Heavy metals in Dutch field soils: an experimental and theoretical study on equilibrium partitioning

Abstract

The prediction of the effects of metals on biotic species, communities and ecosystems is at present seriously hampered by a lack of (quantitative) understanding of the factors that modulate metal bioavailability. Bioavailability needs to be dealt with as a dynamic process, comprising a physico-chemically driven desorption process, and a physiologically driven uptake process. In this report the physico-chemical aspects of bioavailability in a typical Dutch field situation are studied. 49 Dutch soils, selected with the aim of covering a wide range of soil types occurring in the Netherlands, were sampled and the partitioning of 6 metals (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) and the metalloid As over the soil solid matrix and the pore water was studied. The main soil characteristics determining metal partitioning were quantified and statistical models were derived to describe the partitioning process on the basis of a limited number of easily determinable soil properties. As there is evidence for predominant pore water uptake of metals by organisms living in the soil, the models thus derived provide the first step in predicting the availability for uptake, and hence prediction of toxic effects, of the metals studied.

Het kwantificeren van het effect van metalen op organisme-, populatie- en ecosysteem-niveau wordt op dit moment bemoeilijkt door een gebrek aan kennis over de fysisch-chemische en fysiologische factoren die de biobeschikbaarheid van de metalen bepalen. In dit rapport zijn de fysisch-chemische aspecten van biobeschikbaarheid voor de Nederlandse veldsituatie bestudeerd. Dit is gedaan aan de hand van een bemonstering van 49 landbodems, die een dwarsdoorsnede vormen van de verschillende bodemtypes die in Nederland voorkomen. Na bemonstering is de verdeling van 6 metalen (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) en het metalloide As over de vaste bodemmatrix en het poriewater bestudeerd. De bodemeigenschappen waarvan verondersteld wordt dat zij het partitiegedrag in grote mate beinvloeden, zijn voor elke bodem gekwantificeerd en modellen zijn afgeleid voor het beschrijven van het partitieproces op basis van een aantal eenvoudig te bepalen bodemeigenschappen. De modellen zijn geschikt voor het berekenen van metaalgehaltes in het poriewater. Aangezien de meeste organismen die in de bodem leven, metalen via het poriewater opnemen zijn de modellen bruikbaar voor het voorspellen van de beschikbaarheid van metalen voor opname door deze organismen.