Combining phytoremediation potential of Lemna gibba with biochar adsorption technology for cadmium, nickel and lead removal from wastewater

Water is de levensader van onze planeet, maar wordt steeds vaker belast door onzichtbare gifstoffen. Onder de gevaarlijkste hiervan zijn zware metalen zoals cadmium, nikkel en lood. Deze elementen breken niet af of verdwijnen; in plaats daarvan blijven ze in het milieu aanwezig en hopen ze zich op in de bodem en het water totdat ze niveaus bereiken die ecosystemen en de menselijke gezondheid schaden. Ze komen onze rivieren en wetlands binnen via industrieel afval, mijnbouw en landbouwafvloeiing, wat ernstige risico's met zich meebrengt zoals nierziekten en neurologische stoornissen. Omdat deze metalen zo hardnekkig zijn, is het opruimen ervan moeilijk. Traditionele methoden vertrouwen vaak op dure chemicaliën of energie-intensieve machines die veel ontwikkelende regio's niet kunnen betalen. Dit heeft ervoor gezorgd dat wetenschappers naar antwoorden hebben gezocht in de natuur, specifiek naar het vermogen van levende planten om vervuilende stoffen op te drinken en de potentie om die planten te veranderen in materialen die toxines kunnen vangen.

In een recente studie onderzochten onderzoekers in Maleisië en Irak een tweeledige strategie om dit probleem aan te pakken met behulp van een kleine, drijvende waterplant genaamd eendenbrood, specifiek de soort Lemna gibba. Deze plant komt veel voor in lokale waterwegen en groeit snel, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor het reinigen van water. Het team onderzocht een dubbele aanpak: eerst testten ze hoe goed de levende plant cadmium, nikkel en lood uit vervuild water kon verwijderen. Ten tweede namen ze dezelfde plant nadat deze zijn werk had gedaan, droogden deze en verhitten deze in een gecontroleerde omgeving zonder zuurstof om een koolstofachtige substantie te creëren die biochar wordt genoemd. Vervolgens testten ze deze biochar om te zien of het als een krachtige spons kon fungeren om de metalen te absorberen. Het doel was om te zien of het gebruik van de plant twee keer — één keer levend en één keer als een verwerkt materiaal — een goedkope, duurzame manier kon bieden om afvalwater te zuiveren.

De onderzoekers begonnen met het maken van kunstmatig afvalwater in het laboratorium, waarbij ze water mengden met precieze hoeveelheden cadmium, nikkel en lood bij concentraties variërend van 0,5 tot 5,0 milligram per liter. Ze plaatsten 30 gram van het levende eendenbrood in containers met drie liter van dit vervuilde water en observeerden wat er gebeurde gedurende vijftien dagen. Ze maten de metaalgehaltes dagelijks om bij te houden hoeveel de plant absorbeerde. De resultaten waren opmerkelijk. Het levende eendenbrood bleek zeer effectief in het verwijderen van bijna al het lood en cadmium uit het water, zelfs bij hogere concentraties. Nikkel werd ook efficiënt verwijderd, zij het iets minder dan de andere twee metalen. Het proces verliep aanvankelijk snel, waarbij de plant de meerderheid van de toxines binnen de eerste tien dagen opzuog, voordat het vertraagde naarmate het zijn limiet bereikte. De studie merkte echter op dat de zware metalen een tol eisten van de plant; tegen het einde van het experiment waren de bladeren geel geworden, een teken van stress veroorzaakt door de toxische omgeving.

Hoewel de levende plant goed werkte, wilden de onderzoekers weten of de plant nog meer kon doen nadat de levenscyclus was voltooid. Ze namen het eendenbrood, droogden het en verhitten het om biochar te creëren, een proces dat ongeveer 44,5 procent houtskool opleverde uit het oorspronkelijke plantmateriaal. Wanneer ze dit nieuwe materiaal onder een microscoop bekeken, zagen ze dat het zeer poreus was geworden, gevuld met kleine gaatjes en kanalen die een enorm oppervlak boden om metalen te vangen. Ze plaatsten deze biochar vervolgens in verse batches met verontreinigd water om te zien hoe goed het de toxines absorbeerde. De biochar presteerde uitzonderlijk goed en maakte het water vaak efficiënter vrij van metalen dan de levende plant, hoewel de snelheid varieerde per metaal en concentratie. Terwijl de levende plant tot 15 dagen nodig had om een maximale verwijdering te bereiken, bereikte de biochar een evenwicht binnen 12 tot 48 uur, waarbij sommige concentraties de volledige verwijdering in slechts één dag bereikten. De biochar toonde een bijzondere kracht in het grijpen van lood, gevolgd door cadmium en daarna nikkel, waarschijnlijk vanwege de specifieke chemische eigenschappen van het oppervlak van de houtskool.

De studie concludeert dat het combineren van deze twee methoden een krachtige, circulaire oplossing biedt voor waterzuivering. De levende plant kan worden gebruikt om grote volumes water over een langere periode te reinigen, en zodra deze zijn doel heeft gediend, kan deze worden omgezet in een hoogefficiënt filtermateriaal om het water verder te polijsten of nieuwe batches te behandelen. Deze aanpak verandert een afvalproduct in een waardevolle hulpbron, waardoor het nut van de biomassa wordt gemaximaliseerd. De onderzoekers vonden dat terwijl de levende plant uitstekend is voor langzame, grootschalige schoonmaak, de biochar superieur is voor snelle, hoog-efficiënte verwijdering. Door dezelfde plant voor beide rollen te gebruiken, minimaliseert de methode verspilling en biedt het een kosteneffectieve strategie die bijzonder nuttig zou kunnen zijn in regio's waar industriële vervuiling hoog is maar geavanceerde behandelingsinfrastructuur ontbreekt. Dit dubbel gebruik van de eigen materialen van de natuur suggereert een pad naar schoner water dat zowel milieuvriendelijk als economisch haalbaar is.