Buffering properties of soils to copper and statistical assessment of the contributions of its components

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The buffering capacity of soils towards heavy metals (HMs) is a key factor in their immobilization in soils. It includes the sum of the main components and properties of soils, expressed in points: Corg, physical clay (PhC), mobile (Fe + Al), CO2 carbonates, and pH aqua. Using a sample of 40 experimental points, by multiple regression analysis methods, equations were derived that make it possible to express the buffering capacity of soils in relation to HMs through the composition and properties of soils with a significance of P < 10–6. Taking into account the gross content of Cu and the morphometric characteristics of spring barley, it was assessed the values of maximum permissible concentrations of Cu (MPCCu) for this crop at different buffering values of soils. It has been established that the contributions of the composition and properties of soils to the total buffering capacity with respect to Cu after statistical processing of the experimental results, including the biological factor, decrease in the series: PhC > (Fe + Al)mob > Corg > CO2carb > pHaq and differ from the corresponding distribution, obtained on the basis of empirical data from Ilyin and Syso [8] without statistical processing. The developed methodology for assessing the buffering capacity of soils in relation to HMs and calculating the MPC does not require discretization of objects by composition and properties into ranges, guarantees positive values of the buffering capacity as a whole and allows further conscious changes in the set of components that form the buffering capacity of soils in relation to HMs. The technique makes it possible to improve the quality of MPC calculations without additional system complications and complex experimental studies.

About the authors

D. L. Pinskii

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: pinsky43@mail.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

P. A. Shary

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: pinsky43@mail.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

