Stratégies de séquestration de polluants organiques organochlorés par des matrices carbonées

Soil contamination by organochlorine pollutants is a problem for ecosystem and human health. lt is not always possible to degrade these persistent molecules. The challenge is to prevent their adverse effects on the biota or their migration to other compartments of the agroecosystem. The use of nanoporous carbonaceous materials originated from plants can be one way. The objective of this thesis is ta select from a panel of carbon matrices those capable of effectively trapping contaminants such as polychlorinated biphenyls (PCBs), polychlorinated dibenzo-dioxins and furans (PCDD/Fs), as well as chlordecone (CLD). These matrices differ from each other by their properties (biochar vs activated carbon), conditioned by the pyrolysis and/or activation process used, as well as by the nature of the raw material used. The challenge is to produce, characterize and select the most efficient carbonaceous materials to maximize this sequestration. ln vitro environmental availability or bioaccessibility tests were used to perform a screening and then in vivo tests were set up to validate the effectiveness on a small number of carbonaceous materials. The in vivo tests were developed on three models of biota. An interaction emerges between the type of test, the carbon matrix used and the contaminants. lt appears that the effectiveness of the strategy depends on the target biota or the assessment method used. Regarding contaminants, it appears that the structure of the molecule could be at the origin of different behaviours. Regarding carbonaceous matrices, activated carbons were more efficient than biochars. Specific surface and microporosity are necessary conditions for the efficiency of activated carbons and mainly explain the difference in efficiency between biochars and activated carbons.La contamination des sols par les polluants organochlorés est un problème pour la santé des écosystèmes et humaine. Il n'est pas toujours possible de dégrader ces molécules rémanentes. L'enjeu est d'empêcher leurs effets adverses sur le biote ou leur migration vers d'autres compartiments de l'agroécosystème. L'utilisation de matières carbonées nanoporeuses d'origine végétale peut être un moyen. Cette thèse a pour objectif de sélectionner parmi un panel de matrices carbonées celles qui sont capables de piéger efficacement les contaminants tels que les polychlorobiphényles (PCB), les polychloro­ dibenzo-dioxines et furanes (PCDD/F), ainsi que la chlordécone (CLD). Ces matrices diffèrent entre elles par leurs propriétés (biochar vs charbon activé), conditionnées par le procédé de pyrolyse et/ou d'activation mis en œuvre ainsi que par la nature de la matière première végétale utilisée. L'enjeu est de produire, caractériser et sélectionner les matrices carbonées les plus efficientes pour maximiser cette séquestration. Des tests in vitro de disponibilité environnementale ou de bioaccessibilité ont été utilisés pour effectuer un screening, ensuite des tests in vivo ont été mis en place pour valider l'efficacité sur un nombre restreint de matières carbonées. Les tests in vivo ont été développés sur trois modèles de biote. Il ressort une interaction entre le type de test, la matrice carbonée utilisée et les contaminants. Il apparait que l'efficacité de la stratégie dépend du biote cible ou de la méthode d'évaluation. Pour les contaminants, il apparait que la structure de la molécule à séquestrer pouvait être à l'origine de comportements différents. Pour les matrices carbonées, les charbons activés étaient plus efficaces que les biochars. La surface spécifique et la microporosité jouent un rôle prépondérant dans l'efficacité des charbons et expliquent principalement la différence de la capacité de séquestration entre les biochars et les charbons activé

Strategies for trapping organochlorine organic pollutants with carbonaceous materials

