文摘

本研究调查了发酵海藻的功效(麒麟菜cottonii)fluoride-contaminated土壤的修复。土壤是修改与1.25、3.0或5.0% (w / w)发酵海藻(FSW),与控制(0%)。修正案改善了土壤的理化性质特别是监管从强碱性(9.3)中性pH值(7.0)是必不可少的萌发,作物生长和产量。soluble-fluoride水量(Ws-F)从81.7±3.1毫克/公斤下降到42.7±2.4,33.7±1.2,19.6±0.9,和12 0后±1.3毫克/公斤,1.25,3,分别和5%修正案剂量。大多数Ws-F被转化为可交换的氟化物(Ex-F)和fluoride-bound铁和锰(Fe / Mn-F)。此外,该修正案也增强了土壤微生物质量和多样性。焊含有有机酸参与离子键的多价阳离子在土壤中。形成化合物参与离子交换与粘土或阴离子吸附带正电的粘土网站在边缘。这种交互是进一步提高氟容量的基本土壤。海藻的使用减少了氟化的生物利用度在农业土壤和促进土壤肥力有着积极的作用。然而,进一步的研究来观察其对作物的影响性能的意义。

1。介绍

氟是13^th地壳上最丰富的元素。这是释放到土壤自然风化和火山活动也通过人类活动尤其是anthropogenically,工业化和农业实践(1,2]。氟具有强的电负性属性,因此非常被动。因为这个性质,它很少存在氟元素,而是一个氟离子(1,3]。摄入低氟浓度是由世界卫生组织(世卫组织)推荐强壮骨骼和牙齿;尽管如此,摄入氟化物浓度高会导致一种叫做氟中毒的建立为一个全球性的问题2- - - - - -5]。

尽管世卫组织建议氟化消费不超过1.5毫克/天,仍然广泛很难保持这种低摄入水平因为存在多重曝光的来源6,7]。大多数国家,例如,加氟饮用水推荐的水平,但食物,饮料,牙科产品,甚至吸入代表其他接触氟化物的重要来源8,9]。与多重曝光的来源,大多数人仍然受到高水平的氟化物。动物及其产品也被发现含有氟化合物获得从他们的饮食2,3,9]。氟化的大部分食品中发现它的起源早在土壤,因此,我们必须找到方法来控制土壤中可利用的氟化物。

Bioadsorption是其中一个最重要的环境污染物的去除技术。它有丰富的优势,成本效益,环保和效率10,11]。海藻在生物量中适合使用bio-adsorbents。海藻改善重要的土壤特性如土壤有机质(SOM)、pH值、微生物多样性,和营养成分,因此作为全球天然肥料(11- - - - - -13]。海藻还含有多糖、蛋白质、和硫酸作为土壤溶液中离子的结合位点。另外的多糖进行其他化学转换改变其化学与土壤的交互元素(11,14,15]。因为这些属性,海藻已经成功地调查和用于修复重金属污染的土壤(14,15),然而,没有追究阴离子物种特别是土壤中氟化物。因此,本研究探讨了发酵海藻(效率麒麟菜cottonii)在减少土壤中氟化生物的数量同时控制其影响土壤的物理、化学和微生物属性。

2。材料和方法

2.1。土壤采样和分析

复合土壤样本收集的农田位于山的斜坡上的一支阿鲁沙、坦桑尼亚、(3^◦10′35 36^◦51 35“E′)的垂直廓线0-20厘米。复合样品装在塑料袋和实验室。样本进一步脱水,已筛通过2毫米筛清除残骸和植物材料,然后存储在容器清洗前与硝酸的分析。

2.2。海藻取样和制备

海藻使用麒麟菜cottonii来自坦噶地区,坦桑尼亚。海藻样品被带到实验室,用蒸馏水彻底清洗,晒干,然后用电动磨粉。之后,500克的海藻粉被转移到一个容器,它是混合剂(厌氧污泥从化粪池),蒸馏水,100毫升糖蜜。糖蜜中包含大量的蔗糖和果糖是一种容易厌氧生物的食物来源。随后,4毫升的碘仿了防止甲烷生成过程,从而鼓励acidogenesis和acetogenesis流程(16]。混合后,容器关闭刺激发酵过程。容器是保存在一个瓶(110 rpm) 37°C,免费从灯光到海藻完全是软(5周)。现在发酵海藻在50°C烘干的努力获得一个坚实而又磨成细粉。

