifs sont (i) décrire les variations intrapécifiques du cultivar FISH CREEK (S. purpurea) lorsqu’il est utilisé pour la phytoextraction sur deux sites d’étude; et (ii) décrire les variations intra et interspécifiques des cultivars FISH CREEK (S. purpurea), SV1 (S. dasyclados) et SX67 (S. miyabeana) lorsqu’ils sont utilisés pour la phytoextraction d’un site d’étude. Les indicateurs de variations intra et interspécifiques sélectionnés sont les suivants : la biomasse totale, les concentrations en É.T. extraits et les facteurs de translocation (x ̅ pondérée des conc. É.T. dans les parties aériennes / conc. É.T. dans les racines). La contribution des propriétés du sol (degré de contamination, caractéristiques physicochimiques) à la phytoextraction a été évaluée. Les cultivars ont présenté des variations interspécifiques significatives. Cependant, les variations intraspécifiques sur un site d’étude étaient parfois plus importantes que celles mesurées entre les trois différents cultivars. L’amplitude des variations intraspécifiques que présentent le cultivar FISH CREEK sur deux sites d’étude est attribuée à l’influence du pH, de la minéralogie et au contenu en matière organique, lesquelles diffèrent entre les deux sites. Il a aussi été démontré que la phytoextraction des É.T. n’était pas systématiquement corrélée de façon positive avec le degré de contamination. Cela suggère que les concentrations en É.T. mesurées dans le sol ne peuvent pas expliquer à elles seules la variation des concentrations mesurées dans les tissus. L’implication des mécanismes de rétention dans le sol semblent être davantage responsable des variations observées. La compartimentation des É.T. suggère que le saule est efficace pour l’extraction du Cd et du Zn et qu’il est efficace pour la phytostabilisation de l’As, du Cu, du Ni, et du Pb. En ce qui concerne les quantités extraites, le cultivar FISH CREEK semble le plus performant dans la présente étude.

Analyse de l'effet de la contamination du sol sur la croissance et la physiologie de 11 cultivars de Salix

Mon mémoire de maîtrise a été réalisé dans le cadre du projet Génorem (www.genorem.ca), un projet multidisciplinaire qui réunit différents chercheurs de l'Université de Montréal et de l'Université McGill dans le but d'améliorer les techniques utilisées en bioremédiation. Dans le cadre de l'étude, des saules à croissance rapide (Salix sp.) ont été utilisés comme plantes modèles dans l'étude. Ainsi, 11 cultivars de saule ont été suivis afin de déterminer leur potentiel à produire un bon rendement de biomasse, à tolérer des conditions de stress sévère causé par la présence de HAPs (hydrocarbures aromatiques polycycliques) , BPCs (biphényles polychlorés) et d'hydrocarbures pétroliers C10-C50. L'expérimentation consistait en une plantation de saule à forte densité qui a été mise en place en 2011 sur le site d'une ancienne industrie de pétrochimie à Varennes, dans le sud du Québec. Les boutures des génotypes sélectionnés ont été plantées sur une superficie d'environ 5000 m2. Les plantes ont été suivies pendant les deux saisons de croissance suivant le recépage et une série de paramètres de croissance et de mesures physiologiques ont été récoltés (surface foliaire, taux de chlorophylle, conductance stomatique et statut nutritionnel) dans le but d'évaluer et de comparer les performances de chaque génotype sur un sol pollué. Les analyses statistiques ont démontré que le cultivar S. miyabeana (SX61) était le meilleur producteur de biomasse sur le site contaminé, tandis que S. nigra (S05) et S. acutifolia (S54) présentaient la meilleure capacité photosynthétique. S. dasyclados (SV1), S. purpurea (‘Fish Creek’) et S. caprea (S365) ont semblé particulièrement affectés par la présence de contaminants. La capacité d'établissement et la croissance de S. nigra (S05), S. eriocephala (S25) and S. purpurea x S. miyabeana (‘Millbrook’) indiquent une tolérance globale supérieure à la pollution . Cette analyse comparative des différentes réponses physiologiques des saules cultivés sur un sol contaminé pourra guider le processus de sélection de plantes et les techniques de bioremédiation dans les futurs projets de phytoremédiation.