La contamination des sols par les polluants organochlorés est un problème pour la santé des écosystèmes et humaine. Il n'est pas toujours possible de dégrader ces molécules rémanentes. L'enjeu est d'empêcher leurs effets adverses sur le biote ou leur migration vers d'autres compartiments de l'agroécosystème. L'utilisation de matières carbonées nanoporeuses d'origine végétale peut être un moyen. Cette thèse a pour objectif de sélectionner parmi un panel de matrices carbonées celles qui sont capables de piéger efficacement les contaminants tels que les polychlorobiphényles (PCB), les polychloro­ dibenzo-dioxines et furanes (PCDD/F), ainsi que la chlordécone (CLD). Ces matrices diffèrent entre elles par leurs propriétés (biochar vs charbon activé), conditionnées par le procédé de pyrolyse et/ou d'activation mis en œuvre ainsi que par la nature de la matière première végétale utilisée. L'enjeu est de produire, caractériser et sélectionner les matrices carbonées les plus efficientes pour maximiser cette séquestration. Des tests in vitro de disponibilité environnementale ou de bioaccessibilité ont été utilisés pour effectuer un screening, ensuite des tests in vivo ont été mis en place pour valider l'efficacité sur un nombre restreint de matières carbonées. Les tests in vivo ont été développés sur trois modèles de biote. Il ressort une interaction entre le type de test, la matrice carbonée utilisée et les contaminants. Il apparait que l'efficacité de la stratégie dépend du biote cible ou de la méthode d'évaluation. Pour les contaminants, il apparait que la structure de la molécule à séquestrer pouvait être à l'origine de comportements différents. Pour les matrices carbonées, les charbons activés étaient plus efficaces que les biochars. La surface spécifique et la microporosité jouent un rôle prépondérant dans l'efficacité des charbons et expliquent principalement la différence de la capacité de séquestration entre les biochars et les charbons activésSoil contamination by organochlorine pollutants is a problem for ecosystem and human health. lt is not always possible to degrade these persistent molecules. The challenge is to prevent their adverse effects on the biota or their migration to other compartments of the agroecosystem. The use of nanoporous carbonaceous materials originated from plants can be one way. The objective of this thesis is ta select from a panel of carbon matrices those capable of effectively trapping contaminants such as polychlorinated biphenyls (PCBs), polychlorinated dibenzo-dioxins and furans (PCDD/Fs), as well as chlordecone (CLD). These matrices differ from each other by their properties (biochar vs activated carbon), conditioned by the pyrolysis and/or activation process used, as well as by the nature of the raw material used. The challenge is to produce, characterize and select the most efficient carbonaceous materials to maximize this sequestration. ln vitro environmental availability or bioaccessibility tests were used to perform a screening and then in vivo tests were set up to validate the effectiveness on a small number of carbonaceous materials. The in vivo tests were developed on three models of biota. An interaction emerges between the type of test, the carbon matrix used and the contaminants. lt appears that the effectiveness of the strategy depends on the target biota or the assessment method used. Regarding contaminants, it appears that the structure of the molecule could be at the origin of different behaviours. Regarding carbonaceous matrices, activated carbons were more efficient than biochars. Specific surface and microporosity are necessary conditions for the efficiency of activated carbons and mainly explain the difference in efficiency between biochars and activated carbons

Sécuriser l’élevage de poule pondeuse sur sol contaminé par des organochlorés : évaluation de stratégies d’amendement par du biochar et charbon actif

