Elevated levels of heavy metals and chloride are commonly found in stormwater, as a consequence of pollution from traffic, building material and industries, and the use of salt for deicing in wintertime. Floating treatment wetlands (FTWs), consisting of vegetated rafts that can be placed in stormwater ponds, may be able to reduce heavy metal and chloride concentrations, but until this date have mainly been used for nutrient removal in warm climates. Plants are essential in FTWs as pollutants are taken up into plant tissues, adsorbed to exposed plant surfaces, precipitated due to chemical interactions with root exudates or bound to plant litter.

The aim of the study was to examine: A) which plant species that should be used on FTWs in a cool climate for efficient heavy metal and chloride removal, and B) to identify plant traits that are connected to high pollutant removal capacity as a help for identification of additional suitable species.

Thirty-four wetland plant species, all growing in wild in Sweden, were used in the study. These were all grown hydroponically for 5 days in a solution containing 1.2 µg Cd L^–1, 68.5 µg Cu L^–1 ¸ 78.4 µg Pb L^–1, 559 µg Zn L^–1 and 55.4 mg Cl L^-1. Carex pseudocyperus and Carex riparia were found to quickly reduce the concentration of all added heavy metals, and keep the concentration low for the remainder of the exposure period. In addition, nine species were able to remove all metals except cadmium quickly. High removal capacity of metals was found to be connected to biomass traits, mainly large fine root and leaf biomass, and to transpiration, which is correlated with to leaf biomass. Twenty-three of the tested species have also been evaluated for their chloride uptake, and Phalaris arundinacea and Glyceria maxima were identified as the species with highest chloride removal capacity. Preliminary analysis show that the correlation between biomass and chloride removal capacity is weaker than for heavy metals.

In conclusion, the removal capacity of heavy metals and chloride differs between plant species, which can be explained by differences in the traits of the plants. The findings indicate that removal of both heavy metals and chloride can be achieved by FTWs in cold climates using a combination of native plants.

Förhöjda halter av tungmetaller och klorid är vanligt förekommande i dagvatten. Detta är orsakat av föroreningar från trafik, byggnadsmaterial och industriell verksamhet samt från användandet av vägsalt under vintrar. Flytande våtmarker som består av bevuxna flottar som kan placeras i dagvattendammar skulle potentiellt kunna minska koncentrationen av tungmetaller och klorid. Hittills har dock denna typ av våtmarker mestadels använts för att minska halterna av kväve och fosfor i vatten i länder med varmt klimat.

Växterna i den flytande våtmarken är nödvändiga för att reningen ska bli effektiv. De tar upp en del av föroreningarna genom rötterna och ackumulerar i växten. Föroreningarna fäster också på ytan på rötter och döda växtdelar samt fäller ut och sedimenterar genom kemiska förändringar i vattnet runt rötterna. Växternas rötter som hänger ned i vattnet minskar vattenhastigheten, vilket ger ökad sedimentation av föroreningar som är bundna till partiklar. Därefter kan växtdelarna och sedimentet transporteras från platsen och tas om hand på ett säkert sätt.

Syftet med denna studie var att: A) Undersöka vilka växtarter som kan användas i flytande våtmarker i kallt klimat för effektiv rening av tungmetaller och vatten, samt B) identifiera vilka egenskaper hos växterna som är kopplade till hög reningsförmåga hos växterna, för att på så sätt lättare kunna identifiera fler lämpliga arter.

Studien baseras på 34 arter av svenska våtmarksväxter. De odlades hydroponiskt, och exponerades i fem dagar för en lösning innehållande 1,2 µg Cd L^–1, 68,5 µg Cu L^–1 ¸ 78,4 µg Pb L^–1, 559 µg Zn L^–1 och 55,4 mg Cl L^-1, en föroreningsmängd baserat på halterna i dagvatten från högtrafikerad väg.

