Dissolved organic carbon and bioavailability of N and P as indicators of soil quality

Soil quality has become an important issue in soil science. Considerable attempts have been made to define soil quality, but a general concept has not yet been accepted by the scientific community. The selection of quantitative indices for soil quality is extremely difficult, and a considerable number of chemical, physical, and biochemical properties have been suggested as potential indicators of soil quality. Because soil organic matter (SOM) can be associated with different soil chemical, physical and biological processes, it has been widely considered as one of the best soil quality indicator. Land use can significantly influence dynamics of organic carbon and N, P, and S cycle. However, changes in total soil organic carbon (SOC) contents in response to land use may be difficult to detect because of the natural soil variability. In the short to medium term, biological properties and readily decomposable fractions of SOC, such as dissolved organic carbon (DOC), are much more sensitive to soil management than is SOM as a whole, and can be used as a key indicator of soil natural functions. Despite the fact that labile C accounts for a small portion of the total organic matter in the soils, DOC is the most mobile and important C-source for microorganisms, and can easily reflect the effects of land use on soil quality. Although several methods are used to characterize DOC, the factors influencing mineralization and bioavailability of elements associated with organic matter (N, P, and S) remains unclear. Future research should focus on the processes that govern DOC and nutrient dynamics and how they affect soil quality.

Nas últimas décadas, qualidade do solo tem se tornado um tópico importante na ciência do solo. Embora esforços consideráveis tenham sido dedicados com o intuito de definir "qualidade do solo", ainda não há um conceito amplamente aceito pela comunidade cientifica. A seleção de índices qualitativos para definir qualidade do solo é uma tarefa extremamente difícil, e diversas propriedades químicas, físicas e biológicas tem sido sugeridas como potenciais indicadores. A matéria orgânica do solo está associada com processos químicos, físicos e biológicos no solo, e, portanto, é considerada um dos melhores indicadores de qualidade do solo. O manejo do solo pode influenciar significativamente a dinâmica do carbono orgânico e o ciclo de N, P, e S. Entretanto, mudanças na concentração total da matéria organica em resposta ao manejo pode ser dificil de ser detectada devido à variabilidade natural do solo. Quando comparada com a matéria orgânica total do solo, a fração mais prontamente disponível, como o carbono orgânico dissolvido (COD), é mais sensível às mudanças no manejo do solo a curto e médio prazo e, portanto, pode ser utilizada como indicador fundamental de qualidade do solo ou das alterações das condições naturais. Embora a fração dissolvida represente apenas uma pequena porção da matéria orgânica total do solo, o COD é móvel no solo e constitui uma importante fonte de C para os microorganismos, podendo facilmente refletir os efeitos de diferentes sistemas de manejo. Inúmeros métodos são utilizados para caracterizar o COD, mas os processos que influenciam sua mineralização e a disponibilidade dos elementos associado com a matéria orgânica (N, P, e S) ainda não são completamente entendidos. Pesquisas futuras devem buscar entender os processos que governam a dinâmica de nutrientes e do COD e como os mesmos afetam a qualidade do solo.

Dissolved organic carbon and bioavailability of N and P as indicators of soil quality

Soil quality has become an important issue in soil science. Considerable attempts have been made to define soil quality, but a general concept has not yet been accepted by the scientific community. The selection of quantitative indices for soil quality is extremely difficult, and a considerable number of chemical, physical, and biochemical properties have been suggested as potential indicators of soil quality. Because soil organic matter (SOM) can be associated with different soil chemical, physical and biological processes, it has been widely considered as one of the best soil quality indicator. Land use can significantly influence dynamics of organic carbon and N, P, and S cycle. However, changes in total soil organic carbon (SOC) contents in response to land use may be difficult to detect because of the natural soil variability. In the short to medium term, biological properties and readily decomposable fractions of SOC, such as dissolved organic carbon (DOC), are much more sensitive to soil management than is SOM as a whole, and can be used as a key indicator of soil natural functions. Despite the fact that labile C accounts for a small portion of the total organic matter in the soils, DOC is the most mobile and important C-source for microorganisms, and can easily reflect the effects of land use on soil quality. Although several methods are used to characterize DOC, the factors influencing mineralization and bioavailability of elements associated with organic matter (N, P, and S) remains unclear. Future research should focus on the processes that govern DOC and nutrient dynamics and how they affect soil quality.

