ناپویاسازی سرب در خاک آلوده توسط ترکیبات سیلیسیم (مطالعه موردی معدن سرب پاجی میانا)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد ،گروه علوم و مهندسی خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

2 استادیار ، گروه علوم و مهندسی خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

3 استاد، گروه علوم خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: امروزه آلودگی خاک با فلزات سنگین یکی از معضلات زیست محیطی و حائز اهمیت می‌باشد. خاک‌های اطراف معادن دارای غلظت بالایی از فلزات سنگین هستند که می‌توانند بر سلامتی انسان و سایر جانداران تاثیر گذار باشند. یکی از روش‌های ارزان برای اصلاح خاک‌های آلوده به فلزات سنگین، ناپویاسازی فلزات در خاک است. استفاده از ترکیبات سازگار با محیط زیست دارای توانایی ناپویاسازی فلزات در خاک، مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. بدین منظور، در این مطالعه از ترکیبات سیلیسیم جهت ناپویاسازی سرب در خاک آلوده استفاده گردید.
مواد و روش‌ها: در این آزمایش از چهار نوع ترکیب شامل کلسیم سیلیکات ، پتاسیم سیلیکات ، سدیم سیلیکات و سیلیسیم خالص در پنج غلظت ( 0، 50، 100، 200 و 400 میلی‌گرم سیلیسیم بر کیلوگرم خاک) استفاده شد. ترکیبات سیلیسیم به گلدان‌هایی که حاوی 700 گرم خاک آلوده به سرب بودند اضافه گردیدند و به مدت یک ماه در دمای محیط و رطوبت معادل ظرفیت زراعی نگه‌داری شدند. سپس سرب قابل دسترس نمونه‌ها با محلول DTPA استخراج و غلظت سرب توسط دستگاه جذب اتمی قرائت گردید. همچنین توزیع شکل‌های شیمیایی سرب قبل و بعد از اعمال تیمار با استفاده از عصاره‌گیری پی در پی انجام گرفت. این آزمایش به صورت فاکتوریل و در قالب طرح کاملا تصادفی و در سه تکرار انجام شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که از بین تمام تیمارهایی که اعمال گردید، کلسیم سیلیکات درغلظت 400 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک، توانست بیشترین میزان تثبیت سرب را نسبت به شاهد (54 % ) انجام دهد. به طور کلی هر چهار تیمار به کار برده شده در این آزمایش، در غلظت 400 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک دارای بیشترین میزان تثبیت سرب نسبت به سایر غلظت‌های کاربردی بودند. نتایج حاصل از عصاره‌گیری پی در پی نشان داد که با کاربرد ترکیبات سیلیسیم در خاک آلوده و افزایش غلظت از 50 به 400 میلی‌گرم در کیلو‌گرم خاک، شکل محلول و تبادلی، متصل به کربنات‌ها و متصل به اکسید آهن و منگنز کاهش و شکل باقی‌مانده سرب افزایش یافت. بیشترین میزان کاهش در شکل تبادلی، کربناتی و متصل به اکسید آهن و منگنز و بیشترین میزان افزایش در شکل باقی‌مانده، مربوط به تیمار کلسیم سیلیکات بود.
نتیجه‌گیری: در واقع با افزایش غلظت ترکیبات سیلیسیم استفاده شده، سطوح بیشتری از این ترکیبات جهت تثبیت در اختیار سرب قرار می‌گیرد. سیلیسیم می‌تواند با فلزات سنگین کمپلکس تشکیل دهد و از این طریق حلالیت آن‌ها را کاهش دهد. از میان ترکیبات سیلیسیم، کلسیم سیلیکات سطح ویژه بالاتری نسبت به پتاسیم سیلیکات و سدیم سیلیکات داشته که از این طریق می‌تواند یون‌های فلزی بیشتری را در سطح خود کمپلکس کند. پتاسیم سیلیکات و سدیم سیلیکات نیز به همین دلیل توانایی ببیشتری نسبت به سیلیسیم خالص در ناپویاسازی سرب داشته‌اند. بنابراین، سیلیسیم خالص کمترین توانایی در ناپویاسازی سرب داشت. به طور کلی استفاده از سیلیسیم و ترکیبات آن علاوه بر اینکه سازگار با محیط زیست بوده تا حدود زیادی می‌توانند از پویایی سرب در خاک بکاهند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Immobilization of Lead in contaminated soil by silicon compounds (Case Study of Lead Mine Paji Miana)