Slokstarr (Carex pseudocyperus) och jättestarr (Carex riparia) visade sig snabbast minska koncentrationen av samtliga tungmetaller i lösningen. Ytterligare nio arter minskade snabbt koncentrationen av koppar, bly och zink, men inte kadmium. Växternas reningsförmåga visade sig korrelerat med mängden biomassa, framförallt mängden blad och tunna rötter, samt med växtens transpiration som i sin tur beror på mängden blad. Förmågan att rena klorid har analyserats hos 23 av arterna och rörflen (Phalaris arundinacea) och jättegröe (Glyceria maxima) visade sig vara de mest effektiva arterna. Preliminära analyser visar att korrelationen mellan saltupptag och biomassa är svagare än för tungmetaller.

Slutsatsen av denna studie är att växters förmåga att rena vatten från tungmetaller och klorid uppvisar stora skillnader, som kan förklaras genom skillnader i växternas egenskaper. Detta indikerar att rening av dagvatten från både tungmetaller och klorid i kallt klimat kan uppnås med flytande vårmarker med inhemska växter.

Stormwater, which consists of rainwater and snowmelt, often contains pollutants from vehicle traffic, building materials, and industries. These pollutants include chloride and heavy metals, which can cause several environmental issues, such as being toxic to biota at elevated concentrations. A relatively new water treatment method is floating treatment wetlands. These vegetated rafts have given promising results, mainly for nutrient removal in eutrophic watercourses in warmer climates. However, knowledge is lacking about their ability to remove chloride and heavy metals and their performance in a cold climate.

The aim was to identify plant species, intended for floating treatment wetlands, which efficiently can remove chloride and the heavy metals Cd, Cu, Pb, and Zn from water in a cold climate such as Sweden and to understand how changes in the environment affect the removal capacity of the plants. This was studied in various conditions by placing plants in water that contained chloride and heavy metals and measuring the concentration of chloride and heavy metals that remained in the water (plant removal capacity; I, III, IV) and the accumulation of removed chloride and heavy metals in the different plant parts (plant accumulation capacity; III, V, VI). In addition, traits of plants capable of high removal and accumulation were identified by correlating their capacity with their morphological characteristics (II, III, VI).

The results show that there are Swedish wetland plant species with a high ability to treat water containing chloride and heavy metals, even under varying conditions. Many species effectively reduced the levels of heavy metals in water, and the graminoid species Carex pseudocyperus and Carex riparia distinguished themselves by quickly and significantly decreasing the concentrations of heavy metals in the water (I). Hardly any species were effective chloride removers, but a few, including Phalaris arundinacea, removed large amounts of chloride (III). Species with a high removal and accumulation capacity of chloride and heavy metals generally had high total biomass, a large amount of leaf and thin root biomass, and high transpiration (II, III, VI). The absorbed heavy metals mainly accumulated in the roots, while chloride accumulated in the shoot tissue (III, V, VI). External factors affected the removal and accumulation capacities of the plants to varying degrees. Increased salinity in the water led to lower removal of Cd and Pb, and low temperature decreased the removal of all investigated heavy metals, but some species’ removal capacities were less affected by the salt and the cold (IV). The plant's content of the heavy metals usually equilibrated with the surrounding water. This effect led to increases in the plant's uptake of heavy metals when their concentration in the water increased, but a release of some accumulated heavy metals if the concentration in the water sank (V). Under field conditions, uptake patterns differed (VI). The plants on floating treatment wetlands accumulated the most Cu followed by Zn, Pb, and Cd, and P. arundinacea distinguished itself through high growth and high uptake. The plants accumulated more in one of the stormwater ponds with no clear explanation. 

This thesis shows that there is potential in a Swedish climate for floating treatment wetlands for the removal of chloride and heavy metals from polluted water. It will be essential to select species expected to achieve high removal capacity in the intended environment, such as P. arundinacea.

Dagvatten, bestående av regnvatten och smält snö, innehåller ofta föroreningar från fordonstrafik, byggnadsmaterial och industrier. Dessa föroreningar inkluderar tungmetaller och klorid, som kan orsaka flera problem i miljön om halterna är förhöjda, inklusive vara giftiga för levande varelser.  En relativt ny metod för vattenrening är flytande våtmarker som har givit lovande resultat framförallt i varmare klimat och för rening av övergödda vattendrag. Kunskap saknas dock gällande deras förmåga att rena tungmetaller och klorid, samt hur väl de fungerar i kallt klimat.