2.3。试验装置

土壤样品(1公斤)挤在实验罐,然后用要么彻底混合1.25,3或5% (w / w)的发酵海藻粉(FSW)相当于控制样本标记为0%。此后,70 - 75%的土壤腐殖化的饱和度和孵化阴影区域,在室温下(24±3°C)。第一个土壤样本收集24小时内接种,氟化和分数,以及pH值、测量和量化。孵化过程持续了4个月,同时进行了采样和分析每30天。pH监测参数、土壤有机质(SOM),阳离子交换量(CEC),电导率(EC),氟化分数(水溶性(Ws-F),可交换的氟化物(Ex-F) fluoride-bound铁/锰(Fe / Mn-F)、有机物bound-fluoride(或f)和residual-fluoride (Res-F))、磷(P)、氮(N)和可交换的基地(钙(Ca^{2 +}),镁(毫克^{2 +}),钾(K⁺)和钠(Na⁺)。每个处理重复三次,实验是在一个完全随机设计进行的。

2.4。分析

比重计法测量土壤粒度分布。SOM的内容计算使用强热失量(法)的方法。电导率仪、酸度计是用来测量电导率(EC)和博士阳离子交换量(CEC)测量采用chloride-triethanolamine钡法(pH值8.2)。水的吸收能力是衡量离心方法(17]。土壤的比表面积决定使用乙二醇单乙醚(EGME)方法根据Yukselen程序和岩石18]。换算单位是量化使用原子吸收分光光度计(AAS)和x射线荧光(光谱仪)是用于分析元素成分。总氟决心根据McQuaker和格尼(1977)程序19]。顺序提取氟是按照我们之前的研究20.]。简而言之,2.5 g的土壤样本放入50毫升离心管和各种种类的氟化提取通过添加25毫升提取的解决方案如表所示1。

气相色谱(GC)是用于分析挥发性脂肪酸(vfa)的含量在发酵sap使用火焰离子化检测器(FID)。收集的样本进行分析,从发酵sap然后离心机在1.500 rpm 10分钟获得透明液体。液体与甲酸酸化pH值1.8。由于分析的局限性,VFA结果给出的总挥发性脂肪酸(TVFAs)表示为g乙酸/ l (gAc / l)。海藻的C: N比率是衡量使用中文分析仪和其余的土壤样本进行了分析。所有使用的化学品均为分析纯,使用蒸馏水。

2.5。吸附实验

进行了吸附实验在室温下批24±3°C。实验土壤(5克)和不同浓度的氟化(25、50、100、200和300 mg / l), 50毫升0.01 mol / l CaCl₂解决方案。此后,增加了62.5毫克的焊和混合一直摇瓶72 h的110 rpm。72 h后剩下的混合物是离心机和氟化物的数量在上层清液potentiometrically来衡量。氟化物被土壤吸收的数量(问_e)确定初始浓度(C之间的区别₀)和最终的浓度(C_e)使用以下方程: 问在哪里_e由土壤氟吸附(毫克/克),C浓度(毫克/升),W土壤的重量(公斤),V解决方案的体积(l)。

进一步了解焊氟的吸附行为,实验数据拟合朗缪尔(1)、弗伦德里希(2)和Temkin (4)模型。 在哪里问_e由土壤氟吸附的数量(毫克/克),C_e氟化物浓度处于平衡(毫克/升),k_l朗缪尔常数代表最大吸附容量(l /毫克),问吗_马克斯由土壤最大吸附氟离子浓度(毫克/克),k_f弗伦德里希常数,1 /n吸附强度。1 /的值n定义是否吸附过程是有利的(0.1 < 1 /n< 0.5)或(1 /不利n> (2)21]。R是通用气体常数(8.314 J /摩尔·K),T温度(K),一个_TtheTemkin等温线平衡绑定常量(l / g),然后呢^bT是Temkin等温线常数。

2.6。对微生物群落的分析

土壤微生物是量化的琼脂平板稀释法(22]。细菌培养使用缓冲蛋白胨富集培养基,后来转移到营养琼脂,亚文化为血琼脂和MacConkey琼脂。Sabouraud葡萄糖琼脂用于培养真菌,和淀粉酪蛋白琼脂(SCA)是用于培养放线菌。

2.7。统计分析

使用Microsoft Excel进行了统计分析。方差分析测试使用XLSTAT和之间的显著差异进行控制和治疗的方法是使用图基的多个成对比较测试在5%的显著性水平。给出的值的均值三个复制±标准错误。氟化物测定氟化物浓度=Cx (V / 1000) x (1000 / W), C浓度测量读数在毫克/公斤,V是提取溶液的体积(毫升)和W是土壤的用量(公斤)。

3所示。结果与讨论

3.1。发酵过程

的焊有吸水能力2.7±0.3 g / g。干海藻组成59%的碳水化合物,4.6%的纤维素、木质素3.3%,脂肪0.9%,6.7%的蛋白质,23.1%的总有机碳(TOC)、氮(N)、1.2%和19.3 C / N比率。焊的TVFAs 0.3 gAc / l和其pH值为5.9。磷(P)的数量,钾(K)、钙(Ca)和钠(Na)分别为4.1,3.7,14.7,和21.0毫克/公斤。发酵肥料氮的数量被观察到的减少(3毫克/公斤)相比,干海带(16.4毫克/公斤)。硝酸氮损失可以归因于转化为铵和其他气态形式的氮浪费了挥发干燥期间(20.]。

厌氧生物质能转换的不溶性高分子量有机化合物(HMWOCs)如多糖、蛋白质和脂类的主要组件海藻为可溶性低分子量有机化合物(LMWOCs)如单糖、氨基酸、和其他简单的有机化合物存在的能源和碳的另一组微生物(16,23]。简单的有机酸产生进一步同化产生短链有机酸如乙酸,丙酸,丁酸酸,和醇可以是脂肪酸(vfa)、氨基酸、单糖如方程所示3)- (10)[16,24]。这些过程是负责0.3 gAc / l TVFAs获得。

禁止使用碘仿醋酸转换(方程(11)- (13)甲烷但提拔的积累TVFAs据荣格et al。(2015) (25]。

的低分子量有机酸(LMWOAs)进入土壤化学中起着重要的作用,物理和生物特性的根际26]。改变土壤的根际加速植物利用土壤碳和微量元素的生物利用度,还改变污染物的行为。中的有机酸与金属反应植物的根际和释放的养分利用率。发酵过程可以是最好的选择,加快土壤中有机肥料的作用分解以来HMWOCs LMWOCs是一个缓慢的过程,可能需要。

3.2。土壤理化分析之前和之后的焊修正案

FSW修正案披露积极影响土壤属性如表所示2。的吸水能力,粘土含量,SOM, CEC,和可交换的基地增加修正案后,而每个处理的土壤pH值下降。焊对土壤质量的影响直接关系到该修正案剂量,剂量越高,越高其对土壤质量的影响参数。

3.3。焊在土壤pH值的影响

修改的影响对土壤的pH值呈现在图1。土壤的初始pH值为9.3±0.0。没有显著变化的pH值控制在整个实验过程中样品除了60天pH值下降到8.9±0.3和之后仍然相当恒定。在第一个24小时,pH值从9.3±0.0,9.1±0.2,9.0±0.1,8.4±0.0,1.25,3,分别和5%修正案剂量。pH值持续下跌9.3±0.0,7.8±0.1,7.4±0.1,7.0±0.0,相应地,第120天。pH值下降表明,负责其行为的过程进展缓慢,达到稳定的60天。pH值有显著差异( )治疗和控制。尽管pH值在治疗显著不同,3和5%修正案并没有统计上的不同( )在整个实验过程。

pH值大多数土壤生物地球化学性质的影响。它控制的交互,易位、转换和土壤中不同元素的命运,包括污染物。因此行为背后的策划者和财产的土壤27]。在土壤中,pH值降低的过程释放氢离子(H⁺)。硫(S)、氮(N)、和碳(有机化合物的形式)的焊进行氧化和分解反应土壤中释放theH⁺负责土壤酸化。由土壤微生物氧化成硫₄^{2 -}和H⁺离子方程(14)。

H⁺负责酸化也发布在微生物分解有机物引入的焊。土壤微生物分解有机物时,释放有限公司₂它溶于水生成碳酸(H₂有限公司₃)。碳酸进一步水解为H⁺和HCO₃^{- - - - - -}(方程(15)和(16))。土壤微生物也释放有机酸在有机物的分解有机化合物在发现尽管这是一个缓慢的过程(方程17)。

此外,观察到的pH值下降可能是由NH的硝化过程₄⁺是没有被氧化₃^{- - - - - -}也没有₂^{- - - - - -}(方程18)。氮对pH值的影响可能更加复杂,因为之前的氨化过程中和的硝化和反硝化过程硝化后到来。

尽管上述过程导致酸化,最明显的原因是焊的引入与低pH值LMWOAs已经加载。有机化合物分解成有机酸的土壤微生物也可以导致所表现出的酸化缓慢的pH值下降。酸化是有利于调节土壤的强碱性的财产,因为大多数植物生长在pH值6.5至7.5。虽然,pH值观察到的行为可能不同领域有植物,因为植物吸收₃^{- - - - - -}、碳等₄^{2 -}并释放哦⁻可以中和发布的H⁺。

