Origine, devenir et impact du cuivre et du zinc des lisiers porcins. Rôle de la digestion anaérobie

L’épandage des déjections animales sur les terres agricoles est pratiqué depuis très longtemps. Il contribue au recyclage d’éléments nutritifs comme l’azote et le phosphore ainsi qu’à l’apport de matière organique au sol. Cependant, l’intensification de la production animale a entraîné une concentration des élevages et des changements de pratiques, notamment en production porcine avec l’ajout de cuivre et de zinc dans la ration alimentaire. Ces éléments se retrouvant en partie dans les déjections, l’épandage des lisiers peut conduire à une accumulation du cuivre et du zinc dans le sol. Par ailleurs, la digestion anaérobie, ou méthanisation, connaît un regain d’intérêt pour la production d’une énergie renouvelable couplée au traitement de déchets organiques. Ce procédé est notamment bien adapté au traitement des déjections animales. Dans ce contexte, notre objectif a été d’évaluer le rôle de la méthanisation sur le devenir et les impacts du cuivre et du zinc des lisiers porcins. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur le fonctionnement d’une unité de méthanisation située dans la région de Pau (64) traitant quotidiennement environ 11 m3 de lisier produit par un élevage porcin naisseur-engraisseur de 250 truies. Le bilan de masse montre que l’azote est conservé au cours du traitement, entraînant un raisonnement sur l’azote apporté par épandage équivalent entre le lisier brut et le lisier méthanisé. Le cuivre et le zinc sont également conservés par la digestion anaérobie, et, dans le lisier méthanisé, l’essentiel du cuivre et du zinc est associé à une fraction granulométrique comprise entre 3 et 25 cm. En revanche, au cours du traitement anaérobie des pertes de phosphore, calcium et magnésium sont constatées du fait de la formation de cristaux de phosphates sur les parois de l’échangeur thermique du digesteur. La méthanisation permet le retour au sol d’une matière organique stabilisée puisque la moitié de la matière organique est convertie en biogaz lors de la digestion. De ce fait, après enfouissement au sol, les lisiers méthanisés génèrent moins de dégagement de CO2 que les lisiers bruts. L’analyse granulométrique des lisiers met en évidence que l’hydrolyse des particules conduit à une augmentation relative du nombre de particules de très petite taille (inf à 0,1 cm) mais également à une augmentation relative du volume occupé par les particules de grande taille (sup à 60 cm). L’utilisation d’un modèle permettant d’interpréter l’analyse élémentaire des fractions solides, amène à la conclusion que le traitement anaérobie se traduit par une dépolymérisation de la matière organique. L’extraction chimique séquentielle montre que le cuivre et le zinc ont une répartition très différentes dans les fractions solides : alors que le zinc est préférentiellement sous forme de carbonates, le cuivre est majoritairement associé à la matière organique. De fait, cette fraction diminue après méthanisation au cours de laquelle le cuivre et le zinc évoluent vers des formes plus stables. La phytodisponibilité et la génotoxicité du cuivre et du zinc contenus dans un lisier brut ou un lisier méthanisé ont été évaluées en simulant les apports par épandage. Pour cela des fractions solides obtenues par centrifugation ont été utilisées. Elles contenaient l’essentiel de la matière sèche, du cuivre et du zinc des lisiers. Aucune différence significative de phytodisponibilité du cuivre et du zinc n’a été observée entre lisier brut et lisier méthanisé pour des cultures de maïs et de fève. La stabilisation de la matière organique dans le lisier méthanisé a permis une diminution d’effet phytotoxique pour des apports importants de matière organique au sol. Le cuivre et le zinc apportés par épandage sur des périodes de 20 ou 100 ans sont absorbés par la fève et le maïs ; cependant, les métaux restent dans des gammes de concentrations non toxiques pour les végétaux. L’absorption de zinc a été corrélée au pH du support de culture et à la dose d’apport, tandis que celle du cuivre a été indépendante de ces paramètres. L’évaluation de la génotoxicité selon la méthode normalisée n’a pas montré de différence significative entre lisier brut et lisier méthanisé. Une corrélation a été établie entre la teneur en cuivre dissous (inf à 0,45 cm) dans la solution d’exposition et l’apparition de micronoyaux dans les racines de Vicia faba. Un test rapide a été développé pour l’évaluation de la génotoxicité par contact direct au sol

