МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЯМИ ПО СКОРОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ, ПОЛУЧЕННОЙ МЕТОДОМ EUF

Моделирование поглощения металлов растениями по скорости выделения, полученной методом EUF

Манфред Загер

В этом исследовании оценивалась кинетика растворения почвы для прогнозирования поглощения металлов растениями салата при различных условиях удобрения и загрязнения металлами. Скорости и временные зависимости растворения почвы, полученные с помощью электроультрафильтрации (ЭУФ), предотвращающей обратную реакцию, моделировали тремя способами, полученными из суспензий в 0,002 М DTPA при определенных уровнях рН почвы, для случаев, когда выборка в зависимости от времени приводила к уменьшению концентрации. Модели дали максимально достижимую концентрацию, промежуток времени, необходимый для ее достижения, наклон и точку пересечения соответствующих подобранных кривых. В качестве твердых образцов использовали три геогенно-металлоносных образца почвы и один образец окружающей почвы, оба в качестве исходных, удобренных ПК или пропитанных раствором Cd-Ni-Pb. Полученные кинетические параметры коррелировали с количествами, поглощаемыми растениями салата, выращенными с этими субстратами в горшках, что дало довольно хорошие корреляции с Zn, а также с Li и Sr, а также Ni и Pb, в основном из-за различий, связанных с Добавление раствора соли металла. Добавки практически не повлияли на рост растений.

Ключевые слова: ЭУФ ; кинетика растворения почвы ; салат ; поглощение металлов

1. Введение

Поглощение ряда элементов здоровыми зелеными растениями из почвы зависит от скорости выделения и процесса транспорта в почве, а также от потребности растений, количества рецепторов и экскреции корней растений [ 1 , 2 ]. Хотя некоторые правовые пороги использования пахотных почв для выращивания сельскохозяйственных культур относятся к переварам царской водки (например, для Pb и Cd), уже давно известно, что общее содержание, присутствующее в почве, не полностью доступно растениям из-за различные скорости выделения, транспортные процессы к корням и потребности растений. Это может быть особенно проблематично для почв, образовавшихся на металлоносных породах [ 3 ].]. В сельском хозяйстве доступная для растений «фракция» данного субстрата предполагает, сколько корень может принять за один вегетационный период. Из соображений простоты и стоимости исследования в этом исследовании была предпринята попытка имитировать этот кинетический процесс путем одноступенчатой ​​частичной экстракции органическими кислотами и/или комплексообразователями, которые высвобождают более легко подвижные элементы в почвенный раствор, независимо от химического состава твердая фаза почвы. При последовательном промывании были получены стадии снижения подвижности и доступности растений за счет реакций растворения и десорбции, которые можно отнести к разным твердым фазам почвы, таким как обменная, карбонатная, педогенно-оксидная, гуминовая, сульфидная или силикатная фазы. Доступность этих фаз варьируется в зависимости от условий окружающей среды и временных масштабов.4 , 5 ]. Многоэлементные методы, такие как ICP-OES, позволяют расширить определение элементов в растворе до гораздо большего количества растворенных элементов, чем первоначально подтверждено с помощью тестируемых минералов. Таким образом, они были оперативно определены.

В этом исследовании кинетический процесс поглощения растениями моделировался кинетикой растворения почвы. В отличие от методов селективного выщелачивания, которые приближаются к мобилизации на одном снимке, кинетические методы моделируют десорбцию твердых частиц почвы. Это предполагает, что поглощение растениями происходит быстрее, чем растворение, и поглощение не зависит от потребностей растений и метаболизма исключения поглощения.

Моделирование скоростей высвобождения в зависимости от времени позволяет интерпретировать механизмы растворения, которые могут различаться у предметов, высвобождаемых из одного и того же субстрата [ 6 ]. Если скорость высвобождения контролируется только переносом, она пропорциональна расстоянию от равновесия, как в случае пленочной диффузии, внутричастичной диффузии и диффузии в порах. Однако многие процессы растворения, имеющие геохимическое значение, регулируются поверхностными свойствами, такими как кристаллизация, примеси или сорбированные частицы [ 7 ].

2. Материал и методы.

