1. INTRODUZIONE
1.4. Determinazione della frazione biodisponibile
1.4.1. Metodi di estrazione chimica degli elementi minerali del suolo
Per scopi geochimici, ambientali e agronomici, spesso, oltre al contenuto totale di elementi, è utile conoscere anche la quantità di specifiche frazioni di elementi associati ad una particolare componente del suolo. La biodisponibilità (quindi la mobilità degli elementi nel suolo) cala nelle diverse frazioni secondo il seguente ordine: frazione solubile > frazione scambiabile > frazione legata alla sostanza organica > frazione legata a carbonati > frazione legata agli ossidi > frazione legata ai minerali alluminosilicati.
Per la separazione e quantificazione delle diverse frazioni possono essere utilizzati sia metodi di estrazione sequenziale del suolo sia metodi di estrazione singoli. I metodi sequenziali prevedono l’utilizzo di una successione di passaggi estrattivi con diversi reagenti sempre più forti e specifici in modo che il residuo di una estrazione venga attaccato dall’estraente seguente e così via fino ad ottenere una serie di particolari frazioni di elementi la cui somma corrisponde al contenuto totale del suolo. Tra i metodi sequenziali sviluppati, i più noti sono il metodo di Tessier et al. (1979) e il metodo BCR (Community Bureau of Reference, attuale Standard, Measurement and Testing Program; SM&T; Sahuquillo et al., 1999).
La Tab. 1.4-1 elenca una minima parte dei metodi estrattivi più diffusamente utilizzati per lo studio delle diverse frazioni degli elementi presenti nel suolo (Rao et al., 2008).
1) frazione solubile in acqua: costituisce la frazione di elementi più mobile e disponibile data da ioni liberi o complessati con composti solubili. In genere questa frazione contiene una scarsa quantità di elementi.
2) frazione scambiabile: costituisce la frazione di elementi debolmente adsorbiti mediante interazioni elettrostatiche ai siti carichi negativamente delle particelle colloidali e facilmente rilasciabili in soluzione in seguito a processi di scambio ionico (per azione di cationi quali K, Ca, Mg o NH4). Eccetto i macroelementi, questa frazione contiene meno del 2% del contenuto totale del suolo (Emmerson et al., 2000). I sali di ammonio degli acidi forti possono portare ad una parziale dissoluzione delle argille.
3) frazione adsorbita in modo specifico (“specifically sorbed”). Adsorbita ai colloidi e meno prontamente scambiabile rispetto alla precedente in quanto sono presenti legami covalenti. Questi metalli possono essere scambiati da ioni H+, Mg+2 Pb+, Cu+. L’acido acetico, spesso usato, attacca parzialmente anche i carbonati e i silicati ed è quindi meno specifico (Rapin e Forstner, 1983). 4) frazione legata alla componente organica. Questa frazione tende a rimanere bloccata nel suolo
per lunghi periodi ma, in seguito a processi decompositivi ossidativi può essere lentamente rimobilizzata (Kennedy et al., 1997). In genere la sostanza organica è ossidata con H2O2 e la
l’utilizzo di pirofosfato di sodio o potassio per la dispersione del materiale organico colloidale oppure di agenti chelanti quali DTPA o EDTA.
5) frazione associata ai carbonati. E’ estratta in seguito alla solubilizzazione dei carbonati mediante acidi (spesso è usato sodio acetato a pH 5).
6) frazione associata a ossidi e idrossidi di Fe e Mn. Gli idrossidi di Fe e Mn sono in grado di adsorbire in modo specifico gli elementi minerali e in particolare i metalli pesanti. L’estrazione è
effettuata mediante NH2OH+HCl 0.5M a pH 1.5 (Sahuquillo et al., 1999), con sodio
ditionito/sodio citrato e sodio bicarbonato (Beckett, 1989) o con acido ossalico (Sahuquillo et al., 1999).
7) frazione “pseudototale”. E’ ottenuta in seguito a digestione acida con HNO3 da solo o in miscela con HCl (acqua regia) e dà indicazioni sulla quantità massima di elementi potenzialmente disponibili e mobilizzabili. Non comprende la frazione di elementi legati alla componente silicatica.
8) frazione totale. Comprende anche la frazione legata alla componente silicatica che è sciolta utilizzando una miscela di acidi forti come HNO3, HClO4, HF.
