Optimization of induced denitrification strategies in polluted water bodies from agricultural sources

Abstract

The worldwide persistence of nitrate (NO -) in groundwater is worrying since this compound has been related to human illnesses and to eutrophication of aquatic ecosystems. The main sources of pollution are linked to intensive use of fertilizers and septic system leakage. Since 1991, European directives have been applied to mitigate NO - pollution by limiting N application in agricultural lands. However, due to the long residence time of N in the soil organic matter pool, the outcome of the implemented management practices can be delayed for decades. Consequently, remediation strategies must be developed and optimized. The NO3- reduction to innocuous dinitrogen gas (N2), can occur intrinsically in many environments due to the ubiquity of denitrifying microorganisms. However, the electron donor presence is usually a limiting factor in the contaminated aquifers. Hence, one feasible treatment involves inducing the denitrification by application of an external electron donor. During the implementation of bioremediation strategies, the contaminant removal can be estimated by monitoring its concentrations before and after the treatment. However, this method does not reveal the specific processes involved in the attenuation, making it challenging to focus on the improvement of the remediation approach. Isotopic analyses have proved to be a powerful tool in identifying the sources and transformation processes of groundwater contaminants. During the enzymatic NO3- reduction, the unreacted residual substrate becomes enriched in the heavy isotopes 15N and 18O, allowing to distinguish the biotic reduction from processes such as dilution with non-polluted water that could also lead to a concentration decrease without influencing the isotopic signature. The present thesis focusses on investigating the use of low-cost electron donors to promote the denitrification, and on using isotopic tools to evaluate the denitrification efficiency at field- scale. The tested materials in batch and flow-through experiments were: whey, corn stubble, wheat hay, animal compost, magnetite, siderite and olivine. Different parameters that could affect the biotic NO3- reduction efficiency were evaluated (e.g., temperature, ratio between electron donor and acceptor, harmful by-product accumulation, abiotic reactivity or coexistence of other contaminants) and the isotopic fractionation values (ε15N and ε18O) were determined for all tested conditions. At field-scale, three different polluted water bodies were studied, in which the determined ε15N and ε18O at the laboratory were applied to quantify the natural and/or induced denitrification. In a polluted aquifer in Spain, the NO3- attenuation was evaluated during a long-term induced denitrification strategy by acetic acid injections. In a polluted aquifer in Argentina, the natural NO3- attenuation was evaluated

considering changes in the reactivity and isotopic fractionation due to the simultaneous presence of NO - and Cr6+. Finally, in a constructed wetland (CW) treating agricultural runoff water, the NO - attenuation was evaluated before and after application of an electron donor both in the autumn-winter and spring-summer seasons. The laboratory experiments demonstrated that magnetite nanoparticles, corn stubble, wheat hay, animal compost and whey could efficiently promote the denitrification in polluted water bodies. In these biotic experiments, the complete NO3- reduction to N2 was demonstrated by transient or negligible accumulation of other nitrogen compounds such as nitrite (NO2-), ammonium (NH +) or nitrous oxide (N O). However, the N O was found to be the end- product of the abiotic NO - reduction, which can be mediated by ferrous iron, if present. The ε15NNO3/N2 and ε18ONO3/N2 values were calculated for all the batch experiments and for the periods of the flow-through experiment that allowed complete denitrification. For the non- complete denitrification periods, the NO - isotopic characterization showed a mix of denitrified and non-denitrified water at the outflow. The isotopic characterization of NO - and N2O allowed to distinguish the biotic from the abiotic NO - reduction by ferrous iron at the laboratory-scale. A two-stage isotopic fractionation pattern was found for Cr6+, which can be reduced simultaneously to NO -. Also, the carbon compounds isotopic analysis allowed to assess the fate of the studied organic carbon materials to be used as electron donors. In the field-scale studies, the chemical and isotopic characterization allowed to trace the extent of the natural or induced denitrification and to evaluate the safety of the treatments. In a pilot plant to remediate groundwater NO3- pollution (Spain), acetic acid was injected by pulses to an alluvial aquifer for 22 months. According to the isotopic results, the induced denitrification achieved at least 50 % NO3- attenuation. The isotopic analyses also allowed to identify the reoxidation of NO2- to NO3- during the treatment and to recognize a mixture between the denitrified and partially or non-denitrified groundwater in one of the sampling points. In a polluted aquifer with both NO3- and Cr6+ (Argentina), the calculated natural attenuation was 20 % for NO3- and 60 % for Cr6+. For this calculation, the two stage trend observed for the ε53Cr was considered. The attenuation of Cr6+ in a few samples was found to be due by both reduction and dilution. In a CW treating agricultural runoff water, a slight natural NO3- attenuation was only observed when the flow was below 5.5 L/s. According to the isotopic results, after the biostimulation by stubble application, at least 60 % NO3- was removed at 16 L/s. The biostimulation treatment in autumn lasted in one month, while in spring the attenuation remained for three months.