Particle size and metal distributions in anaerobically digested pig slurry

Particle size distribution and trace element patterns were studied in a full-scale anaerobic digestion plant treating pig slurry. Mass balance was established for major (N, P, K, Ca, Fe, Mg and S) and minor (Al, Cu, Mn and Zn) elements. Most of the elements were conserved through the process but part of the P, Ca, Mg and Mn was deposited as crystals lining the digester. In the dry matter of the slurry, Cu and Zn occurred at between 170 and 2600 mg kg1 due to pig diet supplements. Analyses of particle size distributions in raw and digested slurries showed a general shift in distribution towards larger sizes due to degradation of small and easily degradable particles as well as formation of large microbial filaments. Graded sieving of digested slurry showed metals to be mainly present on 3–25 lm particles. Less than 2% Cu and Zn was removed by passage through a 250 lm rotary screen

Bioavailability of Cu and Zn in raw and anaerobically digested pig slurry

The impact of anaerobic digestion on the bioavailability of copper and zinc from pig slurry was assessed. Both chemical and biological approaches were used independently on raw slurry (RS) and anaerobically digested pig slurry (DS). This work, using ultracentrifugation pellets from the same pig slurry before and after an anaerobic treatment, confirmed that Cu and Zn behave differently in terms of bioavailability, and contrasting results were obtained by chemical and biological assessments. A chemical approach combined a preliminary study of the pH effect on particulate/dissolved metal partitioning, sequential extraction, and biochemical fractionation. This approach tended to show a lower mobility of metals from digested slurry (DS). A biological approach was carried out with Zea mays and Vicia faba to study Cu and Zn uptake in soil amended with RS or DS. This assay could not differentiate the two slurries

Assessment of the genotoxicity of Cu and Zn in raw and anaerobically digested slurry with the Vicia faba micronucleus test

Genotoxicity of Cu and Zn was assessed by use of the micronucleus (MN) test on Vicia faba roots. Plants were exposed to various leachates of rawand anaerobically digested pig slurry, with maximum total concentrations of 200MCu and 600MZn. The results indicated stabilisation of the organic matter during anaerobic digestion of the slurry and bioconversion of some phytotoxic organic compounds (e.g. phenols or p-cresol), but did not showa relationship between Cu and Zn concentrations and MN frequency. Exposure of Vicia plants to binary inorganic solutions of Cu and Zn (CuSO4/ZnSO4, 1:3) showed a significant micronucleus induction at concentrations of 40M Cu and 120M Zn and higher. When MN frequency was plotted against dissolved Cu (<0.45m), applied as slurry or as CuSO4, a single curve was obtained. At concentrations lower than 10M, modulation of the genotoxic effect of Cu was found. At concentrations up to 150M,MNinduction increased significantly, while phytotoxic symptoms appeared at higher concentrations

New direct contact approach to evaluate soil genotoxicity using the Vicia faba micronucleus test.

A method to assess micronucleus (MN) induction in Vicia faba roots by direct contact exposure to a solid matrix was developed. The procedure comprised a 5-d germination period, as in the well-known method using aqueous extracts. However, the seeds were here sown directly into the test soil whereas a culture period is necessary before exposing seedlings to a liquid medium. One soil under forest and two contaminated soils from areas affected by industrial installations and a coke works were used. Three durations of direct exposure were tested: 2, 5 and 7 d. The optimal duration was evaluated at 2 d to observe maximal MN induction without observing toxicity symptoms. The methodology using aqueous extracts was applied to the same three soils: MN frequency was higher than in the direct contact assay but the ratios of MN frequencies from tested soils in comparison to the negative control were lower. However, for each soil, both the direct contact method and the aqueous extract exposure led to the same risk assessment diagnosis. The evaluation of a concentration range of a polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)-contaminated soil showed a dose-dependent MN frequency when the seeds were allowed to germinate before sowing in the soil: the soil genotoxicity was the highest at intermediate doses. The direct contact method was found to be rapid, sensitive and well suited to the evaluation of soil qualit

Impact of anaerobic digestion on organic matter quality in pig slurry

Changes in pig slurry organic matter (OM) during anaerobic digestion (AD) were studied in a reactor to characterize OM evolution through AD. OM maturity and stability were evaluated using different biological and physico-chemical methods. Germination and growth chamber experiments revealed a higher maturity of digested slurry (DS) than raw slurry (RS). Soil incubations showed that DS was more stable than RS with a C-mineralization of 12.0 g CO2-C 100 g1 Corg after 49 days as compared to 17.6 g CO2-C100 g1 Corg. Biochemical fractionation showed a relative increase in stable compounds such as hemicellulose-like and lignin-like molecules. Fourier-transform infrared spectroscopy showed some changes in the chemical structures of OM with a reduction in the aliphatic chain, lipid and polysaccharide levels. A comparison between the evolution of OM during AD and the first weeks of a composting process showed almost identical changes. Finally a theoretical method called Fictitious Atomic-group Separation was applied to the elemental compositions of RS and DS. DS was less humified than RS and presented the properties of a fulvic acid, indicating that the observed stability in DS was mainly due to the biodegradation of the most labile compound

Double walled carbon nanotubes promote the overproduction of extracellular protein-like polymers in Nitzschia palea: An adhesive response for an adaptive issue

The present study assessed the effects of double-wall carbon nanotubes (DWCNTs) dispersed in the presence of a realistic concentration of natural organic matter (NOM, 10 mg L−1) on the benthic diatom Nitzschia palea using toxicity tests and quantitative/qualitative extracellular polymeric substances (EPS) assays. No toxic effect was observed. A growth delay was measured after 48 h of exposure to concentrations of DWCNTs ranging from 1 mg L−1 (∼29%) to 50 mg L−1 (∼84%). Extracellular carbohydrates and proteins were extracted using a sequential multi-methods protocol to collect soluble, hydrophobic and ion-bridged extracellular polymeric substances (EPS). Extracted EPS were analyzed by colorimetric assays and size exclusion chromatography. The results highlighted a higher EPS concentration in exposed cultures that was primarily caused by an overproduction of protein-like polymers (protein or glycoproteins, PLPs). Such EPS overproduction and increase in proteins/carbohydrates ratio can partially explain the observed growth inhibition. EPS were preferentially extracted using hydrophobic conditions and were mainly composed of PLPs with either low (10 kDa) or high (174 kDa) molecular weights. These data highlights the affinity between DWCNTs and EPS, which is primarily driven by both physical and hydrophobic interactions. This indicates that N. palea can respond to DWCNTs by forming an EPS network optimized for adhering to and efficiently wrapping DWCNTs

Origine, devenir et impact du cuivre et du zinc des lisiers porcins (Rôle de la digestion anaérobie)

