Production of Arundo donax and Panicum virgatum in Heavy Metals contaminated soils

Abstract

The development of alternative feedstocks to substitute petroleum is a challenge. Biomass production and utilization in industrial processes is a growing practice representing a renewable and more sustainable feedstock when compared with petroleum. The cultivation of energy crops on degraded soils reduces the risks associated with land use change, and biomass may represent additional revenue as a feedstock for bioenergy. Switchgrass and giant reed were tested under 450 and 900 mg Zn kg−1, 450 and 900 mg Pb kg−1, 200 and 400 mg Cu kg−1, 300 and 600 mg Cr kg−1, 110 and 220 mg Ni kg−1, and 4 and 8 mg Cd kg−1 contaminated soils, in a two-year pot experiment. After the second year of harvest, the yield of Switchgrass (average aerial 320 g.m−2 and below ground 540 g.m−2) was not affected by Zn, Pb, Cu, and Cd contamination, and 110 mg Ni kg−1 but 220 mg Ni kg−1 significantly affected the yields (55–60% reduction). A total plant loss was observed in Cr-contaminated pots. Giant reed aboveground yields (control: 410 g.m−2), in the second year harvest, were significantly affected by all metals and levels of contamination (30–70% reduction), except in 450 mg Zn kg-1 and 110 mg Ni kg−1 pots. The tested metals did not affect the belowground biomass yields (average 1850 g.m−2). The HHV of both crops (18.5 MJ/Kg of dry biomass) were similar and were not affected by contamination at any level, indicating that the biomass can be exploited for bioenergy. The fiber content (average, 74% dry matter) was also not affected by soil contamination. Nevertheless, the increased contents in ash, N and Na, K, Ca, and Mg, derived from the contamination, can limit its application in thermochemical processes.O desenvolvimento de matérias-primas alternativas para substituir o petróleo é um desafio. A produção de biomassa e a sua utilização em processos industriais é uma prática crescente, representando uma matéria-prima renovável e mais sustentável quando comparada ao petróleo. O cultivo de culturas energéticas em solos degradados contribui para reduzir os riscos associados à mudança de uso da terra, e a biomassa produzida pode representar uma receita adicional como matéria-prima para bioenergia. O switchgrass e a cana foram testados em solos contaminados individualmente com 450 e 900 mg Zn kg−1, 450 e 900 mg Pb kg−1, 200 e 400 mg Cu kg−1, 300 e 600 mg Cr kg−1, 110 e 220 mg Ni kg−1, e 4 e 8 mg de Cd kg−1, num ensaio em vasos, com uma duração de dois anos. Os rendimentos de switchgrass (média aérea 320 g.m−2 e radicular de 540 g.m−2), após a colheita do segundo ano, não foram afetados pela contaminação de Zn, Pb, Cu e Cd e 110 mg Ni kg−1, mas 220 mg Ni kg− 1 afetou significativamente os rendimentos (redução de 55–60%). Uma perda total de plantas foi observada em vasos contaminados com Cr. Os rendimentos de cana gigante (parte aérea, controlo: 410 g.m−2), no segundo ano de colheita, foram significativamente afetados por todos os metais e níveis de contaminação (redução de 30-70%), exceto nos vasos contaminados com 450 mg Zn kg-1 e 110 mg Ni kg-1. Os rendimentos de biomassa abaixo do solo (média de 1850 g.m−2) não foram afetados pelos metais testados. O poder calorífico de ambas as culturas (média de 18,5 MJ/kg de biomassa seca) foram semelhantes e não foram afetados pela presença da contaminação, indicando que a biomassa pode ser explorada para bioenergia. O teor de fibra (média, 74% de matéria seca) também não foi afetado pela contaminação do solo. Os maiores teores de cinzas, N e Na, K, Ca e Mg, decorrentes da contaminação, podem limitar a sua aplicação em processos termoquímicos

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