Phytoremediation of heavy metals-contaminated soils using energy crops

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biológica (especialização em Tecnologia do Ambiente)A presente dissertação aborda o potencial das espécies vegetais Brassica juncea, Festuca glauca, Panicum virgatum e Sedum sediforme na fitorremediação de solos contaminados com chumbo (Pb), cobre (Cu), zinco (Zn) e/ou crómio (Cr), em diferentes níveis de concentração. Neste sentido, o trabalho centrou-se na avaliação da capacidade de fitorremediação destas culturas, assim como no estudo dos efeitos dos metais pesados no desenvolvimento e na qualidade da sua biomassa. Os ensaios de crescimento foram realizados em vasos, ao ar livre, estando, por isso, as espécies submetidas às condições atmosféricas locais, com controlo do caudal de irrigação. No final, foram realizadas análises para a determinação do teor de metais nos solos e a caraterização da biomassa. Esta caraterização incluiu a análise elementar, a determinação do teor de cinzas e do poder calorífico e a análise DTA/TGA. Observou-se que as plantas apresentaram uma grande tolerância à presença de metais no solo, sem sofrerem efeitos toxicológicos significativos, tendo-se obtido produtividades da biomassa bastante elevadas para as espécies B. juncea e P. virgatum. Além disso, as plantas demonstraram um bom potencial para a descontaminação dos solos, tendo-se obtido percentagens de remoção elevadas. Em particular, nos ensaios com 500 mg kg-1 e 1 250 mg kg-1 de zinco, todas as plantas em estudo proporcionaram teores deste metal nos solos em conformidade com os valores de referência impostos para a sua desclassificação para uso urbano. Em termos energéticos, os resultados demonstraram que, globalmente, as culturas são adequadas para a produção de energia por processos de combustão em caldeiras industriais, apresentando comportamentos semelhantes entre si. P. virgatum foi a planta que exibiu o maior potencial energético, com um valor médio de 175 GJ ha-1 . Em suma, os resultados evidenciaram as limitações à implementação da tecnologia de fitorremediação em larga escala, essencialmente devido aos longos períodos necessários para a remoção da contaminação. Por outro lado, o crescimento destas culturas em solos contaminados com metais apresenta vantagens do ponto de vista ambiental, relacionados com o sequestro de dióxido de carbono e a melhoria das funções dos solos. Adicionalmente, a possibilidade da valorização da biomassa contaminada para produção de energia constitui inclusivamente uma fonte de retorno económico.This dissertation addresses the potential of the plant species Brassica juncea, Festuca glauca, Panicum virgatum and Sedum sediforme in the phytoremediation of soils contaminated with lead (Pb), copper (Cu), zinc (Zn) or chromium (Cr), at different concentration levels. In this sense, the work focused on the evaluation of the phytoremediation capacity of these crops, as well as on the study of the effects of the heavy metals on the development and quality of its biomass. The growth tests were carried out in pots, outdoors, therefore, the species were subjected to the local atmospheric conditions, controlling the irrigation flow. In the end, analysis for the determination of the metal content in soils and biomass characterization were performed. This characterization included the elemental analysis, the determination of the ash content and calorific value and the DTA/TGA analysis. It was observed that the plants showed a great tolerance to the presence of metals in the soil, without suffering significant toxicological effects, having obtained very high biomass productivity for the species B. juncea and P. virgatum. Above that, the plants demonstrated a good potential for the decontamination of soils, obtaining high removal percentages. Particularly, in the tests with 500 mg kg-1 and 1 250 mg kg 1 of zinc, all plants in study provided contents of this metal in soils in conformity with the reference values imposed for its declassification for urban use. In energetic terms, the results demonstrated that, globally, these crops are adequate for energy production by combustion processes in industrial boilers, showing similar behaviors between each other. P. virgatum exhibited the greatest energy potential, with an average value of 175 GJ ha-1 . In conclusion, these results highlighted the limitations for the implementation of the phytoremediation technology on a large scale, essentially due to the long passage periods required for the removal of the contamination. On the other side, the growth of these crops in soils contaminated with heavy metals presents advantages from an environmental point of view, related to the carbon dioxide sequestration and improvement of soil functions. Additionally, the possibility of the valorization of the contaminated biomass to produce energy constitutes inclusively a source of economic return