The effect of anaerobic digestion on the fate and the impact of copper (Cu) and zinc (Zn) from pig slurry was studied. A mass balance of an anaerobic digestion plant was established. Cu, Zn and nitrogen were conserved through the process. A chemical caracterization of Cu, Zn and organic matter was carried on : Cu was mainly bound to organic matter while Zn to carbonates. Cu and Zn impacts were evaluated by a biological approach showed that bioavailability (for maize and broad bean) and genotoxixity (for Vicia faba) of Cu and Zn were increased by pig slurry supply. No significant difference was observed between raw and anaerobic digested slurry. A method was developped to evaluate micronucleus in Vicia faba roots after an exposure by direct contact to a contaminated soilL épandage des déjections animales sur les terres agricoles est pratiqué depuis très longtemps. Il contribue au recyclage d éléments nutritifs comme l azote et le phosphore ainsi qu à l apport de matière organique au sol. Cependant, l intensification de la production animale a entraîné une concentration des élevages et des changements de pratiques, notamment en production porcine avec l ajout de cuivre et de zinc dans la ration alimentaire. Ces éléments se retrouvant en partie dans les déjections, l épandage des lisiers peut conduire à une accumulation du cuivre et du zinc dans le sol. Par ailleurs, la digestion anaérobie, ou méthanisation, connaît un regain d intérêt pour la production d une énergie renouvelable couplée au traitement de déchets organiques. Ce procédé est notamment bien adapté au traitement des déjections animales. Dans ce contexte, notre objectif a été d évaluer le rôle de la méthanisation sur le devenir et les impacts du cuivre et du zinc des lisiers porcins. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur le fonctionnement d une unité de méthanisation située dans la région de Pau (64) traitant quotidiennement environ 11 m3 de lisier produit par un élevage porcin naisseur-engraisseur de 250 truies. Le bilan de masse montre que l azote est conservé au cours du traitement, entraînant un raisonnement sur l azote apporté par épandage équivalent entre le lisier brut et le lisier méthanisé. Le cuivre et le zinc sont également conservés par la digestion anaérobie, et, dans le lisier méthanisé, l essentiel du cuivre et du zinc est associé à une fraction granulométrique comprise entre 3 et 25 cm. En revanche, au cours du traitement anaérobie des pertes de phosphore, calcium et magnésium sont constatées du fait de la formation de cristaux de phosphates sur les parois de l échangeur thermique du digesteur. La méthanisation permet le retour au sol d une matière organique stabilisée puisque la moitié de la matière organique est convertie en biogaz lors de la digestion. De ce fait, après enfouissement au sol, les lisiers méthanisés génèrent moins de dégagement de CO2 que les lisiers bruts. L analyse granulométrique des lisiers met en évidence que l hydrolyse des particules conduit à une augmentation relative du nombre de particules de très petite taille (inf à 0,1 cm) mais également à une augmentation relative du volume occupé par les particules de grande taille (sup à 60 cm). L utilisation d un modèle permettant d interpréter l analyse élémentaire des fractions solides, amène à la conclusion que le traitement anaérobie se traduit par une dépolymérisation de la matière organique. L extraction chimique séquentielle montre que le cuivre et le zinc ont une répartition très différentes dans les fractions solides : alors que le zinc est préférentiellement sous forme de carbonates, le cuivre est majoritairement associé à la matière organique. De fait, cette fraction diminue après méthanisation au cours de laquelle le cuivre et le zinc évoluent vers des formes plus stables. La phytodisponibilité et la génotoxicité du cuivre et du zinc contenus dans un lisier brut ou un lisier méthanisé ont été évaluées en simulant les apports par épandage. Pour cela des fractions solides obtenues par centrifugation ont été utilisées. Elles contenaient l essentiel de la matière sèche, du cuivre et du zinc des lisiers. Aucune différence significative de phytodisponibilité du cuivre et du zinc n a été observée entre lisier brut et lisier méthanisé pour des cultures de maïs et de fève. La stabilisation de la matière organique dans le lisier méthanisé a permis une diminution d effet phytotoxique pour des apports importants de matière organique au sol. Le cuivre et le zinc apportés par épandage sur des périodes de 20 ou 100 ans sont absorbés par la fève et le maïs ; cependant, les métaux restent dans des gammes de concentrations non toxiques pour les végétaux. L absorption de zinc a été corrélée au pH du support de culture et à la dose d apport, tandis que celle du cuivre a été indépendante de ces paramètres. L évaluation de la génotoxicité selon la méthode normalisée n a pas montré de différence significative entre lisier brut et lisier méthanisé. Une corrélation a été établie entre la teneur en cuivre dissous (inf à 0,45 cm) dans la solution d exposition et l apparition de micronoyaux dans les racines de Vicia faba. Un test rapide a été développé pour l évaluation de la génotoxicité par contact direct au sol.TOULOUSE-ENSAT-Documentation (315552324) / SudocSudocFranceF

Anaerobic Digestion Alters Copper and Zinc Speciation

International audienceAnaerobic digestion is a widely used organic waste treatment process. However, little is known on how it could alter the speciation of contaminants in organic waste. This study was focused on determining the influence of anaerobic digestion on the speciation of copper and zinc, two metals that generally occur at high concentration in organic waste. Copper and zinc speciation was investigated by X-ray absorption spectroscopy in four different raw organic wastes (predigestion) and their digested counterparts (postdigestion, i.e., digestates). The results highlighted an increase in the digestates of the proportion of amorphous or nanostructured copper sulfides as well as amorphous or nanostructured zinc sulfides and zinc phosphate as compared to raw waste. We therefore suggest that the environmental fate of these elements would be different when spreading either digestates or raw waste on cropland