Immobilisierung von Cr3+, Cd2+ und Pb2+, hinzugefügt zu kalkhaltigem Boden, der mit kompostiertem Agro angereichert wurde

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8197 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Bioverfügbarkeit von Spurenmetallen in Böden stellt eine große Bedrohung für die Umwelt dar, insbesondere wenn zur Steigerung des Pflanzenertrags massiv Mineraldünger zugesetzt wird. Es wurde ein Parzellenexperiment durchgeführt, um die Wirksamkeit von Kompost und Wurmkompost, der aus agroindustriellen Abfällen recycelt wurde, bei der Immobilisierung von Chrom, Cadmium und Blei, die kalkhaltigem Boden (künstlich kontaminiert) zugesetzt wurden, zu bewerten. Darüber hinaus wurde die Immobilisierungseffizienz mit dem natürlichen Vorkommen dieser Metalle im Boden ohne Metallzugabe (unkontaminierter Boden) verglichen. In beiden Böden wurden Ergänzungs- und Mineraldünger in jeweils drei unterschiedlichen Mengen allein ausgebracht und miteinander kombiniert. Der Versuchsaufbau wurde in faktoriellen, vollständig randomisierten Blöcken angeordnet, wobei Kontamination, organischer und mineralischer Düngergehalt und deren Kombination als kategoriale Faktoren verwendet wurden. Die Verteilung der Metallfraktionen und ihre Bioverfügbarkeit im Boden sowie die Bioakkumulation in Weizenkörnern wurden bewertet. Die Alkalität des Bodens, der Gehalt an organischem Kohlenstoff und Stickstoff im Boden, verfügbarem Phosphor und Mikronährstoffen im Boden wurden unter Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu Mineraldünger und Kontrolle deutlich verbessert. Wurmkompost verringerte die Bioverfügbarkeit von Metallen in kontaminierten Böden wirksamer als Kompost, indem er die immobilisierten organischen Fraktionen erhöhte. In Kombination mit Mineraldüngern verringerte sich dieser Wert jedoch. Die Bioverfügbarkeit der natürlich vorkommenden Metallmengen in nicht kontaminiertem Boden veränderte sich im Vergleich zu kontaminiertem Boden nicht wesentlich. Ebenso verbesserten sich der Weizenertrag, die Pflanzenbiomasse und die Nährstoffanreicherung in den Weizenkörnern aufgrund der verbesserten Nährstoffverfügbarkeit im Boden. Diese kompostierten agroindustriellen Rückstände, Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie, können aufgrund ihres großen Potenzials zur Anreicherung von Bodennährstoffen, zur Reduzierung der Mineraldüngerzugabe, zur Verbesserung des Pflanzenwachstums und zur Stabilisierung von Cr, Cd und Pb als umweltfreundliche Bodenverbesserungsmittel eingestuft werden kontaminierte kalkhaltige Böden unter Weizenpflanzen.

Als agroindustrielle Rückstände werden die vielen verschiedenen Abfälle bezeichnet, die in der Lebensmittel- und Agrarindustrie anfallen1. In den letzten Jahren haben Umweltprobleme an Bedeutung gewonnen und das Interesse an der effizienten Nutzung von Abfällen aus verschiedenen Agrarindustrien2 gestiegen. Da sie Nebenprodukte sind, sollten sie aufgrund ihres nicht zu vernachlässigenden Nährwerts als Rückstände und nicht als Abfälle identifiziert werden Kontaminationsrisiken. Ihre Bewirtschaftung spielt eine entscheidende Rolle bei der Erhaltung natürlicher Ressourcen und stellt aufgrund der enormen erzeugten Mengen und ihres Schadstoffgehalts ein ökologisches und wirtschaftliches Problem dar. Daher sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um ihre Einleitung in die Umwelt und die Bewirtschaftungskosten zu reduzieren3. Darüber hinaus sind sie reich an Nährstoffen und bioaktiven Bestandteilen und als Rohstoffe für die Bildung natürlicher Düngemittel und Biokraftstoffe interessant1. Derzeit werden sie als Tierfutter oder zur Kompostierung verwendet, und die meisten von ihnen werden üblicherweise als Brennstoff in herkömmlichen Öfen mit geringer Leistung verwendet oder direkt verbrannt, was zur Umweltverschmutzung beiträgt. Zuvor sollte mit umweltfreundlicheren Techniken experimentiert werden, um deren Zersetzung zu kontrollieren und Umweltrisiken zu verringern. Kompostierung und Wurmkompostierung sind Beispiele für kontrollierte Zersetzungstechniken, die sich als vorteilhafte Alternativen zur Verwendung als Düngemittel erwiesen haben4,5,6. Ihre Zersetzung im Boden ermöglicht die Bildung stark polymerisierender Partikel, die stabilere organische Formen bilden7. Die Einzigartigkeit von Abfallarten oder -gemischen kann jedoch unterschiedliche Zersetzungsprozesse durchlaufen und so unterschiedliche Endprodukte erzeugen, die sich in ihren chemischen und biochemischen Eigenschaften unterscheiden5.