Effet des macrophytes aquatiques sur le traitement d’eau contaminée à l’ACC et au PCP

L’objectif principal de ce projet est d’évaluer le potentiel d’un système de marais filtrants combinés pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois - l’arséniate de cuivre chromaté (ACC) et le pentachlorophénol (PCP) - en portant une attention particulière au rôle des plantes. Pour ce faire, une expérience en pot faisant varier la concentration d’exposition de quatre espèces de macrophyte (Typha angustifolia, Phalaris arundinacea, Phragmites australis americanus et Phragmites australis australis) a été effectuée. Le suivi de quatre marais filtrants à écoulement horizontal sous-surfacique, plantés d’une des quatre espèces de macrophyte et d’un bassin planté de saules (Salix Miyabeana SX67) a également été réalisé. La résistance des plantes au milieu contaminé, la capacité de bioaccumulation des macrophytes et les efficacités de traitement des différents systèmes ont été analysés. Nos résultats montrent que la concentration d’exposition n’influence pas la capacité des plantes à croître en milieu contaminé. Par contre, il existe une relation dose-réponse entre la concentration d’exposition et la capacité de bioaccumulation des macrophytes. Les quatre marais pilotes ont tous des efficacités de traitements supérieures à 55% en 2013 et 82% en 2014 pour les contaminants à l’étude. Le bassin de saule a la capacité théorique d’évapotranspirer jusqu’à 1200 L par jour. De plus, ses efficacités de traitements sont supérieures à 59% pour tous les composés à l’étude. L’utilisation de marais filtrants pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois est donc une alternative intéressante aux méthodes de traitement conventionnel.

Diversité des organismes endophytes dans les racines de plantes poussant en milieu contaminé en hydrocarbures

Les champignons endophytes sont des organismes qui vivent à l’intérieur de plantes sans causer de symptômes de maladie apparents. Ils sont trouvés dans virtuellement toutes plante, et la nature des interactions peut aller de mutualiste à pathogène dépendant des conditions. La diversité et la structure des communautés des champignons endophytes dans les plantes poussant en milieu extrêmement pollué, ainsi que leur rôle potentiel pour améliorer la phytorémédiation, demeurent peu compris. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux communautés de champignons endophytes de racines de deux espèces de plantes (Eleocharis erythropoda et Populus sp.). Ces espèces poussaient de manière spontanée dans trois bassins de sédimentation d’un ancienne usine pétro-chimique ayant des niveaux de contaminations différents, en utilisant à la fois une approche d’isolation d’organisme ainsi que des analyses de pyroséquençage de l’ITS d’ADN ribosomal. Nos résultats indiquent que les niveaux de contamination ont un effet significatif sur la composition taxonomique des champignons endophytes des racines de E. erythropoda. Une majorité des données de séquences appartiennent à la classe des Dothideomycetes dans les échantillons de forte concentration en hydrocarbures pétroliers, dont une majorité appartient au genre Alternaria. La comparaison des données d’isolation et de pyroséquençage suggère que l’isolation de souches ne permet pas l’obtention des souches les plus représentées dans les données de pyroséquençage. Ces résultats pourront potentiellement aider à l’élaboration de stratégies pour améliorer la phytorémédiation en utilisant les champignons endophytes.

Proposition méthodologique : évaluation développement durable des stratégies de décontamination.

Il est maintenant commun de soumettre les projets à une analyse de durabilité avant qu’ils ne soient autorisés, et ce, malgré la diversité de sens que peut prendre ce type d’analyse. Cette démarche, grandement inspirée de l’évaluation d’impact, a pour principal objectif d’évaluer ex ante les enjeux sociaux, écologiques et économiques des projets au travers du prisme du développement durable. À cet effet, les principes comme l’efficacité économique, la prévention des dommages, l’acceptabilité sociale et l’équité intergénérationnelle, peuvent servir de guide après leur préalable traduction en indicateurs opérationnels. L’objectif de la recherche est de trouver comment le développement durable peut s’intégrer dans le processus décisionnel menant aux choix des stratégies de décontamination des sols et de proposer une démarche propre à l’évaluation de tels projets. La méthode développée devra permettre plus spécifiquement d’intégrer systématiquement les principes du développement durable dans le processus décisionnel; d’orienter les parties prenantes dans une démarche commune; de minimiser les effets négatifs sur l’environnement et les populations touchées et réduire les risques économiques; et finalement, d’adopter une vision holistique des projets.