نویسندگان [English]

  • zohreh noori amirkolaei 1
  • Fardin Sadegh Zadeh 2
  • mohammad ali Bahmanyar 3
1 Department of Soil Science,Faculty of Agricultural Sciences,Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Mazandaran, Iran
2 Department of Soil Science, Faculty of Agronomy, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources university, Sari, Iran.
3 Department of soil science, Faculty of Agronomy, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Soil contamination with heavy metals is one of the main important environmental issues. Soils around mines have a high concentration of heavy metals that can affect the health of humans and animals. A cheap method to remediate soils contaminated with heavy metals is the, immobilization of heavy metals in soils. The use of environmentally friendly compounds that have the ability to immobilize of heavy metals in the soil environment has taken attention of many researchers. For this purpose, silicon compounds were used in the study to immobilize lead (Pb) in the contaminated soil.
Materials and methods: In this study, four types of compound such as calcium silicate, potassium silicate, sodium silicate and pure silicon were used at five concentrations (0, 50, 100, 200 and 400 mg / kg soil) in terms of Si content. The Silicon compounds were added to the pots containing 700 grams of Pb contaminated soil, and maintained for one month at ambient temperature and soil water content equivalent to field capacity. The available Pb was then extracted with DTPA and the Pb concentration was measured by atomic absorption. The distribution of chemical forms of Pb was determined before and after of incubation time with sequential extraction method. This experiment was carried out in a factorial arrangement in a completely randomized design with three replications.
Results: The results showed that among the 4 silicon compounds, calcium silicate at a concentration of 400 mg / kg soil had the highest rate (54%) of Pb stabilization. In general, all of four silicon compounds, at the concentration of 400 mg / kg soil, had the most Pb stabilization capability among the all of applied rates. The results of sequential extraction showed that by using silicon compounds in Pb contaminated soil and increasing the concentrations rates from 50 to 400 mg / kg the soluble and exchangeable form, the form attached to carbonates and the iron and manganese oxides reduced but the forms of Pb co-exist with organic matter and the residual form of Pb increased. The highest reduction in the form of exchangeable, carbonate and bounded to iron and manganese oxide, Conversely, the highest increase occurs in the form of residual and was belong to calcium silicate treatment.

Conclusion: In fact, by the increase of silicon compound rates application, more amount of these compounds are available for Pb immobilization. The Silicon can form a complex with heavy metals and thereby reduce the available concentration of them. The Calcium silicate has a higher specific surface area than potassium and sodium silicates, hence, it can initiate more complex with Pb ions. However, Potassium and sodium silicates had a greater ability to stabilize Pb ions than pure silicon. Therefore, pure silicon had less ability to decrease the available Pb concentration among the all treatments. In general, it can be concluded that silicon compounds are able to reduce the mobility of Pb ions in soil environment and these compound environmentally friendly compounds.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Immobilization
  • Silicon compounds
  • Pb contaminated soil

