铬的吸收的从土壤有机质含量的影响,pH值,硫酸浓度

文摘

Phytoextraction是一种有效的、环境友好型的方法修复土壤污染的有毒金属。的是一个潜在的hyperaccumulator铬(VI)的污染土壤。在这项研究中,土壤有机质含量的影响,pH值,硫酸浓度phytoextraction铬(VI)使用的被调查。幼苗的的是生长在土壤(i)三个有机成分组成,(2)六水平的pH值,和(3)6硫酸浓度的盐;所有与铬(VI)灌溉解决方案在200 ppm的浓度。铬浓度在不同的组织条件下植物监测的变体。结果表明,铬(VI)的吸收的是青睐(i)土壤有机质含量低(0.42%),(2)微碱性pH值范围(∼8),和(3)中硫酸浓度的范围300 - 600 ppm。

1。介绍

的是一种肉质植物(家庭马齿苋科)原产于地中海地区,但它生长在世界一些地区从印度到澳大利亚和北美。工厂每年self-compatible杂草生长迅速,可达40厘米高。通常,它生长在地面光滑茎,交替的叶子,主根,使它能够容忍土地贫瘠,干旱地区。p . oleracea通常被称为马齿苋,用于食品、添加到汤,沙拉,和在民间医学疗法包括抗菌、治疗糖尿病药、抗炎、抗癌性能(1,2]。

phytoextraction的过程需要吸收重金属污染物从土壤或水(根),然后把他们的地上部分(3]。过程要求工厂有可能积累大量的重金属相对干重。还为植物,是一种有效的候选人phytoextraction技术,它需要积累超过0.1%(1000毫克/公斤)的体重铬、钴、铜、镍金属和超过1.0%的锌或锰金属(4]。p . oleracea已被证明提取有机污染物和重金属离子。Okuhata et al。5)调查的能力把双酚衍生品从水生解决方案,它能够消除97%的4,4′-thiodiphenol文化在四天之内。与此同时,大量的研究关注的能力p . oleracea从受污染的土壤或水提取重金属(6- - - - - -14]。这些研究表明,植物对许多金属高,包括Cd (II)、铜(II)、铬(III)、铬(VI)、铁(III)、锰(II)、镍(II)、Pb (II)和锌(II)离子,并有能力提取与变异的根从土壤或水的解决方案的能力。然而,这是确定p . oleracea是一个hyperaccumulator铬(VI);hyperaccumulator工厂可以提取金属浓度(至少)十倍高于土壤中的浓度或废水。我们以前报道p . oleracea宽容是土壤中高浓度的铬(VI)高达400毫克/公斤(6,7]。植物能够提取金属(土壤浓度为200毫克/公斤)到根部总浓度超过2000毫克/公斤和生物富集因子(BAF)大于10。BAF的比例是金属在干燥的根的浓度(毫克/公斤干重)金属在干燥的土壤或废水的浓度(毫克/公斤或ppm)。

人们相信p . oleracea能够承受的压力高铬(VI)浓度增长中通过两个途径:(i)的生产和积累脯氨酸维持渗透平衡,(ii)的激活抗氧化酶(如过氧化物酶)打击金属的氧化应激(12,15]。结果表明,植物能够减少超过97%的铬(VI)积累在根部越有毒铬(III),然后把它拍摄和树叶易位因子(TF)为0.4。TF的比例是金属的浓度在干燥的干燥根的浓度。因此,p . oleracea补救chromium-contaminated环境媒体的潜力巨大,解毒的金属7]。

铬(VI)是由世界卫生组织分类的人类致癌物,并导致呼吸道受损组织,肾脏,肝脏和皮肤(16,17]。高毒性的铬(VI)是由于其强大的氧化影响细胞内蛋白质和核酸自六价铬化合物(H₂阴极射线示波器₄, , ,和 )有很高的溶解度和细胞膜的渗透性18,19]。然而,三价铬的存在主要是氧化铬(Cr₂O₃)或氢氧化铬(Cr(哦)₃);两个物种溶解度较低,在生理上不可用。因此,的能力p . oleracea从土壤中提取金属的形成依赖于金属和其生物利用度,反过来,取决于几个因素,包括(i)的有机内容,pH值(2),(3)土壤中硫酸根离子的存在(18- - - - - -21]。在此,我们报告调查的结果,这些因素对铬(VI)的吸收p . oleracea从土壤污染阿联酋。

