Abstrak
Mekanisme penyerapan untuk pengikatan arsenik (As) ke gugus fungsi tiol (-SH) dalam bahan organik alami (NOM) dapat memainkan peran penting dalam mengendalikan mobilitas dan bioavailabilitas As anorganik dalam lingkungan anaerobik, termasuk sawah. Ada minat besar terhadap perilaku As dalam lingkungan tanah-air anaerobik karena kekhawatiran atas penyerapan As ke dalam padi. Di sini, kami meneliti penyerapan arsenit (As(III)) ke resin Ambersep GT74 yang difungsikan dengan tiol sebagai model untuk situs pengikatan tiol dalam NOM. Tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi kinetika dan reversibilitas adsorpsi As(III) ke situs tiol. Kami melakukan eksperimen adsorpsi dan desorpsi, dan eksperimen kinetika untuk mengevaluasi aspek keseimbangan dan kinetik adsorpsi As(III) ke adsorben kaya tiol. Kinetika adsorpsi dijelaskan dengan baik oleh model orde pertama sepotong-sepotong, dengan adsorpsi yang relatif cepat selama 24 jam pertama diikuti oleh adsorpsi lambat selama 72 jam tambahan. Model isoterm Langmuir yang sesuai menunjukkan bahwa nilai afinitas dan kapasitas Ambersep GT74 untuk As(III) tidak berbeda secara signifikan pada rentang pH yang umum untuk sistem tanah-air alami. Eksperimen desorpsi mengonfirmasi bahwa penyerapan As(III) bersifat ireversibel pada konsentrasi As(III) berair rendah, yang menunjukkan bahwa As(III) yang terikat pada permukaan yang mengandung tiol akan tetap tidak bergerak dan kemungkinan besar tidak tersedia untuk penyerapan biologis setelah perubahan kimia larutan tanah.
Ringkasan Bahasa Sederhana
Arsenik (As) di tanah yang tergenang air, seperti sawah, menimbulkan risiko karena potensi penyerapan oleh tanaman padi. Studi ini meneliti bagaimana arsenit As(III), bentuk umum arsenik, mengikat gugus yang mengandung sulfur (-SH) dalam bahan organik alami, yang membantu melumpuhkan arsenik dalam lingkungan anaerobik. Dengan menggunakan bahan sintetis (Ambersep GT74) sebagai model untuk situs pengikatan ini, kami mengevaluasi seberapa cepat arsenit menempel, kekuatan pengikatannya, dan apakah prosesnya dapat dibalik. Temuan tersebut menunjukkan bahwa arsenit mengikat dengan cepat dalam 24 jam pertama, dengan pengikatan yang lebih lambat selama beberapa hari berikutnya. Kekuatan dan kapasitas pengikatan tetap konsisten di seluruh rentang pH tanah yang umum. Yang penting, setelah arsenit mengikat pada konsentrasi rendah, arsenit tidak mudah terlepas, bahkan jika kondisinya berubah. Hal ini menunjukkan bahwa arsenik yang terikat sulfur cenderung tetap tidak dapat bergerak dan tidak tersedia untuk diserap tanaman, sehingga mengurangi mobilitas dan bioavailabilitasnya di tanah anaerobik.
1 PENDAHULUAN
Kontaminasi arsenik (As) pada lingkungan akuatik dan terestrial merupakan masalah yang sudah diketahui. Dalam beberapa tahun terakhir, telah ada perhatian yang lebih besar terhadap dinamika biogeokimia As di lingkungan persawahan, yang terutama dimotivasi oleh kekhawatiran tentang paparan manusia terhadap As melalui konsumsi beras (Khan et al., 2010; Marin et al., 1993). Arsenik terutama dimobilisasi dalam lingkungan bawah permukaan anaerobik ini melalui pelarutan reduktif fase oksida besi (Fe), dan melalui reduksi arsenat (As(V)) menjadi arsenit yang lebih mudah bergerak (As(III)) (Gallegos et al., 2007), yang biasanya merupakan bentuk dominan As anorganik dalam lingkungan reduksi. Tanah lahan basah dan persawahan kaya akan bahan organik alami (NOM) dari vegetasi yang membusuk, yang memainkan peran penting dalam memicu bakteri heterotrofik yang mereduksi fase oksida Fe untuk melarutkan As (Akai et al., 2004). Di luar peran NOM yang diakui dengan baik sebagai donor elektron untuk metabolisme mikroba, terdapat berbagai interaksi langsung dan tidak langsung antara As dan NOM yang memengaruhi spesiasi, mobilitas, dan nasib As melalui jalur yang belum sepenuhnya dipahami (Abu-Ali et al., 2022; Bushmann et al., 2006; Pothier et al., 2020; Redman et al., 2002; Yoon et al., 2024). Kelompok fungsional tiol dalam NOM memiliki afinitas tinggi terhadap As(III) (Hoffman et al., 2012, 2014; Spuches et al., 2005), dan ada bukti yang berkembang bahwa kompleksasi As(III) dengan NOM kaya S (di mana S adalah sulfur) dapat memainkan peran penting dalam mengendalikan nasib As(III) di lingkungan kaya NOM (Abu-Ali et al., 2022; Langner et al., 2011; Pothier et al., 2020; Yoon et al., 2022). Misalnya, Yoon et al. (2022) menunjukkan bahwa penyerapan As(III) oleh mikroba dihambat dengan adanya NOM yang kaya S, kemungkinan sebagian disebabkan oleh kompleksasi As(III)–NOM, dan penelitian lanjutan menggunakan spektroskopi struktur halus serapan sinar-X (EXAFS) yang diperluas untuk menunjukkan bahwa As(III) bereaksi dengan NOM Sungai Mississippi Hulu yang dikoordinasikan dengan situs S (Yoon et al., 2023). Dalam penelitian lain, asam humat yang dimodifikasi dengan tiol secara efektif memobilisasi As dari tailing tambang (Qian et al., 2022). As(III) diketahui mengikat gugus tiol dalam protein dan memodelkan fungsi tiol dalam fitokhelatin, mekanisme di mana tanaman menyerap As(III) di akar dan batang (Song et al., 2010). Meskipun kesadaran akan dampak NOM kaya tiol terhadap perilaku lingkungan As(III) semakin meningkat, studi mekanistik tentang kompleksasi As(III)–tiol masih cukup terbatas (Arencibia et al., 2020; Hao, Han, & Meng, 2009; Hao, Han, Wang, & Meng, 2009). Sementara konstanta stabilitas untuk kompleksasi As(III) dengan fungsi tiol tersedia (Hoffman et al., 2014; Spuches et al., 2005), sejauh pengetahuan kami, reversibilitas reaksi ini dan kinetika reaksi kompleksasi As(III)–tiol belum banyak dipelajari dan dipahami.
Di sini, kami meneliti kinetika dan reversibilitas reaksi kompleksasi As(III)–tiol menggunakan resin Ambersep GT74 kaya tiol sebagai model untuk interaksi As(III) dengan NOM kaya S yang mungkin ada di tanah sawah. Kami melakukan pengukuran desorpsi As(III) dari Ambersep, penilaian langsung terhadap reversibilitas pengikatan As(III) ke tiol, untuk menjawab pertanyaan yang belum terjawab mengenai peran tiol yang terkait dengan bahan organik terlarut (DOM) dalam memediasi reaksi kompleksasi As(III) dan NOM. Kami juga meneliti kinetika adsorpsi As(III) ke Ambersep, faktor penting untuk memahami persaingan di antara berbagai sorben untuk As(III). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperluas pemahaman tentang pengikatan As(III) ke fungsi tiol sehingga dapat lebih memahami bagaimana NOM yang kaya S dalam sistem tanah-air dapat memengaruhi mobilitas dan nasib As. Meningkatnya kekhawatiran tentang spesiasi As dan nasibnya di tanah sawah pertanian memerlukan perhatian baru terhadap pentingnya gugus tiol untuk bahan organik tanah yang berhubungan dengan interaksi As di lingkungan yang kaya organik.
