유기 개량제 적용 시 혐기성 토양에서 비소 용해 강화: 산성 세제

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 217(2023) 이 기사 인용

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유기 개량제(OAM)를 적용하면 논 토양에서 비소(As) 용해가 향상되는 경우가 많습니다. 따라서 적절한 토양 관리를 위해서는 As 용해 정도를 결정하는 OAM의 특성을 이해하는 것이 필수적입니다. 미생물 호흡으로 인한 토양 산화환원 전위의 감소에 따라 용해도가 증가하기 때문에 OAM의 분해성은 개량된 토양에서 As 용해를 제어하는 중요한 요소일 수 있습니다. 우리는 OAM에 있는 산성 세제 용해성 유기물(ADSOM, 주로 비섬유 유기물과 헤미셀룰로오스로 구성됨)의 함량이 OAM이 첨가된 토양에서 As 용해를 가속화하는 OAM의 잠재력을 추정하는 데 도움이 될 수 있다는 가설을 세웠습니다. 따라서 두 가지 대조되는 토양 유형인 Andosol과 Fluvisol을 24개의 서로 다른 OAM과 혼합하고 14주 동안 혐기성 배양을 실시했습니다. 토양 Eh 및 용존 As 함량의 변화는 배양 기간 내내 모니터링되었으며, 토양 내 고체상의 As 종과 토양 내 철(Fe(II)) 함량은 배양 2주와 6주 후에 측정되었습니다. OAM이 있는 토양에서 ADSOM 함량이 높을수록 토양에 용해된 As 함량이 높아지고 Eh 값이 낮아집니다. 용해된 As는 배양 2주와 6주 후에 고체상 As(III)의 비율 및 Fe(II) 함량과 양의 상관관계가 있었는데, 이는 ADSOM의 분해가 토양 조건을 감소시켜 As(V)의 감소를 촉진한다는 것을 나타냅니다. 및 As 함유 Fe 산화물 및 후속 As 용해. Andosol의 용존 As 함량이 Fluvisol의 것보다 2배 더 낮음에도 불구하고 결과는 두 가지 유형의 토양 사이에서 일관되었습니다. 이는 ADSOM이 논 토양에 적용될 때 As 용해를 촉진하기 위한 OAM의 잠재력을 나타내는 중요한 지표가 될 수 있음을 입증한 최초의 연구입니다.

비소(As)는 무기 As와 유기종으로 토양에 편재적으로 존재합니다. 논 토양은 재배 기간 중 일부 동안 홍수를 겪는데, 이는 벼가 토양에서 As를 흡수하는 데 도움이 되는 조건을 만듭니다1. 장기간의 토양 범람은 논 토양의 용존 As 농도를 증가시킵니다. 토양 미생물의 호흡은 토양의 산화환원 전위를 감소시켜 토양에서 As(V)가 As(III)로 환원됩니다. As(V)와 As(III)은 모두 Fe 산화물, 알루미늄(Al) 광물 및 점토 광물과 같은 광범위한 토양 광물에 흡착됩니다2,3,4. 그러나 이들 광물에 대한 As(III) 흡착은 As(V)2,5,6보다 훨씬 낮지만, As(V)보다 비슷하거나 더 많은 양의 As(III)가 중성 pH 근처에서 Fe 산화물에 흡착됩니다. ,8. 또한, 공존하는 용존 유기물(DOM)과 용존 음이온은 As9,10,11과 수착 위치를 놓고 경쟁하여 토양 및 관련 물질로부터 As의 용출을 증가시키며, 이는 As(V)보다 As(III)에서 더 크게 발생합니다. 약산성 ~ 중성 pH에서8,10. 따라서 As(V)가 As(III)으로 환원되면 토양의 고체상에서 As가 용해됩니다. 혐기성 토양에서 As의 방출은 As 함유 Fe 산화물의 환원적 용해에서 발생하는 것으로 간주됩니다. As와 Fe는 토양 용액에서 밀접하고 긍정적으로 관련되어 있기 때문입니다. 그러나 최근 연구에 따르면 As 함유 Fe 산화물을 감소시키는 것이 방출된 As가 새로 형성된 2차 Fe 단계에 통합되기 때문에 용해된 As 함량이 항상 증가하는 것은 아니라는 사실이 입증되었습니다. 그럼에도 불구하고 Fe 산화물의 장기간 환원 및 용해는 결국 토양의 용액 상태로 As를 방출하게 합니다.

논 토양에서 유기 개량제(OAM)의 보충 사용은 최근 벼 재배에 대한 화학적 특성과 영양 상태를 개선하기 위해 재평가되었습니다17,18. 논에서 OAM을 사용하면 화학 비료의 필요성을 줄이거나 대체하는 데 도움이 되므로 유익합니다. 그러나 As를 가용화하는 능력은 문제가 됩니다. OAM은 환원 과정을 가속화하고 토양의 DOM 함량을 증가시킬 수 있지만 OAM을 적용하면 이용 가능한 As 함량이 감소하여 벼의 As 농도가 낮아집니다19,20. 이는 As가 부식질 물질로 고정되거나 DOM21,22과 복합체를 형성하기 때문에 발생할 수 있는 반면, OAM 적용은 더 많은 As를 혐기성 토양의 용액 단계에 용해시키고 벼의 As 흡수를 향상시킵니다23,24. Suda와 Makino25는 OAM을 적용한 혐기성 토양에서 As 용해의 증가가 적용된 OAM의 생분해성과 밀접한 관련이 있는 토양 감소의 가속화로 설명될 수 있음을 입증했습니다. ) 및 As 함유 Fe 산화물), 흡착 부위에 대한 경쟁 물질 함량의 증가보다는.

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>