References

  1. Бойцова Л.В., Моисеев К.Г., Пищик В.Н., Зинчук Е.Г., Хомяков Ю.В. Использование тест растений для оценки степени загрязненности грунтов тяжелыми металлами // Агрохимический вестник. 2021. № 2. С. 54–57. https://doi.org/10.24412/1029-2551-2021-2-011
  2. Васин Д.В. Современные подходы к нормированию содержания тяжелых металлов в почве // Архивариус. 2021. Т. 7. № 3(57). С. 8–10.
  3. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М., 2012. 304 с.
  4. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг). Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91. М., 2009. 12 с.
  5. Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам // Агрохимия. 1995. № 10. С. 109–113.
  6. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение // Почвоведение. 2007. № 9. С. 1112–1119.
  7. Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва–растение. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 218 с.
  8. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.
  9. Импактное загрязнение почв тяжелыми металлами и фторидами / Под ред. Зырина Н.Г. др. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 164 с.
  10. Копцик Г.Н. Современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы) // Почвоведение. 2014. № 7. С. 851–868. https://doi.org/10.7868/S0032180X14070077
  11. Ладонин Д.В. Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах. М.: Изд-во МГУ, 2019. 312 с.
  12. Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Манджиева С.С., Бурачевская М.В. Поглощение меди черноземными почвами и почвообразующими породами юга России // Геохимия. 2018. № 3. С. 280–289. https://doi.org/10.7868/S0016752518030081
  13. Пинский Д.Л. Современные представления о механизмах поглощения тяжелых металлов почвами // Эволюция, функционирование и экологическая роль почв как компонента биосферы. Пущино: Товарищество научных изданий КМК, 2020. С. 55–65.
  14. Пинский Д.Л., Шарый П.А., Манджиева С.С., Минкина Т.М., Переломов Л.В., Мальцева А.Н., Дудникова Т.С. Влияние состава и свойств почв и почвенно-песчаных субстратов, загрязненных медью, на морфометрические показатели растений ячменя // Почвоведение. 2023. № 3. С. 393–404. https://doi.org/10.31857/S0032180X2260113X
  15. Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Шуваева В.А., Манджиева С.С., Цицуашвили В.С., Бурачевская М.В., Чаплыгин В.А., Барахов А.В., Велигжанин А.А., Светогоров Р.Д., Храмов Е.В., Иовчева А.Д. Идентификация соединений тяжелых металлов в техногенно преобразованных почвах методами последовательного фракционирования, XAFS-спектроскопии и XRD порошковой дифракции // Почвоведение. 2022. № 5. С. 600–614. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050070
  16. Попова Л.Ф., Наквасина Е.Н. Нормирование качества городских почв и организация почвенно-химического мониторинга. Архангельск: САФУ им. М.В. Ломоносова, 2014. 108 с.
  17. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. 2021. URL: www.pravo.gov.ru (дата обращения 26.04.2022).
  18. Селюкова С.В. Тяжелые металлы в агроценозах // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 8. С. 85–93. https://doi.org/10.24411/0235-2451-2020-10815.
  19. Семенков И.Н., Королева Т.В. Нормативы содержания химических элементов в почвах функциональных зон городов (обзор) // Почвоведение. 2022. № 1. С. 96–105. https://doi.org/10.31857/S0032180X22010105
  20. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Воробьевой Л.А. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  21. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
  22. Холодов B.А., Кирюшин А.В., Ярославцева Н.В., Фрид А.С. Связывание меди(II) необратимо сорбированными на каолините и свободными гуминовыми веществами // Почвоведение. 2014. № 7. С. 803–811. https://doi.org/10.7868/S0032180X14070065
  23. Шафран С.А. Динамика плодородия почв Нечерноземной зоны и ее резервы // Агрохимия. 2016. № 8. С. 3–10.
  24. Alcacio T.E., Hesterberg D., Chou J.W., Martin J.D., Beauchemin S., Sayers D.E. Molecular scale characteristics of Cu(II) bonding in goethite–humate complexes // Geochim. Cosmochim Acta. 2001. V. 65. P. 1355–1366.
  25. Bauer T., Pinskii D., Minkina T., Nevidomskaya D., Mandzhieva S., Burachevskaya M., Chaplygin V., Popileshko Y. Time effect on the stabilization of technogenic copper compounds in solid phases of Haplic Chernozem // Sci. Total Environ. 2018. T. 626. P. 1100–1107.
  26. Communication from the Commission to the council, the European parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the regions: Thematic Strategy for Soil Protection. Commission of the European Communities (CEC). Brussels, 2006. 12 р.
  27. Degryse F., Smolders E., Parker D.R. Partitioning of metals (Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn) in soils: concepts, methodologies, prediction and applications – a review // Eur. J. Soil Sci. 2009. V. 60. P. 590–612. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2009.01142.x
  28. Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization / Ed. Carlon C. European Commission, Joint Research Centre, Ispra, 2007. 306 p.
  29. Hoylman Z.H., Jencso K.G., Hu J., Holden Z.A., Allred B., Dobrowski S., Robinson N., Martin J.T., Affleck D., Seielstad C. The topographic signature of ecosystem climate sensitivity in the western United States // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 14508–14520.
  30. Intawongse M., Dean J.R. Uptake of heavy metals by vegetable plants grown on contaminated soil and their bioavailability in the human gastrointestinal tract // Food Additives and Contaminants. 2006. V. 23. P. 36–48. https://doi.org/10.1080/02652030500387554