2 BAHAN DAN METODE
2.1 Reagen dan bahan kimia
Semua larutan disiapkan di dalam ruang anaerobik (Laboratorium Coy; 96%–97% N2; 3%–4% H2 < 10 ppM O2), menggunakan air Milli-Q yang telah direbus dan dibersihkan dengan gas nitrogen (N2) selama minimal 30 menit. Larutan arsenit (As(III)) disiapkan dari natrium arsenit (Fisher Scientific) dan resin khelasi Ambersep GT74 (Dupont Chemical Company) digunakan sebagai model penyerap kaya tiol untuk As(III). Ambersep GT74 adalah resin asam lemah yang terutama telah digunakan sebagai penyerap untuk spesies kationik termasuk merkuri, kadmium, timbal, perak, dan tembaga yang memiliki afinitas tinggi terhadap sulfur (DuPont Water Solutions, 2020). Ambersep GT74 telah digunakan dalam penelitian sebelumnya sebagai adsorben kaya tiol untuk As(III) (Hoffman et al., 2012). Sebelum digunakan, resin dicuci bersih dengan air anoksik dan disimpan dalam ruang anaerobik hingga digunakan dalam percobaan penyerapan.
2.2 Titrasi potensiometri
Konstanta disosiasi proton (pKa) dan kerapatan situs gugus fungsi Ambersep GT74 ditentukan menggunakan titrasi asam-basa potensiometri dalam larutan NaCl 30 mM di bawah atmosfer N2 menggunakan pengaturan titrasi terkontrol dengan pH meter Thermo Orion. 0,45 g Ambersep dipindahkan ke 100 mL larutan NaCl 30 mM dan pH disesuaikan menjadi 12 menggunakan NaOH. Suspensi kemudian dititrasi dengan HCl 0,3 M. Suspensi dicampur dengan batang pengaduk magnetik dan pelat. Sebanyak 7 mL HCl ditambahkan ke suspensi Ambersep. Pemodelan data titrasi menggunakan program Protofit awalnya memungkinkan lebih dari satu situs pengikatan, tetapi ditentukan bahwa model satu situs sudah tepat (Turner & Fein, 2006). Kriteria yang digunakan untuk membuat penentuan ini adalah bahwa penambahan situs kedua gagal menurunkan root mean square error (RMSE) lebih dari 5%.
2.3 Percobaan kinetika sorpsi
Percobaan kinetika sorpsi dilakukan dalam rangkap tiga di dalam ruang anaerobik pada suhu 29°C, suhu sekitar di dalam ruang anaerobik karena katalis yang dipanaskan dalam scrubber oksigen. Kinetika adsorpsi As(III) dipelajari sebagai fungsi pH (5,4, 6,5, atau 8) dan konsentrasi awal As(III) (2,5, 10, dan 25 µM). Percobaan dilakukan dengan 22,5 mg Ambersep dalam 10,6 mL larutan dalam tabung sentrifus 15 mL pada pemutar tabung. Kekuatan ionik disediakan oleh NaCl 30 mM. Sampel dikumpulkan pada 0, 0,5, 1, 2, 6, 12, 36, 48, 72, dan 96 jam, disaring melalui filter 0,2-µm, dan diawetkan dalam asam nitrat 2%.
2.4 Model kinetik
Persamaan laju orde pertama semu (Maji et al., 2008; Malash & El-Khaiary, 2010) digunakan untuk menggambarkan kinetika serapan. Untuk proses yang menunjukkan fase “cepat” dan “lambat”, model orde pertama semu sepotong-sepotong (Zhang & Selim, 2005)
2.5 Percobaan adsorpsi dan desorpsi
Percobaan adsorpsi kesetimbangan dilakukan dalam rangkap tiga di dalam ruang anaerobik pada suhu 29°C pada pH 5,4, 6,5, atau 8. Komposisi media dan rasio Ambersep/larutan sama dengan yang digunakan dalam percobaan kinetika. Konsentrasi As(III) awal berkisar antara 2 hingga 600 µM. Tabung diaduk menggunakan pemutar tabung selama 96 jam. Sampel dikumpulkan pada waktu 0 dan 96 jam, disaring melalui filter membran 0,2-µm, dan diawetkan dalam asam nitrat 2%. Untuk proses desorpsi, setiap tabung didekantir dan 10,6 mL elektrolit segar ditambahkan ke setiap tabung. Tabung dicampur selama 96 jam lagi, pada saat itu larutan diambil sampelnya, disaring, dan diawetkan untuk analisis spektrometri massa plasma yang digabungkan secara induktif (ICP-MS). Data isoterm dijelaskan menggunakan model Langmuir
2.6 Analisis kimia
Konsentrasi arsenik dianalisis menggunakan Agilent 7800 ICP-MS dengan sel tumbukan helium dan rodium sebagai standar internal in-line. Kontrol kualitas dilakukan dengan pengukuran berkala terhadap standar, blanko, sampel ulang, dan standar pemeriksaan (Maguffin et al., 2020). Potensi interferensi poliatomik dari ArCl+ pada m/z = 75 dinilai dengan menguji sampel yang dicampur dengan NaCl hingga 100 mM, dan tidak terdeteksi. Standar kalibrasi disiapkan menggunakan standar multi-elemen yang dapat dilacak (Millipore Sigma TraceCERT).
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Karakterisasi Ambersep GT74
Data titrasi potensiometri Ambersep GT74 diilustrasikan pada Gambar S1. Penyertaan situs pengikatan kedua dicoba untuk menilai apakah model satu situs adalah yang paling tepat. Namun, pencocokan data dengan Protofit menunjukkan bahwa situs pengikatan kedua tidak meningkatkan kesesuaian secara signifikan, karena RMSE hanya menurun sebesar 1,1% (dari 0,9320 menjadi 0,9214; Gambar S2). Oleh karena itu, model satu situs dianggap memadai untuk menggambarkan data. Pencocokan data dengan Protofit menggunakan model satu situs menghasilkan pKa sebesar 9,6, yang mendekati kisaran pKa tiol protein dan non-protein sebesar 7,5–9,5 dan dalam kisaran pKa metanathiol dan etanathiol tersubstitusi sebesar 7,7–11,9 (Manceau & Nagy, 2019; Zheng et al., 2019). Kepadatan situs fungsional ditetapkan sebesar 0,34 mmol g−1.
3.2 Kinetika adsorpsi
Kinetika adsorpsi As(III) pada pH yang berbeda dan konsentrasi awal As(III) menunjukkan proses penyerapan dengan fase “cepat” awal selama 24 jam, diikuti oleh fase “lambat” yang berlanjut hingga 96 jam (Gambar 1). Setiap fase dapat dijelaskan menggunakan kinetika orde pertama semu. Parameter k1 dan k2 yang paling sesuai dilaporkan dalam Tabel 1. k1 bergantung pada konsentrasi, dengan nilai yang lebih besar untuk konsentrasi awal yang rendah (2,5 µM) daripada untuk konsentrasi awal yang lebih tinggi (10 dan 25 µM As(III)). Misalnya, pada pH 5,4, perbedaan relatif dalam nilai k1 adalah 45% antara 2,5 dan 10 µM, dan 55% antara 2,5 dan 25 µM. Nilai k1 untuk 10 dan 25 µM tidak berbeda secara signifikan di semua tingkat pH, dan tidak ada hubungan yang jelas antara k1 dan pH yang diamati. Perbedaan relatif antara nilai k1 dan k2 menurun dengan meningkatnya konsentrasi As(III) awal. Pada pH 6,5, perbedaan ini adalah 95% untuk 2,5 µM, dibandingkan dengan 72% dan 76% untuk 10 dan 25 µM. Di luar tren ini, tidak ada pola sistematis dalam ketergantungan konsentrasi atau pH k2 yang terlihat.