2。结果与讨论

2.1。土壤有机质含量的影响

土壤中有机质的存在影响物种形成和铬金属离子的流动。土壤中有机化合物的降解导致(i)的增加溶解有机碳和(2)的形成氧化金属离子的螯合配体,如羧酸、也降低了土壤的pH值(22- - - - - -24]。前提高了铬(VI)的还原铬(III),这是减少生物可用,而后者增加金属物种的吸附和保留土壤(见下页)。此外,土壤的有机质含量的增加有助于铬(VI)的bioreduction铬(III)在富含有机物的土壤微生物,茁壮成长。由于这些因素,吸收铬的工厂预计将减少随着土壤有机质含量的增加(19,25]。

探讨影响土壤有机质含量的铬(VI)的吸收p . oleracea三组的植物(每组5罐)是生长在土壤有机质含量为0.42%,17.5%,和35.0%,分别,灌溉与铬(VI)铬酸钠。植物收割和分析总铬在土壤采样和分析了铬(VI)和总铬浓度。图1展品中铬浓度植物组织和铬(VI)在土壤在土壤的有机质含量的变化。显著降低铬(VI)的吸收p . oleracea在两根与芽”随着土壤有机质含量的增加( )。在干燥的根,p . oleracea积累∼3000毫克/公斤的铬的存在0.42%的有机物,但这个浓度下降到530毫克/公斤为17.5%,低于180毫克/公斤有机质35%。这种变化还与减少伴随的生物富集因子(图1 (c))的铬(VI) 27(0.42%)到5.5(35.0%)和一个可用的铬(VI)的浓度减少土壤中(图1 (b))从107毫克/公斤(0.42%)21个毫克/公斤(35.0%)。总铬的BAF(图1 (c))是一个平行的趋势的铬(VI),但在一个较低的程度上表明铬吸收的植物主要是铬(VI)。总铬的浓度(图1 (b))在土壤中显示,随着有机质含量的增加,更多的保持土壤中的铬虽然铬(VI)的浓度降低。这可以认为主要是为了减少铬(VI)的氧化铬(III)由于有机化合物。然而,值得注意的是,等其他金属锰的存在(370±40毫克/公斤)和铁(4800±500毫克/公斤)有助于减少铬(VI)。然而,尽管这些金属的浓度下降,土壤的有机质含量增加,总铬的量,因此铬(III),土壤中增加。因此,这表明有机化合物是主要的贡献者为减少铬(VI)铬(III)。

这些结果表明,土壤的有机质含量的增加有两个主要的影响。首先,它提高了植物的生长,从而增加它的干重(图2),这反过来导致减少金属的浓度植物和生物体内积累的因素。其次,土壤中有机质含量的增加会导致减少可溶性铬(VI)的可溶性铬(III)越少,这是植物特别是可用少使用土壤的pH值范围(7.9∼)(见下页)。有机质含量较低(0.42%),有一个微不足道的干重增加植物(图2)和减少土壤中的金属铬(III)。随着有机物的浓度增加到17.5%,植物的干重显著增加在控制样品却没有显著增加植物灌溉的重量的金属解决方案。这是归因于金属吸收的负面影响植物的生长。在这个浓度的有机成分,可用土壤中铬(VI)在适度∼61毫克/公斤,供植物吸收。当有机物的浓度增加到35%,然而,植物的干重显著增加在控制和metal-irrigated样本可用土壤中铬(VI)是在非常低的水平的21个毫克/公斤。因此,对铬吸收有机物有间接影响p . oleracea通过减少可利用铬(VI)的浓度在土壤中。

这些结果是一致的(9)表明,铬的吸收p . oleracea从污泥有机质含量为51%和70毫克/公斤铬浓度,在45.1毫克/公斤的BAF 0.89。吸收金属报告已经表明,土壤有机质含量的增加降低了铬的吸收研究植物、土壤有机物的添加增加了铬(VI)的还原铬(III),因此,降低其生物利用度(22,24,26- - - - - -28]。

2.2。土壤pH值的影响

土壤的pH值对铬的化学性质有重要影响,影响金属的化学形态和土壤的吸附能力。在酸性土壤和解决方案(pH < 4)、铬(III)主要存在[Cr (H₂O)₆]^{3 +},它可以转化为Cr(哦)₃随着pH值的增加。铬(VI)可能存在可溶性铬酸钠(Na₂阴极射线示波器₄少)或可溶性铬酸钙(CaCrO₄)在neutral-alkaline土壤,但在酸性条件下(pH < 5),成为主要形式。随着铬(VI)的浓度的增加在高酸性的水系统中,重铬酸离子转化为离子( )(19,29日- - - - - -32]。

pH值也会影响土壤的吸附能力不同的金属物种。在酸性pH值(< 4),土壤中的阳离子交换网站与质子饱和导致解吸和释放金属离子进入溶液中,使他们更多的植物。与此同时,酸性土壤等阴离子的吸附亲和力更高和 ,将减少可供植物吸收。然而,与基本的小灵通,metal-binding网站在土壤中活性和土壤会有更高的吸附亲和力积极金属阳离子,阴离子将被释放。因此,最合适的pH值范围从土壤中去除铬(VI)的物种是在neutral-alkaline范围的优势种铬,铬酸盐阴离子( ),有最大的流动性19,25]。

