Plant availability of trace elements in sewage sludge-treated soils: methodology¹

Synthetic root exudates were formulated based on the organic acid composition of root exudates derived from the rhizosphere of aseptically grown corn plants, pH of the rhizosphere, and the background chemical matrices of the soil solutions. The synthetic root exudates, which mimic the chemical conditions of the rhizosphere environment where soil-borne metals are dissolved and absorbed by plants, were used to extract metals from sewage-sludge treated soils 16 successive times. The concentrations of Zn, Cd, Ni, Cr, and Cu of the sludge-treated soil were 71.74, 0.21, 15.90, 58.12, and 37.44 mg kg-1, respectively. The composition of synthetic root exudates consisted of acetic, butyric, glutaric, lactic, maleic, propionic, pyruvic, succinic, tartaric, and valeric acids. The organic acid mixtures had concentrations of 0.05 and 0.1 mol L-1 -COOH. The trace elements removed by successive extractions may be considered representative for the availability of these metals to plants in these soils. The chemical speciation of the metals in the liquid phase was calculated; results showed that metals in sludge-treated soils were dissolved and formed soluble complexes with the different organic acid-based root exudates. The most reactive organic acid ligands were lactate, maleate, tartarate, and acetate. The inorganic ligands of chloride and sulfate played insignificant roles in metal dissolution. Except for Cd, free ions did not represent an important chemical species of the metals in the soil rhizosphere. As different metals formed soluble complexes with different ligands in the rhizosphere, no extractor, based on a single reagent would be able to recover all of the potentially plant-available metals from soils; the root exudate-derived organic acid mixtures tested in this study may be better suited to recover potentially plant-available metals from soils than the conventional extractors.

Chemical and microbiological attributes of an oxisol treated with successive applications of sewage sludge¹

Studies on sewage sludge (SS) have confirmed the possibilities of using this waste as fertilizer and/or soil conditioner in crop production areas. Despite restrictions with regard to the levels of potentially toxic elements (PTE) and pathogens, it is believed that properly treated SS with low PTE levels, applied to soil at adequate rates, may improve the soil chemical and microbiological properties. This study consisted of a long-term field experiment conducted on a Typic Haplorthox (eutroferric Red Latosol) treated with SS for seven successive years for maize production, to evaluate changes in the soil chemical and microbiological properties. The treatments consisted of two SS rates (single and double dose of the crop N requirement) and a mineral fertilizer treatment. Soil was sampled in the 0-0.20 m layer and analyzed for chemical properties (organic C, pH, P, K, Ca, Mg, CEC, B, Cu, Fe, Mn, Zn, Cd, Ni, and Pb) and microbiological properties (basal respiration, microbial biomass activity, microbial biomass C, metabolic quotient, microbial quotient, and protease and dehydrogenase enzyme activities). Successive SS applications to soil increased the macro- and micronutrient availability, but the highest SS dose reduced the soil pH significantly, indicating a need for periodic corrections. The SS treatments also affected soil microbial activity and biomass negatively. There were no significant differences among treatments for maize grain yield. After seven annual applications of the recommended sludge rate, the heavy metal levels in the soil had not reached toxic levels.

Potencial de fertilizantes e corretivos no aporte de micronutrientes ao solo

Fertilizantes e corretivos, ao serem aplicados nos solos, fornecem micronutrientes como impurezas residuais da sua fabricação, os quais podem ser importantes fontes para as culturas. Em decorrência disso, o objetivo deste trabalho foi quantificar os teores dos micronutrientes Zn, Cu, Fe, Mn e Ni em fertilizantes e corretivos comercializados no Nordeste brasileiro, visando avaliar o potencial desses insumos no fornecimento indireto de micronutrientes às culturas agrícolas. Os insumos analisados neste estudo (24 amostras de fertilizantes e 26 de corretivos) foram coletados nos Estados da Bahia e Pernambuco pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA) e digeridos pelo método 3051A (USEPA, 1998). As determinações dos micronutrientes foram feitas por espectrofotometria de absorção atômica. Amostras de fertilizante SRM 695 (National Institute of Standards and Technology - NIST) e spikes foram adicionadas para controle de qualidade das análises. Os fertilizantes fosfatados, em geral, apresentaram maiores teores de micronutrientes do que os demais produtos testados. Os fertilizantes e corretivos avaliados representam uma fonte de micronutrientes ao solo que não pode ser desprezada. No entanto, a real disponibilidade desses elementos aportados ao solo necessita ser avaliada em estudos com plantas, pois fatores como solubilidade dos insumos, absorção pelas culturas, reações com o solo e perdas por precipitação e lixiviação devem ser considerados.