3.4。土壤氟的吸附等温线系统后的修正案

吸附等温线是重要的在提供证据的吸附行为和能力,表面性质,绑定的亲和吸附剂(图2)。这些理解揭示土壤中修正的作用机理及其与目标污染物的交互。在这项研究中,三个理论模型被用来理解摩擦搅拌焊修正土壤氟的交互行为,朗缪尔,弗伦德里希,Temkin。朗缪尔吸附等温线的作品在一个假设发生在一个均匀的表面在氟离子吸附剂和一次占据特定的网站没有其他可以吸附氟离子(单层吸附)。另外,弗伦德里希等温线采用异构表面吸附剂和吸附分子之间的相互作用(多层吸附)。Temkin等温线描述,随着吸附剂表面覆盖率的增加,分子的吸附热线性降低。在这种情况下,吸附是由均匀分布的结合能最大的结合能。

表3代表了等温线计算参数的三个模型。当比较r²值的三个模型,Temkin提供最适合的模型(0.996)吸附实验的数据。高r²代表之间的强相互作用氟离子和活性组焊。根据Temkin的模型一个_T价值描述了土壤离子的吸附剂的亲和力。的一个_T本研究价值极高(1.92 ^ 22 L / g),这表明高亲和力的氟化物离子焊。稍微积极的价值^bT(0.040)还表示,这个过程是放热的。

的价值b(1567毫克/克)的朗缪尔等温线描述了最大容量后土壤中氟的修正案。Abasiyan et al .(2019)的研究,报道的数量b较高的土壤相比,相同的吸附剂在水系统(28]。高吸附在土壤中占的存在其他吸附剂含有多种官能团如羧基、酚类和羰基和绑定交互与目标离子在土壤中。

3.5。焊修正案影响土壤中氟化分数的行为

3.5.1。氟化直接影响焊的分数

氟化的四个分数监控整个实验和结果呈现在图3。修正案的数量减少水溶性氟化物(Ws-F)从81.7±3.1毫克/公斤,42.7±2.4,33.7±1.2,19.6±0.9,和12 0后±1.3毫克/公斤,1.25,3,和5%,分别剂量。修正案将减少5% Ws-F低于16.4毫克/公斤(推荐的水平2]。与Ws-F, exchangeable-fluoride (Ex-F)和fluoride-bound铁和锰(Fe / Mn-F)增加后的焊修正案。Ex-F增加从5.5±0.1毫克/公斤,14.8±0.7,20.3±0.8,19.1±2日和21±1.6毫克/公斤随后为0,1.25,3,和5%,修改。Fe / Mn-F从8.7±0.1毫克/公斤增加到16.3±3.5,24.8±2.1,24.4±2日和25.7±1成功0,1.25,3,5%修正案小相比,上述两个生物可利用形式。没有观察到的影响修正的fluoride-bound有机物(或f)。

有显著性差异( )Ws-F观察之间的0,1.25,3%,5%的修正案的第一个24小时内孵化。修正案剂量是成反比的Ws-F土壤中,随着剂量的增加,土壤Ws-F减少的数量。30天内孵化,Ws-F明显不同( )治疗和控制(0%)。3%和1.25之间的显著差异5%的修正案也注意到这两个(3%和1.25)没有显著差异( )直到60天。从60天到120天,有显著性差异的Ws-F在所有治疗。

有机质由基团(羧基和-哦),参与土壤中氟离子的置换反应。反应的方向取决于pH值和F⁻或哦⁻土壤溶液中。在高pH值,F⁻取代了哦⁻的数量,从而减少F⁻存在于土壤溶液界面。如果土壤的pH值高,发布的哦⁻增加。的增加哦⁻进一步取代F⁻直到建立一个平衡方程19)。但在低pH值中性,H⁺反应的哦⁻形成H₂O(方程20.)。

HMWOCs和LMWOCs作为土壤离子结合位点。绑定能力取决于他们的长度、线性、灵活性,-哦组的数量,和酸组(羧基)[29日]。绑定能力也是土壤中的多价离子催化的反应与带负电荷的酸性官能团的有机酸创建一个带正电的化合物进一步与粘土反应。在中性和碱性土壤,多价离子参与这些反应是Ca^{2 +}和毫克^{2 +}(30.]。因此,有机化合物含有酸组特别是羧基组(羧基)和羟基(-哦)参与离子与多价阳离子然后绑定参与离子与阴离子交换网站在粘土或吸附带正电的粘土网站边缘(方程(21)- (23))(15,29日]。这可能是一个复杂的方式通过氟吸附到焊引入土壤的有机化合物。