我们先前的研究从阿联酋土壤铬的吸收p . oleracea表明,在pH = 7.9±0.1,最大吸收效率的最佳浓度的植物在铬(200毫克/公斤7]。因此,在当前的研究中,铬的吸收p . oleracea是监测土壤的pH值增加从6.0到9.0的铬(VI)加载200毫克/公斤在土壤中。土壤的pH值的影响对植物的生长也监控的存在和缺乏铬金属。因此,六组盆准备六点pH值(6.0,7.0,7.3,7.6,8.0,9.0±0.1)的土壤(有机质含量10%)和灌溉与铬酸溶液(200 ppm),而另一组六组在同一pH值与去离子水灌溉。

观察到的结果(在图3)表明,根中铬浓度和BAF展出一个s形与pH值的变化关系与平均值之间的显著增加pH值6.0,7.3,9.0 ( )而土壤中总铬的浓度保持相对相似。pH值低于7.0,是优势种,没有明显变化( )在根铬浓度。类似的趋势观察当酸度超过7.6没有显著增加( )根铬含量超过这个点的铬和根干重超过1300毫克/公斤。在这个pH值范围(7.0 - -7.9),铬酸铬主要存在的物种( );这意味着p . oleracea喜欢金属的形式积累在neutral-to-alkaline pH值而不是占据在微酸性小灵通(< 7)(33,34]。总铬的BAF之后也是一个类似的趋势值最高的(> 8)pH值在7.0 - -7.9范围。然而,土壤中铬的浓度没有显著改变pH值范围(图3 (b)),进一步支持,铬酸铬(VI)物种的物种形成增强了BAF的小灵通。另一方面,铬的吸收没有显著的影响( )生长的植物的恢复干燥生物质在酸碱6.0和8.0之间(图4)。然而,明显降低( )在干燥生物质观察当pH值提高到9.0在控制和chromium-treated植物。这种减少表明,观察到的对经济增长的影响是由于基本的pH值,影响根系的生长,而不是铬的积累。

铬的芽的积累p . oleracea,另一方面,表现出不同的反应随着pH值相比,根(图3(一个))。在这种情况下,浓度与pH值的增加线性增加,不同的s形变化观察到金属的浓度的根(图3(一个))。铬浓度的增加芽从262毫克/公斤酸碱6到813毫克/公斤9是伴随着一个特遣部队(图3 (c)分别从2.45到2.56),没有博士的变化影响这些结果表明,金属的易位的根与芽不依赖于土壤中铬的物种形成不同的小灵通。这是我们之前的发现进一步支持(7),超过97%的铬(VI)积累在根减少铬(III)的易位芽作为螯合阳离子(35]。

这些结果与以前的研究一致表明,pH值有显著影响的对铬的吸收营养植物,真菌和微生物(36- - - - - -39]。Shewry和同事(40]增加了100%在大麦幼苗吸收铬的水培的pH值从3.0增加到6.7,铬酸的阴离子是占主导地位的物种。这些结果看起来内联也提出了铬的吸收机制不同的植物使用相同的运输过程的硫酸盐阴离子由于两种阴离子之间的结构相似,形状和大小(12,33,34,41- - - - - -43]。

2.3。土壤中硫酸盐浓度的影响

根据这个提议对铬的吸收机制p . oleracea,我们调查的影响硫酸浓度土壤铬的吸收。介绍了硫酸盐阴离子在五个不同浓度(0、300、600、1200和1800 ppm与铬(VI)在每个解决方案的200 ppm)分成五组相同的土壤(有机质含量15%)每个包含四苗盆p . oleracea(5)复制;六分之一组与去离子水作为控制灌溉。

结果展示在图5(一个)表明,在根显著增加铬的浓度( )超过1300毫克/公斤硫酸的浓度从0.0 ppm上升到300 ppm。没有进一步的变化的硫酸铬(VI)的合作协调增加到600 ppm ( )。然而,当硫酸的浓度超过600 ppm,根中铬浓度显著降低( )∼840毫克/公斤。生物富集因子(图的变化5 (b))遵循了类似的趋势,金属铬浓度,达到最大值7.2硫酸浓度300 - 600 ppm。然而,没有明显的变化中铬浓度(图5(一个))中硫酸的浓度灌溉解决方案改变了从0到1800 ppm ( )。类似的趋势也观察到TF铬(图的变化5 (b)从“根与芽”)。