International audienceOrganochlorine pollutants are particularly well known for their persistence and the soil appears to be the perennial reservoir of these historical contaminations. If chlordecone (CLD) is an obvious example in the French West Indies, PCBs, PCDD/Fs are the counterpart in mainland France. Particularly bioavailable, these pollutants undermine open-air breeding systems by degrading the chemical safety of the food produced. To reduce the exposure of animals, the amendment of contaminated soils with porous matrices, such as biochars (BC) and activated carbons (AC), may prove to be an effective strategy. However, there is currently little literature linking the impact of pollutant and biochar characteristics on the efficiency of this sequestration strategy.In this study, the respective effectiveness of 3 biochars and 3 activated carbons was evaluated by amending 2% (by mass) of OECD-contaminated soils with either (i) CLD or (ii) a mixture of PCBs and PCDD/Fs. The profiles and concentrations applied to these soils were chosen to correspond to typical cases found in the French West Indies (for CLD) or on a polluted site in France (PCB and PCDD/F mixture). After maturation for 3 months, these soils were introduced into the feed distributed to laying hens (up to 10%) for 21 days. The eggs collected on the last three days of exposure were then analysed (n = 3) for CLD, PCB and PCDD/F. The porosity of the carbonaceous materials and the physicochemical characteristics of the molecules were then related to the results obtained.No significant reduction in transfer was observed when the 3 biochars or the granular CA were used. However, a significant reduction was observed when the two powdered activated carbons were used. This was even more pronounced for PCDD/F and PCB-DL, which showed a reduction of 79-82% (TEQ basis) in the eggs. For CLD and PCB-NDL, only a slight reduction in concentrations was obtained with these activated carbons: 26-33% and 20-72% respectively. By relating these results to the characteristics of the porous materials and those of the molecules, this difference can be explained mainly by the distribution of porosity of the materials. Thus a positive correlation between the relative surface area of the pores between 0-3nm and 4.4 and 20nm and the reduction of the concentrations was observed. More moderately, the results are also explained by the characteristics of the molecules, the log Kow, the conformation of the molecules illustrating the observed hierarchy of sequestration efficiency: heavy PCDD/F > light PCDD/F > PCB 77 > PCB-NDL = CLDIn summary, (i) biochars were not found to be effective in reducing the transfer of halogenated pollutants to animals, (ii) CA powder amendments reduced the bioavailability of POPs in the soil, and (iii) the effectiveness of such a strategy therefore depends on both the characteristics of the matrix and the pollutantsLes polluant organochlorés sont particulièrement reconnus pour leur persistance et le sol apparaît comme le réservoir pérenne de ces contaminations historiques. Si la chlordécone (CLD) en est un exemple évident aux Antilles françaises, les PCB, PCDD/F en sont le pendant pour la Métropole. Particulièrement biodisponibles, ces polluants mettent à mal les systèmes d’élevage en plein air en dégradant la sureté chimique des denrées produites. Pour diminuer l’exposition des animaux, l'amendement des sols contaminés par des matrices poreuses, comme les biochars (BC) et les charbons actifs (CA), peut s’avérer être une stratégie efficace. Actuellement, peu de littérature permet toutefois de lier l’impact des caractéristiques des polluants et des biochars sur l’efficience de cette stratégie de séquestration.Dans cette étude, l'efficacité respective de 3 biochars et 3 charbons actifs a été évaluée en amendant à hauteur de 2% (en masse) des sols OCDEcontaminés par soit (i) de la CLD, soit (ii) un mélange de PCB et PCDD/F. Les profils et les concentrations appliqués sur ces sols ont été choisis pour qu’ils correspondent à des cas typiques retrouvés aux Antilles françaises (pour le CLD) ou sur un site pollué métropolitain (mélange PCB et PCDD/F). Après une maturation de 3 mois ces sols ont été introduits dans l’alimentation distribuée aux poules pondeuses (à hauteur de 10%) durant 21 jours. Les œufs collectés les trois derniers jours d’exposition ont ensuite été analysés (n = 3) pour déterminer les teneurs en CLD, PCB et PCDD/F. La porosité des matériaux carbonés et les caractéristiques physico-chimiques des molécules ont ensuite été mises en relation avec les résultats obtenus.Aucune réduction significative du transfert n'a été observée lorsque les 3 biochars ou le CA sous forme de granulés ont été utilisés. Une réduction significative a été toutefois mise en évidence quand les deux charbons actifs sous forme de poudre ont été utilisés. Cela a été d’autant plus marqué pour les PCDD/F et PCB-DL qui présentaient une réduction de 79-82% (base TEQ) dans les œufs. Pour la CLD et les PCB-NDL, seule une légère réduction des concentrations a été obtenue avec ces charbons actifs : 26-33% et 20-72%respectivement. En mettant en relation ces résultats avec les caractéristiques des matériaux poreux et celles des molécules, cette différence peut s’expliquer principalement par la distribution de porosité des matériaux. Ainsi une corrélation positive entre la surface relative des pores entre 0-3nm et 4,4 et 20nm et la réduction des concentrations a été observées. Plus modérément les résultats s’expliquent aussi par les caractéristiques des molécules, le log de Kow, la conformation des molécule illustrant la hiérarchie d’efficacité de séquestration observée : PCDD/F lourds > PCDD/F légers > PCB 77 > PCB-NDL = CLDEn synthèse, (i) les biochars ne se sont pas avérés efficaces pour réduire le transfert de polluants halogénés vers les animaux, (ii) les amendements en poudre de CA ont permis de réduire la biodisponibilité des POP présents dans le sol, et (iii) l'efficacité d'une telle stratégie dépend donc à la fois des caractéristiques de la matrice et des polluants

