Усиленное растворение мышьяка в анаэробных почвах при внесении органической добавки: кислотного моющего средства.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 217 (2023) Цитировать эту статью

602 доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Внесение органических добавок (ОАМ) часто усиливает растворение мышьяка (As) в рисовых почвах. Таким образом, понимание свойств ОАМ, которые определяют степень растворения мышьяка, имеет важное значение для надлежащего управления почвой. Поскольку растворение As увеличивается с уменьшением окислительно-восстановительного потенциала почвы, вызванным микробным дыханием, разлагаемость ОАМ может быть критическим фактором, контролирующим растворение As в измененных почвах. Мы предположили, что содержание органического вещества, растворимого в кислых детергентах (ADSOM, в основном состоящего из неволокнистого органического вещества и гемицеллюлозы) в ОАМ, может помочь оценить потенциал ОАМ в ускорении растворения As в почвах с добавленными ОАМ. Поэтому два контрастных типа почвы, Andosol и Fluvisol, были смешаны с 24 различными OAM и подвергнуты анаэробной инкубации в течение 14 недель. За изменением содержания Eh и растворенного As в почве следили на протяжении всего инкубационного периода, а содержание видов As в твердых фазах и содержания двухвалентного железа (Fe(II)) в почвах измеряли через 2 и 6 недель инкубации. Чем выше содержание АДСОМ в почвах с ОУМ, тем выше содержание растворенного мышьяка в почвах и ниже значения Eh. Растворенный As также положительно коррелировал с долей As(III) в твердых фазах и содержанием Fe(II) после 2 и 6 недель инкубации, указывая на то, что разложение ADSOM приводило к улучшению состояния почвы, тем самым способствуя снижению As(V). и As-содержащие оксиды Fe и последующее растворение As. Результаты были одинаковыми для двух типов почв, несмотря на то, что содержание растворенного мышьяка в Andosol было на два порядка ниже, чем в Fluvisol. Это первое исследование, демонстрирующее, что ADSOM может быть ярким индикатором потенциала ОАМ в плане содействия растворению As при их применении на рисовых почвах.

Мышьяк (As) повсеместно присутствует в почвах в виде неорганического мышьяка и органических соединений. Почвы на рисовых полях подвергаются затоплению в течение части периода выращивания, что создает благоприятные условия для поглощения рисом растений As из почвы1. Длительное затопление почвы приводит к увеличению концентрации растворенного мышьяка в рисовых почвах. Дыхание почвенных микроорганизмов снижает окислительно-восстановительный потенциал почвы, что приводит к восстановлению As(V) в почвах до As(III). И As(V), и As(III) сорбируются широким спектром почвенных минералов, таких как оксиды железа, минералы алюминия (Al) и глинистые минералы2,3,4. Однако сорбция As(III) на этих минералах значительно ниже, чем у As(V)2,5,6, хотя As(III) в сопоставимых или больших количествах, чем As(V), сорбируется на оксидах железа при pH, близком к нейтральному7. ,8. Кроме того, сосуществующие растворенные органические вещества (РОВ) и растворенные анионы увеличивают растворение As из почв и родственных материалов, конкурируя за места сорбции с As9,10,11, и это более существенно происходит для As(III), чем для As(V). при pH от слабокислого до нейтрального 8,10. Таким образом, восстановление As(V) до As(III) приводит к растворению As из твердых фаз в почве. Считается, что высвобождение As из анаэробных почв происходит в результате восстановительного растворения оксидов железа, содержащих As, поскольку As и Fe тесно и положительно связаны в почвенных растворах12,13. Однако недавние исследования показали, что восстановление оксидов железа, содержащих мышьяк, не всегда приводит к увеличению содержания растворенного мышьяка, поскольку высвободившийся мышьяк включается во вновь образующиеся вторичные фазы железа14,15; тем не менее, длительное восстановление и растворение оксидов Fe в конечном итоге приводит к высвобождению As в фазу раствора в почве16.

Дополнительное использование органических добавок (ОАМ) в рисовых почвах недавно было пересмотрено с целью улучшения их химических свойств и питательного статуса при выращивании риса17,18. Использование ОАМ на рисовых полях выгодно, поскольку они помогают либо снизить потребность в химических удобрениях, либо заменить их; однако их способность растворять As вызывает беспокойство. Хотя ОАМ могут ускорить процессы восстановления и увеличить содержание РОВ в почве, применение ОАМ снижает содержание доступного мышьяка, тем самым снижая концентрацию мышьяка в растениях риса19,20. Это может произойти из-за того, что As фиксируется гуминовыми веществами или образует комплекс с DOM21,22, тогда как – и это, вероятно, происходит чаще – применение ОАМ растворяет больше As в фазе раствора анаэробных почв и увеличивает поглощение As растениями риса23,24. Суда и Макино25 продемонстрировали, что увеличение растворения As в анаэробных почвах при применении ОУМ можно объяснить ускорением восстановления почвы, тесно связанным с биоразлагаемостью применяемых ОУМ (т.е. отслоением As, вызванным восстановлением As(V ) и As-содержащих оксидов железа), а не увеличением содержания конкурирующих веществ за места сорбции.

90%) dissolved As appeared as As(III) at higher dissolved As concentrations (> 10 μg kg−1), thus supporting previous observation39./p> 0.936, p < 0.001 for both types of soils; Fig. 4). Notably, cumulative dissolved As in A-soil responded to the application of OAMs to a lesser extent compared to that in F-soil. According to the rough estimation from Fig. 4, cumulative dissolved As doubles when 0.5% wt of an OAM containing 100 g kg−1 of ADSOM is added to F-soil, and an OAM containing 250 g kg−1 ADSOM is added to A-soil. However, the ratios of cumulative dissolved As for F-soil and A-soil were highly rank-correlated (rs = 0.977, p < 0.001) despite their contrasting properties and the difference in their sensitivity to OAM applications. These results corroborated that the ADSOM content of OAMs could be used as an indicator to select appropriate OAMs based on their potential to increase the ratio of As dissolution against OAM-free soils irrespective of their properties. Note that total As contents and soil properties such as mineralogy should be considered while evaluating the absolute values of dissolved As./p> 0.905, p < 0.01 for F-soil, rs > 0.857, p < 0.05 for A-soil), as well as a decrease in soil redox potential (Supplementary Table S3). Moreover, there is a strong positive rank correlation between As(III) in solid phases and dissolved As in soils (Figs. 5 and 7; rs > 0.967, p < 0.001 for F-soil, rs > 0.850, p < 0.01 for A-soil), which is consistent with a previous study13 since the affinity of As(III) for soil solid phases is generally lower than that of As(V)39,45. Thus, ADSOM in applied OAMs was demonstrated to enhance As(V) reduction and subsequent As dissolution through its microbial decomposition during anaerobic conditions./p>