Metal-phytoextraction: potential of high biomass energy crops and improving efficiency using short rotation coppice (SRC) of willow

Abstract

In the northeast of Belgium (the Campine region), an area of at least 280 km2 is historically contaminated with mainly cadmium (Cd), zinc (Zn) and lead (Pb). The negative impacts on inhabitants and the environment in general as well as economic losses in the farming industry urged regional policy makers to strongly recommend the remediation of the metal-contaminated soil. Given the vastness of the area and the diffuseness, moderation and shallowness of the contamination, phytoextraction, i.e. the use of plants to extract metals out of the soil and accumulate them in harvestable biomass, is proposed as a good remediation strategy. More specifically, cultivating non-food high biomass crops with moderate metal accumulation capacity reveals promising for this area. In this thesis, different high biomass species were cultivated and evaluated for several years in field trials on a Cd-Zn-Pb-contaminated soil in the northeast of Belgium to investigate which high biomass crop exposed the highest, but also the most stable (in time) phytoextraction potential on these soils. Biomass production and metal accumulation of pre-selected tobacco clones (Nicotiana tabacum L.), pre-selected sunflower mutants (Helianthus annuus L.) and a commercial hemp (Cannabis sativa L.) were determined for 2-4 subsequent years while the phytoextraction potentials of more than 200 different commercially available and experimental (designed by the Institute of Nature and Forest; INBO) poplar (Populus) and willow (Salix) clones in short rotation coppice (SRC) were assessed at the end of the first cutting cycle (after 4 growing seasons). The tobacco clones and the sunflower mutants revealed to be efficient extractors of respectively Cd and Zn, while the highest, simultaneous extraction of Cd and Zn was observed using the woody species in SRC. Phytoextraction of Pb appeared to be utopia using the evaluated crops but this is not considered a major problem given the low bioavailability and activity of Pb. The estimated long remediation times (> 60 years) furthermore indicated that crosscuts with economic and (other) environmental advantages are crucial for large-scale implementation of metal phytoextraction. When for the evaluated crops these external benefits, assessed by reviewing literature, were combined with the observed phytoextraction potentials, SRC revealed to be the most suitable crop for the implementation of metal phytoextraction in the area under investigation. In parallel with the field evaluations of the high biomass crops, metal phytoextraction using SRC of willow was studied into more detail in this research. SRC of willow is a high biomass crop abundantly investigated in the framework of metal phytoextraction. However, the longer-term effectiveness of SRC phytoextraction applications is rather unknown due to the complex interactions between, and evolutions of the main entities of a phytoextraction system. Therefore, determining effective reduction of metal levels in soil and changes in soil toxicity, and also soil fertility and functionality, in longer-term field experiments with SRC phytoextraction applications is of high importance. The SRC experimental field in the metal-contaminated area in northeast Belgium offers a unique opportunity to this concern. Pseudo-total soil metal concentrations and soil toxicity, estimated using standardized chemical extractions and plant- and invertebrate-based ecotoxicity assays, were assessed in soil managed by 8 years of metal phytoextraction using SRC of willow (Tora; Salix schwerinnii x Salix viminalis) and in soil without phytoextraction management. The observed decontamination might indicate a much more effective phytoextraction (48 times in case of Cd removal, 79 times for Zn removal) by 8 years of willow-management than predicted by extrapolating metal removal of Tora after 4 growing seasons. Furthermore, the chemical extractions and all ecotoxicity tests unanimously indicated the willow-managed soil to be less toxic, to different extents, compared to the unmanaged soil. The results all emphasize the environmental benefits of a SRC-phytoextractionmanaged soil compared to no management. To reduce remediation times of metal phytoextraction using SRC of willow and/or increase benefits of phytoextraction synergies, a last part of this research focused on improving willow biomass production and/or metal accumulation. A selection of 3 strategies was proposed to meet this concern: in situ clone selection, bioaugmentation of willow with beneficial plant-associated bacteria and fertilization of willow. The in situ evaluation of clones, performed on the SRC experimental field in the metal-contaminated area, lead to the selection of 2 experimental (INBO) willow clones, Salix viminalis and Salix alba x alba. In comparison with the best performing commercial and other experimental clones, these clones exposed by nature higher stem metal concentrations (up to 7% for Cd and 21% for Zn) (S. viminalis) or a higher biomass production (up to 4%) (S. alba x alba). Bioaugmentation of the previously selected willow clones, evaluated in pot experiments with in total 17 promising bacterial strains, did not result in improved biomass yields nor enhanced metal accumulation or translocation. The fertilizer applications on the contrary, also applied to the former selected willow clones growing in pots, raised productivity levels significantly and in case of S. alba x alba, in planta metal concentrations also increased. As a result, the tested fertilizers doubled (S. viminalis) or even tripled (S. alba x alba) phytoextraction efficiency of the selected clones. In conclusion, of all evaluated high biomass crops for metal phytoextraction in the Campine area, a prominent role is reserved for SRC. Focusing on metal phytoextraction in this region using SRC of willow, the decontamination rate observed on the longer term revealed to be much higher than previously predicted. Moreover, in situ clone selection and adjusted fertilization applications seem very promising strategies to further reduce remediation time using this crop. Finally, our results demonstrate that it is highly recommendable to perform future research on phytoextraction topics as much as possible in situ.

