The Use of Biochar and Activated Carbon to Minimize Hydrophobic Organic Contaminant Bioavailability in Soils

Abstract

The ability of biochar to sorb hydrophobic organic contaminants (HOCs) in soil was investigated and compared to activated carbon (AC). Six biochars were comprehensively characterized using 17 physical, chemical and biological protocols outlined by the International Biochar Initiative. Only one biochar, made from construction waste was found to be unacceptable for use as a soil amendment as it inhibited plant germination (40% germination rate) and caused invertebrate avoidance (70% avoidance). Using community level physiological profiling (CLPP), microbial communities were also characterized in HOC amended soils. The results suggest that biochar helps to restore microbial function in intensely degraded Brownfield soils. Reductions in contaminant bioavailability following biochar and activated carbon (AC) application to contaminated soils were assessed using plants (Cucurbita pepo. spp. pepo) and soil invertebrates (Eisenia fetida). In the first in situ study comparing these materials directly in soils conducted at a Brownfield site contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs) (71- 136 µg/g), AC and two types of biochar were statistically equal at reducing PCB uptake into plants (mean reduction of 70%). Biochar also significantly increased plant growth by up to 100% in severely degraded soil. These results suggest biochar has potential as a greener (i.e. more sustainable), lower cost alternative material to AC for HOC remediation. A complementary greenhouse study that included a bioaccumulation study of E. fetida, found that a mechanical mixing strategy resulted in bioavailability reductions up to 66% greater than manual mixing methods due to improved soil/sorbent homogeneity as a result of smaller biochar particle sizes and reduced resistance to mass transfer. In soil highly contaminated with dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT = 2.5-39 µg/g), none of the carbon amendments were successful at minimizing plant uptake or improving plant growth, and AC caused adverse effects to invertebrate health. Plant and invertebrate uptake were also compared to predicted bioavailability using an equilibrium passive sampling device (polyoxymethylene (POM)-based). The bioavailable fraction predicted by the POM samplers correlated well with measured invertebrate uptake (< 50% variability), but over-predicted plant root and shoot uptake. A literature review of DDT concentrations in C. pepo spp. pepo tissue over a range of DDT soil concentrations yielded a trend of decreasing plant uptake with increasing soil concentrations, confirming that at high DDT soil concentrations (>10 µg/g) plant uptake is limited. This threshold effect limiting DDT plant uptake appeared to impair the passive sampler’s ability to adequately predict bioavailability to plants. This thesis demonstrates biochar and AC have potential to be used as an in situ, non-removal management strategy for HOC contamination in soils, by minimizing bioavailability. These studies illustrate the need for careful characterization of carbon amendments prior to large scale-application to soils, and that these materials should be applied in a site-specific manner. The results also highlight the importance of including plants in bioavailability studies as the use of carbon materials for in situ contaminant sorption expands from a predominantly sediment to soil remediation technology.

La capacité du biocharbon (biochar) à adsorber les contaminants organiques hydrophobes (COH) dans les sols a été examinée et comparée au charbon actif (CA). Six biochars ont été caractérisés en détail à l'aide de 17 protocoles physiques, chimiques et biologiques dictés par l’Initiative Biochar Internationale. Un seul biochar, composé de déchets de construction a été jugé inacceptable pour servir à amender le sol, car il entrave la germination des plantes (taux de germination de 40%) et provoque l’évitement des invertébrés (70% d’évitement). L’étude des profils physiologiques au niveau communautaire (PPNC) a permis de caractériser des communautés microbiennes dans les sols contenant des COH. Les résultats suggèrent que le biochar aide à restaurer la fonction microbienne dans les sols de friches industrielles intensément dégradés. Les réductions de la biodisponibilité des contaminants suivant l’application du biochar et du CA aux sols contaminés ont été évaluées à l’aide de plantes (Cucurbita pepo spp. pepo) et d’invertébrés du sol (Eisenia fetida). Dans la première étude in situ, comparant directement ces sols modifiés à une friche industrielle contaminée aux biphényles polychlorés (BPC) (71- 136 µg /g), l’utilisation d’AC et de deux types de biochars a réduit de façon statistiquement égale l'absorption de BPC dans les plantes (réduction moyenne de 70%). Le biochar a également augmenté de manière significative la croissance des plantes jusqu'à 100% dans les sols intensément dégradés. Ces résultats suggèrent que le biochar présente un potentiel intéressant comme alternative écologique au CA pour l’assainissement de COH. Une étude complémentaire en serre, incluant des essais de bioaccumulation chez le E. fetida, a révélé que la stratégie de mélange mécanique entraîne des réductions de biodisponibilité jusqu'à 66 % de plus que les méthodes manuelles, puisqu’elle permet d'améliorer l’homogénéité sol/adsorbant en raison de la taille réduite des particules de biochar, et d’une réduction de la résistance au transfert de masse. Dans les sols hautement contaminés par le dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT = 2.5 à 39 µg/g), aucun des amendements de carbone n’a réussi à réduire l'absorption par les plantes, ni à améliorer la croissance végétale. De plus, le CA a causé des effets néfastes sur la santé des invertébrés. Le degré d’absorption par les végétaux et les invertébrés a aussi été comparé à la biodisponibilité prédite en utilisant un dispositif d'échantillonnage passif équilibré (à base de polyoxyméthylène (POM)). La fraction biodisponible prédite par les échantillonneurs de POM présente une forte corrélation avec l'absorption mesurée chez les invertébrés (<50 % de la variabilité), mais a surestimé l'absorption par les racines et les pouces de plantes. Une analyse de la littérature sur les concentrations de DDT mesurées dans les tissus C. pepo spp. pepo affectés par une gamme de concentrations de DDT dans le sol révèle une diminution de l'absorption par la plante lorsque les concentrations dans le sol sont plus élevées, ce qui confirme que des concentrations DDT élevées dans le sol (> 10 µg/g) constituent une limite. Cet effet de seuil-limite pour l’absorption de DDT par les plantes semble nuire à la capacité de l'échantillonneur passif à prédire adéquatement la biodisponibilité pour les plantes. Cette thèse démontre que le biochar et le CA peuvent potentiellement être employés dans le cadre d’une stratégie sans déplacement in situ de gestion des COH dans les sols, afin d’en minimiser la biodisponibilité. Ces études illustrent la nécessité d’une caractérisation minutieuse des amendements au carbone dans les sols avant de procéder à une application à grande échelle, et que ces matériaux devraient être appliquées d'une manière spécifique au site. Ces résultats mettent également en évidence l'importance d'inclure les plantes dans les études de biodisponibilité puisque l'utilisation de matériaux de carbone pour l'absorption de contaminants in situ permet d’élargir la portée des technologies de remédiation des sédiments au sol entier.