Heavy metals in soils and plants in mango orchards in Petrolina, Pernambuco, Brazil

The monitoring of heavy metal concentrations in areas under intensive agriculture is essential for the agricultural sustainability and food safety. This paper evaluates the total contents of heavy metals in soils and mango trees in orchards of different ages (6, 7, 8, 9, 10, 11, 14, 16, 17, 19, and 26 years) in Petrolina, Pernambuco, Brazil. Soil samples were taken from the layers 0-20 cm and 20-40 cm, and mango leaves were collected in the growth stage. Areas of native vegetation (Caatinga) adjacent to the cultivated areas were used for comparison. The total concentrations of heavy metals (Cu, Cr, Fe, Zn, Mn, Ni, and Pb) were determined in soils and leaves. In general, mango cultivation led to Cu and Zn accumulation in the soil surface and to a reduction in the contents of Ni, Pb, Mn, and Fe in surface and subsurface. Since contamination by Cu, Zn, and Cr was detected, these areas must be monitored to prevent negative environmental impacts. For instance, the presence of Cr in mango tree leaves indicates the need to investigate the source of the element in these orchards. The management strategies of the different companies led to deficiency or excess of some metals in the evaluated areas. However, the Fe and Mn levels were adequate for the mineral nutrition of mango in all areas.

Comparação de métodos convencional e alternativo para determinar Cu, Fe, Mn e Zn em extratos de solos obtidos com solução de mehlich-1

Nos laboratórios brasileiros, a determinação de micronutrientes para estudos de fertilidade de solos é realizada por extração com solução de Mehlich-1 (M-1), utilizando-se uma razão solo: extrator de 1:5 m/v e posterior quantificação por espectrometria de absorção atômica (AAS). No entanto, muitos laboratórios também empregam razão solo:extrator M-1 de 1:10 m/v para determinar macronutrientes e, ou, quantificar por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES), em substituição ao AAS. Como estudos comparativos entre as concentrações de micronutrientes obtidos por esses métodos alternativos são escassos, o objetivo deste trabalho foi investigar se essas diferentes condições experimentais gerariam diferentes resultados. Os resultados foram estatisticamente tratados e revelaram que as concentrações de Fe e Mn, utilizando-se ambas as razões de solo:extrator M-1 (1:5 e 1:10 m/v) e de Zn, na razão solo:extrator M-1 de 1:10 m/v, foram estatisticamente iguais, enquanto as concentrações de Cu em ambas as razões solo:extrator M-1 e de Zn na razão solo:extrator de 1:5 m/v foram diferentes, quando as duas técnicas de quantificação (ICP OES e AAS) foram comparadas. Também, todas as concentrações de Cu, Fe, Mn e Zn obtidas utilizando razão solo:extrator M-1 de 1:5 m/v foram diferentes daquelas encontradas com a razão de 1:10 m/v, independentemente da técnica de quantificação. A maioria dessas concentrações foi maior quando se usou a razão de 1:5 m/v e alterou a classe de interpretação dos teores. Portanto, não recomenda-se o uso da razão solo:extrator de 1:5 para as extrações dos micronutrientes Cu, Fe, Mn e Zn com solução M-1 de amostras de solo.

Use of steel slag to neutralize acid mine drainage (AMD) in sulfidic material from a uranium mine

Acid Mine Drainage (AMD) is one of the main environmental impacts caused by mining. Thus, innovative mitigation strategies should be exploited, to neutralize acidity and prevent mobilization of trace elements in AMD. The use of industrial byproducts has been considered an economically and environmentally effective alternative to remediate acid mine drainage. Therefore, the objective of this study was to evaluate the use of steel slag to mitigate acid mine drainage in a sulfidic material from a uranium mine, as an alternative to the use of limestone. Thus, increasing doses of two neutralizing agents were applied to a sulfidic material from the uranium mine Osamu Utsumi in Caldas, Minas Gerais State. A steel slag from the company ArcelorMittal Tubarão and a commercial limestone were used as neutralizing agents. The experiment was conducted in leaching columns, arranged in a completely randomized, [(2 x 3) + 1] factorial design, consisting of two neutralizing agents, three doses and one control, in three replications, totaling 21 experimental units. Electrical conductivity (EC), pH and the concentrations of Al, As, Ca, Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, S, Se, and Zn were evaluated in the leached solutions. The trace element concentration was evaluated by ICP-OES. Furthermore, the CO2 emission was measured at the top of the leaching columns by capturing in NaOH solution and titration with HCl, in the presence of BaCl2. An increase in the pH of the leachate was observed for both neutralizing agents, with slightly higher values for steel slag. The EC was lower at the higher lime dose at an early stage of the experiment, and CO2 emission was greater with the use of limestone compared to steel slag. A decrease in trace element mobilization in the presence of both neutralizing agents was also observed. Therefore, the results showed that the use of steel slag is a suitable alternative to mitigate AMD, with the advantage of reducing CO2 emissions to the atmosphere compared to limestone.

Doses de lodo de esgoto compostado em produção de tapete de grama esmeralda imperial

A eficiência da adubação nitrogenada para gramados pode ser aumentada com a utilização de fontes de liberação lenta, como composto de lodo de esgoto, que, em razão das suas características, pode ser um substituto de parte ou do total da adubação inorgânica para as gramas. Não foram encontrados resultados referentes à utilização de lodo compostado na cultura da grama, no Brasil. Objetivou-se com este trabalho avaliar o efeito de doses de composto de lodo de esgoto na produção da grama esmeralda Imperial. Os tratamentos foram constituídos de cinco doses de composto de lodo de esgoto (0, 12, 24, 36 e 48 Mg ha-1, base seca), mais um tratamento com adubação inorgânica (300 kg ha-1 N, 80 kg ha-1 P2O5 e 200 kg ha-1 K2O). Os compostos orgânicos presentes no composto têm diferentes taxas de mineralização, liberando aos 120 dias após a aplicação do lodo mais Mg (100 %), K (90 %) e N (67 %) do que S (57 %), P (40 %) e Ca (31 %). A utilização do composto de lodo na cultura da grama Imperial proporcionou adequado fornecimento de nutrientes, quando aplicado superficialmente, em doses maiores que 36 Mg ha-1. As doses de composto proporcionaram, após a colheita do tapete, aumento linear da acidez potencial e do teor de matéria orgânica, P, S, Fe, Cu, Mn, Zn, As, Cu e Ni e redução linear do pH, do teor de Ca e Mg e da saturação por bases do solo. O aumento das doses do composto de 0 a 48 Mg ha-1 reduziu a massa dos tapetes de grama, atingindo valores de 4,0 kg/tapete, quando a maior dose foi aplicada. Altas doses também proporcionaram os maiores valores de resistência dos tapetes na ordem de 35 e 33 kgf, com as doses de 36 e 48 Mg ha-1, respectivamente.

Influence of digestion methods on the recovery of Iron, Zinc, Nickel, Chromium, Cadmium and Lead contents in 11 organic residues

There are currently many devices and techniques to quantify trace elements (TEs) in various matrices, but their efficacy is dependent on the digestion methods (DMs) employed in the opening of such matrices which, although "organic", present inorganic components which are difficult to solubilize. This study was carried out to evaluate the recovery of Fe, Zn, Cr, Ni, Cd and Pb contents in samples of composts and cattle, horse, chicken, quail, and swine manures, as well as in sewage sludges and peat. The DMs employed were acid digestion in microwaves with HNO3 (EPA 3051A); nitric-perchloric digestion with HNO3 + HClO4 in a digestion block (NP); dry ashing in a muffle furnace and solubilization of residual ash in nitric acid (MDA); digestion by using aqua regia solution (HCl:HNO3) in the digestion block (AR); and acid digestion with HCl and HNO3 + H2O2 (EPA 3050). The dry ashing method led to the greatest recovery of Cd in organic residues, but the EPA 3050 protocol can be an alternative method for the same purpose. The dry ashing should not be employed to determine the concentration of Cr, Fe, Ni, Pb and Zn in the residues. Higher Cr and Fe contents are recovered when NP and EPA 3050 are employed in the opening of organic matrices. For most of the residues analyzed, AR is the most effective method for recovering Ni. Microwave-assisted digestion methods (EPA3051 and 3050) led to the highest recovery of Pb. The choice of the DM that provides maximum recovery of Zn depends on the organic residue and trace element analyzed.