2.1. Образцы почвы

В качестве тестовых образцов были выбраны три пахотных почвы из геогенно-металлоносных участков и один образец окружающей почвы из австрийской провинции Штирия ( таблица 1 ). Металлоносные почвы развивались над сульфидными рудными жилами, содержащими As, Cd, Cu, Pb, Zn, но иногда встречались также барит, кварц, пироморфит, церуссит, малахит [ 3 , 8 ].

Таблица 1. Тестовые почвы перед экспериментом в горшке.

Образцы почвы брали не менее чем из 25 отдельных кернов на глубине 5–30 см, сливали на месте, сушили при 40° и просеивали на мелком сите 2 мм [ 9 ]. рН почвы определяли в 0,01 М CaCl 2 [ 10 ], распределение глина-ил-песок пипеточным методом [ 11 ], общий органический углерод (С-орг) сжиганием [ 12 ], псевдосуммарное содержание с помощью эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой после обработки царской водкой ( таблица 1 ).). Статистическая достоверность этих стандартных методов ежегодно проверялась кольцевыми испытаниями, проводимыми организацией ALVA, в которых мы участвовали. По точности стандартные отклонения параметров глина–ил–песок находились в пределах 1,5–2,8 % абс., ​​органического углерода – 0,08–0,21 % абс., ​​рН почвы – 0,08–0,14 ед. Для As, Cr, Ni, Pb и Zn в царской водке была достигнута точность от ±6 до 13% значения, а для Cd получена точность от ±13 до 20% (неопубликованные внутренние данные).

Для вегетационных опытов использовали эти почвы, а также почвы, полученные после добавления раствора Cd-Ni-Pb или удобрения ПК, в трехкратной повторности каждую.

2.2. Испытательные растения

В качестве тестовых растений был выбран салат ( Lactuca sativa ), известный как быстрорастущий и универсально накапливающийся вид [ 13 ]. Три саженца салата случайным образом высаживали в горшки Kick-Brauckmann, содержащие 8 кг высушенной почвы (≤20 мм), которые произвольно помещали в теплицу с листовым покрытием и поливали каждые 3 дня. Затем через 10 дней после посева образцы, отмеченные в табл. 2 как «ПК» , получили добавку 225 мг/кг Р + 128 мг/кг К из комбинации суперфосфата и хлорида калия. В то же время образцы с пометкой «металл» получали добавку 0,75 мг/кг Cd + 94 мг/кг Ni + 94 мг/кг Pb по отношению к исследуемому субстрату из 15 мл смешанного раствора, содержащего 0,384 г Cd (как Cd (NO 3 ) 2· 4H 2 O), 48 г Ni (в виде NiSO 4 · 6H 2 O) и 48 г Pb (в виде Pb (ацетат) 2 · 3H 2 O) в 1 л, чтобы проверить способность салата поглощать эти металлы. После 40 дней роста корни и побеги собирали отдельно для получения урожая в пересчете на сырую массу. Образцы высушивали при 65 °C в течение 72 ч, измельчали ​​и анализировали на общее содержание металлов с помощью одновременного многоэлементного анализа с помощью ICP-OES (PerkinElmer Optima 3000XL) после выщелачивания азотной кислотой в закрытых сосудах под давлением с помощью микроволнового нагрева.

Таблица 2. Моделирование выброшенных концентраций на основе накопленных данных.

2.3. Процедура ЕСФ

После сбора урожая образцы почвы из экспериментов в горшках исследовали в лаборатории Юстуса Либиха компании Südzucker AG в Рейне (Германия) с использованием модифицированного метода электроультрафильтрации (ЭУФ).

Электроультрафильтрация (ЭУФ) — это быстрый метод, первоначально разработанный для определения доступных питательных веществ для растений и соответствующих потребностей в удобрениях из водных суспензий почвы, таких как нитраты, общий растворенный азот, фосфаты и калий [ 14 , 15 ]. Образец суспензии помещается в реакционную камеру с электродами и полупроницаемыми мембранами, расположенными напротив друг друга, за которыми находятся заполненные раствором камеры для отбора проб ( рис. 1 ).). Когда напряжение и магнитное перемешивание включены, высвобожденные ионы перемещаются к соответствующему электроду через мембрану и могут быть отобраны из анодной и катодной камер без дальнейшей фильтрации или центрифугирования. Скорость миграции пропорциональна напряженности электрического поля и обратно пропорциональна трению в жидкости; она увеличивается с увеличением концентрации и температуры. Заряженные коллоиды движутся значительно медленнее и почти не проникают через мембраны, что напоминает условия на поверхности корня. Поскольку освобожденные ионы быстро удаляются с твердых поверхностей электрическим полем, обратная реакция предотвращается; таким образом, скорость высвобождения быстро доступна экспериментально. В одной и той же реакционной ячейке возможны изменения условий EUF для получения скоростей высвобождения в разных условиях.