In het noordoosten van België (de Kempen) is een gebied van minstens 280 km2 vervuild met metalen, voornamelijk cadmium (Cd), zink (Zn) en lood (Pb), als gevolg van voormalige activiteiten van zinksmelters in de buurt. De negatieve gevolgen voor inwoners en het milieu in het algemeen, alsook economische verliezen in de landbouw, hebben regionale beleidsmakers aangezet opdracht te geven deze metaalverontreinigde gronden te saneren. Rekening houdend met de grootte van het gebied en de diffuusheid, matigheid en oppervlakkigheid van de vervuiling, wordt fytoextractie als gepaste saneringsstrategie naar voor geschoven. Fytoextractie is het gebruik van planten om metalen uit de bodem te extraheren en vervolgens te accumuleren in bovengrondse plantendelen die geoogst kunnen worden. Meer specifiek blijkt het telen van niet-eetbare biomassagewassen met een matige metaalaccumulatie veelbelovend voor de sanering van dit gebied. Aangezien nog niet bekend is welk biomassagewas het hoogst, maar ook meest stabiel (in tijd) fytoextractiepotentieel heeft op deze verontreinigde gronden, worden in deze thesis verschillende biomassagewassen geteeld en geëvalueerd in veldexperimenten van meerdere jaren op een Cd-Zn-Pb verontreinigd terrein in het noordoosten van België. De biomassaproductie en de accumulatie van metalen in geselecteerde tabaksklonen (Nicotiana tabacum L.), geselecteerde zonnebloemmutanten (Helianthus annuus L.) en commercieel verkrijgbare hennep (Cannabis sativa L.) werden bepaald in veldexperimenten van 2 tot 4 opeenvolgende jaren. Daarnaast werd het fytoextractiepotentieel van meer dan 200 verschillende, commercieel beschikbare en niet-commercieel beschikbare (experimentele), populieren- (Populus) en wilgen- (Salix) klonen in korte omloop rotatie geschat na de eerste rotatiecyclus (na 4 groeiseizoenen). De tabaksklonen en zonnebloemmutanten bleken efficiënte opnemers van respectievelijk Cd en Zn, terwijl de hoogste simultane opname van Cd en Zn werd gerealiseerd met de houtige klonen in korte omloop. Fytoextractie van Pb bewerkstelligen met de geëvalueerde gewassen bleek een utopie. Dit hoeft echter geen beperking te zijn gezien de biobeschikbaarheid en daarmee ook het risico van Pb voor mens en omgeving zeer laag is. De berekende saneringsperiodes zijn lang (> 60 jaar) en benadrukken dat een synergie met economische en (andere) ecologische voordelen cruciaal is om fytoextractie op grote schaal realistisch te maken. Deze externe opportuniteiten werden voor de geëvalueerde biomassagewassen gedefinieerd aan de hand van een literatuurstudie. Wanneer fytoextractiepotentiëlen en bijkomende economische en ecologische kansen werden gecombineerd, bleek korte omloop hout (KOH) van wilg en populier het meest geschikte gewas voor het toepassen van fytoextractie in het onderzochte gebied. Naast de veldstudies met de verschillende biomassagewassen werd fytoextractie met KOH van wilg meer in detail bestudeerd. Wilg in korte omloop is een veel onderzocht gewas in het kader van extractie van metalen. Echter, de doeltreffendheid van fytoextractie met KOH op de langere termijn is ongekend als gevolg van de complexe interacties tussen, en veranderingen in de hoofdelementen van een fytoextractiesysteem. Het is daarom van groot belang om de effectieve daling van metaalconcentraties in de bodem en veranderingen in toxiciteitslevel, alsook bodemvruchtbaarheid en –functioneringsvermogen, te onderzoeken in langere termijn KOH fytoextractie-experimenten. Het KOH proefveld in het metaalverontreinigde gebied in het noordoosten van België biedt in dit opzicht een unieke kans. Metaalconcentraties in de bodem en bodemtoxiciteit, onderzocht gebruik makend van gestandaardiseerde chemische extracties en ecotoxiciteitstesten met planten en ongewervelden, werden bepaald in bodem na 8 jaar behandeling met KOH van wilg (Tora; Salix schwerinnii x Salix viminalis) en in bodem zonder fytoextractiebehandeling. De geobserveerde sanering na 8 jaar was veel hoger (48 keer hoger in het geval van Cd en 79 keer in geval van Zn) dan voorspeld door het extrapoleren van data verkregen na 4 jaar groei van deze wilg op het proefveld. Daarenboven wezen de chemische bodemextracties en alle ecotoxiciteitstesten unaniem uit dat de met wilg behandelde bodem minder toxisch was dan de bodem zonder fytoextractiebehandeling. Met het oog op het inkorten van de saneringsduur van fytoextractie met KOH van wilg en/of het verhogen van externe voordelen die gepaard gaan met deze saneringsmethode werd in een laatste deel van deze thesis getracht de biomassaproductie en/of de opname van metalen van wilg te verbeteren. Om bovenstaand doel te bereiken werden 3 strategieën onderzocht: een in situ selectie van klonen, de aanrijking van wilg met plantgeassocieerde bacteriën met voordelige eigenschappen en bemesting van wilg. De evaluatie van klonen in situ, uitgevoerd op het KOH proefveld in het metaalverontreinigde gebied, leidde tot een selectie van 2 experimentele wilgenklonen, Salix viminalis and Salix alba x alba. In vergelijking met de best presterende commerciële en andere experimentele klonen vertonen deze klonen een van nature hogere metaalconcentratie in de stam (tot 7% voor Cd en 21% voor Zn) (S. viminalis) of een hogere biomassaproductie (tot 4%) (S. alba x alba). De aanrijking van deze geselecteerde wilgenklonen met bacteriën met veelbelovende eigenschappen werd geëvalueerd in potexperimenten. In totaal werden 17 verschillende bacteriën getest maar een verhoogde biomassaproductie of hogere metaalaccumulaties of translocaties konden niet worden vastgesteld. Behandelingen van de wilgen met meststof (in potexperimenten) verhoogde de productie van biomassa daarentegen substantieel en de metaalconcentraties in de plant stegen ook in het geval van de S. alba x alba kloon. Bemesting had bijgevolg een verdubbeling (S. viminalis) en zelfs een verdriedubbeling (S. alba x alba) van de fytoextractie-efficiëntie tot gevolg. Tot besluit, van alle biomassagewassen die geëvalueerd werden voor fytoextractie van metalen in de Kempen is een vooraanstaande rol weggelegd voor KOH van wilg en populier. Specifiek voor fytoextractie in dit gebied met KOH van wilg, bleek de geobserveerde saneringssnelheid op langere termijn veel hoger te zijn dan eerder voorspeld. Bovendien zijn een in situ selectie van klonen en aangepaste bemesting veelbelovende strategieën om de saneringsduur met KOH van wilg verder te reduceren. Tot slot benadrukken de resultaten in deze thesis dat het sterk aanbevolen is toekomstig fytoextractie-onderzoek zoveel als mogelijk op veldschaal uit te voeren.