Plant availability and leaching of (heavy) metals from ammonium-, calcium-, carbohydrate-, and citric acid-treated uranium-mine-dump soil

Remediation of an uranium-mine soil from Settendorf (East Germany) includes phytoextraction under conditions which make its heavy metals more plant-available but less leachable. A second way is active inhibition of heavy metal uptake by the plant. In a pot trial with Chinese cabbage (Brassica chinensis L.), planted and unplanted soil samples were daily irrigated with deionized water or aqueous solutions with a total of (g (kg soil)–1) CaCl2 (0.26 Ca), NH4Cl (1.39), casein, sucrose, citric acid (13), and an extract of rape (B. napus L.) shoots (13 DW) in a phytotron for 26 d. Water-irrigated plants were also treated with a 50 mM citric acid solution (10.5 g (kg soil)–1) 6 and 7 d prior to harvesting. Total elements in plant tissue and soluble elements in aqueous extracts from control and postharvest soils were determined by ICP-AES. Supplements of NH, and the NH-generating casein and rape extract reduced soil pH during nitrification, and increased plant uptake of Cd, Cu, Ni, and Zn. Citric acid at 50 mM adjusted soil to pH 4.5–6.0 and enhanced uptake of all elements. Long-term application of sucrose and citric acid increased pH and inhibited uptake of Cd, Cr, Cu, Ni, and Zn. Contemporarily, leaching of heavy metals and humic substances was lowest with Ca and NH and highest with sucrose and citric acid amendments. It is concluded that Chinese cabbage grown for chelate-assisted phytoextraction should be supplied with Ca and NH to obtain a high plant biomass on soil with a low hazard of leaching. Metal uptake should be stimulated by application of chelator 7 d prior to harvesting. Undesired uptake of heavy metals by Chinese cabbage determined as food should be inhibited with carbohydrate amendments. Long-term application of NH or chelator, which reduces the solubility of certain elements but increases their uptake moderately, is recommended as a tool for continuous phytoextraction technologies. Pflanzenverfugbarkeit und Auswaschung von (Schwer-)Metallen in einem ammonium-, calcium-, kohlenhydrat- und zitronensaurebehandelten Uranhalde-Boden Die Sanierung des Uranhalde-Bodens von Settendorf (Ostdeutschland) schliest die Phytoextraktion unter Bedingungen ein, die die Schwermetalle pflanzenverfugbarer, aber weniger auswaschbar machen. Ein zweiter Weg ist die aktive Behinderung der Schwermetallaufnahme durch die Pflanze. In einem Topfversuch mit Chinakohl (Brassica chinensis L.) wurden bepflanzte und unbepflanzte Bodenproben taglich mit deionisiertem Wasser oder wassrigen Losungen mit einem Gesamtgehalt von (g (kg Boden)–1): CaCl2 (0.26 Ca), NH4Cl (1.39), Casein, Sucrose, Citronensaure (13) und einem Extrakt von Rapsspross (B. napus L., 13 DW) begossen. Der Versuch erfolgte in einem Phytotron uber 26 Tage. Daruber hinaus wurden mit Wasser behandelte Proben 6 und 7 Tage vor der Ernte mit einer Zitronensaurelosung (50 mM, 10,5 g (kg Boden)–1) behandelt. Die Gesamtgehalte an Elementen in Pflanzengeweben und die loslichen Elemente in wassrigen Extrakten aus Kontroll- und beernteten Boden wurden mit ICP-AES bestimmt. NH-, Casein- und Rapspflanzenextraktzusatze, die ebenfalls NH freisetzen, verringerten den pH-Wert des Bodens infolge der Nitrifikation und erhohten die Aufnahme von Cd, Cu, Ni und Zn. Zitronensaurelosung (50 mM) senkte den pH-Wert des Bodens auf 4,5–6,0 und erhohte die Aufnahme aller Elemente. Langzeitapplikationen von Sucrose und Zitronensaure erhohten den pH-Wert und behinderten die Aufnahme von Cd, Cr, Cu, Ni und Zn. Gleichzeitig war die Auswaschbarkeit von Schwermetallen und Humussubstanzen am geringsten mit Ca- und NH-, und am hochsten mit Sucrose- und Zitronensaurezusatzen. Deshalb sollte der fur chelatinduzierte Phytoextraktion gezogene Chinakohl mit Ca und NH versorgt werden, um eine hohe Pflanzenbiomasse auf einem Boden mit geringer Auswaschungsgefahr zu erzielen. Die Metallaufnahme sollte 7 Tage vor der Ernte mit einer Chelatorgabe stimuliert werden. Unerwunschte Aufnahme von Schwermetallen durch den zum Nahrungsmittel bestimmten Chinakohl sollte durch Kohlenhydratzusatze zum Boden gehemmt werden. Eine Langzeitapplikation von NH oder Chelatoren, die die Loslichkeit einiger Elemente verringert und ihre Aufnahme moderat erhoht, wird als Teil einer kontinuierlichen Phytoextraktion empfohlen.