Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

De totale concentratie van een spoorelement in de bodem, zoals die van koper (Cu), nikkel (Ni), zink (Zn) en cadmium (Cd) neemt toe in de loop van de tijd door diffuse contaminatie. Deze metalen zijn toxisch bij verhoogde concentraties. De biobeschikbaarheid van deze metalen kan in de tijd echter afnemen en het risico, uitgaande van de toenemende totale concentratie, deels tenietdoen. De term ‘fixatie’ wordt hier gebruikt, refererend naar de trage immobilisatie reacties die plaatsgrijpen in de weken en jaren na de snelle (uren) immobilisatie reacties. De doelstellingen van dit onderzoek zijn: de grootte van de metaalfixatie (Ni, Zn, Cd en Cu) in verschillende bodems karakteriseren, na te gaan in welke bodembestanddelen metaalfixatie gebeurt en de rol van fixatie op de metaal beschikbaarheid voor planten identificeren. De onderliggende hypothese is dat fixatie plaatsvindt in micro-poreuze amorfe ijzer-oxyhydroxides en carbonaten aanwezig in de bodem. Achtentwintig bodems met verschillende eigenschappen (pH 3.4-7.7) werden bemonsterd, gecontamineerd met een relevante dosis Ni, Zn, Cd en Cu zouten en geïncubeerd in open lucht met vrije drainage gedurende 850 dagen. De bodemstalen werden o.a. bemonsterd in twee toposequenties (Spanje, Vietnam) met variërende verweringsgraad en ijzerconcentraties en in 13 Europese bodems, gaande van zure podzols tot kalkrijke cambisols. Fixatie werd gemeten als de toename van de fractie toegevoegd metaal die niet isotopisch uitwisselbaar was en bedroeg, gemiddeld voor alle bodems, 43% voor Cu, 41% voor Zn, 41% voor Ni en 28% voor Cd na 850 dagen incubatie. Fixatie van Cd, Zn en Ni werd hoofdzakelijk verklaard door pH en was er positief mee gecorreleerd. Metaal gefixeerde fracties voor Zn, Ni en Cd in de toposequenties waren positief gecorreleerd met de totale ijzer concentratie. Gefixeerde Zn en Cd fracties in de bodems met pH > 7 stegen initieel met stijgende concentraties van carbonaat in de bodem. Wanneer 50% van de aanwezige carbonaten verwijderd werd door aanzuren, werden gefixeerde hoeveelheden van Zn, Ni en Cd significant vrijgesteld. De gefixeerde Cu fracties waren het minst gecorreleerd met bodemeigenschappen. Deze data suggereren dat fixatie gerelateerd is aan pH afhankelijke diffusie in oxyhydroxides (Cd, Zn en Ni) en aan diffusie/co-precipitatie in carbonaten (Cd, Zn). Fixatie van Ni bij pH neutrale condities kan ook gerelateerd zijn aan de vorming van stabiele neerslagen in de bodem. De rol van de structuur en kristalliniteit van ijzer-oxyhydroxides bij metaalfixatie werd onderzocht in 4 synthetische ijzer-oxyhydroxides (gehydrateerd ijzerhydroxide (HFO), ferrihydriet (FH), goethiet (GT), hematiet (HT)). De kinetiek van metaaladsorptie werd gekarakteriseerd in oxyhydroxide suspensies gedurende 70 dagen incubatie bij verschillende initiële metaal concentraties en verschillende pH waardes (3.8-7.0) die constant gehouden werden doorheen de tijd. De trage reacties, gedefinieerd als deze die na 1 dag plaatsvonden, waren het meest uitgesproken in GT en het minst in HT. Verrassend genoeg was de grootte van de trage reacties niet gecorreleerd met de kristalliniteit of de microporositeit. Amorfe hydroxides zoals HFO ontplooien waarschijnlijk in een suspensie waarbij ze hun specifiek oppervlak vergrootten maar hun micro-porositeit en hun capaciteit voor metaal diffusie verkleinen. De gefixeerde metaalfracties, gemeten via isotopische dilutie, waren na 70 dagen incubatie in de GT suspensie 90% voor Ni, 90% voor Zn en 54% voor Cd. Freundlich adsorptie isothermen, gefit op de data, toonden aan dat de metaalconcentraties in oplossing afnamen tussen 1 en 70 dagen incubatie met een factor 2 tot 30 voor Ni, een factor 1 tot 20 voor Zn en een factor 1 tot 4 voor Cd, afhankelijk van het type oxyhydroxide. Deze factoren waren significant groter voor lagere Ni en Zn concentraties bij sommige oxyhydroxides. Deze concentratie afhankelijkheid suggereert dat trage reacties niet enkel gerelateerd zijn aan diffusie, maar dat substitutie voor ijzer in