  31. Järup L. Hazards of heavy metal contamination // British Medical Bulletin. 2003. V. 68. P. 167–182. https://doi.org/10.1093/bmb/1dg032
  32. Komárek M., Cadková E., Chrastny V., Bordas F., Bollinger J.C. Contamination of vineyard soils with fungicides: a review of environmental and toxicological aspects // Environ. Int. 2010. V. 36. P. 138–151. https://doi.org/10.1016/j.envint.2009.10.005
  33. Liu H., Xie J., Cheng Zh., Wu X. Characteristics, chemical speciation and health risk assessment of heavy metals in paddy soil and rice around an abandoned high-arsenic coal mine area, Southwest China // Minerals. 2023. V. 13. P. 629. https://doi.org/10.3390/min13050629
  34. Luo L., Ma Y., Zhang S., Wei D., Zhu Y.G. An inventory of trace elements inputs to agricultural soils in China // J. Environ. Management. 2009. V. 90. P. 2524–2530. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2009.01.011
  35. Meng J., Wang L., Zhong L.B., Liu X.M., Brookes P.C., Xu J.M., Chen H.J. Contrasting effects of composting and pyrolysis on bioavailability and speciation of Cu and Zn in pig manure // Chemosphere. 2017. V. 180. P. 93–99. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.04.009
  36. Priority pollutant list. Website: https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-09/documents/priority-pollutant-list-epa.pdf
  37. Recatalá L., Sacristán D., Arbelo C., Sánchez J. Can a single and unique Cu soil quality standard be valid for different Mediterranean agricultural soils under an accumulator crop? // Water, Air and Soil Pollution. 2012. V. 223. P. 1503–1517. https://doi.org/10.1007/s11270-011-0960-0
  38. Romic M., Romic D. Heavy metals distribution in agricultural topsoils in urban area // Environ. Geology. 2003. V. 43. P. 795–805. https://doi.org/10.1007/s00254-002-0694-9
  39. Rooney C.P., Zhao F.J., McGrath S.P. Soil factors controlling the expression of copper toxicity to plants in a wide range of European soils // Environ. Toxicology Chem. 2006. V. 25. P. 726–732. https://doi.org/10.1897/04-602R.1
  40. Sacristán D., Carbó E. Copper contamination in Mediterranean agricultural soils: soil quality standards and adequate soil management practices for horticultural crops // Soil Contamination – Current Consequences and Further Solutions. Ch. 4. INTECH, 2016. P. 64–83. https://doi.org/10.5772/64771
  41. Seraj F., Rahman T. Heavy metals, metalloids, their toxic effect and living systems // Am. J. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 2626–2643. https://doi.org/10.4236/ajps.2018.913191
  42. Sereni L., Guenet B., Lamy I. Mapping risks associated with soil copper contamination using availability and bio-availability proxies at the European scale // Environ. Sci. Poll. Res. 2023. V. 30. P. 19828–19844. https://doi.org/ 10.1007/s11356-022-23046-0
  43. Sharma R.K., Agrawal M. Biological effects of heavy metals: An overview // J. Environ. Biol. 2005. V. 26. P. 301–313.
  44. Slack A.W., Kane J.M., Knapp E.E., Sherriff R.L. Contrasting impacts of climate and competition on large sugar pine growth and defense in a fire-excluded forest of the central Sierra Nevada // Forests. 2017. V. 8. P. 244. https://doi.org/10.3390/f8070244
  45. Tóth G., Hermann T., Da Silva M.R., Montanarella L. Heavy metals in agricultural soils of the European Union with implications for food safety // Environ. Int. 2016. V. 88. P. 299–309. https://doi.org/10.1016/j.envint.2015.12.017
  46. Uddin M.K. A review on the adsorption of heavy metals by clay minerals with special focus on the past decades // Chem. Engineering J. 2017. V. 308. P. 418–462. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.09.029
  47. Violante A., Cozzolino V., Perelomov L., Caporale A.G., Pigna M. Mobility and bioavailability of heavy metals and metalloids in soil environments // J. Soil Sci. Plant Nutrition. 2010. V. 10. P. 268–292. https://doi.org/10.4067/S0718-95162010000100005
  48. Wei B., Yang L. A review of heavy metal contaminations in urban soils, urban road dusts and agricultural soils from China // Microchem. J. 2010. V. 94. P. 99–107. https://doi.org/10.1016/j.microc.2009.09.014
  49. Zwolak A., Sarzyńska M., Szpyrka E., Stawarczyk K. Sources of soil pollution by heavy metals and their accumulation in vegetables: a review // Water Air Soil Poll. 2019. V. 230. P. 164. https://doi.org/10.1007/s11270-019-4221-y

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Additional Materials
Download (16KB)
3. Fig. 1. The MAC curve calculated using formula (2) corresponding to the critical value МХ0 (the length of the above-ground part at Labg0 = 44.29 cm). The gray strip shows the error zone.

Download (184KB)
4. Fig. 2. The relationship between the content of (Fe + Al)sub in points and the results of the analysis, expressed as a percentage: 1 – experimental points, 2 – calculated line (according to data from [8]).

Download (74KB)
5. Fig. 3. MAC curves calculated using equation (11) for Buf(new) (1) and equation (5) for Buf(old) (2) with a 15% reduction in the length of the above-ground part of barley. The vertical segments show errors in Buf(new) (±3.32 points) and in Buf(old) (±4.24 points).

Download (192KB)
6. Fig. 4. Comparison of Buf(new), calculated after complete statistical processing of the experimental results (equation (11)) with Buf(old), calculated using Ilyin’s method (equation (5)).

Download (116KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences