Choose an application

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

631.416.8 --- 631.811.94 --- 631.416.8 Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Uptake of other metals by plants --- Soil pollution --- Congresses --- Metals --- Environmental aspects --- Toxicology --- Speciation

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)

Pharmacology. Therapy --- Metals and their compounds --- Metals --- Métaux --- Toxicology --- Toxicologie --- 615.9 --- 613.2-099 --- 631.416.8 --- -#IHE:BWET --- Metallic elements --- Chemical elements --- Ores --- Metallurgy --- General toxicology. General studies of poisons and poisoning (intoxication) --- Voedselvergiftiging --- Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Toxicology. --- 631.416.8 Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- 615.9 General toxicology. General studies of poisons and poisoning (intoxication) --- Métaux --- #IHE:BWET

Choose an application

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

Bodem microbiële processen zijn gevoelig aan verhoogde concentraties zware metalen, waaronder zink (Zn). Toevoegen van Zn2+ zouten aan onverontreinigde bodems in het labo veroorzaakt toxische effecten bij microbiële processen, vaak al bij Zn concentraties die binnen de range van natuurlijke achtergrondwaarden liggen. Het is daarom absoluut noodzakelijk om kritische zinkconcentraties te bepalen waarbij het bodem ecosysteem permanente schade ondervindt. Maar in langdurig verontreinigde bodems worden er dikwijls pas toxische effecten gevonden bij zinkconcentraties die veel hoger zijn dan de toxische concentraties uit labotesten. In dit onderzoek wordt het verschil in Zn toxiciteit bij de nitrificatie in labo of langdurig gecontamineerde bodems bestudeerd. De hypothese is dat dit verschil te wijten is aan een verschillende biobeschikbaarheid van Zn in beide systemen, en aan microbiële adaptatie. Langdurig Zn verontreinigde bodems werden bemonsterd in weiland nabij een gegalvaniseerde elektriciteitspyloon in Zeveren (Gent). De onderliggende bodem werd aangerijkt met Zn door corrosie van de pyloon, en de concentraties stegen van 1 mmol Zn kg-1 in ongecontamineerde bodem tot 25 mmol Zn kg-1 in de meest gecontamineerde bodem onder de pyloon. De potentiële nitrificatiesnelheid (PNS) in deze bodems was niet beïnvloed door de verhoogde Zn concentraties, maar het toevoegen van Zn2+ zout aan de ongecontamineerde bodem tot gelijke totale Zn concentraties veroorzaakte toxische effecten bij de PNS vanaf 1.8 mmol Zn kg-1. Het verschil in PNS tussen labo en langdurig gecontamineerde bodems wordt deels veroorzaakt door een verschillende Zn concentratie in poriewater. Zink tolerantie van de nitrificerende gemeenschap in langdurig verontreinigde bodem werd aangetoond door i) een lagere gevoeligheid van deze gemeenschap aan toegevoegd Zn dan de nitrificerende gemeenschap uit ongecontamineerde bodem na inoculatie van deze gemeenschappen in steriele, Zn verontreinigde bodem en doordat ii) de PNS van deze gemeenschap niet wijzigde na extra ZnCl2 toevoeging, terwijl de PNS van de gemeenschap uit ongecontamineerde bodem met 70% werd gereduceerd bij identieke Zn concentraties in oplossing. Bovendien werd met Denaturerende Gradiënt Gel Elektroforese (DGGE) aangetoond dat de structuur van de nitrificerende gemeenschap in de langdurig verontreinigde bodems veranderde met toenemende Zn concentraties. Er werd dus aangetoond dat de nitrificerende gemeenschap tolerant werd aan Zn door de langdurige blootstelling aan verhoogde Zn concentraties, en dat dit gepaard ging met een wijziging van de gemeenschapsstructuur. De afwezigheid van Zn toxiciteit in langdurig verontreinigde bodems werd deels verklaard door de verlaagde Zn concentraties in poriewater. Dit suggereert dat Zn biobeschikbaarheid gerelateerd is met de vrije Zn2+ concentratie (of Zn2+ activiteit) in oplossing. Deze hypothese werd getest door de effecten van pH en ionische samenstelling op Zn toxiciteit te vergelijken in een reeks labo verontreinigde bodems en in bodemloze culturen van Nitrosospira sp. NpAV. De Zn concentratie in oplossing waarbij de PNS werd gereduceerd met 20% (ZnEC20) varieerde 150-voudig in bodem en 50-voudig in de bodemloze culturen. Bovendien steeg de ZnEC20 met toenemende H+, Ca2+ en Mg2+ concentraties in oplossing, wat een beschermend effect van deze kationen tegenover Zn toxiciteit suggereert. Zink speciatie werd bepaald in de bodems en de bodemloze culturen, en de vrije Zn2+ activiteit (Zn2+)EC20 bij de ZnEC20 werd gemodelleerd met een Biotisch Ligand Model (BLM) en een Freundlich-type model. Beide modellen houden rekening met de competitie van kationen voor de binding aan biotische liganden. De (Zn2+)EC20 in bodem en bodemloze culturen werd voorspeld door één set parameters voor elk model. Beide modellen waren geschikt voor de modellering en voorspelden de geobserveerde (Zn2+)EC20 binnen een factor 4. Deze resultaten suggereren dat de nitrificerende gemeenschap in bodem blootgesteld is aan Zn via het vrije Zn2+ ion in oplossing. Eerder toonden we aan dat Zn tolerantie geïnduceerd werd door de langdurige blootstelling van de nitrificerende gemeenschap aan verhoogde Zn concentraties, maar het proces van adaptatie aan verhoogde Zn concentraties kon echter niet bepaald worden. Daarom werden bodems, gecontamineerd met toenemende ZnSO4 concentraties, bemonsterd op verschillende tijdstippen in een veldexperiment in Spalding (Australië): binnen een week na toediening van de Zn zouten, en na 1, 2 en 3 jaar. Onmiddellijk na toedienen van de Zn zouten aan de bodem was de Zn concentratie waarop de PNS gereduceerd werd met 50% (ZnEC50) 15.5 mmol Zn kg-1, of 2.7 mM Zn in een 0.01 M CaCl2 bodem extract. Deze waarden stegen tot 39.5 mmol Zn kg-1 en 9.3 mM in een 0.01 M CaCl2 bodem extract na 2 jaar. Dit suggereert dat de nitrificerende gemeenschap in de Zn verontreinigde bodems adapteerde aan de verhoogde Zn concentraties binnen 2 jaar na Zn verontreiniging. Deze hypothese werd getest door de nitrificerende gemeenschap uit het ongecontamineerde bodemstaal en deze uit een Zn gecontamineerd bodemstaal (28.3 mmol toegevoegd Zn kg-1) van de verschillende staalnames bloot te stellen aan toenemende Zn concentraties in oplossing. Er werd duidelijk aangetoond dat het herstel van de PNS na 2 jaar gepaard ging met een verlaagde gevoeligheid van de nitrificerende gemeenschap in het Zn verontreinigd bodemstaal aan toenemende Zn concentraties. Het analyseren van de structuur van de nitrificerende gemeenschap met DGGE toonde een veranderde structuur en een afnemende diversiteit in de Zn verontreinigde bodemstalen in vergelijking met het ongecontamineerde staal. Er werd besloten dat het herstel van de PNS gepaard ging met Zn tolerantie, maar dat het niet gekoppeld was met een herstel van de diversiteit van de nitrificerende gemeenschap. De structuur van de nitrificerende gemeenschap veranderde met toenemende Zn concentraties in de langdurig gecontamineerde bodems uit het Zeveren transect, en de gemeenschap werd meer tolerant aan Zn. Het is echter onduidelijk of deze structurele wijziging en Zn tolerantie de gevoeligheid van het nitrificatie proces aan andere stress factoren beïnvloeden. Deze hypothese werd getest door de ongecontamineerde bodem en 4 langdurig gecontamineerde bodemstalen met toenemende Zn concentraties (4-24 mmol Zn kg-1) en dus ook toenemende Zn tolerantie, bloot te stellen aan additionele stressfactoren (een toxisch pesticide, vries-dooi cycli of droog-nat cycli). De ‘weerstand’ van de nitrificerende gemeenschap aan de extra stress factoren werd bepaald door de PNS te meten onmiddellijk na blootstelling, en het herstelvermogen werd bepaald door de PNS te meten na 3 weken incubatie (‘veerkracht’). De resultaten toonden aan dat zowel de ‘weerstand’ als de ‘veerkracht’ van de nitrificerende gemeenschap aan de extra stress factoren niet werden aangetast door de langdurige blootstelling aan de verhoogde Zn concentraties. We toonden aan dat de nitrificerende gemeenschap in langdurig Zn verontreinigde bodems zich aanpaste aan de verhoogde Zn concentraties. Dit uitte zich in een verlaagde gevoeligheid aan Zn en een gewijzigde gemeenschapsstructuur. Bovendien werd er aangetoond dat nitrificerende microorganismen in de bodem blootgesteld werden aan Zn via vrije Zn2+ ionen in oplossing. De combinatie van een verlaagde biobeschikbare Zn concentratie en een aanpassing van de nitrificerende gemeenschap aan verhoogde Zn concentraties is verantwoordelijk voor de afwezigheid van Zn toxiciteit in langdurig Zn verontreinigde