Sécuriser l’élevage de poule pondeuse sur sol contaminé par des organochlorés : évaluation de stratégies d’amendement par du biochar et charbon actif

International audienceOrganochlorine pollutants are particularly well known for their persistence and the soil appears to be the perennial reservoir of these historical contaminations. If chlordecone (CLD) is an obvious example in the French West Indies, PCBs, PCDD/Fs are the counterpart in mainland France. Particularly bioavailable, these pollutants undermine open-air breeding systems by degrading the chemical safety of the food produced. To reduce the exposure of animals, the amendment of contaminated soils with porous matrices, such as biochars (BC) and activated carbons (AC), may prove to be an effective strategy. However, there is currently little literature linking the impact of pollutant and biochar characteristics on the efficiency of this sequestration strategy.In this study, the respective effectiveness of 3 biochars and 3 activated carbons was evaluated by amending 2% (by mass) of OECD-contaminated soils with either (i) CLD or (ii) a mixture of PCBs and PCDD/Fs. The profiles and concentrations applied to these soils were chosen to correspond to typical cases found in the French West Indies (for CLD) or on a polluted site in France (PCB and PCDD/F mixture). After maturation for 3 months, these soils were introduced into the feed distributed to laying hens (up to 10%) for 21 days. The eggs collected on the last three days of exposure were then analysed (n = 3) for CLD, PCB and PCDD/F. The porosity of the carbonaceous materials and the physicochemical characteristics of the molecules were then related to the results obtained.No significant reduction in transfer was observed when the 3 biochars or the granular CA were used. However, a significant reduction was observed when the two powdered activated carbons were used. This was even more pronounced for PCDD/F and PCB-DL, which showed a reduction of 79-82% (TEQ basis) in the eggs. For CLD and PCB-NDL, only a slight reduction in concentrations was obtained with these activated carbons: 26-33% and 20-72% respectively. By relating these results to the characteristics of the porous materials and those of the molecules, this difference can be explained mainly by the distribution of porosity of the materials. Thus a positive correlation between the relative surface area of the pores between 0-3nm and 4.4 and 20nm and the reduction of the concentrations was observed. More moderately, the results are also explained by the characteristics of the molecules, the log Kow, the conformation of the molecules illustrating the observed hierarchy of sequestration efficiency: heavy PCDD/F > light PCDD/F > PCB 77 > PCB-NDL = CLDIn summary, (i) biochars were not found to be effective in reducing the transfer of halogenated pollutants to animals, (ii) CA powder amendments reduced the bioavailability of POPs in the soil, and (iii) the effectiveness of such a strategy therefore depends on both the characteristics of the matrix and the pollutantsLes polluant organochlorés sont particulièrement reconnus pour leur persistance et le sol apparaît comme le réservoir pérenne de ces contaminations historiques. Si la chlordécone (CLD) en est un exemple évident aux Antilles françaises, les PCB, PCDD/F en sont le pendant pour la Métropole. Particulièrement biodisponibles, ces polluants mettent à mal les systèmes d’élevage en plein air en dégradant la sureté chimique des denrées produites. Pour diminuer l’exposition des animaux, l'amendement des sols contaminés par des matrices poreuses, comme les biochars (BC) et les charbons actifs (CA), peut s’avérer être une stratégie efficace. Actuellement, peu de littérature permet toutefois de lier l’impact des caractéristiques des polluants et des biochars sur l’efficience de cette stratégie de séquestration.Dans cette étude, l'efficacité respective de 3 biochars et 3 charbons actifs a été évaluée en amendant à hauteur de 2% (en masse) des sols OCDEcontaminés par soit (i) de la CLD, soit (ii) un mélange de PCB et PCDD/F. Les profils et les concentrations appliqués sur ces sols ont été choisis pour qu’ils correspondent à des cas typiques retrouvés aux Antilles françaises (pour le CLD) ou sur un site pollué métropolitain (mélange PCB et PCDD/F). Après une maturation de 3 mois ces sols ont été introduits dans l’alimentation distribuée aux poules pondeuses (à hauteur de 10%) durant 21 jours. Les œufs collectés les trois derniers jours d’exposition ont ensuite été analysés (n = 3) pour déterminer les teneurs en CLD, PCB et PCDD/F. La porosité des matériaux carbonés et les caractéristiques physico-chimiques des molécules ont ensuite été mises en relation avec les résultats obtenus.Aucune réduction significative du transfert n'a été observée lorsque les 3 biochars ou le CA sous forme de granulés ont été utilisés. Une réduction significative a été toutefois mise en évidence quand les deux charbons actifs sous forme de poudre ont été utilisés. Cela a été d’autant plus marqué pour les PCDD/F et PCB-DL qui présentaient une réduction de 79-82% (base TEQ) dans les œufs. Pour la CLD et les PCB-NDL, seule une légère réduction des concentrations a été obtenue avec ces charbons actifs : 26-33% et 20-72%respectivement. En mettant en relation ces résultats avec les caractéristiques des matériaux poreux et celles des molécules, cette différence peut s’expliquer principalement par la distribution de porosité des matériaux. Ainsi une corrélation positive entre la surface relative des pores entre 0-3nm et 4,4 et 20nm et la réduction des concentrations a été observées. Plus modérément les résultats s’expliquent aussi par les caractéristiques des molécules, le log de Kow, la conformation des molécule illustrant la hiérarchie d’efficacité de séquestration observée : PCDD/F lourds > PCDD/F légers > PCB 77 > PCB-NDL = CLDEn synthèse, (i) les biochars ne se sont pas avérés efficaces pour réduire le transfert de polluants halogénés vers les animaux, (ii) les amendements en poudre de CA ont permis de réduire la biodisponibilité des POP présents dans le sol, et (iii) l'efficacité d'une telle stratégie dépend donc à la fois des caractéristiques de la matrice et des polluants