de oxyhydroxide structuur mogelijk is, zoals aangetoond is door spectroscopische data in de literatuur. De grootte van trage reacties in GT nam af bij dalende pH en was kleiner dan een factor 2 na 70 dagen incubatie op pH 3.7. De rol van organische stof op de metaalfixatie werd bestudeerd voor humuszuren en veen stalen. Metaal fixatie werd gemeten als de toename van de fractie toegevoegd metaal dat niet isotopisch uitwisselbaar was na 70 dagen incubatie met de organische stof op pH 7. De metaal gefixeerde fracties varieerden tussen niet significant verschillend van nul tot maximaal 31% en was, gemiddeld voor de 5 organische stof stalen, 19% voor Cu, 17% voor Zn, 7% voor Ni en 8% voor Cd. Deze resultaten tonen aan dat de grootste hoeveelheid toegevoegd metaal reversiebel bindt met organische stof, hoewel een statistisch significante fractie kan gefixeerd worden. Bodem organische stof en oxyhydroxides vormen de dominante reactie oppervlakken voor metaal binding in de bodem. Bodem organische stof kan daardoor een deel metaal in een reversiebele binding houden en de fixatie op ijzer-oxyhydroxides limiteren. Een model, bestaande uit ijzer-oxyhydroxides en amberliet (als een model voor organische stof met volledig reversiebele binding) werd ontwikkeld en toonde aan dat relatieve veranderingen in oplosbaar Ni gedurende lange termijn reacties met goethiet significant kleiner waren wanneer amberliet toegevoegd werd aan het systeem. Amberliet gedraagt zich als een reversiebele fractie die de trage adsorptie reacties van Ni op oxyhydroxides limiteert. De analyse van de data bij het model, suggereerde dat er geen interacties waren tussen beide sorbenten. De metaal oplosbaarheid (in CaCl2 extracten) in de 28 bodems doorheen de 850 dagen durende incubatie periode werd voorspeld met een assemblage model (WHAM 6) dat bodem organische stof, ijzer oxyhydroxides en kleimineralen als reactieve oppervlakken beschouwt. De voorspellingen waren enkel succesvol wanneer er voor de ijzer oxyhydroxides een specifiek oppervlak van 600 m2/g aangenomen werd. Het tijdseffect op de oplosbaarheid werd geïncorporeerd door gebruik te maken van de gemeten isotopisch uitwisselbare metalen als reactieve metaalfractie. Deze voorspellingen waren beter dan wanneer er gebruik gemaakt werd van totale concentraties metaal in de bodem. De geobserveerde fixatie in pure ijzer-oxyhydroxides werd gebruikt om metaalfixatie in de bodems te voorspellen met een 2-componenten additief model zoals hierboven beschreven. Het assemblage model (WHAM 6) voorspelde de fractie totaal metaal aanwezig op de ijzer-oxyhydroxide oppervlaktes wanneer de metalen initieel toegevoegd werden aan de bodem. Deze fractie steeg bij toenemende pH. De geobserveerde versus voorspelde gefixeerde metaal fracties kwamen redelijk overeen voor Ni en Zn wat aantoont dat trage adsorptie reacties in ijzer oxyhydroxides in staat zijn om de verouderingsreacties in bodems te verklaren. Uiteindelijk werd nagegaan of veroudering de metaalbeschikbaarheid voor planten reduceerde. Italiaans raaigras (Lolium perenne L.) werd tegelijk gegroeid op de 28 verschillende bodems die met metaalzouten gecontamineerd waren en meer dan twee jaar verouderd werden en op de corresponderende vers gecontamineerde bodems met dezelfde totale metaal concentraties. Plantengroei was succesvol op 19 van de 28 bodems. Veroudering reduceerde Ni concentraties in de plant significant in 6 bodems en Cd en Zn concentraties in 3 bodems. Veranderingen van metaal concentraties in planten werden verklaard door veranderingen in oplosbare metaalconcentraties voor Ni of door isotopisch uitwisselbare concentraties voor Ni en Cd. Jammer genoeg was er een significant effect van veroudering op de plantopbrengst in verschillende bodems, die het effect op plant metaalconcentraties overschaduwde. Een multivariaat analyse, inclusief de plantenopbrengst, toonde aan dat verouderingseffecten op de opname van Cd, Ni en Zn significant waren wanneer totale bodem metaalconcentraties gebruikt werden, terwijl de isotopisch uitwisselbare metaalfracties deze verouderingseffecten