Fate and effects of waterborne contaminants of emerging concern in the soil-plant system : impact of biochar soil amendment to mitigate their plant uptake

Abstract

Water scarcity is an issue of global concern due to the increase of the population and the climate change, which both increase the water demand. Many arid and semiarid countries are facing high water stress and the use of reclaimed water becomes a valuable resource. Many countries' economy is based on the agro-food sector, with amounts ca. the 70% of water demand. For this reason, reclaimed water represents an important component of wise water management. Wastewater treatment plants (WWTP) are designed to remove efficiently some biodegradable compounds, however, they are not able to remove a number of recalcitrant organic coñtamina0nts known as chemical oxygen demand (COD). There are many sources of water pollution, and contaminants of emerging concern (CECs) including many compounds that they are not legislated and recently some effects to the environment have been observed. For example, pharmaceuticals, personal care products, flame retardants, microplastics, etc. Consequently, plants are exposed to a huge number of chemical contaminants that are present not only in water, but also in air or soil. For this reason, it is important to understand the dynamics involved in the plant uptake of these CECs and more specifically in crops. In this Thesis, the uptake of some CECs, chosen by their occurrence in the environment and their physical-chemical properties, has been assessed. To elucidate the factors that are involved in the uptake of these contaminants, three different experiments were performed in a greenhouse. Therefore, this Thesis is divided in the three experiments. In the first one, the plant uptake of some CECs with a perlite:sand mixture and its modelling were assessed. Moreover, a mass balance was performed to evaluate the persistence of the CECs in the substrate. Then, by inverse modelling, the half-lives of CECs in the soil-plant system were estimated. In the second experiment, most of the CECs that were added in the irrigation water were taken up by lettuce. Hence, in this experiment, biochar, which is a soil improver, was assessed as a soil amendment to mitigate the uptake of these CECs in lettuce. To confirm this hypothesis, different biochar amendments were performed (O, 2.5 and 5% w/w biochar) to an agricultural soil from the Llobregat's Delta. Finally, it could be observed that the addition of biochar, reduced the concentration of CECs in lettuces. Since these two experiments demonstrated that CECs can be uptaken by crops and translocated to edible parts, and it well known that plants can metabolize xenobiotics through transformation, conjugation and sequestration steps, in the third experiment, an enzymatic digestion was performed to determine the conjugated CECs fraction. Interestingly, the conjugated fraction accounted up to more than 80%, which should be taken into account in risk assessment studies. Finally, in the same experiment, some effects of CECs to lettuce were elucidated. Visual differences between non-exposed and exposed lettuce were observed. For this reason, a metabolomic approach was applied to correlate the presence of CECs with the changes in the metabolome and the changes in chlorophyll content and plant morphology.

L'escassetat d'aigua és un tema de gran preocupació degut a l'augment de la població i el canvi climàtic, que tan que s’elevi la demanda d'aigua. Molts països amb un clima àrid o semiàrid s'enfronten a un elevat estrès hídric. En aquest context, l'ús d'aigua regenerada es converteix en una practica clau. L'economia de molts passos es basa en el sector agroalimentari, que requereix grans quantitats d'aigua pel seu desenvolupament. Per aquesta raó, l'aigua regenerada representa un component important en la gestió intel·ligent de l'aigua. Les estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR) estan dissenyades per eliminar de manera eficient alguns compostos biodegradables. Tot i així, no són capaces d'eliminar una sèrie de contaminants orgànics. Hi ha molts tipus de contaminació en l'aigua i els contaminants emergent (CECs) inclouen molts compostos que no estan legislats i recentment s'han observat alguns efectes en el medi ambient. Alguns exemples de CECs són fàrmacs, productes de cura personal, retardants de flama, microplàstics, etc. En conseqüència, les plantes estan exposades a un gran nombre de contaminants que es troben presents no només en aigua, sinó també en l’aire o el sol. Per aquest motiu, és important entendre la dinàmica implicada en l'absorció d’aquests contaminants en plantes i cercar estratègies per mitigar aquesta possible absorció. Aquest treball de recerca té com a objectiu estudiar l'absorció de diversos CECs en enciams, que han estat seleccionats perla seva presencia en el medi ambient i les seves propietats fisicoquímiques. Per dilucidar els paràmetres que estan implicats en l’absorció d'aquests contaminants en enciams, tres experiments diferents s’han dut a terme en l’estació experimental Agròpolis pertanyent a la UPC. Per tant, aquesta Tesi es pot separar en els 3 experiments duts a terme. En el primer experiment, es va avaluar l'absorció d'alguns CECs en enciams emprant un substrat format per una mescla de sorra i perlita. L’experiment va dilucidar que la majoria deis CECs van ser absorbits pels enciams i translocats a les parts aèries deis enciams. D'altra banda, un balanç;: de masses es va realitzar per avaluar la persistència deis CECs en el substrat. Després, mitjançant models d’incorporació de contaminants en plantes, es van estimar les vides mitjanes deis CEC en el sistema sol-planta. En un següent experiment, l’ús de biocarbó (biochar) es va proposar com una esmena del sol per reduir l'absorció d'aquests CECs als enciams. Per dur confirmar aquesta hipòtesi, es van afegir diferents percentatges de biochar (O, 2,5 i 5% de biochar) en un sol agrícola de la zona agrícola del Delta del Llobregat. Finalment, es va poder observar que l’addició de biochar reduí la concentració deis CECs en els enciams. Aquests dos primers experiments van ser útils per evidenciar que aquests compostos es poden absorbir fàcilment perles plantes i arribar a les parts que comestibles. No obstant, en altres estudis s’ha demostrat que les plantes són capaços de metabolitzar xenobiòtics a través de tres passos: transformació, conjugació i segrest deis CECs. Per aquest motiu, es va realitzar una digestió enzimàtica per determinar la fracció de CECs que podrien ser conjugats. Curiosament i segons el contaminant, la fracció conjugada va representar més del 80% del compost parental, evidenciant que la fracció conjugada s'ha de tenir en compte en els estudis d'avaluació de risc humà. Finalment, en aquest mateix experiment, es varen observar diferencies morfològiques entre els enciams exposats a un còctel de CECs i els no exposats als contaminants. A més, la determinació de clorofil·les també va evidenciar diferencies entre tractaments. Per aquesta raó, es van extreure els metabòlits secundaris deis enciams emprant un enfocament metabolòmic juntament amb tècniques quimiomètriques per correlacionar la presencia d’aquests contaminants amb els canvis morfològics i en el contingut de clorofil·la i dels metabòlits secundaris