La persistència del nitrat (NO -) en aigües subterrànies és preocupant ja que aquest, pot provocar malalties en humans i eutrofització d’ecosistemes aquàtics. Els principals orígens de contaminació són l’ús intensiu de fertilitzants i les pèrdues dels sistemes sèptics. Tot i que els darrers anys s’ha limitat la quantitat de N aplicat en zones agrícoles, degut al llarg temps de residència del N en la matèria orgànica del sòl, el resultat de les pràctiques implementades, es pot ajornar fins dècades. Per tant, és necessari desenvolupar i optimitzar estratègies de remediació. La reducció del NO - a dinitrogen gas (N ), que és un gas innocu, es dona intrínsecament en molts ambients degut a la ubiqüitat dels microorganismes amb capacitat de desnitrificar. Malauradament, la presència de donadors d’electrons sol ser un factor limitant en aqüífers contaminats per NO -. Per això, un possible tractament consisteix en induir la desnitrificació gràcies a l’aplicació d’un donador d’electrons extern.Durant la implementació d’estratègies de bioremediació, l’eliminació del contaminant es pot determinar mitjançant la monitorització de les seves concentracions abans i després del tractament. Però aquest mètode no mostra el procés específic involucrat en l’atenuació i això dificulta l’optimització de l’estratègia de remediació. Els anàlisis isotòpics resulten útils per identificar fonts i processos de transformació de diversos contaminants en aigües subterrànies. Durant la reducció enzimàtica del NO3-, el substrat residual es va enriquint en els isòtops pesats 15N i 18O. Això permet distingir la reducció biòtica d’altres processos com la dilució amb aigua no contaminada que també podria donar lloc a una disminució de la concentració del NO3- però sense influenciar la seva signatura isotòpica.Aquesta tesi es centra en investigar l’ús de donadors d’electrons de baix cost (sèrum làctic, restes vegetals (blat i panís), compost animal, magnetita, siderita i olivina) per induir la desnitrificació i l’ús d’eines isotòpiques per avaluar l’eficiència de desnitrificació a escala de camp. Durant els experiments al laboratori s’han avaluat diferents paràmetres que poden afectar l’eficiència de la reducció biòtica del NO3- (ex. temperatura, ràtio entre el donador i acceptor d’electrons, acumulació de productes intermedis tòxics, reactivitat abiòtica o coexistència d’altres contaminants) i s’han calculat els valors de fraccionament isotòpic (ε15N i ε18O) per totes les condicions investigades. A escala de camp, s’han estudiat tres masses d’aigua contaminades en les que s’han aplicat els valors de ε15N i ε18O determinats al laboratori per quantificar la desnitrificació natural o induïda. En un aqüífer contaminat a Espanya, l’atenuació del NO3- s’ha avaluat durant una estratègia de desnitrificació induïda mitjançant la injecció d’àcid acètic. En un aqüífer contaminat a Argentina, l’atenuació natural del NO3- s’ha avaluat considerant canvis en la reactivitat i el fraccionament isotòpic degut a la presencia simultània de NO - i Cr6+. En un aiguamoll construït en el qual es tracta aigua d’escorrentia agrícola, l’atenuació del NO - s’ha avaluat abans i després de l’aplicació d’un donador d’electrons tant a la tardor-hivern com a la primavera-estiu.Els experiments de laboratori han demostrat que les nanopartícules de magnetita, les restes vegetals (blat i panís), el compost animal i el sèrum làctic poden induir la desnitrificació en aigües contaminades. En aquests experiments biòtics, la reducció completa del NO - a N ha estat demostrada per una acumulació transient o negligible d’altres compostos nitrogenats com el nitrit (NO -), l’amoni (NH +) o l’òxid nitrós (N O). Tot i això, s’ha vist que el N2O és el producte final de la reducció abiòtica del NO - provocada per l’oxidació de Fe2+, si és present en l’aigua. Els valors de ε15NNO3/N2 i ε18ONO3/N2 s’han calculat pels experiments de tipus batch i pels períodes d’un experiment de tipus flux continu durant els que es va assolir una desnitrificació completa. La caracterització isotòpica del NO - i el N O ha permès distingir la reducció del NO2- biòtica de l’abiòtica per oxidació de Fe2+ al laboratori. Per al Cr6+, un contaminant que es pot reduir simultàniament al NO3-, s’ha observat un fraccionament isotòpic en dos estadis. A més, l’anàlisi isotòpic dels compostos de carboni ha permès avaluar el consum dels donadors d’electrons de carboni orgànic estudiats.En els estudis a escala de camp, la caracterització química i isotòpica ha permès traçar l’eficiència de la desnitrificació natural i/o induïda i avaluar la seguretat dels tractaments. En una planta pilot per remeiar la contaminació de NO3- d’aigües subterrànies (Espanya), s’ha injectat àcid acètic a l’aqüífer durant 22 mesos. D’acord amb els resultats isotòpics, la desnitrificació induïda ha assolit almenys un 50% d’atenuació del NO3-. La caracterització isotòpica també ha permès identificar la reoxidació de NO2- a NO3- durant el tractament i reconèixer una barreja entre aigua desnitrificada i aigua parcialment o no desnitrifricada en un dels punts de mostreig. En un altre aqüífer contaminat amb NO3- i Cr6+ (Argentina), l’atenuació natural calculada ha estat del 20% per al NO3- i del 60 % per al Cr6+. Per a aquest càlcul s’ha tingut en compte el fraccionament isotòpic en dos estadis observat pel Cr6+ en els experiments de laboratori. L’atenuació del Cr6+ en algunes mostres ha estat deguda en part a dilució i en part a reducció. En l’aiguamoll construït, l’atenuació natural del NO3- només es dona quan el flux és inferior a 5.5 L/s. D’acord amb els resultats isotòpics, després de la bioestimulació per aplicació de restes vegetals (panís), s’ha aconseguit una reducció del 60 % del NO3-, a un flux de 16 L/s. El tractament de bioestimulació a l’octubre-hivern ha durat un mes, mentre que a la primavera-estiu s’ha mantingut durant tres mesos.