Effects of diverse plant species on the bioavailability of contaminants in soil

La phytoremédiation constitue une technologie alternative pour le traitement de sols contaminés en métaux. Toutefois, la biodisponibilité des métaux dans le sol peut limiter l’efficacité de cette approche. Nous émettons l’hypothèse que diverses espèces de plante, caractérisées par systèmes racinaires différents, peuvent affecter différemment la biodisponibilité des éléments traces (ET) dans le sol. Une étude utilisant un dispositif expérimental en bloc aléatoire complet avec cinq réplicats a été conduite entre le 6 juin et le 3 septembre 2014, sur le site du Jardin botanique de Montréal. Dans ce contexte, l’impact de la présence de huit espèces de plantes, herbacées ou ligneuses, sur le pool labile de six métaux (Ag, Cu, Pd, Zn, Ni et Se) dans la rhizosphère de celles-ci a été étudié. Après trois mois de culture, la biomasse aérienne et souterraine de chaque espèce a été mesurée et la concentration en ET dans les tissus des plantes a été analysée. La fraction labile de ces ET dans la rhizosphère (potentiellement celle qui serait biodisponible) de même que d’autres paramètres édaphiques (le pH, la conductivité, le pourcentage de matière organique et le carbone organique dissous (COD)) ont aussi été mesurés et comparés en fonction de la présence d’une ou l’autre des espèces utilisées. Les résultats montrent que pour la plupart des plantes testées, les plus fortes concentrations en ET ont été trouvées dans les racines alors que les plus faibles niveaux s’observaient dans les parties aériennes, sauf pour le Ni dans le Salix nigra. Ceci suggère que le Ni peut être extrait du sol par des récoltes régulières des tiges et des feuilles de cette espèce de saule. Les pools labiles de l’Ag, Ni et du Cu dans la rhizosphère étaient significativement et différemment affectés par la présence des plantes. Toutefois, la présence des plantes testées n’a pas affecté certains paramètres clés de la rhizosphère (ex. le pH, conductivité, et le pourcentage de matière organique). À l’opposé, les niveaux de COD dans la rhizosphère de toutes les plantes testées se sont révélés supérieurs en comparaison des témoins (sols non plantés). De plus, une corrélation positive a pu être établie entre la concentration disponible du Ni et la concentration en COD. Une relation similaire a été déterminée pour le Cu. Ceci suggère que certains systèmes racinaires pourraient modifier les niveaux de COD et avoir un impact indirect sur les pools labiles des ET dans le sol.

Unraveling a Benchmark for Sulphur Akin in the Cochin Estuarine System

The thesis deals with a benchmark study of dissolved and sedimentary sulphur compounds which play prominent roles in the prevailing redox conditions in the selected sites of Cochin estuarine system. Sulphur and its analogues play prominent roles in estuarine biochemical processes. A complete knowledge on the sulphur involvement in these processes is restricted due to the lacking of data on the organic sulphur compounds. Sulphate and sulphide in surface and bottom water and Sulphate, acid volatile sulphide and total sulphur in sediments were studied and correlated to know their interrelations in determining the redox condition of the environment. It also characterises the sediments of the sites on the basis of total organic carbon: total sulphur ratio. The study had attempted to decrease the concentration levels of sulphur in the sedimentary environment by the application of a remedial measure. Knowledge of sulphur uptake by plants from prior literatures has prompted to use phytoremediation for decreasing the sulphur concentration. Phytoremediation is an emerging technology that uses plants to clean up or remediate contaminated soil, sludges, sediments, and ground water through contaminant removal, degradation or containment. The plant selected was wheat grass since earlier studies have shown that wheat grass is effective in remediating pollutants particularly trace metals. So reduction in the concentration of selected trace metals was also focussed.

A semi-quantitative approach to deriving a model structure for the uptake of organic chemicals by vegetation

An expert elicitation exercise was undertaken to determine those components and processes that are most important for modeling plant uptake of organic chemicals. The state of our knowledge of these processes was also assessed. This semi-quantitative analysis allowed the construction of an idealized model with seven compartments; soil bulk, soil water, roots, stem, leaves, fruit, and air. Three main areas were identified further research: 1) the uptake of organic chemicals by fruit; 2) the internal transfer of organic chemicals between plant structures (e.g., stem and leaves); and 3) the transfer via the soil-air-plant pathway. Until new data becomes available to quantify these processes, it is proposed that an equilibrium partitioning approach is used between plant components other than fruit or that models consist of both an edible and inedible compartment.

