Microplásticos em solos : alterações físicas, sorção e mobilidade de cádmio em colunas

Abstract

Resumo: A contaminação ambiental com microplásticos (MP) pode impactar tanto a dinâmica de sorção de cádmio (Cd2+) quanto as propriedades físicas dos solos. Este estudo investigou os efeitos de MP de polietileno de alta densidade (HDPE), em dois tamanhos (150 µm e 40–48 µm), sobre: (i) alterações nas características físicas dos solos, incluindo porosidade (total, macro, meso e microporos), densidade aparente (Ds) e condutividade hidráulica, e como essas mudanças afetam a mobilidade de Cd2+; (ii) a adsorção de Cd na fração mineral do solo, considerando interações por esfera interna e externa. O experimento foi conduzido em colunas de lixiviação preenchidas com solos de três classes distintas: Cambissolo Háplico (CX), Cambissolo Húmico (CH) e Espodossolo Humilúvico (EK), com textura, mineralogia e teores de matéria orgânica contrastantes. Foram preenchidas 27 colunas (três seções de 0,05 m de altura x 0,15 m de diâmetro) com amostras deformadas (< 2 mm) dos horizontes A e Bi (CX e CH) e A, E e Bh (EK). Na camada superior (0–0,05 m), foram adicionados 2% (m/m) de MP, e as colunas incubadas por 90 dias com 10 aplicações periódicas de solução de Cd(NO3)2·4H2O aumentando a concentração a cada duas aplicações (92–1186 mg L?¹). Foram avaliados os atributos físicos porosidade, densidade aparente e condutividade hidráulica; concentração de Cd2+ no lixiviado (total e solúvel) e; os teores de Cd2+ nas formas pseudo-total, solúvel em água, trocável e adsorvida por esfera interna nos minerais de argila para cada camada das colunas. A presença de MP diminuiu a Ds apenas nas camadas mais profundas (0,10–0,15 m) do CX e CH, indicando descida de MP ao longo das colunas, mais intensa no CH. Isso resultou em redução de porosidade total (Pt), macro (Ma) e mesoporos (Me) nas camadas intermediárias do CH, enquanto no EK, os MPs foram confinados na camada superior devido à alta proporção de areia (886 g kg?¹). Apesar das mudanças físicas, a mobilidade de Cd2+ não foi afetada, mesmo com a presença de MPs na segunda camada do CH. Os resultados demonstram que os MPs afetam diferentemente solos com texturas e mineralogias contrastantes, alterando a biodisponibilidade de Cd2+ e propriedades físicas específicas, com potencial implicação para a dinâmica de poluentes em solos contaminados. Já na dinâmica de sorção de Cd2+ no solo, a presença de MP não alterou os teores de Cd pseudo-total em nenhum solo. Contudo, no CX, observou-se aumento nas frações trocáveis e solúveis em água do Cd, indicando maior biodisponibilidade e tornando este solo mais suscetível à dupla contaminação. No CH, o MP de 150 µm promoveu aumento do Cd trocável nas duas camadas superiores, devido à interação com as propriedades físicas, que restringiu a mobilidade do MP. A difusão dos íons metálicos e o tempo de residência influenciaram as alterações na sorção de Cd2+ no CH e EK, onde as cargas negativas predominantes inibiram mudanças significativas. No lixiviado do CX, o MP de menor diâmetro aumentou o Cd particulado, enquanto no CH ambos os MPs aumentaram o Cd solúvel

Abstract: Environmental contamination with microplastics (MP) can impact both the dynamics of cadmium (Cd) sorption and the physical properties of soils. This study investigated the effects of high-density polyethylene (HDPE) MP, in two sizes (150 µm and 40–48 µm), on: (i) changes in soil physical characteristics, including porosity (total, macro, meso and micropores), bulk density (Ds) and hydraulic conductivity, and how these changes affect Cd2+ mobility; (ii) the adsorption of Cd in soil organic and mineral fractions, considering internal and external sphere interactions. The experiment was conducted in leaching columns filled with soils of three distinct classes: Udic Inceptisols (KF), Humic Inceptisols (KA) and Orthods Spodosols (CA), with contrasting textures, mineralogy and organic matter contents. Twenty-seven columns (three sections of 0.05 m in height x 0.15 m in diameter) were filled with disturbed samples (< 2 mm) from the A and Bw (CX and CH) and A, E and Bh (EK) horizons. In the upper layer (0 0.05 m), 2% (w/w) of MP was added, and the columns were incubated for 90 days with 10 periodic applications of Cd(NO3)2·4H2O solution (92–1186 mg L?¹). The physical parameters of the soils were evaluated, as well as the Cd fractions (pseudo-total, water-soluble, exchangeable and adsorbed by the inner sphere). Physically, the presence of MP negatively affected BD only in the deepest layers (0.10–0.15 m) of KF and KA, indicating a decrease in MP along the columns, more intense in KA. This resulted in a reduction in total porosity (TP), macropores (Ma) and mesopores (Me) in the intermediate layers of KA, while in CA, MPs were confined in the upper layer due to the high proportion of sand (886 g kg?¹). Despite the physical changes, Cd2+ mobility was not affected, even with the presence of MPs in the second layer of KA. The results demonstrate that MPs affect soils with contrasting textures and mineralogies differently, altering Cd2+ bioavailability and specific physical properties, with potential implications for the dynamics of pollutants in contaminated soils. Regarding the dynamics of Cd2+ sorption in soil, the presence of MP did not alter the pseudo-total Cd contents in any soil. However, in KF, an increase in the exchangeable and water soluble fractions of Cd was observed, indicating greater bioavailability and making this soil more susceptible to double contamination. In KA, the 150 µm MP promoted an increase in exchangeable Cd in the two upper layers, due to the interaction with the physical properties, which restricted the mobility of the MP. The diffusion of metal ions and the residence time influenced the changes in Cd2+ sorption in KA and CA, where the predominant negative charges inhibited significant changes. In the KF leachate, the smaller diameter MP increased particulate Cd, while in KA both MPs increased soluble Cd