以前的研究报告了类似的结果硫酸浓度对铬酸的吸收的影响。例如,研究浮萍(Spirodela polyrhiza和浮萍属小)显示更好的匹配结果的趋势,吸收铬的浮萍在低浓度的提高硫酸盐(1.25 ppm)和减少高浓度(960 ppm)。观察到的结果归因于通过硫酸铬酸的吸收转运蛋白但亲和力较高的铬酸盐离子。这份报告认为,硫酸盐转运蛋白在根的数量与硫酸的浓度,高浓度的硫酸盐,阴离子竞争绑定到铬酸的转运蛋白(44]。de Oliveira等人的最近的报告显示,添加硫酸在中等浓度(∼125 - 250 ppm)的水培系统Pteris为害加强了铬的1.3 - -7.8倍。然而,金属的易位的叶子只是稍微增强[33,34]。

因此,我们的研究结果进一步支持的假设被铬酸盐阴离子p . oleracea使用硫酸的细胞载体植物细胞膜的根源。在低浓度的硫酸灌溉解决方案(300 - 600 ppm)、硫酸盐转运蛋白在植物的根被激活或增加促进铬酸盐的摄入。然而,在更高的浓度(> 600 ppm),硫酸运营商饱和的硫酸盐阴离子相竞争的植物与铬酸盐阴离子转运蛋白,因此,减少吸收的金属。一旦在根部,易位的铬拍摄然后有限的金属载体配体的浓度的植物和/或铬(VI)的还原过程铬(III)。

3所示。材料和方法

3.1。化学药品和试剂

纯硅SiO₂从迪拜杰贝阿里砂净化有限公司购买,迪拜。盆栽土壤(有机质含量70%)购买从Blumen立刻从麦克米兰Agrarberatungs,斯凯,德国。阿吉曼酋长国CaCO 42%的土壤₃来自沙阿吉曼酋长国背后的山市中心(坐标附近25°23 45.4′N 55°28′44.9”E)。标准解决铬(1000 ppm)、盐酸(浓缩的。≥37%,痕量分析年级),硝酸(ACS试剂≥90.0%)购买的丙烯酰胺的化学物质,吉林厄姆,英国。试剂级氧化钙和铬酸钠购自Panreac Quimica,西班牙巴塞罗那。

3.2。仪器、设备

ICP-OES仪器(顺序自由AX,瓦里安,Mulgrave,维多利亚,澳大利亚)是用于测量总铬含量在土壤和植物组织,与制造商推荐的条件(6,7]。紫外可见光谱仪(嗨93723,汉娜仪器,雷顿,卑鄙的小人,贝德福德郡,英国)是用来确定铬(VI)在植物和土壤。酸度计(Thermo-Orion PerpHecT基本台式模型猎户座320年,拉夫堡,英国)用于测量土壤的pH值和灌溉解决方案。

3.3。有机质含量的影响:生长实验

模拟测试土壤准备从阿吉曼酋长国使用正常干净的土壤,没有可检测铬(VI)内容,Mn 370±40毫克/公斤,和4800±500毫克/公斤的铁、纯或混合的盆栽土壤如表示1。三组十盆满是模拟测试土壤(1600±100克/罐)与不同的有机内容(%)(表1)。四苗p . oleracea是生长在每个壶和灌溉与去离子水三周直到大量的植被和加油。植物被种植在部分阴影阿吉曼酋长国直辖市托儿所(35%阴影托儿所、65%的光强度通过净)。

股票200 ppm铬(VI)的解决方案7)是由稀释浓溶液的铬酸钠铬(VI) (10000 ppm)。每个土壤具有不同的锅集有机内容被分为两个子集(5每锅)。一个子集是灌溉与铬酸溶液(每锅8×200毫升)的十天,而另一个子集是灌溉具有相同数量的去离子水作为对照组。

土壤总有机质含量是决定使用一个适应过程(45]。简而言之,一个样本的脱水和土壤渗(0.5 g)添加到K₂Cr₂O₇标准溶液(0.083米,10毫升)在室温下传得沸沸扬扬。集中H₂所以₄解决方案(15毫升)被添加到混合下一滴一滴地温柔漩涡和混合物被加热回流1.0小时。冷却到室温后,去离子水(100毫升)被添加到混合五滴(FeSO ferroin指标₄.7H₂O和1,10-phenanthroline一水在水中)。混合物与硫酸亚铁铵滴定(0.1米)到一个端点与颜色变化从蓝到深。同样的步骤重复了一个空白的解决方案(没有土壤)。