Der Gehalt an Übergangsmetallen in agroindustriellen Rückständen wurde häufig in Mengen unterhalb der zulässigen Grenzwerte festgestellt, obwohl sie sich in Nutzpflanzen und damit verbundenen Rückständen anreichern können. Folglich können sie als recycelte Düngemittel in den Boden zurückkehren. Während jedoch essentielle Elemente wie Eisen (Fe), Mangan (Mn), Kupfer (Cu), Zink (Zn) und Nickel (Ni) als Mikronährstoffe8 für Pflanzen von Vorteil sind, sind nicht-essentielle Metalle wie Cadmium (Cd), Blei (Pb), Arsen (As), Quecksilber (Hg) und Chrom (Cr), die natürlicherweise im Boden vorkommen, können für Nutzpflanzen äußerst schädlich sein9,10. Diese Studie konzentrierte sich auf die Untersuchung der Bioverfügbarkeit und Immobilisierung von Cr, Cd und Pb, wie sie natürlicherweise in ägyptischen Agrarflächen mit geringer Bewässerungswasserqualität vorkommen. Diese Metallformen liegen typischerweise als kationische (d. h. Cd und Pb) und anionische (Cr) Spezies vor, da sie mit anorganischen Bodenbestandteilen (Karbonate, Sulfate, Hydroxide, Sulfide) und Sauerstoff Komplexe bilden, um entweder ausgefällte oder geladene (positiv oder negativ) zu bilden. Komplexe (CrO42−)11. Die Toxizität nicht essentieller Metalle kann bei hohen Konzentrationen zunehmen, was aufgrund ihrer Resistenz gegenüber mikrobiellem Abbau ein großes Problem für die Umweltqualität und die menschliche Gesundheit darstellt12. Die stabilisierte organische Substanz, die nach der Kompostierung dieser Rückstände in den Boden gelangt, könnte eine wichtige Rolle bei der Immobilisierung nicht essentieller Elemente spielen, die chelatisierte metallorganische Komplexe bilden. Aufgrund der Metallkomplexierung durch organische Bindungen kann ihre Mobilität und Verfügbarkeit erheblich verringert sein13. Die Chemie von Chelatbildnern und Metallen ist jedoch komplex14 und kann durch Bodenfaktoren wie Salzgehalt, pH-Wert, Redoxpotential und Tonmineralien13,15 beeinflusst werden, wobei letztere bei der Metallimmobilisierung durch Adsorptionsmechanismen wichtig sind16. Neben den Adsorptionsmechanismen für Metalle, die Ton und organischem Material zugeschrieben werden, kann es unter alkalischen Bedingungen zu Metallausfällungen in karbonat- und oxidreichen Böden kommen. Abhängig von der Aktivität des Kalziumkarbonats könnten in alkalischen Kalkböden Metallfraktionen in Karbonatform ausgefällt werden. Allerdings können Sulfate aufgrund der Brückenwirkung von Sulfat mit Kalzium abhängig vom pH-Wert des Bodens und den Redoxbedingungen auch Metallionen in den Boden freisetzen17,18.

Diese Arbeit zielte darauf ab, (i) schlecht strukturierte kalkhaltige Böden mit Kompost und Wurmkompost aus agroindustriellen Rückständen als organische Düngemittel zu verbessern, um die Bodeneigenschaften und die Erntequalität zu verbessern, und ii) ihre Auswirkungen auf die Mobilität von zugesetztem Chrom, Cadmium und Blei zu untersuchen und ihre Aufnahme durch Weizenkörner und iii) um ihre Bioverfügbarkeit und Immobilisierung im künstlich kontaminierten Boden im Vergleich zu ihrem Ausgangswert im nicht kontaminierten Boden im Feldmaßstab zu bewerten.

