The influence of selected soil parameters on the mobility of heavy metals in soils

• Autorzy: Fijałkowski K. , Kacprzak M. , Grobelak A. , Placek A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ wybranych parametrów gleby na mobilność metali ciężkich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The activity of zinc-lead industry has a very negative impact on the environment, mainly because of the accumulation of post-mining and metallurgical waste, which in the long term leads to an adverse transformation of natural environment due to migration of dust and metals to soils, surface waters and groundwater. Metals and their compounds present in the soil fractions vary in the degree of mobility. Their bioavailability is regulated by physical, chemical and biological processes and interactions between them. The method of binding heavy metals, and hence their bioavailability, depends on several soil properties, which include: granulometric composition, organic matter content, occurrence and form of cations, pH value, sorption capacity, content of macro and micronutrients, oxidation-reduction potential, activity of microorganisms, bioavailability for plants and animals, resistance of the soil. Mechanical composition of soil is one of the important factors determining the extent of soil contamination with heavy metals and their content in plant tissues. Heavy soils, as compared to light soils, due to large amounts of suspended fraction, have a greater ability to retain metallic elements. On the other hand, light soil does not have such ability of sorption. At a comparable state of heavy metal pollution, it may contain metals in dissolved form, easily available for plants. All soils with high sorption capacity for cations, i.e. land containing a large amount of clay minerals, have the ability to accumulate metallic elements. Increasing the amount of organic matter in the soil, helps to minimize the absorption of heavy metals by plants. Land rich in organic matter actively retains metallic elements. Forms of occurrence of heavy metals in soil significantly affect their mobility. The most mobile elements include the Cd, Zn and Mo, while the least mobile are Cr, Ni and Pb. Soil pH is considered one of the most important factors determining the concentration of metals in the soil solution, their mobility and availability to plants. The increase of hydrogen ion concentration affects the mobilisation intensity of heavy metals. In highly acidic soils, the mobility of metallic elements is much higher than in soils with neutral and alkaline reaction. The potential of oxidation - reduction of soil significantly determines participation in the form of a mobile element, which can enter the biological cycle, in relation to the total element content. Lack of oxygen in the soil causes start-up and increase the mobility of the large part of heavy metals. Each plant needs for growth and development the appropriate amounts of mineral salts, i.e. macronutrients and micronutrients. Plants draw heavy metals from the soil in a similar way as the macronutrients and micronutrients through the root system. The rate of uptake by the roots of metallic elements depends on the chemical form in which they appear in the soil. Insufficient amount of micronutrients in the soil often results in excessive accumulation of several heavy metals in plants. Properly balanced and well chosen level of nutrients in the soil, ensures high yields with a low content of heavy metals. Stress caused by an excess of heavy metals is the beginning of disturbances in the metabolism of plants and can lead to disturbances in the collection, transport and assimilation of macro-and micronutrients. Metallic elements accumulated in the soil inhibit the growth of microorganisms that inhabit it, leading to a distortion of their basic life functions, and especially the processes of decomposition and transformation of organic matter. Microorganism activity in ryzosphere is also a major determinant of growth of the plant and its resistance to pathogens. Soil contamination processes are constant, but compared to other elements of the environment, they are the most capable to defend themselves, acting as a buffer for pollutants. Resistance to contamination, regarding the pressure of degrading factors, land owes to its physical, chemical and biological properties. Resistance of soil is biochemical, because it results from the ability of plants to absorb and neutralize chemically active pollutants.