Organochlorine POPs sequestration strategy by carbonaceous amendments of contaminated soils: Toward a better understanding of the transfer reduction to laying hens

International audiencePCBs, PCDD/Fs, and Chlordecone (CLD) are POPs found in soils and transferred to animals through involuntary soil ingestion. In this frame, the amendment of contaminated soil with porous matrices, like Biochars (BCs) and Activated Carbons (ACs), is a promising technique for reducing this transfer. In this study, the efficiency of 3 biochars and 3 activated carbons was assessed by amending 2% (by weight) of these matrices on (i) CLD or (ii) PCBs and PCDD/Fs contaminated artificial soils. Porosity of the carbon-based materials and molecules physico-chemical characteristics were then linked to the obtained results. The concentrations of pollutants were then measured in the egg yolks of laying hens (n = 3), which were fed on a daily basis pellets containing 10% of soil for 20 days. Overall, no significant transfer reduction was observed with the biochar and the granular AC amendments for all the compounds. However, significant reductions were obtained with the two efficient activated carbons for PCDD/Fs and DL-PCB up to 79-82% (TEQ basis), whereas only a slight reduction of concentrations was obtained with these activated carbons for CLD and NDL-PCBs. Thus, (i) biochars were not proven efficient to reduce halogenated pollutants transfer to animals, (ii) powdered AC amendments resulted in reducing the bioavailability of soil POPs, and (iii) the effectiveness of such strategy depended on both characteristics of the matrix and of the pollutants.---- UNTIL 03 June 2022 the article is freely provided by elsevier through the following link : https://authors.elsevier.com/a/1evmO15DSlNq5

Assessment of an NDL-PCBs Sequestration Strategy in Soil Using Contrasted Carbonaceous Materials through In Vitro and Cucurbita pepo Assays

International audienceThis article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/)