مراجع

 1.Accioly, A.M.D.A., Soares, C.R.F., and Siqueira, J.O. 2014. Calcium silicate to reduce heavy metal toxicity in eucalyptus seeding. Presqueis a Agropeceuaria Brasilia. 2: 44-55.
2.Adrees, M., Ali, S., Rizwan, M., Ibrahim, M., Abbas, F., Farid, M., Zia-ur-Rehman, M., Irshad, M.K., and Bharwana, S.A. 2015. The effect of excess copper on growth and physiology of important food crops: a review. Environmental Science and Pollution Research. 22: 8148-8162.
3.Ahmady-Asbchin, S., Andres, Y., Gerente, C., and Clarec, P. 2008. Biosorption of Cu from aqueous solution by facuse servantus. Biotechnology.99: 6150-6155. (In Persian)
4.Alexandorates, V.G. 2007. Arsenate uptake by calcite: macroscopic and spectroscopic characterization of mechanism. Geochimica et Cosmochimica Acta. 71: 4172-4187.
5.Alloway, B.J. 1995. Heavy metals in soils. John Wiley and Sons. Inc.New York.
6.Amiri, M., and Ouhadi, V.R. 2016. Evaluation of micro and nano-structure of cement hydration process in solidification and stabilization of Zn heavy metal contaminant at the presence of clayey soil. Modares Civil Engin. J. 71: 4172-4187. (In Persian)
7.Amos, O.F., Ababu, T.T., and Joseph, S.M. 2014. Assessment of mobility and bioavailability of heavy metals in sewage sludge from Swaziland through speciation analysis. Amer. J. Environ. Prot.3: 4. 198-208.
8.Bouyoucos, G.J. 1962. Hydrometer method improved for making particle size analysis of soils. Agron. J. 54: 464-465.
9.Chen, H.M., Zheng, C.R., Tu, C.,and She, Z.G. 2000. Chemical methods and phytoremediation of soil contaminated with heavy metals. Chemosphere. 41: 229-234.
10.Christie, P.J., Alfenito, M.R., and Walbot, V. 1998. Impact of low-temperature stress on general phenylpropanoid and anthocyanin pathways: Enhancement of transcript abundance and anthocyanin pigmentation in maize seedlings. Planta. 194: 541-549.
11.Cunha, K.P.V., da Nascimento, C.W.A., and do Silva, A.J. 2008. Silicon alleviates the toxicity of cadmium and zinc for maize (Zea mays L.) grown on a contaminated soil. J. Plant Nutr. Soil Sci. 171: 849-853.
12.Day, P.R. 1965. Particle fractionation and particle size analysis. P 545-566.In: C.A. Black, D.D. Evans, J.L.White, L.E. Ensminger, and F.E.Clark (eds), Methods of Soil Analysis, Part 1. American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin.
13.Guo, G., Zhou, Q., and Ma L.Q. 2006. Availability and assessment of fixing additives for the in situ remediation of heavy metal contaminated soils: a review. Environmental Monitoring and Assessment. 116: 513-528.
14.Hodson, M.J., and Evans, D.E.1995. Aluminium/silica interaction in higher plants with particular refrence to silicon cryofixed weat tissues. Scannings microscopyc. 4: 407-418.
15.Kumpiene, J., Lagerkvist, A., and Maurice, C. 2008. Stabilization of as, Cr, Cu, Pb and Zn in soil using amendment- a review. Waste Management. 28: 1. 215-225.
16.Khanlari, Z.V., and Jalali, M. 2008. Concentrations and chemical speciation of five heavy metals (Zn, Cd, Ni, Cu, and Pb) in selected agricultural calcareous soils of Hamadan Province, western Iran. Archives of Agronomy and Soil Science. 54: 19-32.
17.Le, S.C., Mai, T.N., Nguyen, T.G., Doau Dinh, H., Nguyen, T.M., Nguyen, M.K., Tran, Dang, Q., and Nguyen, T.H.H. 2016. The influence of sodium silicate on removal of heavy metals by Iron mine tailing. J. Engin. Appl. Sci.21: 11. 1-6.
18.Lindsay, W.L. 1972. Inorganic phase equilibria of micronutrients in soils.P 41-57. In: J.J. Mortvdt, P.M. Gioradano, and W.L. Lindsay (eds.). Micronutrients in agriculture. Madison, Wisconsin: Soil Sciences.
19.Li, X., Poon, C., Sun, H., Lo, I., and Kirk, D. 2001. Heavy metal speciation and leaching behaviors in cement based solidified/ stabilized waste materials. J. Hazard. Mater. 82: 215-230.
20.Li, L., Zheng, C., Fu, Y., Wu, D., Yang, X., and Shen, H. 2012. Silicate-mediated alleviation of Pb toxicity in banana grown in Pb-contaminated soil. Trace Elements Reduce: 145: 101-108.
