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Biogeochemical processes governing chromium distribution in paddy rice rhizosphere
Johannes Ferdinand Hettler
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Environmental Systems: Processes - Pollution - Solutions
Betreuer*in
Stephan Krämer
DOI
10.25365/thesis.77198
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11981.79149.923190-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Schwermetalle in landwirtschaftlichen Böden können gesundheitsbeeinträchtigende Nachteile hervorrufen, indem die Feldfrüchte kontaminiert werden. Chrom (Cr) ist eines dieser Metalle, im reduzierter From (Cr III) relativ immobil und weniger toxisch als in der oxidierten Form (Cr VI). Diese Arbeit untersucht die Verfügbarkeit und Löslichkeit von Cr in gefluteten Reisböden, und belichtet welche Rolle das Redox Potential (Eh), pH, Kohlenstoff- und Tongehalt des Bodens, mikrobielle Aktivität und Liganden spielen, auch mit Auswirkungen auf die Bildung von Eisenplaques sowie den Metalltransport innerhalb von Reispflanzen. Zusätzlich werden die Konzentrationen anderer Metalle wie Eisen (Fe), Mangan (Mn), Arsen (As) und Aluminium (Al). Für diese Studie wurde Reis auf Böden aus landwirtschaftlichen Reisfeldern in Italien und Indien mit unterschiedlicher Cr-Kontamination angebaut. Einer Gruppe wurde ein Ligand in Form von Zitronensäure hinzugefügt, um dessen Einfluss auf die Metallverfügbarkeit zu bewerten. Das Porenwasser wurde im Zeitverlauf auf Metallgehalte analysiert, Eisenplaques von den Wurzeln wurden extrahiert, um die Metallkonzentrationen zu messen, und Pflanzensegmente wurden mittels Aqua Regia aufgeschlossen und auf den Metalltransport innerhalb der Pflanzen hin untersucht. Zusätzlich wurde ein Aufbau mit ”künstlichen” Wurzeln aus Silikonschläuchen erstellt, um Einblicke in die Bildung von Eisenplaques zu gewinnen. Die Ergebnisse zeigten höhere Fe- und Mn-Gehalte im Porenwasser des kontaminierten indischen Bodens im Vergleich zum italienischen Boden, jedoch niedrigere Cr-Gehalte, obwohl die Gesamtbodenanalyse hohe Cr-Konzentrationen ergab. Die Zugabe von Liganden erhöhte die Cr-Werte in italienischen Böden, senkte jedoch dessen Fe- und Mn-Werte. Die höchste Plaquebildung wurde in der indischen Gruppe beobachtet, wobei die Metallgehalte in der Ligandengruppe leicht höher waren als in der Mili-Q (MQ)-Gruppe. Die Chromgehalte in den Plaques waren in den Töpfen, welche mit Liganden bewässert wurden, für alle drei Böden höher. Fe, Al und Cr akkumulierten überwiegend in der Wurzelbiomasse und wurden nicht in andere Pflanzensegmente transportiert, während die Mn-Konzentrationen in den Blättern am höchsten waren. Die Metallgehalte der Pflanzen waren deutlich höher als in den Eisenplaques. Diese Studie liefert Einblicke in die komplexen Prozesse, die Metalle in Reisanbauböden durchlaufen, und kann helfen, Metallkontaminationen in Körnern zu verstehen. Um jedoch die spezifischen Auswirkungen der einzelnen Faktoren zu verstehen, sind kontrollierte Experimente zu den jeweiligen Faktoren notwendig.
Abstract
(Englisch)
Heavy metals in agricultural soils pose significant risks to human and animal health by contaminating crops. Chromium (Cr) is particularly concerning, as its reduced state is relatively immobile and less harmful, whereas its oxidized state, Cr (VI), is toxic. This study investigates Cr availability and solubility in paddy soils, focusing on the role of redox potential (Eh), pH, soil organic carbon, clay content, microbial activity, and ligands in iron plaque formation and metal translocation within rice plants. In addition, other metals such as iron (Fe), manganese (Mn), arsenic (As), and aluminium (Al) will be investigated as their presence affects Cr availability. For this study, rice was grown on soils from agricultural paddy fields in Italy and India with varying levels of Cr contamination. A ligand in the form of citric acid was added to one group to assess its influence on metal availability. Pore water was analysed for metal content over time, root plaque was extracted to measure metal concentrations, and plant segments were digested using aqua regia and analysed to measure metal translocation. Additionally, an artificial root setup was performed to get an insight into iron plaque formation. Results showed higher Fe and Mn levels in the pore water of the contaminated Indian soil compared to the Italian soil, but lower Cr levels, despite high Cr concentrations in the total soil digestion. Ligand addition increased Cr levels in Italian soils but decreased Fe and Mn levels. The highest plaque formation was observed in the Indian treatments, with slightly higher metal contents in the ligand group compared to the Mili-Q (MQ) group. Chromium contents in the plaque were higher in the ligand treatments for all three soils. Fe, Al, and Cr predominantly accumulated in the root biomass and were not translocated to other plant segments, whereas Mn concentrations were highest in the leaves. This study provides insights into the complex processes that metals undergo in paddy soils and can help predict metal contamination in grains. However, to understand the specific effects of each factor, controlled experiments on individual factors are necessary.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Chrom Eisenplaque Reisboden
Schlagwörter
(Englisch)
Chromium Iron plaque Paddy Field
Autor*innen
Johannes Ferdinand Hettler
Haupttitel (Englisch)
Biogeochemical processes governing chromium distribution in paddy rice rhizosphere
Paralleltitel (Deutsch)
Wie biogeochemische Prozesse die Verteilung von Chrom in der Rhizosphäre von Reisfeldern steuern
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
x, 80 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stephan Krämer
Klassifikation
43 Umweltforschung > 43.12 Umweltchemie
AC Nummer
AC17384553
Utheses ID
73468
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |