Strategies to improve remediation and ensure food safety in metal-affected sites

Anthropogenic activities such as inadequate disposal of wastewater and mining are among the most relevant for soil enrichment with heavy metals. To improve soil remediation and ensure food quality in areas affected by heavy metals, three studies were conducted. The first study evaluated how exposure to Zn and/or Cd affects the growth of andropogon grass (Andropogon gayanus Kunth) plants (originally found in metal contaminated areas from zinc mining site). Plants were cultivated for seven weeks in a nutrient solution treated with Zn (142.3–854.0 μM) or Cd (0.9–13.3 μM) separately or combined with a molar ratio of 64:1 (Zn:Cd). A control treatment was grown in a solution without Cd. At the end of the experiment, the root dry weight was not affected by the addition of the metals and Zn provided a higher shoot dry weight (up to 160%) relative to control. Andropogon grass tolerated both metals better separately than when applied together. The andropogon grass was tolerant to the doses tested, and it has the potential for recovering metal contaminated areas. The second study evaluated the potential of HydroPotash (HYP), a novel potassium-fertilizer formed from the hydrothermal alteration of K-feldspar in immobilizing heavy metals from aqueous solution. HydroPotashs at natural suspension pH removed 63.8-99.9% Zn, 20.6-40.7% Cd, and 68.4-99.7% Pb from solution. HydroPotash was also tested and compared with zeolite (commercial product) to decrease soluble and extractable (DTPA) metal contents, improve fertility, microbiological activity and promote plant growth in contaminated soils from a zincsmelting area. The experiment had a randomized design, with a factorial 3x4 (amendments x doses) scheme, using three soils/substrates with differing levels of contamination (soilhigh, soilintermediate, soillow) and control treatment (soil without amendment application). The doses tested were 15, 30, 60, and 120 Mg ha1. Products were incubated with soil moisture close to the field capacity for 90 days. Increasing HYP doses resulted in effective reduction of the soluble contents of Cd, Zn, and Pb (up to 99.9% removal), decreased Cd extractability (up to 93%), and annulled Al exchangeable content. HydroPotash increased soil pH; cation exchange capacity (CEC); nutrients available content; microbial biomass carbon and fluorescein diacetate hydrolysis. The soils were cultivated with Andropogon gayanus, Eucalyptus grandis, and Heterocondylus vitalbae in this order. All species tested started growing with HYPs application from dose 60 Mg ha-1 and 15 Mg ha-1, respectively, in Soilhigh and Soilintermediate. Plant shoot dry mass was negatively correlated with bioavailable Cd and Zn and positively with pH, CEC, and Ca content. Besides promoting plant growth, HYP reduced heavy metals (Cd, Zn) absorption by plants indicating that it has potential use as an amendment in phytostabilization programs. The third study aimed to evaluate the HYP as a soil amendment to immobilize Cd in acidic soil and reduce the accumulation of Cd in rice tissues. The experiment was carried out in a greenhouse with a Cecil sandy loam soil (3 mg Cd kg-1) under two soil water regimes: flooding (4 cm above the soil surface) or field capacity. Two hydrothermal materials (HYP-1 and HYP-2) were compared with zeolite, K-feldspar + Ca(OH)2 (the raw material used for producing HYP), Ca(OH)2, and control (without amendment). HydroPotashs, raw material, and Ca(OH)2 increased pH and reduced soluble concentration of Cd (up to 99.7%) after 30 days of soil incubation. Under the flooded regime, regardless of the materials applied, plant growth was favored. HydroPotash reduced Cd content in rice biomass and grains in both tested water regimes.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Atividades antrópicas, como descarte inadequado de águas residuárias e mineração estão entre as mais relevantes para o enriquecimento do solo com metais pesados. Para melhorar a remediação do solo e garantir a qualidade dos alimentos em áreas afetadas por metais pesados, foram realizados três estudos. O primeiro estudo avaliou como a exposição ao Zn e, ou, Cd afeta o crescimento de plantas de capim andropogon (Andropogon gayanus Kunth) (originalmente encontradas em áreas contaminadas com metais de mineração de zinco). As plantas foram cultivadas por sete semanas em uma solução nutritiva tratada com Zn (142,3–854,0 μM) ou Cd (0,9–13,3 μM) separadamente ou combinada com uma razão molar de 64: 1 (Zn: Cd). Um tratamento controle foi cultivado em uma solução sem Cd. Ao final do experimento, a massa seca da raiz não foi afetada pela adição dos metais e o Zn proporcionou maior massa seca da parte aérea (até 160%) em relação à testemunha. O capim andropogon tolerou melhor os dois metais separadamente do que quando aplicados juntos. O capim andropogon foi tolerante às doses testadas e tem potencial para a recuperação de áreas contaminadas por metais. O segundo estudo avaliou o potencial do HydroPotash (HYP), um novo fertilizante potássico formado a partir da alteração hidrotérmica do feldspato potássico na imobilização de metais pesados em solução aquosa. Os HydroPotashs em pH de suspensão natural removeram 63,8-99,9% de Zn, 20,6-40,7% de Cd e 68,4-99,7% de Pb da solução. O HydroPotash (HYP) também foi testado e comparado com a zeólita (produto comercial) para diminuir os teores de metal solúvel e extraível (DTPA), melhorar a fertilidade e a atividade microbiológica e promover o crescimento de plantas em solos contaminados de uma área de metalurgia de zinco. O experimento teve delineamento inteiramente casualizado, com esquema fatorial 3x4 (amenizantes x doses), utilizando três solos/substratos com diferentes níveis de contaminação (soloalto, solointermediário, solobaixo) e tratamento controle (solo sem aplicação de amenizantes). As doses testadas foram 15, 30, 60 e 120 Mg ha-1. Os produtos foram incubados com umidade do solo próxima à capacidade de campo por 90 dias. O aumento das doses de HYP resultou na redução efetiva do conteúdo solúvel de Cd, Zn e Pb (até 99,9% de remoção), diminuição da extrabilidade do Cd (até 93%) e anulou o conteúdo de Al trocável. HydroPotash aumentou o pH do solo; capacidade de troca catiônica (CTC); conteúdo disponível de nutrientes; carbono da biomassa microbiana e hidrólise de diacetato de fluoresceína. Os solos foram cultivados com Andropogon gayanus, Eucalyptus grandis e Heterocondylus vitalbae nesta ordem. Todas as espécies testadas começaram a crescer com a aplicação de HYPs a partir das doses de 60 Mg ha-1 e 15 Mg ha-1, respectivamente, em Soloalto e Solointermediário. A massa seca da parte aérea das plantas foi negativamente correlacionada com Cd e Zn fitodisponíveis e positivamente com pH, CTC e conteúdo de Ca. Além de promover o crescimento das plantas, o HydroPotash reduziu a absorção de metais pesados (Cd, Zn) pelas plantas, indicando que tem potencial uso como amenizante em programas de fitoestabilização. O terceiro estudo teve como objetivo avaliar o HYP como um amenizante de solo para imobilizar Cd em solo ácido e reduzir o acúmulo de Cd nos tecidos de arroz. O experimento foi conduzido em casa de vegetação com solo franco-arenoso Cecil (3 mg Cd kg-1) sob dois regimes hídricos: alagamento (4 cm acima da superfície do solo) ou capacidade de campo. Dois materiais hidrotérmicos (HYP-1 e HYP-2) foram comparados com zeólita, K-feldspato + Ca(OH)2 (a matéria-prima usada para produzir HYP), Ca(OH)2 e controle (sem amenizante). HydroPotashs, matéria-prima e Ca(OH)2 aumentaram o pH e reduziram a concentração solúvel de Cd (até 99,7%) após 30 dias de incubação no solo. Em regime de inundação, independentemente dos materiais aplicados, o crescimento das plantas foi favorecido. O HydroPotash reduziu o conteúdo de Cd na biomassa e grãos do arroz em ambos regimes hídricos testados.