Nature-Based Solution to Eliminate Cyanotoxins in Water Using Biologically Enhanced Biochar

生物炭 微囊藻毒素 环境化学 富营养化 环境科学 水处理 热解 蓝藻 饮用水净化 污染物 环境工程 化学 生物 营养物 细菌 遗传学 有机化学
作者
Jane Moore,Anjali Jayakumar,Sylvia Soldatou,Ondřej Mašek,Linda A. Lawton,Christine Edwards
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (43): 16372-16385 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c05298
摘要

Climate change and high eutrophication levels of freshwater sources are increasing the occurrence and intensity of toxic cyanobacterial blooms in drinking water supplies. Conventional water treatment struggles to eliminate cyanobacteria/cyanotoxins, and expensive tertiary treatments are needed. To address this, we have designed a sustainable, nature-based solution using biochar derived from waste coconut shells. This biochar provides a low-cost porous support for immobilizing microbial communities, forming biologically enhanced biochar (BEB). Highly toxic microcystin-LR (MC-LR) was used to influence microbial colonization of the biochar by the natural lake-water microbiome. Over 11 months, BEBs were exposed to microcystins, cyanobacterial extracts, and live cyanobacterial cells, always resulting in rapid elimination of toxins and even a 1.6-1.9 log reduction in cyanobacterial cell numbers. After 48 h of incubation with our BEBs, the MC-LR concentrations dropped below the detection limit of 0.1 ng/mL. The accelerated degradation of cyanotoxins was attributed to enhanced species diversity and microcystin-degrading microbes colonizing the biochar. To ensure scalability, we evaluated BEBs produced through batch-scale and continuous-scale pyrolysis, while also guaranteeing safety by maintaining toxic impurities in biochar within acceptable limits and monitoring degradation byproducts. This study serves as a proof-of-concept for a sustainable, scalable, and safe nature-based solution for combating toxic algal blooms.
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