Dissolution améliorée de l'arsenic dans les sols anaérobies lors de l'application d'un amendement organique : détergent acide

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 217 (2023) Citer cet article

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L'application d'amendements organiques (OAM) améliore souvent la dissolution de l'arsenic (As) dans les sols de paddy. Par conséquent, comprendre les propriétés des OAM qui déterminent l’étendue de la dissolution de l’As est essentiel pour une gestion appropriée des sols. Étant donné que la dissolution de l'As augmente avec la diminution du potentiel redox du sol causée par la respiration microbienne, la décomposabilité des OAM pourrait être un facteur critique contrôlant la dissolution de l'As dans les sols amendés. Nous avons émis l’hypothèse que la teneur en matière organique soluble dans les détergents acides (ADSOM, principalement composée de matière organique non fibreuse et d’hémicellulose) dans les OAM peut aider à estimer le potentiel des OAM à accélérer la dissolution de l’As dans les sols contenant des OAM ajoutés. Par conséquent, deux types de sols contrastés, Andosol et Fluvisol, ont été mélangés à 24 OAM différents et soumis à une incubation anaérobie pendant 14 semaines. Les modifications des teneurs en Eh et en As dissous du sol ont été surveillées tout au long de la période d'incubation, et les espèces d'As en phases solides et les teneurs en fer ferreux (Fe (II)) dans les sols ont été mesurées après 2 et 6 semaines d'incubation. Plus la teneur en ADSOM dans les sols contenant des OAM est élevée, plus la teneur en As dissous dans les sols est élevée et plus les valeurs Eh sont faibles. L'As dissous est également positivement corrélé à la proportion d'As(III) dans les phases solides et à la teneur en Fe(II) après 2 et 6 semaines d'incubation, indiquant que la décomposition de l'ADSOM a conduit à une réduction des conditions du sol, favorisant ainsi la réduction de l'As(V) et les oxydes de Fe contenant de l'As et la dissolution ultérieure de l'As. Les résultats étaient cohérents entre les deux types de sols, bien que la teneur en As dissous dans l'Andosol soit inférieure de deux ordres à celle du Fluvisol. Il s'agit de la première étude démontrant que l'ADSOM peut être un indicateur important du potentiel des OAM pour favoriser la dissolution de l'As, lorsqu'ils sont appliqués aux sols de rizières.

L'arsenic (As) existe omniprésent dans les sols sous forme d'As inorganique et d'espèces organiques. Les sols des rizières subissent des inondations pendant une partie de la période de culture, ce qui crée des conditions propices pour que les plants de riz absorbent l'As des sols1. Une inondation prolongée des sols provoque une augmentation des concentrations d’As dissous dans les sols de rizières. La respiration des micro-organismes du sol diminue le potentiel rédox du sol, ce qui entraîne une réduction de l'As(V) en As(III) dans les sols. L'As(V) et l'As(III) sont tous deux adsorbés sur une large gamme de minéraux du sol, tels que les oxydes de Fe, les minéraux d'aluminium (Al) et les minéraux argileux2,3,4. Cependant, la sorption de l'As(III) sur ces minéraux est bien inférieure à celle de l'As(V)2,5,6, bien que des quantités comparables ou supérieures d'As(III) à celles d'As(V) soient sorbées sur les oxydes de Fe à un pH presque neutre7. ,8. De plus, la matière organique dissoute (DOM) et les anions dissous coexistants augmentent la dissolution de l'As dans les sols et les matériaux associés en rivalisant pour les sites de sorption avec As9,10,11, et cela se produit de manière plus significative pour As(III) que pour As(V). dans des pH faiblement acides à neutres8,10. Ainsi, la réduction de l'As (V) en As (III) entraîne la dissolution de l'As des phases solides du sol. On considère également que la libération d’As des sols anaérobies résulte de la dissolution réductrice des oxydes de Fe contenant de l’As, car As et Fe sont étroitement et positivement liés dans les solutions du sol12,13. Cependant, des études récentes ont démontré que la réduction des oxydes de Fe contenant de l'As ne provoque pas toujours une augmentation de la teneur en As dissous, car l'As libéré est incorporé dans les phases de Fe secondaires nouvellement formées 14,15 ; néanmoins, une réduction et une dissolution prolongées des oxydes de Fe finissent par provoquer la libération d'As dans la phase solution du sol16.

L'utilisation supplémentaire d'amendements organiques (OAM) dans les sols paddy a été récemment réévaluée pour améliorer leurs propriétés chimiques et leur statut nutritionnel pour la culture du riz17,18. L'utilisation d'OAM dans les rizières est bénéfique car ils contribuent soit à réduire le besoin d'engrais chimiques, soit à les remplacer ; cependant, leur capacité à solubiliser l’As est un sujet de préoccupation. Bien que les OAM puissent accélérer les processus de réduction et augmenter la teneur en DOM dans les sols, l'application d'OAM diminue la teneur en As disponible, abaissant ainsi les concentrations d'As dans les plants de riz19,20. Cela peut se produire parce que As est fixé avec des substances humiques ou complexé avec du DOM21,22, alors que - et cela se produit probablement plus fréquemment - l'application d'OAM dissout davantage d'As dans la phase de solution des sols anaérobies et améliore l'absorption d'As par les plants de riz23,24. Suda et Makino25 ont démontré que l'augmentation de la dissolution de l'As dans les sols anaérobies avec l'application d'OAM pourrait s'expliquer par l'accélération de la réduction du sol étroitement associée à la biodécomposabilité des OAM appliqués (c'est-à-dire le détachement d'As induit par la réduction d'As(V ) et les oxydes de Fe contenant de l'As), plutôt que par l'augmentation des teneurs en substances concurrentes pour les sites de sorption.

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>