Phylogenetic variation in the tolerance and uptake of organic contaminants

An investigation into the phylogenetic variation of plant tolerance and the root and shoot uptake of organic contaminants was undertaken. The aim was to determine if particular families or genera were tolerant of, or accumulated organic pollutants. Data were collected from sixty-nine studies. The variation between experiments was accounted for using a residual maximum likelihood analysis to approximate means for individual taxa. A nested ANOVA was subsequently used to determine differences at a number of differing phylogenetic levels. Significant differences were observed at a number of phylogenetic levels for the tolerance to TPH, the root concentration factor and the shoot concentration factor. There was no correlation between the uptake of organic pollutants and that of heavy metals. The data indicate that plant phylogeny is an important influence on both the plant tolerance and uptake of organic pollutants. If this study can be expanded, such information can be used when designing plantings for phytoremediation or risk reduction during the restoration of contaminated sites.

Enhanced phytoextraction: II. Effect of EDTA and citric acid on heavy metal uptake by Helianthus annuus from a calcareous soil

High biomass producing plant species, such as Helianthus annuus, have potential for removing large amounts of trace metals by harvesting the aboveground biomass if sufficient metal concentrations in their biomass can be achieved. However, the low bioavailability of heavy metals in soils and the limited translocation of heavy metals to the shoots by mosthigh biomass producing plant species limit the efficiency of the phytoextraction process. Amendment of a contaminated soil with ethylene diamine letraacetic acid (EDTA) or citric acid increases soluble heavy metal concentrations, potentially rendering them more available for plant uptake. This article discusses the effects of EDTA and citric acid on the uptake of heavy metals and translocation to aboveground harvestable plant parts in Helianthus annuus. EDTA was included in the research for comparison purposes in our quest for less persistent alternatives, suitable for enhanced phytoextraction. Plants were grown in a calcareous soil moderately contaminated with Cu, Pb, Zn, and Cd and treated with increasing concentrations of EDTA (0. 1, 1, 3, 5, 7, and 10 mmol kg(-1) soil) or citric acid (0. 01, 0. 05, 0.25, 0.442, and 0.5 mol kg(-1) soil). Heavy metal concentrations in harvested shoots increased with EDTA concentration but the actual amount of phytoextracted heavy metals decreased at high EDTA concentrations, due to severe growth depression. Helianthus annuus suffered heavy metal stress due to the significantly increased bioavailable metal fraction in the soil. The rapid mineralization of citric acid and the high buffering capacity of the soil made citric acid inefficient in increasing the phytoextracted amounts of heavy metals. Treatments that did not exceed the buffering capacity of the soil (< 0.442 mol kg(-1) soil) did not result in any significant increase in shoot heavy metal concentrations. Treatments with high concentrations resulted in a dissolution of the carbonates and compaction of the soil. These physicochemical changes caused growth depression of Helianthus annuus. EDTA and citric acid added before sowing of Helianthus annuus did not appear to be efficient amendments when phytoextraction of heavy metals from calcareous soils is considered.

Enhanced phytoextraction: In search of EDTA alternatives

Enhanced phytoextraction proposes the use of soil amendments to increase the heavy-metal content of above-ground harvestable plant tissues. This study compares the effect of synthetic aminopolycarboxylic acids [ethylenediamine tetraacetatic acid (EDTA), nitriloacetic acid (NTA), and diethylenetriamine pentaacetic acid (DTPA)] with a number of biodegradable, low-molecular weight, organic acids (citric acid, ascorbic acid, oxalic acid, salicylic acid, and NH4 acetate) as potential soil amendments for enhancing phytoextraction of heavy metals (Cu, Zn, Cd, Pb, and Ni) by Zea mays. The treatments in this study were applied at a dose of 2 mmol/kg(-1) 1 d before sowing. To compare possible effects between presow and postgermination treatments, a second smaller experiment was conducted in which EDTA, citric acid, and NH4 acetate were added 10 d after germination as opposed to 1 d before sowing. The soil used in this screening was a moderately contaminated topsoil derived from a dredged sediment disposal site. This site has been in an oxidized state for more than 8 years before being used in this research. The high carbonate, high organic matter, and high clay content characteristic to this type of sediment are thought to suppress heavy-metal phytoavailability. Both EDTA and DTPA resulted in increased levels of heavy metals in the above-ground biomass. However, the observed increases in uptake were not as large as reported in the literature. Neither the NTA nor organic acid treatments had any significant effect on uptake when applied prior to sowing. This was attributed to the rapid mineralization of these substances and the relatively low doses applied. The generally low extraction observed in this experiment restricts the use of phytoextraction as an effective remediation alternative under the current conditions, with regard to amendments used, applied dose (2 mmol/kg(-1) soil), application time (presow), plant species (Zea mays), and sediment (calcareous clayey soil) under study.

