Speciace rtuti v antropogenně kontaminované půdě

Ing. Adéla Šípková

Doctoral thesis

Mercury Speciation in the Anthropogenically Contaminated Soils

Abstract:

Rtuť a její sloučeniny patří mezi látky s vysokou potenciální toxicitou. Vyskytuje se ve velkém množství fyzikálních a chemických forem, které vykazují rozdílné vlastnosti a mají různě významný vliv na životní prostředí. Zjištění celkového obsahu Hg v půdě může posloužit jako základ posouzení rizik, která může kontaminace způsobit. Důležitější je ovšem stanovení jednotlivých sloučenin tohoto prvku, na nichž je závislý transport, akumulace a biodostupnost Hg. To do jisté míry souvisí také s typem a složením půdy. Proto byly v této práci popsány jednotlivé vzorky půd, zvláště pak obsah a složení organické hmoty. Pomocí inkubačních a sorpčních experimentů bylo zkoumáno rozložení rtuti v těchto vzorcích, její mobilita a míra sorpce a také vliv některý anorganických a organických aditiv. Bylo zjištěno, že v organické hmotě je rtuť vázána především na huminové kyseliny, a to až 45 % z celkového obsahu. Na rozdíl od většiny kovů je z velké části, přibližně 40 %, vázána také na fulvokyseliny, zbytek pak na hydrofilní sloučeniny. Jen méně než 0,4 % je vázán na hydrofobní neutrální organickou hmotu. Výsledky analýz ukázaly, že množství rtuti vázané na huminové kyseliny je nepřímo úměrné obsahu Mg, Mn, Fe a Cu, ovšem pouze v půdách s množství rtuti do 10 mg.kg-1. Silná pozitivní korelace byla také zjištěna mezi Hg a S. Množství a kvalita organické hmoty hrají důležitou roli v mobilitě rtuti v půdě. Z výsledků inkubačních pokusů se ukázalo, že nejmenší rozdíly v množství rtuti uvolněné z anorganický a organický sloučenin byly pozorovány v případě fluvizemě. Tato půda obsahovala nejvíce organické hmoty. Z porovnání jednotlivých vermikompostů byly pak největší rozdíly v mobilitě rtuti změřeny po přidání vermikompostu ze zahradního bioodpadu, který obsahoval nejvíce huminových kyselin. V dalších experimentech hodnotících vliv síry na sorpci rtuti bylo zjištěno, že největší imobilizační účinek z hodnocených sloučenin obsahujících S mělo přidání digestátu. Na rozdíl od popílku a síranu amonného zde k navázání Hg došlo nejenom díky zvýšení množství S v půdě, ale také vysokému obsahu organické hmoty. Pro odhad akumulace Hg v mikrobiální biomase a nalezení vhodných mikroorganismů pro bioremediaci kontaminované půdy byly provedeny pokusy s upravenými rhizoboxy. Výsledky experimentu ukázaly, že u Paenibacillus sp. by bylo vhodné dále testovat jejich schopnost akumulovat, transformovat, odpařovat Hg a případně využití k bioremediacím formou bioaugmetace půdy těmito organismy. Našimi experimenty bylo potvrzeno, že adsorpce Hg na povrch adsorbentů probíhá ve více vrstvách a u půd je intenzita sorpce rtuti vyšší než v případě vermikompostů. Na množství navázané rtuti mělo vliv také pH. Největší množství vázaného rtuti bylo zjištěno při nízkých hodnotách pH a vysokém obsahu huminových kyselin. Ukázalo se, že na chování rtuti v půdách mají větší vliv jednotlivé parametry půdy než sloučeniny obsahující síru použité k jejich ošetření, zejména sorpční kapacita půdy a obsah organické hmoty. Také vliv přídavku vermikompostu byl výraznější až po přidání násobných dávek, než jsou obecně přidávány, mobilita rtuti však díky nim byla snížena.

Abstract:

Mercury and its compounds belong to substances characteristic by their high potential toxicity. Mercury can be found in variety of chemical and physical forms, which have different characteristics and variable influence on the environment. The total Hg content may serve as a basis for the contamination risk assessment. The determination of particular Hg species can; however, be helpful in quantifying the transport, accumulation and bioavailability of Hg. These processes are also strongly influenced by a soil type and soil composition. This was the reason why the soils were thoroughly described in this study, namely the constitution of soil organic matter. The species distribution, mobility and sorption characteristics were described by means of incubation and sorption experiments. Additionally, the influence of chosen organic and inorganic amendments was investigated. In soil organic matter, humic acids proved to be a major bounding compound of mercury (up to 45 % of the total content). Contrastingly to majority of metals, approximately 40 % of total mercury is adsorbed on fulvic acids. The rest is comprised of complexes with hydrophilic substances. Finally, no more than 0.4 % is bound to hydrophobic neutral organic matter. The experiments revealed that the amount of mercury related to humic acids is indirectly proportional to Mg, Mn, Fe and Cu content (restricted to soil with the mercury content lower than 10 mg.kg-1). Strong positive relation was also found between mercury and sulphur content. The amount and quality of soil organic matter are important factors controlling mobility of mercury in soil. Incubation experiments demonstrated that the least differences in released mercury from organic and inorganic compounds were observed in the case of Fluvisol. This soil contained the highest amount of organic matter from all inspected soils. In vermicomposts, the most pronounced differences in the mobility of mercury were observed after the amendment of garden bio-waste material, containing the high amount of fulvic acids. Following experiments revealed that the most efficient mercury immobilization agent (out of compounds containing sulphur) was a digestate. Compared to fly ash and ammonium sulphate, the mercury was bound not only due to increased sulphur content in soil but also due to the higher organic matter content. Rhizobox experiments were used for the determination of the Hg accumulation in microbial community and for the identification of suitable microorganisms for the bioremediation of contaminated soil. The results indicated that Paenibacillus sp. is a promising microorganism for this purpose and it would be preferable to conduct further testing of its ability to accumulate, transform, evaporate and bioaugmentation of mercury. Finally, the sorption experiments confirmed that the adsorption of mercury is a multilayer process and the sorption intensity is higher in soil compared to vermicomposts. The highest amount of adsorbed mercury was found to be related with low pH values and high humic acids content. Soil properties (namely the sorption capacity and organic matter content) were identified as more important factors controlling mercury behaviour in soil compared to sulphur compounds characteristics utilised for the treatment. The influence of vermicompost amendment (decreasing the mobility of mercury) was also not significant until the doses exceeded significantly the ordinary used amount.

Keywords

rtuť, sorpce, půda

Keywords

sorption, soil, mercury

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 6. 2017

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jiřina Száková, CSc.
• Reader: Vladislav Chrastný, Ph.D., doc. RNDr., Tomáš Navrátil, externi, Viktor Kanický, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources