Tese
Evaluation of Crambe abyssinica Hochst. ex R.E.Fr. (Brassicaceae) for arsenic removal and speciation changes in an Oxisol
Avaliação da espécie Crambe abyssinica Hochst. ex R.E.Fr. (Brassicaceae) para remoção e alteração de espécies de arsênio em Latossolo
Registro en:
SILVA, Silmara Costa. Evaluation of Crambe abyssinica Hochst. ex R.E.Fr. (Brassicaceae) for arsenic removal and speciation changes in an Oxisol. 2017. 57 f. Tese (Doutorado em Solos e Nutrição de Plantas) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2017.
Autor
Silva, Silmara Costa
Institución
Resumen
Arsenic (As) is widely distributed around the world. Despite its natural occurrence in some sites, As contamination is a concern for human health and the environment. Phytoremediation is an alternative to decontaminate As contaminated soils, by using hyperaccumulators or tolerant plants. This work aimed to evaluate the potential of Crambe abyssinica for As phytoremediation in response to different As and phosphorus (P) amendments in soil and to map the spatial distribution and speciation of As in As(III)- or As(V)-treated soil, the rhizosphere and plant parts of Crambe. Two different experiments were carried out. For the first experiment, a sandy Oxisol from the Brazilian Cerrado was incubated with P (NH 4 H 2 PO 4 ) and As (As 2 O 3 ) dissolved in 1 mol KOH L -1 and oxidized to As(V), both at doses of 0, 50, 100, 150 or 200 mg dm -3 in a factorial experiment design. Three Crambe seedlings, previously germinated for 7 days, were transplanted to each greenhouse pot and allowed to grow for 105 days to the seed-production stage. Arsenic uptake by Crambe was evaluated, along with biomass production, As concentrations in roots, stems, leaves, and seeds; translocation and bioaccumulation factors; and seed germination. For the second experiment, the same type of soil from the first experiment was used for Crambe growth. To guarantee visualization of roots during the experiment, plants were cultivated in chambers in which the roots grew between two acrylic plates separated by 5 mm. The soil received 10.7 mmol L -1 solution of As(III) and As(V) separately, composing two different treatments. Plants were cultivated in a greenhouse for 20 days. For arsenic spatial distribution and speciation, samples were analyzed at the Synchrotron X-Ray Fluorescence beamline (SXRF) at the Brazilian Synchrotron Laboratory (LNLS), Campinas, SP. Samples were separated into leaves and the soil-rhizosphere system. The µ-SXRF analyses were performed using a white beam. After mapping an area of each sample, locations with higher As fluorescence intensity (hotspots) were identified, and µ-XANES spectra were collected using a monochromatic beam to identify arsenic species in the root-rhizosphere-soil continuum. After data collection, plants were harvested, separated into leaves and roots for trifluoracetic acid (TFA) extraction and speciation by HPLC-AFS. In general, we observed that biomass production decreased with increasing As for all P doses greater than the control treatments (without P and As addition). Arsenic concentration in plants increased with increasing P addition, reaching 759 mg kg -1 of As in the As150/P200 treatment (150 mg As dm -3 + 200 mg P dm -3 ). Crambe grown in As-treated soils produced viable seeds with germination rates between 60 and 95 %, and containing less than 2 % of the total As in the plant, even for the highest As dose (As200). Our results also suggest that As is located mainly in veins of Crambe abyssinica leaves and most of the As in leaves is arsenite [As(III)]. In the root-rhizosphere system, differences between arsenic species in soil and rhizosphere were found for both samples, suggesting that Crambe roots change the rhizosphere in ways that induces changes in As speciation by arsenate reduction or promoting methylation, possibly to detoxify arsenic. The best As/P treatment for As content in Crambe shoot was As100/P200, which resulted in As removal of up to 9 kg ha -1 from soil. Besides accumulating high As amounts into its tissues, Crambe abyssinica plants showed TFs (Translocation Factors) and BFs (Bioconcentration Factors) of 5.09 and 61.11, respectively, suggesting that this species is potentially useful for phytoextraction of As from contaminated soils. O arsênio (As) ocorre naturalmente em diversos ambientes, porém as atividades humanas também podem mobilizar grandes quantidades deste elemento. A contaminação, seja por condições naturais ou antrópicas, é uma preocupação para a saúde humana e o meio ambiente. A fitorremediação é uma das alternativas mais viáveis para a descontaminação de solos contaminados por As, utilizando plantas hiperacumuladoras ou tolerantes. Este trabalho teve o objetivo de avaliar o potencial de Crambe abyssinica para fitorremediação de solo contaminado com As, em resposta a diferentes doses de As e fósforo (P) no solo, mapear a distribuição espacial e avaliar a especiação de As na rizosfera, na folha do Crambe e em solo tratado com As (III ou V). Dois experimentos foram realizados, sendo que no primeiro, um Latossolo arenoso do Cerrado Brasileiro foi incubado com P (NH 4 H 2 PO 4 ) e As (As 2 O 3 ) solubilizado em KOH 1 mol L -1 e oxidado a As(V), ambos nas doses de 0, 50, 100, 150 ou 200 mg dm -3 , em esquema fatorial. Três plantas de Crambe, previamente germinadas, foram plantadas por vaso e o experimento foi conduzido por 105 dias em casa de vegetação. As avaliações realizadas foram: absorção de As pelo Crambe; produção de biomassa; concentração de As em raízes, caules, folhas e sementes; fatores de translocação e de bioacumulação; e taxa de germinação de sementes. No segundo experimento, o mesmo tipo de solo foi utilizado para o plantio de Crambe. Para garantir a visualização das raízes durante o experimento, as plantas foram cultivadas em placas acrílicas, de modo que as raízes cresceram entre duas placas separadas por 5 mm. O solo recebeu solução de 10,7 mmol L -1 de As(III) e As(V) separadamente, compondo dois tratamentos diferentes. As plantas foram cultivadas em estufa por 20 dias. Para avaliar a distribuição espacial de arsênio e especiação no solo e na rizosfera, as amostras foram analisadas na linha de luz de Fluorescência de Raios – X (XRF) do Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS), em Campinas, SP. As amostras foram separadas em folhas e sistema solo-rizosfera. As análises de µ-SXRF foram realizadas utilizando o feixe branco. Após o mapeamento, foram definidos os pontos com maior intensidade fluorescência de As (hotspots) e as análises de µ-XANES foram realizadas utilizando o feixe monocromático para identificar espécies de arsênio no contínuo raiz-rizosfera-solo. Após a coleta de dados, as plantas foram colhidas, separadas em folhas e raízes para extração em ácido trifluoroacético (TFA) e especiação por HPLC-AFS. A produção de biomassa diminuiu com o aumento de As para todas as doses de P maiores do que o controle (sem P). A concentração de arsênio nas plantas aumentou com a adição de P no solo, chegando a 759 mg kg - 1 de As no tratamento As150/P200. O Crambe produziu sementes viáveis, com taxas de germinação entre 60 e 95%, e teores de As de no máximo 2% do total de As na planta, mesmo para tratamentos com maior dose (As200). Os resultados também sugerem que o As está localizado principalmente nas nervuras das folhas de Crambe abyssinica e a espécie de As mais comuns nas folhas é o arsenito [As(III)]. No sistema raiz-rizosfera, diferenças entre as espécies de arsênio no solo e rizosfera foram encontradas, sugerindo que a raiz de Crambe altera a rizosfera, induzindo mudanças nas espécies de As por redução do arsenato ou indução da metilação como mecanismo de tolerância ao As. O tratamento que apresentou melhor resultado com relação ao conteúdo de arsênio na parte aérea foi As100/P200, o que significa remoção de aproximadamente 9 kg ha -1 de As do solo. Além acumular grande quantidade de As nas folhas e caules, as plantas de Crambe abyssinica apresentaram TF (Fator de Translocação) e Fator de Bioacumulação (BF) de 5,09 e 61,11, respectivamente, sugerindo que esta espécie tem potencial para a fitoextração de As de solos contaminados.