Syftet med avhandlingen var att identifiera arter, tänkta att placeras i flytande våtmarker, som effektivt kan rena vatten från klorid (Cl) och tungmetallerna kadmium (Cd), koppar (Cu), bly (Pb) och zink (Zn) i ett kallt klimat som i Sverige. Dessutom syftade avhandlingen till att studera hur reningsförmågan hos växter påverkas av olika miljöfaktorer.

Detta undersöktes genom placera växter i vatten som innehöll tungmetaller och klorid i olika miljöförhållanden, och därefter mäta den kvarvarande koncentrationen av tungmetaller och klorid i vattnet (växternas reningsförmåga, I, III, IV) och koncentrationen av tungmetaller och klorid i olika delar av växten (växternas ackumuleringsförmåga, III, V, VI). Dessutom identifierades drag hos de växter som hade hög reningsförmåga genom att korrelera växters reningsförmåga med deras morfologiska egenskaper (II, III, VI).

Resultaten visar att det finns svenska våtmarksväxter med hög förmåga att rena vatten från tungmetaller och klorid även under varierande förhållanden. Många arter effektivt minskade halten tungmetaller i vatten, och halvgräsarterna slokstarr och jättestarr utmärkte sig genom att snabbt och tydligt minska halten tungmetaller i vattnet. Färre arter gav effektiv saltrening, men ett par, däribland rörflen, tog upp stora mängder klorid. Arter med hög reningsförmåga av både tungmetaller och klorid hade generellt sett hög totalbiomassa, stor mängd tunna rötter och blad, samt hög transpiration. De upptagna metallerna lagras framförallt i rötterna, medan klorid mestadels lagras i skottdelarna av växten. Växternas reningsförmåga påverkades i olika grad av olika externa faktorer.  Salt vatten ledde till lägre rening av Cd och Pb, och att låg temperatur gav lägre rening av samtliga undersökta tungmetaller, men att vissa arters reningsförmåga blev mindre påverkade av saltet och kylan. Växtens innehåll av tungmetaller jämviktade sig oftast med det omgivande vattnet, vilket ledde till att växternas upptag av tungmetaller ökade om föroreningshalten ökade, men att delar av det som tagits upp släpptes ut om tungmetallshalten i det omgivande vattnet sjönk. Under fältförhållanden fanns det tydliga skillnader i upptagsmönster mellan metaller, platser och arter. Växterna tog upp mest Cu från vattnet, följt av Zn, Pb och Cd. Rörflen utmärkte sig genom hög tillväxt och högt upptag.  

Avhandlingen visar att det finns potential för att rena förorenat vatten från tungmetaller och klorid med flytande våtmarker i ett svenskt klimat. Det kommer att vara viktigt att välja arter som har hög reningsförmåga i den tilltänkta miljön. Eftersom växterna har olika styrkor rekommenderar vi att en blandning av arter används i flytande våtmarker för att ge en stabil rening under varierande förhållanden. Om bara en art kan väljas, renar rörflen (Phalaris arundinacea) bra under de flesta förhållanden och har hög tillväxt, men renar relativt långsamt enligt studie I, har något sämre Cu- och Pb-rening enligt studie IV samt låg Cl-tolerans under näringsfattiga förhållanden enligt studie III. Även om denna avhandling har haft målet att finna växter till flytande våtmarker för dagvattenrening i Sverige så har vi täckt in många aspekter som antagligen gäller för andra arter och som är relevanta när växter används för rening i andra system. Sammantaget menar vi att detta ger en god bild av växternas reningsförmåga ur många olika aspekter, vilket är nödvändigt för att kunna använda växtbaserad vattenrening på ett optimalt sätt. Fortsatta studier bör titta på långtidseffektiviteten i fält hos de flytande våtmarkerna, skördemetodik samt dessa arters förmåga att rena andra typer av föroreningar.