verklaarden. Hierbij werd voorspeld dat Cd en Ni concentraties in de plant proportioneel afnamen bij dalende isotopisch uitwisselbare metaalfracties tijdens veroudering. Er werd besloten dat veranderingen in metaalbeschikbaarheid door veroudering relatief klein zijn vergeleken met andere factoren die de metaalbeschikbaarheid beïnvloeden. Onze data tonen aan dat Zn, Ni, Cu en Cd geleidelijk kunnen gefixeerd worden en een verminderde beschikbaarheid kunnen hebben bij veroudering, hoewel de grootte van deze reacties, uitgedrukt als een reductie in labiele fractie, kleiner is dan een factor 5 op enkele uitzonderingen na zoals Ni in hoge pH bodems en Zn in bodems met hoge concentraties aan carbonaten. Bovendien suggereren onze data dat fixatie plaatsgrijpt in ijzer oxyhydroxides en in carbonaten en dat de binding op bodem organische stof hoofdzakelijk reversiebel is. De micro-porositeit van Fe-oxyhydroxides in de bodem speelt vermoedelijk een rol bij deze trage reacties, hoewel er geen mogelijkheid is om deze factor te kwantificeren. Metaalfixatie vermindert de metaal beschikbaarheid, maar verouderingseffecten op biobeschikbaarheid worden overschaduwd door andere factoren die ook de biobeschikbaarheid beïnvloeden en die ook kunnen veranderen tijdens veroudering. The total concentrations of trace metals such as Cu, Zn Ni and Cd increase with time in the majority of soils due to diffuse contamination. These metals become toxic at elevated concentrations. The bioavailability of these metals can decrease over time by fixation reactions in soil and can partly offset the risk due to increasing total metal concentrations. The term fixation is used here with reference to the slow immobilization reactions that take place in the weeks and years after the short-term (hours) immobilisation reaction. The objectives of this work are to characterize the extent of fixation of metals (Ni, Zn, Cd and Cu) in various soils, to assess which soil constituents are involved in metal fixation and to identify the role of fixation on metal availability to plants. It is postulated that metal fixation takes place in micro-porous amorphous iron (Fe) oxyhydroxides and in carbonates. Twenty eight soils with varying properties (pH 3.4-7.7) were sampled, contaminated with an environmental relevant dose of Ni, Zn, Cd and Cu and incubated in open air with free drainage for 850 days. Soils included two toposequences (Spain, Vietnam) with varying weathering stage and concentrations of Fe oxyhydroxides, and 13 European soils ranging from acid podzols to calcic cambisols. Fixation was measured as the increase of the fraction of added metals that was not isotopic exchangeable and was, on average among all soils, 43% (Cu), 41% (Zn), 41% (Ni) and 28% (Cd) after 850 days. Fixation of Cd, Zn and Ni was mainly explained and positively correlated with pH. Metal fixation within samples from each toposequence was positively related to total Fe oxyhydroxide concentration for Zn, Ni and Cd. Fixation of Zn and Cd in soils with pH > 7.0 increased with increasing concentrations of carbonates at initial ageing times. Fixed fractions of Zn, Ni and Cd were significantly released when experimentally removing 50% of carbonates by acidification. Fixation of Cu was most poorly related to soil properties. These data suggest that fixation is related to a pH dependent diffusion into oxyhydroxides (Cd, Zn and Ni) and to a diffusion/coprecipitation in carbonates (Cd, Zn). Fixation of Ni at pH neutral conditions may also be related to stabilisation of precipitates which readily form in soil. The role of Fe-oxyhydroxide structure and crystallinity on metal fixation was studied using 4 synthetic Fe oxyhydroxides (Hydrous Ferric Oxide (HFO), Ferrihydrite (FH), Goethite (GT), Hematite (HT)). Metal adsorption kinetics was characterised in suspensions during 70 days at varying initial metal concentration and various pH values (3.8-7.0) maintained within 0.2 units. The slow reactions, defined as those occurring beyond day 1, were most pronounced in GT and least in HT. The extent of slow