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Release, biomethylation and biovolatilisation of antimony in soils. Drivers, mechanisms and global environmental implications.

English title Release, biomethylation and biovolatilisation of antimony in soils. Drivers, mechanisms and global environmental implications.
Applicant Mestrot Adrien
Number 197044
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Geographisches Institut Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.04.2021 - 31.03.2025
Approved amount 711'354.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Inorganic Chemistry

Keywords (10)

biovolatilisation; colloids; speciation; soil; antimony; biomethylation; remobilisation; HPLC-ICP-MS; pollution; AF4-ICP-MS

Lay Summary (French)

Lead
L'antimoine est un élément chimique de plus en plus utilisé dans l'industrie (retardateur de flammes, plastiques PET, batteries de voiture, munitions au plomb etc.). Cependant, il a été très peu étudié jusqu'à présent et l'on ne connait pas bien son impact sur l'environnement et la santé humaine. Avec ce projet nous espérons mieux comprendre le comportement de l'antimoine dans les sols, surtout sa libération lors d’inondations et la formation d’espèce méthyles et volatile par les microorganismes du sol.
Lay summary
L'antimoine (Sb) est un élément chimique utilisé dans de nombreux produits du quotidien, (bouteilles en PET, batteries de voiture, munitions au plomb…). L’utilisation de l’antimoine se développe dans le monde entier et cette croissance a pour conséquence une augmentation des émissions dans notre environnement. On s'inquiète donc de plus en plus de la menace que peut poser l’antimoine sur l’environnement et la santé humaine. De plus, pendant les inondations, l’antimoine peut être libéré du sol et transporté vers les eaux souterraines et de surface et même devenir disponible pour les microorganismes du sol qui vont le transformer par biomethylation et biovolatilisation. Les deux principaux objectifs de ce projet sont de de caractériser la libération de l’antimoine présent dans les sols lors d'inondations et de déterminer la pertinence environnementale de la biométhylation et de la biovolatilisation de cet élément. Nous allons étudier i) les rizières polluées de la plus grande mine d’antimoine du monde, en Chine , ii) le bassin de la rivière Macleay en Australie, historiquement contaminé et iii) les champs de tir Suisses eux aussi pollués par cet élément. Les sols seront caractérisés et étudiés en détail pendant des incubations en laboratoire où l’antimoine et ses espèces seront mesurées en même temps qu'un grand nombre de variables explicatives tel que le pH, le potentiel redox ou le carbone organique dissous par exemple. La formation d'espèces colloïdales, dissoutes et volatiles de l’antimoine sera suivie de près à l'aide de techniques analytiques de pointe mêlant chromatographie et spectrométrie de masse.

Ce projet permettra de mieux comprendre les risques liés à la mobilité de cet élément, ce qui profitera aux agriculteurs et aux propriétaires de stands de tir, ainsi qu'aux décideurs politiques. Notre projet permettra aussi d’évaluer si la biovolatilisation de l’antimoine peut être utilisée pour dépolluer les sols. Enfin, nos résultats combleront les nombreuses lacunes qui existent encore dans notre compréhension du cycle biogéochimique global de l’antimoine.
Direct link to Lay Summary Last update: 02.02.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
163661 Biomethylation and biovolatilisation of arsenic, antimony and mercury. Local environmental issues, novel analytical approaches and global implications 01.06.2016 SNSF Professorships

Abstract

Antimony (Sb) is a naturally occurring metalloid used in a range of everyday products, such as flame retardant in fabrics, a stabilizer in PET bottles, as hardener in car batteries and lead ammunitions. Exploration and mining of Sb is increasing worldwide, due to restrictions on production in China, the main global supplier. As a result of this rapid industrial growth, Sb emissions to our environment are increasing dramatically, as shown in peat bogs and Arctic polar ice cores. Given the similarities with arsenic (As), there is growing concern about the potential of Sb to threaten the environment, the long-term impact on ecosystems and human health. Soil and water are heavily polluted with Sb around mines and smelters as well as in shooting ranges where, in Switzerland alone, 16.5 t of Sb enters the pedosphere every year in over 4000 outdoor shooting ranges. Once in the soil, Sb can enter the food chain and contaminate humans. Soil can also directly become a source of Sb to the environment, under certain conditions, such as pH and redox change due to flooding, releasing Sb to the soil solution. There, it can be further transported to ground and surface waters and become available to soil (micro)organisms. Furthermore, once released, Sb can be methylated and volatilised by soil microorganisms, leading to the formation of new Sb species that have an influence on its toxicity and mobility. The two key objective of this project are to understand and characterise the release of Sb from soil upon flooding and to determine the drivers and environmental relevance of Sb biomethylation and biovolatilisation. We aim to study Sb polluted rice paddies from the largest Sb mine in China (Xikuangshan), the historically Sb contaminated Macleay River catchment in NSW, Australia as well as heavily Sb polluted shooting ranges from Switzerland. The soils will be characterised using synchrotron and monitored during soil incubations where total Sb, Sb species, Sb colloids as well as a range of explanatory variables (e.g. pH, Eh, DOC, IC, Fe, Mn, S and trace elements) will be measured. The formation of colloidal, methylated and volatile species of Sb will be closely monitored using state-of-the-art analytical techniques. Extensive field campaigns will allow us to precisely quantify Sb biovolatilisation directly in the field. This project will lead to a better understanding of the risks posed with Sb mobility in polluted soils, which will directly benefit farmers and shooting ranges owners, as well as decision makers. Furthermore, our project will lead to the first ever estimate of Sb biovolatilisation fluxes based on actual field measurements as well as soil incubations. Maybe, like for As, Sb biovolatilisation will then be considered as a potential bioremediation technique. Finally, our results will fill in the gaps in the Sb global biogeochemical cycle to definitively demonstrate the contribution of biomethylation and biovolatilisation.
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