3.3 Adsorpsi dan desorpsi
Isoterm adsorpsi dan kecocokan model Langmuir As(III) pada resin Ambersep pada tiga nilai pH yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 2 (lingkaran biru). Kepadatan pKa dan situs tiol Ambersep dibandingkan dengan adsorben lain yang mengandung tiol pada Tabel S1. Tabel S2 dan S4 merangkum parameter model Langmuir dan membandingkannya dengan penelitian dengan adsorben As umum lainnya. Fase awal isoterm yang curam pada konsentrasi As(III) kesetimbangan rendah mencerminkan afinitas tinggi Ambersep terhadap As(III). Nilai Qmax berkisar dari 0,047 ± 0,0045 hingga 0,053 ± 0,0065 mmol As(III)/g Ambersep, tanpa pola yang jelas terkait dengan pH. Kepadatan situs pengikatan tiol ditentukan melalui titrasi potensiometri (Gambar S1–S3) menjadi 0,34 mmol g−1. Ini menghasilkan rasio As(III)/thiol sekitar 0,15:1. Dalam sebuah penelitian pada AA fungsionalisasi thiol, Hao, Han, dan Meng (2009) menetapkan rasio As(III)/thiol dalam eksperimen serapan berkisar dari 0,19:1 hingga 0,47:1 dengan ujung bawah rentang tersebut mirip dengan perkiraan kami. Hoffman dkk. (2014) menetapkan jumlah koordinasi As(III) yang terikat pada thiol Ambersep mendekati 3, konsisten dengan stoikiometri reaksi As(III):thiol 0,33:1 yang diamati untuk glutation (Spuches dkk., 2005). Temuan dari Abu-Ali dkk. (2022) selanjutnya menunjukkan bahwa pada rasio As(III)/karbon organik terlarut yang relevan secara lingkungan, kandungan sulfur organik (Sorg) yang lebih tinggi dalam DOM meningkatkan kompleksasi, dan analisis plot Scatchard mengungkapkan kepadatan situs tiol yang bervariasi (0,0048–0,018 µmol mmol−1 C), yang menunjukkan bahwa tiol tetap berlebih bahkan pada konsentrasi As(III) yang tinggi, terutama dalam sistem yang kaya Sorg seperti tanah sawah. Sebaliknya, telah disarankan di tempat lain bahwa untuk permukaan dengan kepadatan tiol rendah, atau untuk molekul asam humat dengan struktur kaku, stoikiometri pengikatan 1:1 mungkin lebih mungkin (Catrouillet et al., 2015). Walaupun hasil kami tidak memberikan estimasi stoikiometri pengikatan As–S, hasil tersebut mengindikasikan bahwa pada rentang rasio pengikatan As(III):thiol yang masuk akal dari 0,33:1 hingga 1:1, thiol akan tetap berlebih ketika isoterm mengindikasikan bahwa permukaannya jenuh.
3.4 Reversibilitas penyerapan As(III) pada Ambersep
Untuk menentukan tingkat pelepasan As(III) sebagai hasil dari proses desorpsi dengan resin Ambersep GT74, perhitungan dilakukan dengan mempertimbangkan konsentrasi As(III) dalam kesetimbangan setelah percobaan desorpsi, volume larutan, dan massa total As(III) yang awalnya diserap pada resin. Ketika konsentrasi As(III) dalam kesetimbangan dari desorpsi meningkat, persentase As(III) yang dilepaskan terus meningkat, dengan persentase tertinggi pada pH 6,5. Yang penting, tidak lebih dari 15% As(III) yang awalnya dimuat pada Ambersep terdesorpsi dari permukaan. Selain itu, ketika jumlah As(III) yang diserap meningkat, persentase As(III) rendah untuk setiap pH yang diuji.
Sejumlah penelitian telah menunjukkan bahwa pengikatan spesies As anorganik dan organik ke tiol dalam protein dan senyawa model lainnya (misalnya, glutation) bersifat reversibel (Delnomdedieu et al., 1993), tetapi hanya ada sedikit penelitian yang meneliti proses ini dengan tiol dalam NOM. Eksperimen adsorpsi kompetitif dalam campuran dua-adsorben yang dilakukan di Hoffmann et al. menunjukkan bahwa distribusi As(III) antara permukaan Ambersep dan ferrihidrit bergantung pada adsorben mana As(III) awalnya terikat. Hal ini sangat menunjukkan adanya tingkat ireversibilitas dalam adsorpsi As(III) ke Ambersep. Di sini, kami menggunakan eksperimen sorpsi-desorpsi untuk memberikan bukti langsung bahwa pengikatan As(III) ke Ambersep sebagian besar bersifat ireversibel, setidaknya jika tidak ada sorben kompetitif yang kuat untuk As(III) (Delnomdedieu et al., 1994). Bukti untuk ketidakterbalikan paling kuat pada konsentrasi As(III) berair rendah, sementara pada konsentrasi As(III) yang lebih tinggi, data desorpsi menyatu dengan data adsorpsi. Hal ini menunjukkan bahwa tingkat pembalikan mungkin bergantung pada konsentrasi. Oleh karena itu, aspek baru dari penelitian kami adalah temuan penyerapan As(III) yang tidak dapat diubah kembali ke Ambersep GT74, setidaknya pada konsentrasi As(III) berair <2 µM, yang kemungkinan disebabkan oleh pembentukan kompleks bola-dalam (Pintor et al., 2020). Mekanisme adsorpsi bola-dalam ini selanjutnya didukung oleh kesamaan tingkat adsorpsi yang diuji pada kekuatan ionik yang berbeda antara 0,003 dan 0,3 M yang ditunjukkan pada Gambar S4.
3.5 Implikasi lingkungan
Dalam penelitian ini, kami mempelajari adsorpsi dan desorpsi As(III) pada resin Ambersep GT74 yang difungsikan dengan tiol sebagai sistem model untuk memahami interaksi As(III) dengan ligan tiol pada NOM. Temuan ini menunjukkan bahwa penyerapan As(III) dicirikan oleh proses kinetik dua fase, dengan akses terbatas difusi ke lokasi pengikatan yang berpotensi mengendalikan laju penyerapan. Khususnya, penyerapan ditemukan sebagian besar tidak dapat diubah pada konsentrasi As(III) kesetimbangan rendah, yang menunjukkan bahwa NOM yang kaya tiol dapat melumpuhkan As(III) dalam sistem alami. Ketidakterubahan ini dapat mengurangi mobilitas dan bioavailabilitas As(III), mengurangi penyerapannya oleh tanaman di tanah pertanian, seperti sawah, tempat NOM melimpah.
Hasil ini juga menunjukkan bahwa gugus tiol dalam NOM dapat bertindak sebagai penyerap kritis untuk As(III), khususnya di lingkungan anaerobik tempat interaksi tersebut cenderung terjadi. Kurangnya efek kekuatan ionik pada penyerapan lebih lanjut mendukung mekanisme kompleksasi bola dalam, yang memperkuat stabilitas interaksi ini dalam berbagai kondisi lingkungan. Dengan menjelaskan kinetika dan reversibilitas pengikatan As(III)–thiol, penelitian ini memberikan wawasan berharga tentang spesiasi, mobilitas, dan retensi arsenik di tanah yang kaya organik.
Temuan ini konsisten dengan penelitian sebelumnya tentang interaksi logam(loid)-NOM, seperti penelitian oleh Olk et al. (2019), yang menekankan peran fraksi humik dalam bahan organik tanah dalam mengendalikan perilaku logam(loid). Demikian pula, penelitian oleh Liu et al. (2022) tentang Hg(II) dan HgS nanopartikel di tanah sawah lebih lanjut menunjukkan pentingnya ligan berbasis sulfur, seperti gugus tiol, dalam spesiasi dan transformasi logam di tanah sawah. Bersama-sama, penelitian ini menyoroti NOM yang kaya tiol sebagai mediator penting dalam retensi dan transformasi arsenik dan logam(loid) lainnya di tanah sawah. Memahami interaksi ini memiliki implikasi penting untuk pengelolaan kontaminasi arsenik dalam sistem pertanian. Strategi yang ditujukan untuk meningkatkan atenuasi alami mobilitas dan bioavailabilitas arsenik melalui pengelolaan NOM dapat membantu mengurangi risiko terhadap kesehatan manusia yang terkait dengan paparan arsenik melalui padi dan tanaman pangan lainnya. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengeksplorasi peran komponen NOM lainnya dalam memodulasi mobilitas arsenik dan untuk memeriksa penerapan yang lebih luas dari temuan ini pada berbagai sistem tanah.
Leave a Reply