bodems. Dit heeft echter geen gevolgen voor de gevoeligheid van het nitrificatie proces aan extra stress factoren. Soil microbial processes are sensitive to elevated trace metal concentrations such as zinc (Zn). Soils that are amended with Zn2+ salts in the laboratory reveal toxic effects at total soil Zn concentrations that are within the range of naturally occurring background Zn concentrations. These toxic effects are usually not identified in long-term Zn contaminated soil samples, even at total Zn concentrations that are several times larger than thresholds found in laboratory amended samples. The goal of this study is to identify the discrepancy of Zn toxicity to soil microbial processes between freshly amended soils and long-term contaminated soil samples. It is speculated that the discrepancy is related to differences in Zn bioavailability and to microbial adaptation. Long-term Zn contaminated soil was sampled near a galvanized electricity transmission tower in Zeveren (Belgium). Corrosion of the tower enriched the underlying soil with Zn, and total Zn concentrations increased from 1 mmol Zn kg-1 in uncontaminated soil to 25 mmol Zn kg-1 in the most contaminated soil under the tower. The Potential Nitrification Rate (PNR) in these soil samples was unaffected by the elevated Zn concentrations, whereas ZnCl2 spiking of the uncontaminated soil to similar total Zn concentrations reduced the PNR significantly at 1.8 mmol Zn kg-1. The PNR in Zn spiked and long-term contaminated soil samples was partly explained by different Zn concentrations in the pore water. Zinc tolerance of the ammonia oxidizing bacteria (AOB) community in long-term contaminated soil was demonstrated by showing that i) the community was less sensitive to Zn than the AOB community of uncontaminated soil when they were inoculated in sterile ZnCl2 spiked soil and ii) the PNR of the community was less affected by further ZnCl2 additions whereas the PNR of the AOB community of uncontaminated soil was reduced by more than 70% at equivalent soluble Zn concentrations. Furthermore, DGGE fingerprinting showed that the AOB community structure in long-term contaminated soil changed with increasing Zn concentrations compared to the AOB community of uncontaminated soil. This field survey illustrated a so-called Pollution Induced Community Tolerance (PICT) which was associated with a change in community structure. Different Zn concentrations in pore water between long-term and freshly spiked soil at similar total Zn concentrations partly explained the different PNR in both systems with increasing total Zn concentrations. This suggests that Zn bioavailability is related to the Zn concentration (or Zn2+ activity) in pore water. The hypothesis that soil solution Zn is the exposure pathway for soil micro-organisms was tested by comparing the effects of pH and ionic composition to Zn toxicity between a range of soils and soil-less solutions of Nitrosospira sp. NpAV. The Zn concentration at which the nitrification was reduced by 20% (ZnEC20) varied 150-fold between soils and 50-fold between soil-less solutions, and decreased with increasing H+, Ca2+ and Mg2+ concentrations in both systems, suggesting protective effects of these cations against Zn toxicity. Zn speciation was determined, and the Zn2+ activities at the ZnEC20 ((Zn2+)EC20) in both systems were modelled using a Biotic Ligand Model and a Freundlich-type model. Both models take into account cation competition for Zn toxicity. The (Zn2+)EC20 of soil and soil-less solutions were predicted using a single set of parameters per model. Both models performed equally well, and observed (Zn2+)EC20 were predicted within a factor 4. These results suggest that nitrifying organisms are exposed to Zn through the free Zn2+ ion in solution. The field survey showed that long-term exposure of the nitrifying community to elevated Zn concentrations increased its Zn tolerance. No information was obtained about the adaptation rate of the AOB community. Therefore, soils with increasing ZnSO4 amendments were sampled in a field trial in Spalding (Australia) within one week after metal addition and after 1, 2 and 3 years. Initially, the PNR was reduced by 50% (ZnEC50) at 15.5 mmol Zn kg-1 or at 2.7 mM Zn in a 0.01 M CaCl2 soil