Nas últimas décadas, qualidade do solo tem se tornado um tópico importante na ciência do solo. Embora esforços consideráveis tenham sido dedicados com o intuito de definir "qualidade do solo", ainda não há um conceito amplamente aceito pela comunidade cientifica. A seleção de índices qualitativos para definir qualidade do solo é uma tarefa extremamente difícil, e diversas propriedades químicas, físicas e biológicas tem sido sugeridas como potenciais indicadores. A matéria orgânica do solo está associada com processos químicos, físicos e biológicos no solo, e, portanto, é considerada um dos melhores indicadores de qualidade do solo. O manejo do solo pode influenciar significativamente a dinâmica do carbono orgânico e o ciclo de N, P, e S. Entretanto, mudanças na concentração total da matéria organica em resposta ao manejo pode ser dificil de ser detectada devido à variabilidade natural do solo. Quando comparada com a matéria orgânica total do solo, a fração mais prontamente disponível, como o carbono orgânico dissolvido (COD), é mais sensível às mudanças no manejo do solo a curto e médio prazo e, portanto, pode ser utilizada como indicador fundamental de qualidade do solo ou das alterações das condições naturais. Embora a fração dissolvida represente apenas uma pequena porção da matéria orgânica total do solo, o COD é móvel no solo e constitui uma importante fonte de C para os microorganismos, podendo facilmente refletir os efeitos de diferentes sistemas de manejo. Inúmeros métodos são utilizados para caracterizar o COD, mas os processos que influenciam sua mineralização e a disponibilidade dos elementos associado com a matéria orgânica (N, P, e S) ainda não são completamente entendidos. Pesquisas futuras devem buscar entender os processos que governam a dinâmica de nutrientes e do COD e como os mesmos afetam a qualidade do solo.

Biosolids and heavy metals in soils

The application of sewage sludge or biosolids on soils has been widespread in agricultural areas. However, depending on their characteristics, they may cause increase in heavy metal concentration of treated soils. In general, domestic biosolids have lower heavy metal contents than industrial ones. Origin and treatment method of biosolids may markedly influence their characteristics. The legislation that controls the levels of heavy metal contents in biosolids and the maximum concentrations in soils is still controversial. In the long-term, heavy metal behavior after the and of biosolid application is still unknown. In soils, heavy metals may be adsorbed via specific or non-specific adsorption reactions. Iron oxides and organic matter are the most important soil constituents retaining heavy metals. The pH, CEC and the presence of competing ions also affect heavy metal adsorption and speciation in soils. In solution, heavy metals can be present either as free-ions or complexed with organic and inorganic ligands. Generally, free-ions are more relevant in environmental pollution studies since they are readily bioavailable. Some computer models can estimate heavy metal activity in solution and their ionic speciation. Thermodynamic data (thermodynamic stability constant), total metal and ligand concentrations are used by the GEOCHEM-PC program. This program allows studying heavy metal behavior in solution and the effect of changes in the conditions, such as pH and ionic strength and the application of organic and inorganic ligands caused by soil fertilization.

A aplicação agrícola de lodos de esgoto ou biossólidos tem se tornado prática comum, mas pode causar o acúmulo de metais pesados nos solos, dependendo das características desses resíduos. Em geral, biossólidos de origem doméstica apresentam teores de metais inferiores aos dos oriundos de descarga industrial. A origem e o processo de tratamento influenciam as características desses materiais. A legislação que controla os níveis de metais pesados presentes nos biossólidos e a concentração máxima nos solos é controversa. O comportamento dos metais pesados em longo prazo, após o término da aplicação de biossólidos, não é bem conhecido. Nos solos, os metais pesados podem ser adsorvidos por meio de reações de adsorção específica e/ou não específica. Dentre os componentes que retém metais pesados, destacam-se os óxidos de Fe e a matéria orgânica. O pH, a CTC e a presença de cátions afetam a adsorção e a especiação iônica de metais pesados nos solos. Em solução, os metais encontram-se como íons livres e/ou formam complexos com ligantes orgânicos e inorgânicos. As espécies-livres são mais importantes em estudos de poluição ambiental, pois correspondem às formas prontamente biodisponíveis. Alguns programas computacionais calculam a atividade dos metais em solução e sua especiação iônica. O programa GEOCHEM-PC utiliza uma base de dados termodinâmicos (constante de estabilidade termodinâmica), a concentração total do metal e dos ligantes em solução. Isso permite observar o comportamento dos metais em solução e a resposta dos mesmos às mudanças nas condições do meio, tais como a variação do pH e da força iônica e a adição de ligantes orgânicos e inorgânicos via adubação.

Biosolids and heavy metals in soils

The application of sewage sludge or biosolids on soils has been widespread in agricultural areas. However, depending on their characteristics, they may cause increase in heavy metal concentration of treated soils. In general, domestic biosolids have lower heavy metal contents than industrial ones. Origin and treatment method of biosolids may markedly influence their characteristics. The legislation that controls the levels of heavy metal contents in biosolids and the maximum concentrations in soils is still controversial. In the long-term, heavy metal behavior after the and of biosolid application is still unknown. In soils, heavy metals may be adsorbed via specific or non-specific adsorption reactions. Iron oxides and organic matter are the most important soil constituents retaining heavy metals. The pH, CEC and the presence of competing ions also affect heavy metal adsorption and speciation in soils. In solution, heavy metals can be present either as free-ions or complexed with organic and inorganic ligands. Generally, free-ions are more relevant in environmental pollution studies since they are readily bioavailable. Some computer models can estimate heavy metal activity in solution and their ionic speciation. Thermodynamic data (thermodynamic stability constant), total metal and ligand concentrations are used by the GEOCHEM-PC program. This program allows studying heavy metal behavior in solution and the effect of changes in the conditions, such as pH and ionic strength and the application of organic and inorganic ligands caused by soil fertilization.