Tab. 1.4-1 Esempio dei metodi estrattivi utilizzati per lo studio delle diverse frazioni degli elementi minerali presenti nel suolo
frazione in studio estraente solubile in acqua acqua, KNO3 0.01M
scambiabile
KCl 1M, CaCl2 0.01-0.5M, MgCl2 0.5-1M,
Ca(NO3)2 0.1-0.5M, NH4CH3COO 1M,
BaCl2 0.1M, NH4NO3 1M
specificamente assorbita acido acetico 0.5M, PbNO3 0.05M
legata alla sostanza organica
Na o K pirofosfato 0.1M, EDTA 0.4M, H2O2/HNO3/NaCH3COO
legata ai carbonati acido acetico 0.1-0.5M, NaCH3COO 1M,
EDTA 0.05M legata a ossidi e idrossidi di
ferro e manganese
NH2OH·HCl 0.5M, acido ossalico 0.1M,
ditionito/ citrato/bicarbonato pseudototale (non legato ai
silicati) HNO3, acqua regia totale HNO3/HF/HClO4
Purtroppo i metodi di estrazione sequenziale risultano molto lunghi e laboriosi (il metodo BCR richiede più di 2 giorni) e questo ne ha limitato l'utilizzo. Molte sono le modifiche testate in modo da rendere l'estrazione più veloce e talvolta più ripetibile: per esempio è stata suggerita un’estrazione mediante ultrasuoni o microonde (Lu et al., 2003) oppure estrazioni in flusso continuo (Shiowatana et al., 2001).
In realtà, numerosissimi sono gli estraenti utilizzati per determinare il contenuto di elementi in traccia mobili e quindi disponibili per le piante e conseguentemente predire carenze o eccessi di particolari micronutrienti nelle colture oppure stimare la possibilità di diffusione di inquinanti. Tra questi, i più noti e diffusi sono: soluzioni di sali anche tamponate, l’acetato di ammonio, il nitrato di ammonio, il calcio cloruro, soluzioni di acidi diluiti o miscele acide (es. soluzione di Mehlich), soluzioni di agenti chelanti come DTPA ed EDTA (Rao et al., 2008). Anche la Coca-Cola (per il suo contenuto di acido fosforico) è stata proposta come estraente per la frazione mobile (Schnug et
al., 1996).
In ogni caso, non è stato stabilito un metodo “universale” in quanto il risultato è specifico per il singolo suolo, specie vegetale ed elemento considerati (Adriano, 2001).
Gli elementi maggiormente studiati sono i metalli pesanti per evidenti motivi ambientali e tossicologici. Recentemente una review sui metodi di estrazione singoli e sequenziali di elementi in traccia in suoli, sedimenti e fanghi è stata pubblicata da Rao et al. (2008). Nella Tab. 1.4-2 è riportata un’integrazione alla ricerca bibliografica effettuata da questi autori sui lavori pubblicati dopo il primo semestre 2007 e negli anni precedenti per quanto riguarda in particolare le terre rare (REEs).
Menzies et al. (2007), rielaborando i dati riportati in più di 100 studi riferiti a monocotiledoni cresciute su una ampia varietà di tipi di suoli, hanno evidenziato come tra gli estraenti singoli utilizzati, i sali neutri, quali CaCl2 0.01M, NaNO3 0.1M e NH4OAc 1M, sembrerebbero permettere una migliore stima della frazione di metalli pesanti biodisponibile rispetto agli agenti chelanti o agli estraenti acidi. Altri studi riportano dati contrari: l’estratto di un ammendante dato da fanghi di concerie con EDTA per vari elementi sembra essere meglio correlato al contenuto nella pianta (Sesamum indicum) rispetto all’estratto con DTPA, NH4NO3, NaNO3 e CaCl2 (Gupta e Sinha, 2007). In vigneti contaminati da un vicina fonderia di zinco, i contenuti di Pb, Cd e Zn riscontrati nelle uve risultano correlati ai contenuti del suolo estratto con HCl/H2SO4 (frazione solubile in acidi), NH4OAc (frazione scambiabile) e acqua regia (frazione “pseudototale”; Tokalioglu et al., 2004).
Lyndsay e Norvell (1978) hanno messo a punto un metodo estrattivo con DTPA per la stima della frazione biodisponibile di metalli pesanti.
L’estrazione mediante DTPA è indicata come preferibile nella stima della frazione di terre rare a basso peso atomico (LREEs) biodisponibili in quanto meglio correlata alla concentrazione riscontrabile in radici e apici di grano (Fang et al., 2007b). Tuttavia Lu et al., (2003) sempre in grano, indicano correlazioni migliori con estratti in CaCl2 o CH3COOH.
Tab. 1.4-2 Lista delle principali pubblicazioni sull’utilizzo di metodi estrattivi singoli e sequenziali del suolo usciti dopo il primo semestre 2007. Integrazione della review sull’argomento effettuata da Rao et al. (2008).
matrice elementi determinati e reagenti utilizzati note Riferimento suolo
forestale
Ca, Mg, K, Na, Mn, Fe, Cu, Zn, Cd, Pb, Al. NH4NO3 e NH4Cl
Confronto tra i 2 metodi estrattivi.Il NH4
sembra più adatto per la stima della frazione mobile/scambiabile Schoning e Brummer, 2008. suolo, sedimenti e reflui metalli pesanti.
acido acetico, sodio acetato, lisciviazione a pH 4.
Studio delle relazione tra il contenuto nell'estratto acido, il contenuto totale e caratteristiche fisico- chimiche del suolo.
Cappuyns e Swennen, 2008
suolo Al, As, Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn. Estrazione sequenziale BCR, HCl diluito
Utilizzo del contenuto estraibile e dell'indice "transfer factor" tra suolo e pianta nella predizione della mobilità dei metalli pesanti
Kubova et al ., 2008
suolo urbano Cu, Zn, Pb, Cr, Ni. EDTA
Studio della biodisponibilità di metalli pesanti nel suolo totale e nelle frazioni più fini.
Madrid et al ., 2008
materiale di riporto
U, Cu, Cr, Fe, Pb, Mn, Ni, Zn. Estrazione sequenziale
Studio dell'associazione degli elementi alle diverse componenti del suolo
Oygard et al ., 2008
polvere stradale
Pt, Pd, Rh.
Estrazione sequenziale BCR
Determinazione della frazione mobile di Pt, Pd e Rh
Ljubomirova et al ., 2008
suolo contaminato
Zn, Pb, Cu, Cd.
EDTA, acido citrico Confronto della capacità estrattiva dei 2 metodi.
Labanowski et al ., 2008
fanghi e suolo contaminato
Ca, Fe, Mn, As, Cd, Cu, Pb, Zn. Estrazione sequenziale BCR.
Predizione della mobilità di elementi anche in traccia a breve e lungo tempo dopo contaminazione
Pueyo et al ., 2008
suolo forestale
Pb. EDTA
Valutazione del ruolo di vari macroelementi sull'estrazione di elementi in traccia
Chrastny et al ., 2008
suoli e suoli contaminati
Cd, Cu, Pb, Zn.
CaCl2, DTPA, NH4Cl, HCl, estrazione sequenziale (6 step).
Confronto dei diversi metodi. L'estrazione con HCl 1M è raccomandata per valutare i suoli contaminati da metalli pesanti. Kashem et al ., 2007 suoli trattati con ammendanti As, Cd, Cu, Pb, Zn. CaCl2, EDTA
Correlazione dei contenuti di elementi in traccia in graminacee e negli estratti di suolo. Il CaCl2
sembra permettere una miglior stima della frazione assorbita dalla pianta
Burgos et al ., 2008
suoli contaminati
As, Cr, Cu, Pb, Zn. Estrazioni sequenziali
Sono confrontati risultati ottenuti mediante 3 diverse procedure di estrazione sequenziale.
Romaguera et al ., 2008
suoli compostati
Zn, Fe, P, Cu. NH4HCO3-DTPA
Applicazione di modelli di analisi di regressione per predire la biodiponibilità di elementi nutrienti
Barbarick e Ippolito, 2008
sedimenti Fe, Mn, Co.
Estrazione sequenziale, EDTA Confronto dei 2 metodi estrattivi
Vojtekova et al ., 2008
suolo Vari elementi potenzialmente tossici. NH4HCO3-EDTA, acqua regia
Studio della disponibilità di elementi inquinanti di origine antropica (Cd, Cu, Pb, Zn) rispetto ad elementi di origine geogenica (As, Tl, V)
Albanese, 2008
suoli tropicali
Cr, Cu, Ni, Zn.
Estraizone sequenziale BCR e del Geological Survey of Canada (GSC)
Confronto dei 2 metodi estrattivi applicati a suoli tropicali
Doelsch et al ., 2008
suoli forestali
Cu, Zn, Pb, Al, Fe, Cr, Mn, K, Mg, Ca. HNO3, HCl, sodio pirofostato.
Confronto tra i metodi estrattivi e studio dell'abilità dei vari elementi minerali di formare complessi organici.
Donisa et al ., 2008
Tab. 1.4-2 (continua)
matrice elementi determinati e reagenti utilizzati note Riferimento suoli
contaminati Cd.
TEA - CaCl2 - DTPA Estrazione della frazione di Cd scambiabile
Vasile et al ., 2008
Sedimenti in zone
Cd, Cr, Cu, Pb, Zn.
Estrazione sequenziale Confronto di 3 metodi di estrazione sequenziale
Alvarez et al ., 2008
suolo Sc, Ga.
Estrazione sequenziale di Tessier modificata Studio di speciazione su Sc e Ga
Poledniok, 2008
suoli contaminati
Co, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn. Estrazione sequenziale Studio del frazionamento degli elementi nelle diverse componenti del suolo
Kierczak et al ., 2008
suolo 20 elementi.
Estrazione sequenziale a 5 step ed estrazione con HCl 0.12M
Studio del frazionamento degli elementi nelle diverse componenti del suolo
Thums et al ., 2008
suoli tropicali trattati con
Fe, Mn, Zn, Cu.
Estrazione sequenziale Studiobiodisponibile di Fe, Mn, Zn, Cu in seguitodella variazione della frazione all'aggiuta di compost
Soumare et al ., 2007
suoli Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Mn.
LMWOAs su suolo rizosferico e non, EDTA, DTPA, CaCl2
acido acetico
Confronto dei diversi metodi estrattivi per la stima della frazione biodisponibile per la pianta (grano). Sviluppo di un modello predittivo di regressione multipla che utilizza anche vari parametri chimico- fisici del suolo
Fang et al ., 2007a
suoli contaminati
metalli pesanti.
DTPA, EDTA, NH4NO3, CaCl2, NaNO3
Confronto delle diverse soluzioni estraenti per la stima della frazione assorbibile da Brassica juncea.
Gupta e Sinha, 2007
suoli LREEs.
DTPA, EDTA, CaCl2, CH3COOH
Confronto delle diverse soluzioni estraenti per la stima della frazione di LREEs assorbibile da Triticum aestivum .
Fang et al ., 2007b
suoli contaminati
Cr, Ni, Zn, Cu, Pb, REEs. CaCl2, DTPA, CH3COOH, acqua
Confronto di vari metodi estrattivi e sviluppo di un modello di regressione multipla per la stima della biodisponibilità di elementi in traccia per gli ortaggi
Wang et al ., 2004
suolo REEs.
Estrazione sequenziale di Tessier et al ., 1979
Quantificazione delle REEs nelle diverse frazioni del suolo e correlazione con i contenuti nella pianta (alfa-alfa).
Cao et al ., 2000
Gryschko et al. (2005) riportano buone correlazioni tra i contenuti di Cd e Tl nel suolo estratto con NH4NO3 1M e nella pianta (grano, carota, spinacio, lattuga). La correlazione sembra meno stretta per Ni, Zn, As e Pb. Gli stessi autori, studiando i meccanismi chimici coinvolti durante l’estrazione degli elementi minerali dal suolo con NH4NO3, hanno osservato che l’elevata forza ionica della soluzione utilizzata favorisce il desorbimento dei cationi divalenti (Cd, Co, Ni, Zn). Inoltre, questo estraente porta ad un adsorbimento degli ossianioni (es. arseniato) per l’analisi dei quali il metodo risulta quindi meno adatto. In suoli neutri o alcalini (pH >6.5), in seguito alla dissociazione di NH4+ in NH3 e H+, è stata evidenziata la formazione di complessi amminici solubili con cationi (tra cui Cd, Cu, Hg) con un aumento della loro estraibilità e sovrastima della frazione biodisponibile.
Feng et al. (2005a e b) hanno confrontato il contenuto di Zn, Cr, Cu, Cd nell’orzo e nel grano rispetto a quello nel suolo rizosferico non seccato estratto con DTPA, NaNO3 e CaCl2 e con una miscela di acidi organici. Gli autori hanno osservato buone correlazioni tra il contenuto del suolo estratto con acidi organici e quello nelle radici di orzo e nelle radici e -seppur in minor grado- negli apici di grano. Questo metodo sembra robusto e utilizzabile per tutti i tipi di suolo, mentre gli altri estraenti, e in particolare il DTPA, risultano essere più dipendenti dalle caratteristiche del suolo.
Recentemente è stato evidenziato come anche l’utilizzo del suolo non rizosferico (“bulk-soil” ma non seccato), possa dare utili informazioni per stimare la frazione fitodisponibile di metalli pesanti (Fang et al., 2007a).
Lombnaes e Singh, (2003) evidenziano come il modello di regressione per la stima dei contenuti di Zn e Cu nella pianta risulti più performante includendo tra i predittori non solo il contenuto dei metalli stessi nell’estratto del suolo ma anche alcune proprietà fisico-chimiche del suolo quali la percentuale di argilla, il pH, il contenuto di C e N, il contento totale di microelementi.