图4提出了修正的影响比表面积的土壤。增加焊进入土壤土壤的比表面积显著增加( )28.2,49.3,1.25和67.6%成功,3,分别和5%的修正案。大多数土壤中氟离子与土壤的固相,因此较高的固体表面的土壤可能会持有更多的氟离子。修正案增加了土壤的固相为土壤提供了一个额外的表面氟离子附着。

3.5.2。焊的间接影响土壤中氟的生物利用度

焊也间接地通过改变土壤的性质。除了绑定与土壤离子,焊的应用减少了土壤中氟的生物利用度间接通过转换大多数Ws-F Ex-F, Fe / Mn-F或Res-F也通过pH值变化。焊有一个可观测的影响实验土壤的pH值。从强碱性pH值降低(pH值9.3±0.0)7.8±0.1,7.4±0.1,7.0±0.0成功的修正案与控制样本支持在pH值为8.9±0.3。仍然是一个重要的土壤性质的pH值控制土壤的化学反应和土壤微生物的活性。

在化学反应的pH值控制,是土壤中氟的吸附和解吸。在高pH值、氟化粘土粒子,SOM、可交换的基地,或其他多价元素很容易取代-哦离子累积在土壤溶液界面。随着pH值下降,-哦离子在土壤溶液界面的数量减少减少其竞争与氟离子的固相土壤氟化结果更被土壤。Ex-F是绑定到可交换的基地(Ca^{2 +}、镁^{2 +}K⁺和钠⁺)在土壤pH值的变化敏感,而铁/ Mn-F代表fluoride-bound铁、锰、铝(Al)的稳定形式存在(稳定)在高酸度,成为反应性(不稳定)滴(20.]。因此,随着pH值下降,他们很容易与土壤阴离子物种特别是氟化反应是强烈的电负性。

3.6。摩擦搅拌焊修正案对细菌的影响,土壤中的真菌和放线菌

土壤处理明显高于焊透露大量的细菌相比对照组(图中找到5)。的细菌数量增加了1倍±7.2,1.9±4.3,3.0±9.0,1.25,3,分别和5%修正案剂量。增量增加相当于47.4和66.7%。添加5%的焊也观察到增加土壤中真菌的数量1.6±9.9倍,而3和1.25%修正案并没有透露一个统计上的显著差异,对照组。此外,3%的焊减少土壤中放线菌的数量1.3±8倍和5% FSW放线菌的数量增加了1.7倍±17也没有显著差异的影响修正案用量1.25%的对照组。增加数量的细菌,真菌和放线菌是直接与修正案剂量成正比。革兰氏染色剂和执行结果是革兰氏阳性棒的链枯草芽孢杆菌是占主导地位的。

土壤微生物发挥重要作用在保证植物养分循环,保护土壤质量、医治,稳定土壤系统的一般功能。焊的加入改变了土壤微生物结构的增强细菌的大小,真菌和放线菌。有研究报道后土壤中微生物数量的增加修正案。王et al。(2017)报告增加了细菌和真菌产生的海藻肥料补充(13]。结果后来证实了另一项研究调查土壤微生物的海藻肥料应用程序的响应(12]。虽然这些研究结果类似于,真菌和放线菌的增量只能观察到5% FSW修正案但不是1.25和3%的修正案。修改焊促进细菌生长的土壤和多样性通过修改土壤的持水能力,微生物的必需营养素的消耗,补充和调整土壤的pH值但相同的因素可以增加和减少的主要原因在真菌和放线菌的数量。

4所示。结论

本研究调查的效率发酵海藻(FSW)对减少土壤中氟化生物的数量。修正案的水量减少soluble-fluoride (Ws-F)从81.7±3.1毫克/公斤,42.7±2.4,33.7±1.2,19.6±0.9,和12 0后±1.3毫克/公斤,1.25,3,分别和5%修正案剂量。氟吸附与Temkin模型拟合最好,其余土壤Ws-F也转化成exchangeable-fluoride (Ex-F)或fluoride-bound铁和锰(Fe / Mn-F)。焊的应用提高了吸水能力,pH值,土壤的微生物数量和营养保留。研究建议进一步研究焊应用程序对作物萌发的影响和发展。

数据可用性

在这项研究中使用的数据可从相应的作者的请求。

的利益冲突

作者声明没有任何的利益冲突发表这篇文章。

确认

这项工作由伙伴关系应用技术科学,工程和Technology-Regional学术创新基金(PASET-RSIF)和东部和西部非洲农业system-BELT (EWA-BELT)地平线2020(项目号862848)。