Enhanced phytoextraction: I. Effect of EDTA and citric acid on heavy metal mobility in a calcareous soil

Phytoextraction, the use of plants to extract heavy metals from contaminated soils, could be an interesting alternative to conventional remediation technologies. However, calcareous soils with relatively high total metal contents are difficult to phytoremediate due to low soluble metal concentrations. Soil amendments such as ethylene diaminetetraacetate (EDTA) have been suggested to increase heavy metal bioavailability and uptake in aboveground plant parts. Strong persistence of EDTA and risks of leaching of potentially toxic metals and essential nutrients have led to research on easily biodegradable soilamendments such as citric acid. In our research, EDTA is regarded as a scientific benchmark with which degradable alternatives are compared for enhanced phytoextraction purposes. The effects of increasing doses of EDTA (0.1, 1, 10 mmol kg(-1) dry soil) and citric acid (0.01, 0.05,0.25,0.442, 0.5 mol kg(-1) dry soil) on bioavailable fractions of Cu, Zn, Cd, and Pb were assessed in one part of our study and results are presented in this article. The evolution of labile soil fractions of heavy metals over time was evaluated using water paste saturation extraction (similar to soluble fraction), extraction with 1 M NH4OAc at pH 7 (similar to exchangeable fraction), and extraction with 0.5 M NH4OAc + 0.5 M HOAc + 0.02 M EDTA atpH 4.65 (similar to potentially bioavailable fraction). Both citric acid and EDTA produced a rapid initial increase in labile heavy metal fractions. Metal mobilization remained constant in time for soils treated with EDTA, but metal fractions was noted for soils treated with citric acid. The half life of heavy metal mobilization by citric acid varied between 1.5 and 5.7 d. In the following article, the effect of heavy metal mobilization on uptake by Helianthus annutis will be presented.

Comparative analyses of cadmium and zinc uptake correlated with changes in natural resistance-associated macrophage protein (NRAMP) expression in Solanum nigrum L. and Brassica rapa

Environmental context Soils contaminated with metals can pose both environmental and human health risks. This study showed that a common crop vegetable grown in the presence of cadmium and zinc readily accumulated these metals, and thus could be a source of toxicity when eaten. The work highlights potential health risks from consuming crops grown on contaminated soils. Abstract Ingestion of plants grown in heavy metal contaminated soils can cause toxicity because of metal accumulation. We compared Cd and Zn levels in Brassica rapa, a widely grown crop vegetable, with that of the hyperaccumulator Solanum nigrum L. Solanum nigrum contained 4 times more Zn and 12 times more Cd than B. rapa, relative to dry mass. In S. nigrum Cd and Zn preferentially accumulated in the roots whereas in B. rapa Cd and Zn were concentrated more in the shoots than in the roots. The different distribution of Cd and Zn in B. rapa and S. nigrum suggests the presence of distinct metal uptake mechanisms. We correlated plant metal content with the expression of a conserved putative natural resistance-associated macrophage protein (NRAMP) metal transporter in both plants. Treatment of both plants with either Cd or Zn increased expression of the NRAMP, with expression levels being higher in the roots than in the shoots. These findings provide insights into the molecular mechanisms of heavy metal processing by S. nigrum L. and the crop vegetable B. rapa that could assist in application of these plants for phytoremediation. These investigations also highlight potential health risks associated with the consumption of crops grown on contaminated soils.

Development of mint (Mentha piperita L.) grown on biosolids: evaluation of productivity and essential oil content

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)