有机碳(毫克/克)和有机质含量(%)在土壤被计算从以下方程: 在哪里C(M)和V(毫升)的摩尔浓度和添加量K₂Cr₂O₇解决方案,分别V₁和V₂(毫升)的添加量是硫酸亚铁铵样品和空白,分别米(g)[样品重量是45]。

3.4。pH值效应:生长实验

6组12罐满是模拟测试土壤(1200±100克/罐)在一系列的pH值如表示2。四苗p . oleracea是生长在每个壶和灌溉与去离子水为三周相同条件的第一个实验。

股票的解决方案准备200 ppm铬(VI)的稀释浓溶液的铬酸钠铬(VI) (10000 ppm)。然后,股票的解决方案分为六个解决方案和pH值的调整与盐酸或曹与土壤的pH值的每一套锅(6.0,7.0,7.3,7.6,8.0,和9.0)。缓冲区的解决方案没有使用为了不添加阴离子或阳离子可改变铬(VI)的吸收。在实验期间,定期检查土壤pH值进行了为了保持一致性。当大量的植被和生根生长在每个级别的pH值,观察组的十二个罐子被分成两组six-pot组。前六与去离子水作为灌溉控制和其他六个灌溉了1200毫升200 ppm铬(VI)的剂量超过12天六点pH值匹配。

3.5。硫酸效应:生长实验

六组五盆满是合成v / v盆栽土土壤组成的15%和85%的阿吉曼酋长国正常土壤(1500±100克/罐)。四苗p . oleracea是生长在每个壶和灌溉与去离子水为三周之前的实验条件。相当大的植被和生根生长观察时,每组盆灌溉,在表的一个解决方案3两周剂量六点期间总共1500毫升每锅。植物被收获,分为“根与芽”,洗净,晒干。

3.6。测定铬物种

相当大的植物生长后,土壤的植物被退出使用水流去除锲入土壤中根。植物与去离子水冲洗和根的长度测量每个植物作为植物生长的指标。植物分为叶、茎和根,和样品在65°C 48小时干恒重,然后用研钵和研杵地面。样本分析的两种方法之一:(i)硝酸消化测定总铬使用ICP-OES或(ii)碱性消化来确定样品中铬(VI)使用EPA方法(306046]。提取的铬(VI)反应,5-diphenylcarbazide (ACS试剂,Sigma-Aldrich,吉林厄姆,英国)在硫酸的存在和分析使用紫外可见光谱仪的波长540 nm。铬(III)减法计算的总铬铬(VI)的根、叶和茎。复合土样来自每个罐子,干,已筛,消化,三个复制从每个示例分析了铬(VI)和总铬。

3.7。统计分析

SPSS SPSS软件(版本15日英国有限公司,沃金,萨里)是用于统计分析。Microsoft Excel(微软英国,阅读,伯克希尔哈撒韦公司)是用于简单的统计图表和准备操作。结果被发表在表和图表与95%置信区间计算使用学生的t以及。方差分析(方差分析,事后图基测试)之间的意思是用来确定是否意味着之间有显著差异。

4所示。结论

在这项研究中,土壤有机质含量的影响,pH值,硫酸浓度对铬(VI)的吸收p . oleracea被调查。结果表明:随着土壤有机质含量的增加,铬的吸收,减少由于减少铬(VI)铬(III)的生物利用度较低。至于pH值的影响,结果表明,铬的吸收p . oleracea是最大的在pH = 8,当铬酸阴离子是优势种。这speciation-dependent建议吸收铬酸的吸收机制p . oleracea类似于硫酸盐阴离子。因此,硫酸浓度的影响铬(VI)的吸收p . oleracea调查,结果表明:低浓度(300 - 600 ppm)的硫酸盐土壤增强吸收金属的植物而高浓度(> 600 ppm)抑制它。总之,本研究进一步支持了假设p . oleracea是一个合适的hyperaccumulator chromium-polluted阿联酋的修复土壤、低有机质含量和最佳pH值为7.9±0.1 (7]。这个过程可以更有效的通过补充土壤硫酸盐盐在低浓度。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。

信息披露

本文代表作者的观点,并不意味着代表的立场或观点沙迦的美国大学。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢美国大学的后勤支持沙迦(公元前)和阿吉曼酋长国。部分工作也支持开放获取的程序从沙迦的美国大学。

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