Рисунок 1. Камера электроультрафильтрации (ЭУФ).

Экспериментальные параметры EUF были первоначально разработаны для оценки непосредственной доступности питательных веществ для райграса ( lolium perenne ) и сахарной свеклы при 200 В/20 °C/30 мин, что рассматривалось здесь по практическим соображениям. За счет расхода H + на катоде катодное пространство становится щелочным, а за счет расходования OH − на аноде анодное пространство становится кислым. Поскольку многие гидроксиды и гидратированные оксиды плохо растворимы в щелочной катодной вытяжке, для определения катионов металлов (кроме Na, K) необходимо добавлять комплексообразователь. Во избежание выпадения гидроксида в катодной камере суспензию 5,00 г образца в 50 мл 0,002 М DTPA (C 14 H 23 N 3 O10 ) водный раствор (также известный как Merck Titriplex V) вводили в камерную систему EUF, и пять отдельных фракций собирали каждые пять минут (всего 25 минут), применяя 200 В и максимум 15 мА при температуре окружающей среды [ 16 ]. ]. После каждой экстракции высвобожденные ионы анализировали с помощью ICP-OES, и концентрация в растворе, умноженная на мл фильтрата, давала мг/кг почвы (перечислено в таблице 3 ).

Таблица 3. Высвобожденные количества через 5, 10, 15, 20 и 25 мин электроультрафильтрации в 0,002 М DTPA.

2.4. Кинетическое моделирование

Моделирование кинетики высвобождения из почвы может быть выполнено с использованием измеренных концентраций в зависимости от времени, а также с использованием накопленных (интегрированных) концентраций. В случае, если измеренные концентрации уменьшаются со временем, можно экстраполировать время, когда концентрация достигнет нуля. Это означает постоянное значение накопленной концентрации, такой как истощение. Соответствующая накопленная концентрация, достигаемая в это время, может рассматриваться как максимально выделяемая. Хотя разные параметры a и b были получены из примерок из-за разных кинетических уравнений ( Таблица 2 ), эти максимальные концентрации высвобождения были довольно схожими.

Интегрированные кривые можно использовать для моделирования механизма выпуска. Параметры подгонки — это время достижения максимального высвобождаемого количества, время его достижения, а также наклон и точка пересечения кривых подгонки. Начальная скорость выброса определяется именно для линейного уравнения как параметр «а», но для уравнений Эловича и Вебера–Морриса она также равна «а» при t = 1, что близко к нулю по времени наблюдения 30.

Таким образом, объединение значений поглощения растениями с параметрами «а» дало бы корреляции с почти начальной скоростью выделения в случаях линейных уравнений, уравнений Эловича и Вебера-Морриса, а объединение значений с параметрами «b» дало бы корреляции с точкой пересечения кривая накопленного выброса, которая означает экстраполированный выпуск EUF в нулевое время в случаях линейных уравнений и уравнений Вебера-Морриса.

2.5. Связи с поглощением растений

На основе измеренных концентраций и урожайности количество металлов, присутствующих в растениях салата после периода роста в соответствующих субстратах, было рассчитано и сопоставлено с четырьмя подгоночными параметрами кинетических моделей.

3. Результаты

Сухая масса корня достигала лишь около 1/5 сухой массы листа. Добавление ФК-удобрения или раствора соли металла почти не повлияло на сухую массу листа, но снизило поглощение Pb и увеличило Cu и Zn. Добавление солей металлов, как и ожидалось, привело к увеличению содержания Pb и Ni. Другие авторы также обнаружили, что добавление фосфорных удобрений снижает высвобождение Pb из почвы [ 17 , 18 ].

В этом разделе обсуждаются параметры, полученные в результате процедуры EUF, а также уменьшение, увеличение и постоянная концентрация во времени. Разделение кривых высвобождения на зоны различных законов скорости было невозможно из-за измерения только пяти точек.

Снижение концентрации со временем наблюдалось в As, Cd, Cu, Li, Ni, Pb, Sr и Zn. Это означает исчерпание высвобождаемой фракции и возможную экстраполяцию для получения максимального высвобождаемого количества и соответствующего времени. Наоборот, концентрации Al, Fe и Co увеличивались в зависимости от времени электролиза, что можно интерпретировать как активацию высвобождения за счет растворения менее растворимых покрытий [ 6 ]. Другие, такие как Mn, Sb или V, давали постоянное выделение в течение периода наблюдения ( таблица 3 ).

Линейное уравнение y = b + at (a = наклон, b = пересечение) будет соответствовать растворению однородного твердого тела. В этом случае подгонка в большинстве случаев была наихудшей.

Уравнение Эловича y = b + a ln(t) справедливо, если скорость выброса уменьшается из-за уменьшения поверхностного покрытия. В данной работе это имело место для As, Cd и Cu, предпочтительно для Zn. Это уравнение также лучше всего подходит для моделирования высвобождения и поглощения калия красными глинистыми почвами Китая [ 19 ].

Уравнение Вебера-Морриса y = b + a √ t справедливо, если скорость определяется переносом с реактивных поверхностей; таким образом, растворение контролируется диффузией. Растворение можно разделить на несколько этапов, таких как десорбция из твердого тела, диффузия внутри твердого тела, диффузия в пленке и диффузия в жидкости [ 20 ]. Точка пересечения «b» является константой диффузии и пропорциональна толщине пограничного слоя [ 6 , 20 ]. Если внутричастичная диффузия контролирует скорость, кривые должны проходить через начало координат [ 21 ]. В этой работе аппроксимация Вебера–Морриса была наилучшей для Pb и Sr для всех образцов и для Li и Ni в основных случаях.

Уравнение мощности y = b·t a или ln(y) = b + a ln (t) также использовалось некоторыми авторами для моделирования высвобождения питательных веществ растениями или растворения минералов [ 19 ].

В случае As и Cd коэффициенты корреляции между поглощением растениями и кинетическими параметрами ( Таблица 4 ) оставались незначительными и составляли 0,45, несмотря на добавление растворимого Cd. Содержание Cu коррелировало только для корней, в лучшем случае для модели Вебера–Морриса. Ni и, в меньшей степени, Pb положительно коррелировали с наклоном «а», точками пересечения «b» и максимальными концентрациями высвобожденного, но это было смещено образцами, получавшими раствор металла.

Таблица 4. Коэффициенты корреляции между содержанием в посевном салате и кинетическими параметрами, полученными при моделировании данных EUF.

Zn сильно положительно коррелировал с наклоном «а» и немного меньше с точкой пересечения «b», максимальным высвобождением и соответствующим временем любой модели. Линейная аппроксимация не соответствовала кривизне и немного отрицательно коррелировала с точкой пересечения «b».

Среди катионов с низкой физиологической активностью для зеленых растений (например, Li, Sr) Li в зеленых растениях увеличивался с увеличением наклона и максимального выброса, тогда как время достижения этого выброса не имело значения. Однако для Sr лучше всего зарекомендовало себя линейное моделирование, и была обнаружена хорошая корреляция с высвобождаемым количеством и соответствующим временем.

Результаты всех коэффициентов корреляции представлены в таблице 4 , а соответствующие значения вероятности p приведены в таблице 5 . Корреляции со значениями вероятности < 0,05 для нулевой гипотезы (уровень достоверности значимости > 95%), рассчитанные как 2-сторонний p из статистической программы SPSS (версия 25), отмечены *, а < 0,01 отмечены ** в таблице 4 .

Таблица 5. Значения вероятности между содержанием в собранном салате и кинетическими параметрами, полученными при моделировании данных EUF.

4. Обсуждение

В этой работе 0,002 М DTPA (диэтилентриаминпентауксусная кислота, C 14 H 23 N 3 O 10 , известная как Merck Titriplex V) использовалась в качестве электролита в процедуре EUF при надлежащем уровне pH почвы. DTPA не входит в состав корневого экссудата, но электрохимических реакций не ожидается. Из-за ее высокой растворимости в воде можно использовать свободную кислоту, в отличие от ЭДТА, которую следует принимать в качестве соли Na 2 . Таким образом, ДТФА более удобен для измерения ИСП-ОЭС и предотвращает ионный обмен с Na. По сравнению с EDTA, DTPA образует более прочные комплексы с большинством катионов металлов, но это актуально только при pH> 7, потому что DTPA также является более слабой кислотой [ 22 ].