Valores de referência de qualidade para metais pesados em solos do Rio Grande do Norte

O crescimento industrial e o populacional têm aumentado os teores de metais pesados nos solos e impactado a qualidade desse recurso. Nesse contexto, as agências de proteção ambiental vêm despendendo esforços para o estabelecimento de índices que possam identificar áreas suspeitas de contaminação. Valores de Referência de Qualidade para Solos (VRQs) refletem a concentração natural de determinada substância no solo, sem interferência antrópica. O trabalho objetivou estabelecer os VRQs para os metais Ag, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb, V e Zn exigidos pelo Conama, para composição da legislação direcionada ao monitoramento desses elementos nos solos do Estado do Rio Grande do Norte. Foram coletadas 416 amostras de solo em áreas de mata nativa ou com mínima influência antrópica. A abertura das amostras foi efetuada pelo método EPA-3051A, sendo os metais determinados por espectrometria de emissão ótica (ICP-OES) e absorção atômica (AA). Os resultados do trabalho comprovaram que estudos regionalizados são essenciais para definição de VRQs. Os VRQs calculados para o Rio Grande do Norte foram mais restritivos que os de outros estados do país. A análise fatorial de confirmação dos dados foi útil para obtenção de VRQs mais confiáveis e demonstrou que para o Estado esses valores podem ser estabelecidos com apenas duas repetições por local de coleta. Nesse sentido, é primordial um planejamento prévio, de distribuição dos locais de amostragem, de maneira que os diversos compartimentos geomorfológicos, pedológicos e geológicos do Estado sejam representados.

GERENCIAMENTO DE SEDIMENTOS DO DESASSOREAMENTO DO RIO BELÉM NA ÁREA URBANA DE CURITIBA: UM ESTUDO DE CASO

Os sedimentos do rio Belém foram removidos, e a destinação incorreta deles pode provocar impactos ambientais e custos adicionais ao município. O objetivo deste trabalho foi avaliar as alternativas de destinação e uso de sedimentos removidos em desassoreamento do rio Belém em área urbana, com base na legislação ambiental brasileira. As avaliações de destinação, ou de uso ou de ambos, foram feitas a partir de uma avaliação química preliminar de contaminantes inorgânicos (Cd, Pb, Cu, Cr, Ni, Ag e Zn) e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP) relacionada às atividades produtivas da região de contribuição do rio Belém. A avaliação das possíveis destinações e, ou, do uso do sedimento seguiu as normas e legislações ambientais brasileiras para diferentes matrizes, o que revelou ser complexa. Uma quantidade substancial de sedimentos pode ser usada para fins úteis, como solo, material de recuperação de áreas contaminadas, material de preenchimento de obras civis. Padrões ambientais específicos devem ser elaborados para discriminar usos e, ou, destinações de acordo com o desenvolvimento científico. Um protocolo de gerenciamento foi proposto, de forma a ser utilizado em futuras obras de desassoreamento.

ASSESSMENT OF BIOAVAILABILITY OF HEAVY METALS AFTER VERMICOMPOSTING IN THE PRESENCE OF ELECTRONIC WASTE

ABSTRACT Heavy metals contained in electronic waste, if discarded improperly, can become bioavailable after vermicomposting, posing a risk to the environment. Small-scale vermicomposting experiments were carried out with printed circuit boards (PCBs) to investigate the migration of heavy metals (Cu, Pb, Zn, Ni, and Sn) to the final compost, as well as the mobility and bioavailability of these metals. High total levels of Pb, Sn and Cu in samples of manure with electronic waste (MEW) and vegetables with electronic waste (VEW) were detected. Based on the initial metal levels in the PCBs and their concentration in the resulting compost, the order of migration of these metals to the MEW and VEW samples was Sn (23.1 %)>Pb (18.4 %)>Ni (4.63 %)>Zn (0.46 %)>Cu (0.14 %) and Sn (24.3 %)>Pb (23.6 %)>Ni (11.33 %)>Zn (1.76 %)>Cu (0.60 %), respectively. Mobility and bioavailability of these metals in the compost were evaluated by three-stage sequential extraction, where F1 was the exchangeable fraction, F2 the organic fraction and F3 the residual fraction. The bioavailability factor (BF) was calculated by the ratio of the sum of fractions F1 and F2 divided by the total sum of the fractions (F1 + F2 + F3). The highest bioavailability factor (BF = 0.92) was found for Pb, the heavy metal considered the greatest environmental concern in this study, indicating the high mobility and the possibility of becoming bioavailable of this metal.