21.Liang, Y., Sun, W., Zhu, Y.G., and Christie, P. 2007. Mechanisms of silicon mediated alleviation of abiotic stresses in higher plants: review. Environmental Pollution. 147: 422-428.
22.Liang, Y.C., Wong, J.W.C., and Wei, L. 2005. Silicon-mediated enhancement of cadmium tolerance in maize (Zea mays L.) grown in cadmium contaminated soil. Chemosphere. 58: 475-83.
23.Lu, H., Li, Z., Wu, J., Shen, Y., Li, Y., Zou, B., Tang, Y., and Zhang, P. 2016. Influences of calcium silicate on chemical forms and subcellular distribution of cadmium in Amaranthus hypochondriacus l. Scientific Reports.Pp: 1-9.
24.Macaskie, L.E. 1990. An immobilization cell bioprocess for the removal of heavy metals romaqueous flows. J. Chem. Technol. Biotechnol. 49: 357-379.
25.Magnus, L. 2014. Use of sodium silicate to reduce the bioavailability and there by toxicity of copper in run-off from no Redgrave felted mining area at rose. Faculty of environmental science and technology. 60: 1-64.
26.McLean, E.O. 1982. Soil pH and lime requirement. P 199-244. In: A.L. Page (ed.). method of soil analysis, Part2. Chemical and Microbiological Properties. 2nd Ed Madison, Wisconsin. American Society of Agronomy.
27.Mobser, H.R., PoorMand, H., Akbari, V., and Moazzami, Gh. 1394. The effect of silicon on the bio-degradation of cadmium and lead in spinach plants. J. Soil Manage. Sust. Prod. 5: 4. 175-184.
28.Nelson, D.W., and. Summers, L.E. 1996. Total carbon organic carbon and organic matter. P 961-1010. In: D.L. Sparks (ed.), Methods of Soil Analysis. Part 3, chemical methods. Soil Science Society of America Madison.
29.Orlov, D.S. 1985. Soil Chemistry. A.A. Balkema Publishers. Moscow. Moscow State University. 390p.
30.Olsen, S.R., and Sommers, L.E. 1990. Phosphorus. P 403-431. In A.L. Page (ed.). method of soil analysis. Agronomy Monogeraph., ASA, Madison, Wisconsin.  
31.Paff, S.W., and Bosilovich, B.E. 1995. Use of lead reclamation in secondary lead smelters for the remediation of lead contaminated sites. J. Hazard. Mater.40: 139-164.
32.Rodriguez, M.J.A., Ariasand, M.L., and Grau, C.J.M. 2006. Heavy metals contents in agricultural top soils in the Ebro basin (Spain). Application of the multivariate geostatistical methods to study spatial variations. Environment Pollution. 144: 1001-1012.
33.Ruby, M.V., Schoof, W., Brattin, M., Gildade, G., Post, M., Harnois, D., and Chappel, M. 1999. Advances in evaluating the oral bioavailability of inorganics in soil for use in human health risk assessment. Environment Science of Technology. 33: 3697-3705.
34.Rizwan, M., Meunier, J.D., Miche, H., and Keller, C. 2012. Effect of silicon on reducing cadmium toxicity in durum wheat grown in soil with aged contamination.J. Hazard. Mater. 210: 326-334.
35.Schindler, P.W.L. 1974. Ligand properties of surface silanol groups. I. Surface complex formation with Fe3+, Cu2+, Cd3+ and Pb2+. J. Coll. Inter. Sci. 55: 469-475.
36.Sparks, D.L. 1996. Methods of soil analysis. Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin. United State.
37.Shim, G., Shea, P.J., and Oh, B.T. 2014. Stabilization of heavy metals in mining site soil with silica extracted from corn cob. Water, Air and Soil Pollution.225: 1-12.
38.Sumida H. 1996. Silicon supplying capacity of paddy soils and characteristics of silicon uptake by rice plants in cool regions in Japan. Bull Tohoku Natl Agricultural Experiment Station. 85: 1-46.
39.Tessier A., Campbell P.G.C., and Bisson M. 1979. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical Chemistry. 5: 7. 844-851.
40.Westerman, P.W., and Bicudo, J.R. 2005. Management considerations for organic wastes use in agriculture. Biotechnology. 96: 215-221.
41.Zhao, X.L., and Masaihiko, S. 2007. Amelioration of cadmium polluted paddy soils by porous hydrated calcium silicate. Water, Air and Soil Pollution. 183: 309-315.
مجله مدیریت خاک و تولید پایدار
دوره 10، شماره 2
شهریور 1399
صفحه 125-141

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار