TREATMENT OF SALINE WASTEWATERS AND THE REMEDIATION OF SALINIZED SOILS USING NATIVE HALOPHYTIC PLANTS

Abstract

Soil salinization is a pressing issue worldwide affecting native ecosystems and croplands. As climate change can hasten the process of soil salinization, there is a growing need for sustainable methods to manage soil salinity. Some soils become saline due to natural processes but many are the result of anthropogenic activities. For example, leachate from a cement kiln dust (CKD) landfill containing concentrated amounts of potassium chloride has led to the salinization of a wetland region in Bath, ON, the study site in this thesis. Thus, the use of the accumulator halophyte Salicornia maritima was first investigated for its ability to survive and extract salts when watered with CKD leachate containing high concentrations of potassium chloride. It was determined that S. maritima could survive when watered with leachate up to 2X the average chloride concentration of chloride while accumulating up to 25% of its dry biomass as chloride. Halophytic accumulator plants are suitable in regions where frequent harvesting is feasible, however, recretohalophytes offer the ability to passively phytoextract salts by haloconduction, making the remediation of soils at more remote sites possible. Four recretohalophytes, Atriplex canescens, Armeria maritima, Spartina pectinata, and Distichlis spicata were evaluated in a greenhouse setting to determine their salt excretion capacities. A. maritima, S. pectinata, and D. spicata were deemed suitable for haloconduction, however A. maritima would be best suited in highly saline soils (≥4000 µg/g) since below this concetration, it relied primarily on salt accumulation. S. pectinata achieved the most consistent and had the highest salt excretions even when grown in soil below 4000 µg Cl-/g. As remediation via haloconduction is still a novel procedure, the first model to quantify and visualize salt extraction from a site via haloconduction was created next. A simple estimation of salt emission from S. pectinata was generated based on greenhouse and wind tunnel studies. It was combined with aerial dispersal modeling using AERMOD to visualize salt dispersal from the study site located in Bath, ON. The model demonstrated that if the site, a 1000 m2 wetland affected by potassium chloride leachate with average soil chloride concentrations of 4000 µg/g, was planted entirely with S. pectinata, site remediation could be achieved in approximately 2-4 years without negatively impacting the surrounding environment as deposition rates remain below background levels. These were the first studies to evaluate S. maritima’s ability to extract potassium chloride from leachate, and develop a framework to assess recretohalophytes’ ability to phytoremediate soil. The findings of this thesis demonstrate that phytotechnologies can be effective tools for soil salinity management and that haloconduction can provide rapid site remediation without negatively impacting the surrounding environment.

La salinisation du sol est un problème global qui affecte plusieurs écosystèmes et terres agricoles. Puisque le changement climatique peut accélérer le problème, il existe un besoin pour des méthodes durables qui aident à gérer la salinité des sols. Les sols peuvent devenir salins à cause de phénomène naturel, mais plusieurs sont le résultat d’activités anthropiques. Par exemple, une zone humide située à Bath, ON a été salinisée par du lixiviate d’un entrepôt de poussière de four à ciment qui contient des concentrations hautes en chlorure de potassium. La survie et la capacité d’extraire les sels de l'halophyte accumulateur Salicornia maritima, ont donc été étudiées pendant que les plantes ont été arrosées avec ce lixiviat. S. maritima a pu survivre lorsqu’elle était arrosée avec du lixivicate contenant jusqu’à 2X le taux moyen de concentration de chlorure et a accumulé jusqu'à 25% de sa biomasse sèche en forme de chlorure. Les halophyte accumulateurs sont surtout utiles là où les récoltes fréquentes sont possibles. Cependant, les récrétohalophytes offrent la capacité de phytoextraire les sels passivement par l’haloconduction, ce qui permet l'assainissement des sols aux sites isolés. Quatre récrétohalophytes, Atriplex canescens, Armeria maritima, Spartina pectinata et Distichlis spicata ont été évalués en serre afin de déterminer leurs capacités d'excrétion de sel. A. maritima, S. pectinata, et D. spicata seraient utiles pour l’haloconduction, mais A. maritima serait seulement appropriée là où la salinité du sol est très élevée; quand elle a poussé dans un sol avec moins de 4000 µg/g chlorure, elle a plutôt sur accumulé du sel dans ses tissus. Cependant, le taux d’excrétion de chlorure de S. pectinata a augmenté graduellement alors que la concentration de chlorure dans le sol a augmenté. Cette espèce était la plus consistante et avait l’excrétion la plus élevée lorsqu'elle était cultivée dans du sol avec moins de 4 000 µg Cl-/ g. L'assainissement des sols par l’haloconduction est encore une procédure nouvelle, donc le premier modèle permettant la quantification et la visualisation de l’extraction de sel par l’haloconduction, a été créé. Ce modèle numérique simple d'assainissement par S. pectinata était basé sur des études en serre et en soufflerie. Il a été combiné avec un modèle de dispersion aérienne AERMOD, pour visualiser la dispersion du sel du site d'étude situé à Bath, ON. Le modèle a démontré que si le site était entièrement planté de S. pectinata, il pourrait être assaini en 2 à 4 ans sans impact négatif sur le milieu environnant. Ce sont les premières études à évaluer la capacité de S. maritima à extraire le chlorure de potassium des lixiviats et à produire un modèle permettant d’évaluer la phytorémédiation du sol par des récrétohalophytes. Les résultats de cette thèse démontrent que les phytotechnologies peuvent être des outils efficaces pour la gestion de la salinité des sols et que l'haloconduction peut permettre une restauration rapide de sites sans impacts négatifs sur l'environnement.