Background and Reference Values of Metals in Soils from Paraíba State, Brazil

ABSTRACT Soil contamination by heavy metals threatens ecosystems and human health. Environmental monitoring bodies need reference values for these contaminants to assess the impacts of anthropogenic activities on soil contamination. Quality reference values (QRVs) reflect the natural concentrations of heavy metals in soils without anthropic interference and must be regionally established. The aim of this study was to determine the natural concentrations and quality reference values for the metals Ag, Ba, Cd, Co, Cu, Cr, Mo, Ni, Pb, Sb and Zn in soils of Paraíba state, Brazil. Soil samples were collected from 94 locations across the state in areas of native vegetation or with minimal anthropic interference. The quality reference values (QRVs) were (mg kg-1): Ag (<0.53), Ba (117.41), Cd (0.08), Co (13.14), Cu (20.82), Cr (48.35), Mo (0.43), Ni (14.44), Sb (0.61), Pb (14.62) and Zn (33.65). Principal component analysis grouped the metals Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Sb (PC1); Ag (PC2); and Ba, Co, Fe, Mn and Zn (PC3). These values were made official by Paraíba state through Normativa Resolution 3602/2014.

Metais pesados como indicadores de materiais de origem em uma topolitoseqüência do Triângulo Mineiro, Estado de Minas Gerais

Objetivou-se neste trabalho determinar os teores de metais pesados em amostras de solos de uma topolitoseqüência coletada no Triângulo Mineiro, Estado de Minas Gerais, para testar a hipótese de que tais elementos podem ser utilizados na identificação e separação da influência do material de origem. Os teores de Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Zn foram determinados por dois procedimentos de ataque ácido: HNO3/HClO4 (4:1) e HF/HNO3/HClO4 (20:6:3), e dosados por espectrofotometria de absorção atômica. Técnicas de análise multivariada foram utilizadas. Os resultados permitem estabelecer que os metais pesados são indicativos do material de origem, podendo ser usados na separação e delimitação de sua área de influência. As técnicas multivariadas adotadas mostraram-se viáveis nesse modelo de estudo quando analisadas conjuntamente.

Contaminação da microbacia de Caetés com metais pesados pelo uso de agroquímicos

Com o objetivo de avaliar a contaminação do solo, sedimentos, água e plantas por metais pesados, decorrente do uso de agroquímicos, na microbacia de Caetés em Paty do Alferes, RJ, amostras de solo foram analisadas, em 1996, para obter os teores totais de Cd, Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn de duas áreas com diferentes declividades (25% e 45%) tendo, ambas, como cobertura vegetal, capoeira, pasto e olericultura. Os resultados referentes aos solos sob pastagem (antiga área de olericultura) mostraram maiores teores de metais pesados do que a área de capoeira. Entretanto, esses valores não atingiram níveis críticos no solo, e esses elementos estavam presentes em formas químicas pouco disponíveis para absorção pelas plantas, como foi constatado na análise de metais pesados em tomate (Lycopersicum esculentum L.), pimentão (Capsicum annuum L.), repolho (Brassica oleracea L.) e pepino (Cucumis sativus L.), que apresentaram níveis baixíssimos desses elementos. Nas amostras de sedimentos, o comportamento dos metais pesados foi semelhante ao obtido nos solos, estando esses elementos distribuídos em maior porcentagem nas frações residual, ligadas a óxidos de Mn e Fe e ligadas à matéria orgânica. As amostras de água do córrego e do açude que cortam a microbacia apresentaram valores acima dos padrões internacionais com relação a Cd, Pb e Mn.

Movimentação de metais pesados em Latossolo adubado com composto de lixo urbano

Em experimento realizado no campo, nos anos agrícolas 1996/97 e 1997/98, em Latossolo Amarelo distrófico, cultivado com cana-de-açúcar, avaliou-se o efeito de aplicações sucessivas de composto de lixo urbano sobre a movimentação, em profundidade, dos metais Cd, Cr, Cu, Ni, Pb e zinco. No primeiro ano agrícola, além do tratamento testemunha, o composto de lixo foi aplicado nas doses de 20, 40 e 60 Mg ha-1 (base seca). No segundo ano, o composto foi reaplicado nas doses de 24, 48 e 72 Mg ha-1. Em relação aos metais Cd, Cr, Cu, Ni e Pb não se observou nenhuma evidência de movimentação ao longo do perfil do solo. O Zn apresentou mobilidade no solo, onde se verificou, ao final de 1997/98, incrementos significativos até a camada de 0,4-0,6 m de profundidade.