Экстракция с помощью DTPA, забуференного триэтаноламином при pH 7,3, уже использовалась в 1976 году для мониторинга доступных для растений концентраций Zn, Fe, Mn и Cu в почвах Колорадо. После быстрой экстракции в течение первых 5 минут равновесие растворения не достигалось через 2 часа, но наблюдалась сильная корреляция с количествами, полученными через 30 минут, что сокращало время экстракции [ 23 , 24 ].

Удвоение напряжения, используемого в методе EUF, привело к аналогичным результатам; Таким образом, условия EUF не кажутся критическими [ 19 ]. Кроме того, хотя экстраполированное время достижения нулевого выброса в разных моделях в некоторой степени различалось, соответствующие высвобождаемые концентрации, рассчитанные по кумулятивным кривым, были довольно схожими, независимо от используемой кинетической модели.

Из использованных образцов металлоносной почвы поглощение Zn, Li и Sr может быть хорошо коррелировано с параметрами кинетических моделей высвобождения в 0,002 М DTPA, полученными с помощью метода EUF, в то время как это не относится к As, Cd и листовым растениям. Cu ( таблица 4 ). В тех случаях, когда десорбция из почвенной матрицы в почвенный раствор происходит медленнее, чем поглощение корнями растений, кинетика десорбции почвы напрямую отражает перенос почва-растение. Это предполагает, что поглощение растениями происходит быстрее, чем растворение [ 25 , 26 ].]. Если поглощение растением не соответствует кинетическим параметрам, это означает либо то, что растение поглощает не то, что выделяется, а то, что ему нужно или отторгается, либо что более подходящим может быть использование другого электролита, более близкого к физиологическим условиям. Удивительно, но значимость корреляций между поглощением растениями и кинетическими параметрами была одинаковой, независимо от используемой кинетической модели. Подгонка всех четырех параметров к поглощению растениями в одно уравнение с помощью частичной корреляции было бы более убедительным, но эта функция не содержалась в статистической программе, которую мог использовать автор.

5. Выводы

Большинство физиологов растений [ 1 , 2 ] полагают, что поглощение растениями питательных веществ и металлов регулируется соответствующим их количеством, выделяемым в почвенный раствор. Это подразумевает, что растворение определяет скорость, а не потребности и механизмы поглощения самого растения. Таким образом, доступные для растений фракции в почвах определяли путем селективного растворения, полученного различными экстрагентами, достигая некоторого равновесия при встряхивании. Однако, поскольку поглощение растениями является кинетическим процессом, целью этого экспериментального исследования было изучение переноса из почвы в растение посредством изучения кинетики растворения, а не статического процесса, как в процедуре EUF, обратная реакция предотвращается. удалением высвободившихся элементов в электрическом поле, и становятся доступными прямые реакции.

В рамках этого экспериментального исследования можно было использовать только четыре типа почвы, но диапазон концентраций и возможностей был расширен за счет добавления к каждому из них фосфорно-калийного удобрения или раствора Cd-Ni-Pb. В результате поглощение цинка, лития, а также никеля и свинца салатными растениями, а корнями также и меди давало значимые корреляции с кинетическими параметрами растворения, в то время как кадмия и мышьяка - нет. Таким образом, растение не обязательно поглощает все, что выделяется из почвы. Сравнения наилучшего соответствия показывают, что оптимальное соответствие было получено благодаря высвобождаемому элементу, но не благодаря типу используемой почвы ( Таблица 4 ).

Это должно стимулировать дальнейшие исследования по использованию метода EUF для других электролитов и испытательных растений, чтобы оптимизировать прогнозы доступности и, с другой стороны, найти питательные вещества и микроэлементы в сочетании с сельскохозяйственными культурами, поглощение которых не зависит только от растворимость. Метод быстр — в течение получаса было получено пять растворов, а оценки данных ИСП-ОЭС можно запрограммировать для автоматизации рутинного использования.