A aplicação agrícola de lodos de esgoto ou biossólidos tem se tornado prática comum, mas pode causar o acúmulo de metais pesados nos solos, dependendo das características desses resíduos. Em geral, biossólidos de origem doméstica apresentam teores de metais inferiores aos dos oriundos de descarga industrial. A origem e o processo de tratamento influenciam as características desses materiais. A legislação que controla os níveis de metais pesados presentes nos biossólidos e a concentração máxima nos solos é controversa. O comportamento dos metais pesados em longo prazo, após o término da aplicação de biossólidos, não é bem conhecido. Nos solos, os metais pesados podem ser adsorvidos por meio de reações de adsorção específica e/ou não específica. Dentre os componentes que retém metais pesados, destacam-se os óxidos de Fe e a matéria orgânica. O pH, a CTC e a presença de cátions afetam a adsorção e a especiação iônica de metais pesados nos solos. Em solução, os metais encontram-se como íons livres e/ou formam complexos com ligantes orgânicos e inorgânicos. As espécies-livres são mais importantes em estudos de poluição ambiental, pois correspondem às formas prontamente biodisponíveis. Alguns programas computacionais calculam a atividade dos metais em solução e sua especiação iônica. O programa GEOCHEM-PC utiliza uma base de dados termodinâmicos (constante de estabilidade termodinâmica), a concentração total do metal e dos ligantes em solução. Isso permite observar o comportamento dos metais em solução e a resposta dos mesmos às mudanças nas condições do meio, tais como a variação do pH e da força iônica e a adição de ligantes orgânicos e inorgânicos via adubação.

Energia livre da reação de adsorção de cobre em latossolos ácricos

Free energy of copper adsorption was studied in surface and subsurface samples from three soils of the State of São Paulo, Brazil [Rhodic Kandiudalf (TE), Anionic "Rhodic" Acrudox (LR) and Anionic "Xanthic" Acrudox (LU)], after addition of 5, 20, 50, 100, 200, 300, 400 and 600 mg L-1 of copper. Copper adsorption was considered spontaneous, since the measured free energy was negative in all concentration. Free energy values decreased with the increase of added copper. TE showed higher free energy liberated than LR and LU, mainly in surface samples. For the same soils, surface horizons showed higher values for free energy liberation than subsurface horizons, probably due to the effect of organic matter, whose affinity for copper is high.

Estudou-se a energia livre da reação de adsorção de cobre em amostras superficiais (0-0,2 m) e subsuperficiais (na maior expressão do horizonte B) de três solos paulistas : Latossolo Roxo ácrico (LR), Latossolo variação Una ácrico (LU) e Terra Roxa Estruturada (TE), após a adição de 5, 20, 50, 100, 200, 300, 400 e 600 mg L-1 de cobre. A adsorção de cobre pelos solos foi considerada espontânea, pois a energia livre apresentou valores negativos em todas as concentrações estudadas. Os valores de energia livre diminuíram com o aumento da dose de cobre adicionada. A TE apresentou maior energia livre de adsorção em relação aos Latossolos, sobretudo em superfície. Considerando-se o mesmo solo, os horizontes superficiais apresentaram maior energia livre para as reações de adsorção de cobre em relação aos horizontes subsuperficiais, provavelmente devido ao efeito da matéria orgânica, que apresenta alta afinidade pelo elemento.

Energia livre da reação de adsorção de cobre em latossolos ácricos

Free energy of copper adsorption was studied in surface and subsurface samples from three soils of the State of São Paulo, Brazil [Rhodic Kandiudalf (TE), Anionic "Rhodic" Acrudox (LR) and Anionic "Xanthic" Acrudox (LU)], after addition of 5, 20, 50, 100, 200, 300, 400 and 600 mg L-1 of copper. Copper adsorption was considered spontaneous, since the measured free energy was negative in all concentration. Free energy values decreased with the increase of added copper. TE showed higher free energy liberated than LR and LU, mainly in surface samples. For the same soils, surface horizons showed higher values for free energy liberation than subsurface horizons, probably due to the effect of organic matter, whose affinity for copper is high.

Estudou-se a energia livre da reação de adsorção de cobre em amostras superficiais (0-0,2 m) e subsuperficiais (na maior expressão do horizonte B) de três solos paulistas : Latossolo Roxo ácrico (LR), Latossolo variação Una ácrico (LU) e Terra Roxa Estruturada (TE), após a adição de 5, 20, 50, 100, 200, 300, 400 e 600 mg L-1 de cobre. A adsorção de cobre pelos solos foi considerada espontânea, pois a energia livre apresentou valores negativos em todas as concentrações estudadas. Os valores de energia livre diminuíram com o aumento da dose de cobre adicionada. A TE apresentou maior energia livre de adsorção em relação aos Latossolos, sobretudo em superfície. Considerando-se o mesmo solo, os horizontes superficiais apresentaram maior energia livre para as reações de adsorção de cobre em relação aos horizontes subsuperficiais, provavelmente devido ao efeito da matéria orgânica, que apresenta alta afinidade pelo elemento.