有機改良剤の適用により嫌気性土壌中のヒ素の溶解が促進される: 酸性洗剤

Scientific Reports volume 13、記事番号: 217 (2023) この記事を引用

602 アクセス

1 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

有機改良剤 (OAM) を適用すると、水田土壌におけるヒ素 (As) の溶解が促進されることがよくあります。したがって、As の溶解範囲を決定する OAM の特性を理解することは、適切な土壌管理にとって不可欠です。 As の溶解は微生物の呼吸によって引き起こされる土壌酸化還元電位の低下に伴って増加するため、OAM の分解性は改良土壌における As の溶解を制御する重要な要素である可能性があります。我々は、OAM 中の酸性洗剤可溶性有機物 (ADSOM、主に非繊維有機物とヘミセルロースで構成される) の含有量が、OAM を添加した土壌での As の溶解を促進する OAM の可能性を推定するのに役立つのではないかという仮説を立てました。したがって、2 つの対照的な土壌タイプ、Andosol と Fluvisol を 24 種類の異なる OAM と混合し、14 週間嫌気培養しました。土壌 Eh および溶存 As 含有量の変化を培養期間を通じて監視し、固相中の As 種および土壌中の第一鉄 (Fe(II)) 含有量を培養 2 週間および 6 週間後に測定した。 OAM を含む土壌中の ADSOM 含有量が高いほど、土壌中の溶解 As 含有量は高くなり、Eh 値は低くなります。溶存 As は、2 週間および 6 週間のインキュベーション後の固相中の As(III) の割合および Fe(II) 含有量とも正の相関があり、ADSOM の分解が土壌条件の低下につながり、それによって As(V) の減少が促進されたことを示しています。 As を含む Fe 酸化物とその後の As の溶解。 Andosol の溶存 As 含有量は Fluvisol よりも 2 桁低いにもかかわらず、結果は 2 種類の土壌間で一貫していました。これは、ADSOM が水田土壌に適用された場合、As の溶解を促進する OAM の可能性を示す顕著な指標となり得ることを実証した最初の研究です。

ヒ素 (As) は、無機 As および有機種として土壌中に遍在的に存在します。水田の土壌は栽培期間の一部に浸水するため、稲が土壌から As を吸収しやすい条件が作られます1。長期にわたる土壌浸水は、水田土壌中の溶存 As 濃度の増加を引き起こします。土壌微生物の呼吸により土壌の酸化還元電位が低下し、その結果、土壌中で As(V) が As(III) に還元されます。 As(V) と As(III) はどちらも、Fe 酸化物、アルミニウム (Al) 鉱物、粘土鉱物などの広範囲の土壌鉱物に吸着されます 2、3、4。ただし、これらの鉱物への As(III) の吸着は、As(V)2、5、6 の吸着よりもはるかに低いですが、As(V) と同等以上の量の As(III) が、中性付近の pH7 で Fe 酸化物に吸着されます。、8。さらに、共存する溶存有機物 (DOM) と溶存陰イオンは、As9、10、11 と吸着サイトを競合することにより、土壌および関連物質からの As の溶解を増加させます。これは、As(V) よりも As(III) でより顕著に起こります。弱酸性から中性pH8、10。したがって、As(V) が As(III) に還元されると、土壌中の固相から As が溶解します。 As と Fe は土壌溶液中で密接かつ正の関係にあるため、嫌気性土壌からの As の放出は、As を含む Fe 酸化物の還元溶解からも生じると考えられています。しかし、最近の研究では、放出された As は新たに形成された二次 Fe 相に取り込まれるため、As を含む Fe 酸化物を還元しても必ずしも溶解 As 含有量の増加を引き起こすわけではないことが実証されています。それにもかかわらず、Fe 酸化物の長期にわたる還元と溶解により、最終的に土壌中の溶液相への As の放出が引き起こされます 16。

水田土壌における有機改良剤（OAM）の補足的使用は、稲作の化学的特性と栄養状態を改善するために最近再評価されています17,18。水田での OAM の使用は、化学肥料の必要性を減らしたり、化学肥料に取って代わったりするのに役立つため有益です。しかし、As を可溶化する能力は懸念事項です。 OAM は還元プロセスを加速し、土壌中の DOM 含有量を増加させることができますが、OAM の適用により利用可能な As 含有量が減少し、それによってイネの As 濃度が低下します 19,20。これは、As が腐植物質で固定されているか、DOM と複合体を形成しているために起こる可能性があります 21,22。一方、これはおそらくより頻繁に起こりますが、OAM 施用により、より多くの As が嫌気性土壌の溶液相に溶解し、イネによる As の取り込みが促進されます 23,24。 Suda と Makino 25 は、OAM の適用による嫌気性土壌における As 溶解の増加が、適用された OAM の生分解性に密接に関連する土壌還元の加速によって説明できることを実証しました (つまり、As(V ) および As を含む Fe 酸化物)、収着サイトに対する競合物質の含有量の増加によるものではありません。

90%) dissolved As appeared as As(III) at higher dissolved As concentrations (> 10 μg kg−1), thus supporting previous observation39./p> 0.936, p < 0.001 for both types of soils; Fig. 4). Notably, cumulative dissolved As in A-soil responded to the application of OAMs to a lesser extent compared to that in F-soil. According to the rough estimation from Fig. 4, cumulative dissolved As doubles when 0.5% wt of an OAM containing 100 g kg−1 of ADSOM is added to F-soil, and an OAM containing 250 g kg−1 ADSOM is added to A-soil. However, the ratios of cumulative dissolved As for F-soil and A-soil were highly rank-correlated (rs = 0.977, p < 0.001) despite their contrasting properties and the difference in their sensitivity to OAM applications. These results corroborated that the ADSOM content of OAMs could be used as an indicator to select appropriate OAMs based on their potential to increase the ratio of As dissolution against OAM-free soils irrespective of their properties. Note that total As contents and soil properties such as mineralogy should be considered while evaluating the absolute values of dissolved As./p> 0.905, p < 0.01 for F-soil, rs > 0.857, p < 0.05 for A-soil), as well as a decrease in soil redox potential (Supplementary Table S3). Moreover, there is a strong positive rank correlation between As(III) in solid phases and dissolved As in soils (Figs. 5 and 7; rs > 0.967, p < 0.001 for F-soil, rs > 0.850, p < 0.01 for A-soil), which is consistent with a previous study13 since the affinity of As(III) for soil solid phases is generally lower than that of As(V)39,45. Thus, ADSOM in applied OAMs was demonstrated to enhance As(V) reduction and subsequent As dissolution through its microbial decomposition during anaerobic conditions./p>