extract. The ZnEC50 increased to 39.5 mmol Zn kg-1 and 9.3 mM Zn after two years incubation in the field, suggesting Zn tolerance of the AOB community within 2 years after Zn spiking. This hypothesis was tested by adding different amounts of ZnCl2 to suspensions of uncontaminated and Zn contaminated (28.3 mmol added Zn kg-1) soil of the different sampling periods (i.e. soil that was sampled within one week after Zn spiking and after 1, 2 and 3 years incubation in the field). We showed that recovery of the PNR within 2 years after Zn addition was coupled to a decreased sensitivity of the AOB community to increasing Zn concentrations. DGGE fingerprinting revealed a changed AOB community structure and a decreased AOB diversity in Zn spiked, aged soil compared to uncontaminated soil. It was concluded that recovery of the nitrification was related to the development of Zn tolerance which was associated with a change of the AOB community. The development of tolerance (PICT) clearly indicates an effect of exposure to a toxic substance, but its ecological consequences are unclear. The relationship between Zn tolerance and ‘functional stability’ after applying additional stress factors was, therefore, further explored. The uncontaminated soil sample and 4 long-term Zn contaminated soil samples with increasing Zn concentrations (4-24 mmol Zn kg-1) and, hence, increasing Zn tolerance were exposed to a toxic pesticide (metamitron) or to three freeze-thaw or three dry-wet cycles. The immediate response of the soil samples (‘resistance’) and the ability of the soil samples to recover from the stressors after 3 weeks incubation (‘resistance’) were measured. It was found that, in general, tolerance did not negatively affect the functional stability of the AOB community. Overall, it is concluded that the AOB community in long-term Zn contaminated soil adapts to elevated Zn concentrations, as shown by i) a reduced Zn sensitivity and ii) a changed community structure, and that the AOB community is exposed to Zn through the free Zn2+ ion in solution. The combination of Zn adaptation and a decreased Zn bioavailability reduces the toxic effect of Zn in long-term Zn contaminated soil samples compared to the effects of Zn in freshly spiked soil samples. Adaptation of the AOB community to elevated Zn concentrations does not influence its sensitivity towards additional stressors. Nitrificatie in langdurig zink verontreinigde bodem: belang van de biobeschikbaarheid van zink en van de aanpassing van nitrificerende micro-organismen aan verhoogde zink concentraties Zink is een zwaar metaal dat van nature uit in elke bodem aanwezig is. Indien er extra zink wordt toegevoegd aan een bodem in het labo, en de activiteit van micro-organismen in deze labo-verontreinigde bodems wordt gemeten, stelt men meestal een afname van deze bacteriële activiteit vast. Dit effect kan reeds optreden bij zinkconcentraties die lager zijn dan de zinkconcentraties in onverontreinigde bodems met een hoge natuurlijke zinkconcentratie. In langdurig verontreinigde bodems daarentegen worden vaak geen toxische effecten gevonden van sterk verhoogde zinkconcentraties op de microbiële activiteit. In dit onderzoek wordt dit verschil in zink toxiciteit tussen labo-verontreinigde en langdurig zink verontreinigde bodems bestudeerd. Er wordt verondersteld dat het verschil te wijten is aan twee factoren. Enerzijds kan de zinkconcentratie waaraan de micro-organismen worden blootgesteld (‘biobeschikbare’ zinkconcentratie) lager zijn in langdurig verontreinigde bodems dan in labo-verontreinigde bodems door bijvoorbeeld binding van zink op bodemdeeltjes. Anderzijds kunnen de micro-organismen zich ook aanpassen aan de verhoogde zinkconcentraties (‘adaptatie’) in langdurig verontreinigde bodems, waardoor hun gevoeligheid aan zink afneemt. In deze studie wordt de nitrificatie (omzetting van ammonium naar nitraat door nitrificerende micro-organismen) in de bodem bestudeerd als microbieel proces. Langdurig zink verontreinigde bodemstalen werden bemonsterd in een weiland nabij een gegalvaniseerde elektriciteitspyloon. Door corrosie van de pyloon was de onderliggende bodem verontreinigd met zink. Ter controle werd in hetzelfde weiland een onverontreinigde bodem bemonsterd. De zinkconcentraties in de

Zinc --- Pollution du sol --- Soil pollution --- Toxicité --- toxicity --- Inhibiteur de nitrification --- Nitrification inhibitors --- Bactérie fixatrice de l'azote --- nitrogen fixing bacteria --- Propriété biologique --- biological properties --- Academic collection --- 631.46 --- 504 --- 631.416.8 --- Soil bacteriology. Soil biology --- Environment. Environmental science --- Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Theses --- 631.416.8 Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- 504 Environment. Environmental science --- 631.46 Soil bacteriology. Soil biology

Choose an application

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

Humic substances are highly-abundant organic compounds formed in soils and sediments by the decay of dead plants, microbes and animals. This book focuses on the important binding properties of these compounds which regulate the chemical reactivity and bioavailability of hydrogen and metal ions in the natural environment. Topics covered include the physico-chemical properties of humic matter and interactions of protons and metal cations with weak acids and macromolecules. Experimental laboratory methods are also discussed, together with mathematical modelling. Finally the author looks at how the results of this research can be used to interpret environmental phenomena in soils, waters and sediments. This comprehensive account of cation binding by humic matter is a valuable resource for advanced undergraduate and graduate students, environmental scientists, ecologists and geochemists.

Humic acid --- Cations. --- Ligand binding (Biochemistry) --- Binding, Ligand (Biochemistry) --- Biochemistry --- Dye-ligand affinity chromatography --- Radioligand assay --- Positive ions --- Ions --- Organic acids --- Derivatives. --- Mathematical models. --- Cations --- 631.413.4 --- 631.416.8 --- 631.417.2 --- 631.417.2 Humus content --- Humus content --- 631.416.8 Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- Metals and their compounds. Heavy metals in soil --- 631.413.4 Cation exchange --- Cation exchange --- Derivatives --- Mathematical models