Predicting heavy metal transfer from soil to plant: potential use of Freundlich-type functions

Soil-plant transfer of metals is a nonlinear process. We therefore aimed at evaluating the potential of Freundlich-type functions (cPlant = b × cSoila) to predict Cd, Cu, Pb, and Zn concentrations in wheat (Triticum aestivum L.) grain and leaf (cPlant) from soil concentrations (cSoil). Wheat plants and soil A horizons, mainly developed from Holocene sediments, were sampled at 54 agricultural sites in Slovakia. Metals were extracted from soils with 0.025 M EDTA at pH 4.6 and concentrated HNO3/HClO4 (3:1); plant samples were digested with concentrated HNO3. Total metal concentrations of soil samples were 0.07—25 mg Cd kg—1, 9.3—220 mg Cu kg—1, 14—1827 mg Pb kg—1, and 34—1454 mg Zn kg—1. On average, between 20 % (Zn) and 80 % (Cd) of the total concentrations were EDTA-extractable. The total metal concentrations of grain samples were Potenzial von Funktionen des Freundlich-Typs zur Vorhersage des Schwermetalltransfers vom Boden in die Pflanze Der Transfer von Metallen vom Boden in die Pflanze ist ein nicht-linearer Prozess. Unser Ziel war die Evaluierung des Potenzials von Funktionen des Freundlich-Typs (cPflanze = b × cBodena) zur Vorhersage der Cd-, Cu-, Pb- und Zn-Gehalte in Korn und Blatt (cPflanze) von Weizen (Triticum aestivum L.) aus Bodengehalten (cBoden). Auf 54 Ackerböden, überwiegend aus holozänen Sedimenten, in der Slowakei wurden Weizenpflanzen und A-Horizonte beprobt. Die Metalle wurde aus den Böden mit 0,025 M EDTA bei pH 4,6 und konzentrierter HNO3/HClO4 (3:1) extrahiert; die Pflanzenproben wurden mit konzentrierter HNO3 aufgeschlossen. Die Schwermetallgesamtgehalte in den Böden betrugen 0,07—25 mg Cd kg—1, 9,3—220 mg Cu kg—1, 14—1827 mg Pb kg—1, and 34—1454 mg Zn kg—1. Im Mittel waren zwischen 20 % (Zn) und 80 % (Cd) EDTA-extrahierbar. Die Metallgehalte im Korn lagen zwischen < 0,01 und 1,3 mg Cd kg—1, 1,3 und 6,6 mg Cu kg—1, < 0,05 und 0,30 mg Pb kg—1 und 8 und 104 mg Zn kg—1; die Blätter enthielten bis zu 3,2 mg Cd kg—1, 111 mg Cu kg—1, 4,3 mg Pb kg—1, und 177 mg Zn kg—1. Eine lineare Regression der Pflanzengehalte auf die Bodengehalte ohne Datentransformation war wegen der nicht-normalen Datenverteilung ausgeschlossen. Funktionen vom Freundlich-Typ waren geeignet, die Cd- (Korn: r = 0,71, Blatt: 0,86, log-transformierte Daten) und Zn-Gehalte (Korn: r = 0,69, Blatt: 0,68) im Weizen aus den EDTA-extrahierbaren Gehalten vorherzusagen. Die Vorhersagen der Cu- und Pb-Gehalte im Korn waren weniger genau (Cu: r = 0,44, Pb: 0,41) und im Blatt nur für Pb möglich (0,50). Wir schlagen vor, Funktionen des Freundlich-Typs für die Festlegung von Bodengrenzwerten anstelle von linearer Regression einzusetzen, weil sie die nicht-linearen Aufnahmeprozesse besser beschreiben und weil sie zusätzliches Interpretationspotenzial bieten. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Koeffizient b der Funktion vom Freundlich-Typ von der Intensität der Metallaufnahme abhängt und der Koeffizient a die Fähigkeit der Pflanze reflektiert, die Schwermetallaufnahme zu kontrollieren. Letzterer hängt außerdem von der Metalltranslokation und der atmosphärischen Deposition ab.