reaction was surprisingly unrelated to crystallinity or microporosity as determined by N2 adsorption. Amorphous hydroxides such as HFO probably unfold in suspension thereby increasing their specific surface but reducing their micro-porosity and capacity for metal diffusion. Metals fixed on GT after 70 days, determined by isotopic exchange were 90% (Ni), 90% (Zn) and 54%Cd. Freundlich adsorption isotherms fitted to the data show that ageing between 1 and 70 days decreases metal concentrations in solution by factors 2-30 (Ni), 1-20 (Zn) and 1-4 (Cd) depending on the type of oxyhydroxide. These factors become significantly larger at lower concentration for Ni and Zn in some oxyhydroxides. This concentration dependency suggests that slow reactions are not only related to diffusion but that substitution for Fe in the structure might be involved as confirmed by spectroscopic evidence elsewhere. The extent of slow reactions on metal immobilization on GT decreased with decreasing pH and was less than a factor 2 within 70 days at pH 3.7. The role of soil organic matter on metal fixation was studied in humic acids and peat samples. Metal fixation was measured as the increase of the fraction of added metals that was not isotopic exchangeable after 70 days incubating the organic matter fractions with metals in suspensions at pH=7. Metal fixation varied from insignificantly different from zero to maximally 31% and was, on average for 5 organic matter samples, 19% (Cu), 17% (Zn), 7% (Ni) and 8% (Cd). These results show that the majority of metal added to soil binds reversibly with organic matter although a statically significant fraction can be fixed. Soil organic matter and oxyhydroxides are the dominant reactive surfaces for metal binding in soil. Soil organic matter can, therefore, keep metal in a reversible pool and limit their fixation in Fe-oxyhydroxides. A model system consisting of Fe oxyhydroxides and amberlite (as a model for organic matter with fully reversible binding) was made and showed that the relative changes of soluble Ni during long-term equilibration with goethite were significantly smaller when a resin was added to the sorption system. The resin acts as a reversible pool that limits the slow reactions of Ni with oxyhydroxides. A data analysis by modeling suggested no interactions among both adsorbents. The solubility of metals in the 28 soils as a function of ageing was predicted with an assemblage model (WHAM VI) considering soil organic matter, Fe-oxyhydroxides and clay minerals as reactive surfaces. The predictions were only successful by adjusting the specific surface area of Fe-oxyhydroxides to a value of 600 m2/g. The effects of time on solubility was included by using the measured values of isotopic exchangeable metals as reactive metals and these predictions were better than using total metal concentrations. The fixation observed in the Fe-oxyhydroxide studies was used to predict metal fixation in soil with the 2-component additive model described above. The assemblage model predicted the fraction of total metal present on the iron oxyhydroxide surfaces at the start of soil spiking and this fraction increased with increasing pH. The observed versus predicted fixed fractions agreed reasonably well for Ni and Zn which show that slow adsorption reactions in iron oxyhydroxides are capable of explaining metal ageing in soils. Finally, it was checked if ageing also reduced metal availability to plants. Italian ryegrass was grown simultaneously on the 28 different soils spiked with a mixture of Ni, Zn, Cu and Cd salts and aged for > 2 years and on corresponding freshly spiked soils with the same total metal concentration. Ageing significantly reduced shoot Ni concentrations in 6 and Cd and Zn concentrations in 3 soils out of 19 on which growth was successful. Changes in shoot metal concentrations were significantly explained by corresponding changes of soluble soil metal concentrations for Ni or by isotopic exchangeable concentrations for Ni and Cd. Unfortunately, there was a significant effect of soil ageing on plant yield in several soils which confounded the effects on shoot metal concentrations. Multivariate analysis including yield showed that ageing effects on Cd, Ni and Zn uptake were significant when using total soil metal concentrations whereas the isotopic exchangeable fractions explained these ageing effects, thereby predicting that shoot Cd and Ni concentrations decreased proportionally with decreasing isotopic exchangeable fractions during ageing. It was concluded that changes in metal supply due to ageing were relatively small compared to other factors that affect metal bioavailability. Our data show that Zn, Ni, Cu and Cd can be gradually fixed and can have reduced availability by ageing reactions,

Academic collection --- 504 --- 631.416.8 --- 631.811.94 --- Environment. Environmental science --- Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Uptake of other metals by plants --- Theses --- 631.416.8 Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- 504 Environment. Environmental science

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

In deze studie werd een aanzet gegeven tot de ontwikkeling van humane biomonitoring(HBM) indicatoren in het kader van Milieurapportering in Vlaanderen (MIRA). Verschillende buitenlandse HBM-campagnes, en hierop gebaseerde bestaande indicatoren, werden doorgelicht. Informatie werd gevonden bij o.a. de Verenigde Staten, Canada, Zweden en de WereldGezondheidsOrganisatie (WGO). Op basis van wat in deze indicatoren vermeld stonden wat de leemtes waren, werden criteria verzameld die nuttig waren voor de ontwikkeling van de Vlaamse indicatoren. Tevens werd rekening gehouden met in de literatuur vermelde criteria aan welke een goede indicator moet voldoen (biologische, methodologische,maatschappelijke relevantie). Eén van de leemtes in de buitenlandse HBM-indicatoren is de afwezigheid van gezondheidskundige toetsingswaarden (GTW) uitgedrukt als lichaamsbelastingen een weergave van hoe de HBM-resultaten zich ten opzichte van deze waarden verhouden. Hieruit kan afgeleid worden of er mogelijk een gezondheidsrisico is. In de wetenschappelijke literatuur zijn er voor sommige chemische stoffen wel GTW’s beschikbaar of kunnen deze mogelijk afgeleid worden uit toxicologische, epidemiologische data.Voor de ontwikkeling van de Vlaamse indicatoren werd gekeken naar de biomerkers waarvoor er metingen gebeurden in meer dan één HBM-campagne zodat een evolutie in detijd kon bepaald worden. Ook werd nagegaan of er mogelijk GTW’s konden afgeleid worden,of indien niet, er corresponderende buitenlandse HBM data beschikbaar waren om toch een referentie te hebben. Er werden zes indicatorfiches ontwikkeld:1) Perfluoroctaanzuur in navelstrengserum van pasgeborenen2) Cadmium in bloed van jongeren3) Lood in navelstrengbloed van pasgeborenen4) Polychloorbifenylen (PCB’s) in serum van jongeren5) Hexachloorbenzeen in serum van volwassenen6) Arseen in urine van jongeren. Indien beschikbaar, werden voor deze chemische stoffen de meest relevante GTW’s geselecteerd/afgeleid zodat de HBM-data in perspectief konden geplaatst worden. Eeneerste versie van dit rapport werd afgewerkt in januari 2016. Toen werd gesteld dat een ruimere discussie met experten en beleidsmakers over de te selecteren GTW’s wenselijk was. In september 2016 werd daarom een expertenoverleg gehouden omtrent de te hanteren GTW’s en de grafische weergave van de indicatoren. De resultaten van dit overleg werden gerapporteerd binnen het Steunpunt Milieu en Gezondheid (Cornelis et al., 2016).De genomen beslissingen werden geïntegreerd in de huidige versie van het rapport.In elke fiche is een omschrijving gegeven van de blootstelling en de mogelijke gezondheidseffecten. De evolutie in de tijd van de HBM data wordt geschetst. Verder wordt,indien mogelijk, het gezondheidsrisico besproken aan de hand van een vergelijking van de HBM-data met de GTW’s. In afwezigheid van GTW’s wordt een vergelijking gemaakt met HBM-data uit buitenlandse literatuur. Als laatste wordt het beleidskader besproken.

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)