PL

Działalność zakładów przemysłu cynkowo-ołowiowego bardzo negatywnie wpływa na środowisko przyrodnicze, co prowadzi do jego niekorzystnego przekształcenia na skutek pylenia i migracji metali do gleb oraz wód powierzchniowych i gruntowych. Metale oraz ich wiązki obecne we frakcjach glebowych charakteryzują się różnym stopniem mobilności. Sposób wiązania metali ciężkich, a tym samym ich biodostępność zależy od wielu właściwości gleby, do których zaliczyć można: skład granulometryczny, zawartość materii organicznej, formę występowania kationów, wartość pH, pojemność sorpcyjną, zawartość makro- i mikroelementów, potencjał oksydacyjno-redukcyjny, działalność mikroorganizmów, biodostępność dla roślin i zwierząt, oporność gleby. Skład mechaniczny gleby jest jednym z istotnych czynników decydujących o stopniu zanieczyszczenia gruntu metalami ciężkimi oraz ich zawartości w tkankach roślin. Gleby ciężkie, w porównaniu do gleb lekkich, za sprawą dużych ilości części spławianych posiadają większe zdolności zatrzymywania pierwiastków metalicznych. Natomiast gleby lekkie, nie posiadając takich zdolności do sorbowania metali ciężkich, przy porównywalnym stanie zanieczyszczeń mogą zawierać metale w formie rozpuszczonej, czyli łatwo dostępnej dla roślin. Wszystkie gleby charakteryzujące się wysoką pojemnością sorpcyjną w stosunku do kationów, czyli grunty zawierające dużą ilość minerałów ilastych, wykazują zdolność akumulacji pierwiastków metalicznych. Zwiększenie ilości materii organicznej w glebie sprzyja zminimalizowaniu pobierania metali ciężkich przez rośliny. Grunt bogaty w substancję organiczną aktywnie zatrzymuje pierwiastki metaliczne. Formy występowania metali ciężkich w glebie w znacznym stopniu wpływają na ich mobilność. Do najbardziej mobilnych pierwiastków zaliczyć można Cd, Zn i Mo, natomiast do najmniej ruchliwych należą Cr, Ni i Pb. Wartość pH gleby uważana jest za jeden z najważniejszych czynników decydujących o stężeniu metali w roztworze glebowym, ich ruchliwości oraz dostępności dla roślin. Wzrost stężenia jonów wodorowych ma wpływ na intensywność uruchamiania metali ciężkich. W glebach silnie zakwaszonych mobilność pierwiastków metalicznych jest znacznie wyższa niż w glebach o odczynie obojętnym i zasadowym. Potencjał oksydacyjno-redukcyjny gleby w istotny sposób warunkuje udział danego pierwiastka w formie mobilnej, w której może wejść w obieg biologiczny, w stosunku do całkowitej zawartości pierwiastka. Niedostatek tlenu w gruncie wywołuje uruchomienie oraz wzrost mobilności znacznej ilości metali ciężkich. Każda roślina potrzebuje do wzrostu i rozwoju odpowiednich ilości soli mineralnych, czyli makroelementów i mikroelementów. Rośliny pobierają z gruntu metale ciężkie w podobny sposób jak makroskładniki i mikroskładniki za pomocą systemu korzeniowego. Szybkość pobierania przez korzenie pierwiastków metalicznych uzależniona jest od postaci chemicznej, w jakiej występują w glebie. Niedostateczna ilość mikroelementów w gruncie powoduje często nadmierną akumulację wielu metali ciężkich w roślinach. Zrównoważony oraz właściwie dobrany poziom składników pokarmowych w glebie zapewnia uzyskanie wysokich plonów o niskiej zawartości metali ciężkich. Stres spowodowany nadmiarem metali ciężkich jest początkiem zakłóceń w metabolizmie roślin i może prowadzić do zaburzeń w pobieraniu, transporcie i asymilacji makro- i mikroskładników. Pierwiastki metaliczne nagromadzone w glebie hamują rozwój mikroorganizmów, które ją zasiedlają, prowadząc do zakłócenia ich podstawowych funkcji życiowych, a zwłaszcza procesów związanych z rozkładem i przemianą substancji organicznej. Aktywność mikroorganizmów ryzosfery stanowi także główny czynnik warunkujący wzrost samej rośliny oraz jej odporność na patogeny. Gleby stale ulegają procesom zanieczyszczenia, jednak ze wszystkich elementów środowiska są w stanie najskuteczniej bronić się, stanowiąc pewien bufor dla zanieczyszczeń. Odporność na skażenie, wobec presji czynników degradujących, grunt zawdzięcza swoim właściwościom fizycznym, chemicznym i biologicznym. Odporność gleb ma charakter biochemiczny, gdyż wynika ze zdolności roślin do pochłaniania i neutralizacji ładunków zanieczyszczeń chemicznie aktywnych.

Słowa kluczowe

EN

heavy metal; soil contamination; bioavailability heavy metals; granulometric composition; occurrence and form of cations; pH value; sorption capacity; macronutrients; micronutrients; oxidation-reduction potential; activity of microorganisms; resistance of the soil

PL

metale ciężkie; zanieczyszczenie gleby; biodostępność metali ciężkich; skład granulometryczny; forma występowania kationów; wartość pH; pojemność sorpcyjna; makroelementy; mikroelementy; potencjał oksydacyjno-redukcyjny; działalność mikroorganizmów; oporność gleby

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2012
• Tom: T. 15, nr 1
• Strony: 81--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz.

Twórcy

autor

Fijałkowski K.

autor

Kacprzak M.

autor

Grobelak A.

autor

Placek A.

• Czestochowa University of Technology, Institute of Environmental Engineering, Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa,

Bibliografia

• [1] Wiatr I., Marczak H., Sawa J., Ekoinżynieria. Podstawy działań naprawczych w środowisku, Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski, Lublin 2003.
• [2] Zhang X., Xia H., Li Z., Zhuang P., Gao B., Potential of four forage grasses in remediation of Cd and Zn contaminated soils, Bioresource Technology 2010, 101, 2063-2066.
• [3] Gworek B., Mocek A., Obieg pierwiastków w przyrodzie, Dział Wydawnictw Instytutu Ochrony Środowiska, Warszawa 2001.
• [4] Kucharski R., Sas-Nowosielska A., Małkowski E., Wybrane metody remediacji gleb a zawartość metali ciężkich w glebach i roślinach, [in:] Metale ciężkie w środowisku. Prace Instytutu Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, ed. S. Hławiczka, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok 2008.
• [5] Gworek B., Barański A., Czarnowski K., Sienkiewicz J., Porębska G., Procedura oceny ryzyka w zarządzaniu gruntami zanieczyszczonymi metalami ciężkimi, Dział Wydawnictw Instytutu Ochrony Środowiska, Warszawa 2000.
• [6] Maciak F., Ochrona i rekultywacja środowiska, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 1999.
• [7] Padmavathiamma P.K., Li L.Y., Phytoremediation technology: Hyper-accumulation metals in plants, Water Air Soil Pollut. 2007, 184, 105-126.
• [8] Kacprzak M., Fijałkowski K., Grobelak A., Nowak M., Monitored natural attenuation (MNA) of forest soils within terrain of zinc smelter, Proceedings of 11th International UFZ-Deltares/TNO Conference on Management of Soil Groundwater & Sediments (ConSoil), Salzburg 2010.
• [9] Sheoran V., Sheoran A.S., Poonia P., Phytomining: A review, Minerals Engineering 2009, 22, 1007-1019.
• [10] Kacprzak M., Wspomaganie procesów remediacji gleb zdegradowanych, Seria Monografie nr 128, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2007.
• [11] Van Loon G.W., Duffy S.J., Chemia środowiskowa, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2007.
• [12] Nouri J., Khorasani N., Lorestani B., Karami M., Hassani A.H., Yousefi N., Accumulation of heavy metals in soil and uptake by plant species with phytoremediation potential, Environ. Earth Sci. 2009, 59, 315-323.
• [13] Prasad M.N.V., Freitas H., Metal hyperaccumulation in plants - Biodiversity prospecting for phytoremediation technology, Electronic Journal of Biotechnology 2003, 6, 275-321.
• [14] Geoffrey M. Gadd, Microbial influence on metal mobility and application for bioremediation, Geoderma 2004, 122, 109-119.
• [15] Nessner Kavamura V., Esposito E., Biotechnological strategies applied to the decontamination of soils polluted with heavy metals, Biotechnology Advances 2010, 28, 61-69.
• [16] Gang W., Hubiao K., Xiaoyang Z., Hongbo S., Liye C., Chengjiang R., A critical review on the bio-removal of hazardous heavy metals from contaminated soils: Issues, progress, eco-environmental concerns and opportunities, Journal of Hazardous Materials 2010, 174, 1-8.
• [17] Alkorta I., Hernandez-Alica J., Becerril J.M., Amezaga I., Albizu I., Garbisu C., Recent findings on the phytoremediation of soils contaminated with environmentally toxic heavy metals and metalloids such as zinc, cadmium, lead and arsenic, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology 2004, 3, 71-90.
• [18] Kacprzak M., Grobelak A., Stabilization of havy metals in acidic soils with sewage sludge, inorganic amendments and fescue (Festuca arundinacea Schreb.) growth, Acta Biochimica Polonica 2011, 4.
• [19] Domagała-Świątkiewicz I., Jak zapobiegać skażeniu roślin metalami ciężkimi, Działkowiec 2003, 2, 58-59.
• [20] Baudouin C., Charveron M., Tarrouse R., Gall Y., Environmental pollutants and skin cancer, Cell Biology and Toxicology 2002, 18, 341-348.
• [21] Bodar C.W., Pronk M.E., Sijm D.T., The European Union risk assessment on zinc and zinc compounds: the process and the facts, Integrated Environmental Assessment and Management 2006, 1, 301-319.
• [22] Ociepa E., Kisiel A., Lach J., Effect of fertilization with sewage sludge and composts on the change of cadmium and zinc solubility in soils, Journ. Environ. Stud. 2010, 2, 171-175.
• [23] Violante A., Cozzolino V., Perelomov L., Caporale A.G., Pigna M., Mobility and bioavailability of heavy metals and metalloids in soil, J. Soil. Sci. Plant Nutr. 2010, 3, 268-292.
• [24] Vamerali T., Bandiera M., Mosca G., Field crops for phytoremediation of metal - contaminated land. A review, Environ. Chem. Lett. 2010, 8, 1-17.
• [25] Gruca-Królikowska S., Wacławek W., Wpływ metali ciężkich na rośliny, Chemia-Dydaktyka- -Ekologia-Metrologia 2006, 11, 41-56.
• [26] Liang H.M., Lin T.H., Chiou J.M., Yeh K.C., Model evaluation of the phytoextraction potential of heavy metal hyperaccumulators and non-hyperaccumulators, Environmental Pollution 2009, 157, 1945-1952.
• [27] Sady W., Smoleń S., Wpływ czynników glebowo-nawozowych na akumulację metali ciężkich w roślinach, [w:] Efektywność stosowania nawozów w uprawach ogrodniczych, Kraków 2004, 270-277.
• [28] Kabata-Pendias A., Pendias H., Trace Elements in Soils and Plants, CRC Press LLC, Boca Raton, London, New York, Washington, 2001.
• [29] Gołda T., Rekultywacja, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2005.
• [30] Ledin M., Accumulation of metals by microorganisms - processes and importance for soil systems, Earth-Science Reviews 2000, 51, 1-31.