Die Bodenbeschaffenheit wird als sandiger Ton-Lehm klassifiziert (60,59 % Sand, 12,82 % Schluff und 26,59 % Ton). Gemäß der USDA-Klassifizierung der ägyptischen Nildelta-Böden wurde der Boden mit 35,02 ± 1,21 % (n=3) CaCO3 (nachgewiesen mit der Scheibler-Methode, Royal Eijkelkamp-Calcimeter, Giesbeek, Niederlande) als typischer Calcitorrerts19 eingestuft. Die allgemeinen chemischen Eigenschaften des Bodens werden dargestellt (Ergänzungstabelle S1). Unter Verwendung des Tukey-HSD-Tests variierten alle Parameter innerhalb und zwischen den untersuchten Behandlungen sowohl in nicht kontaminierten (kleine hochgestellte Buchstaben) als auch in kontaminierten (große hochgestellte Buchstaben) Böden signifikant (P < 0,05). Es wurden mäßig alkalische pH-Werte beobachtet, die unter Kompost und Wurmkompost in beiden Böden (nicht kontaminiert und kontaminiert) deutlich abnahmen. Der pH-Wert, der SOC, der TN sowie das verfügbare P und K des Bodens haben sich durch die organische Behandlung mit Kompost und Wurmkompost deutlich verbessert20. In beiden Böden wurden leichte Salzgehalte beobachtet, die jedoch entlang der organischen und mineralischen Unterbehandlung aufgrund des chemischen Verhaltens der verfügbaren Spurenelemente deutlich anstiegen21. Das lösliche Natrium nahm unter Kompost und Wurmkompost im Vergleich zu NPK (Stickstoff, Phosphor und Kalium) und Kontroll-Unterbehandlungen in beiden Böden signifikant um 13 % bzw. 22 % ab22. Andere lösliche Kationen verbesserten sich im Laufe der organischen Behandlungen in beiden Böden deutlich. Ihre niedrigen Gehalte wurden auf die erhöhte Alkalität, den Salzgehalt und den CaCO3-Gehalt zurückgeführt23. Der SAR-Wert nahm während der organischen Behandlung in beiden Böden deutlich ab.

Eine hochsignifikante negative Korrelation wurde nur zwischen der H+-Konzentration im Verhältnis zu den pH-Werten des Bodens und dem EC im nicht kontaminierten Boden beobachtet (r=−0,729, P<0,001, n=27). Der SOC stieg um 263 %, 157 %, 126 % bei Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 und um 204 %, 119 % bzw. 94 % bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 in nicht kontaminiertem Boden. In kontaminiertem Boden stieg der SOC um 621 %, 44 % und 63 % bei Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 und um 376 %, 23 % und 20 % bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100. jeweils. TN erhöhte sich um 77 %, 67 % und 105 % bei Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 und um 106 %, 144 % und 125 % bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 in nicht kontaminiertem Boden . In kontaminiertem Boden stieg die TN um 109 %, 91 % und 76 % bei Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 und um 312 %, 290 % und 191 % bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100. jeweils. Der verfügbare Phosphor (PAV) stieg unter Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 in beiden Böden um 13 %, 11 % und 11 %. Unter Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 stieg sie in beiden Böden ebenfalls um 20 %, 33 % bzw. 36 %. Das verfügbare Kalium (KAV) stieg bei Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 um 53 %, 23 % und 17 % und bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 um 145 %, 51 % und 23 % unbelasteter Boden bzw. Sie war auch um 39 %, 64 % und 53 % bei Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 und um 139 %, 115 % und 91 % bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 in kontaminiertem Boden erhöht bzw. (Ergänzungstabelle S1). Der pH-Wert des Bodens korrelierte negativ mit SOC (r = −0,797, P <0,01; r = −0,876, P <0,01), TN (r = −0,497, P <0,01; r = −0,464, P <0,01), PAV (r = −0,442, P<0,05; r= −0,483, P<0,01) und verfügbares K+ (r= −0,434, P<0,05; r= −0,548, P<0,01) in nicht kontaminierten bzw. kontaminierten Böden. EC stieg signifikant mit SOC (r=0,828, P<0,01; r=0,705, P<0,01), TN (r=0,827, P<0,01; r=0,764, P<0,01), PAV (r=0,764, P< 0,01; r=0,764, P<0,01) und K+ (r=0,697, P<0,01; r=0,724, P<0,01) in nicht kontaminiertem bzw. kontaminiertem Boden.

Der Metallgehalt war in kontaminierten Böden logischerweise höher als in nicht kontaminierten Böden. Unter Verwendung des HSD-Tests von Tukey variierten alle Metallfraktionen innerhalb und zwischen den untersuchten Behandlungen in nicht kontaminierten und kontaminierten Böden signifikant (P < 0,05), wie durch die verschiedenen Buchstaben über den verteilten Fraktionen angezeigt.

Die austauschbaren (CrEX) und Carbonatfraktionen (CrCAR) gelten als primäre bzw. zusätzlich verfügbare Fraktionen9,13. In nicht kontaminiertem Boden (Abb. 1A) verringerten sich die CrEX- und CrCAR-Anteile bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen signifikant um 70–80 % bzw. 90–95 %. Ebenso sank der CrOXD-Anteil bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen signifikant um 30–40 %. Allerdings stieg der CrORG-Anteil (der immobilisierte Anteil entspricht Metall, das mit dem organischen Anteil des Bodens verbunden ist) bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen extrem an (135–250-fach) (Abb. 1A). Dieser Anteil verringerte sich um 48 % bei Cp+NPK50 und 27 % bei Cp+NPK100 im Vergleich zu Cp und um 37 % bei Vp+NPK50 und 17 % bei Vp+NPK100 im Vergleich zu Vp, was die Verringerung aufgrund der NPK-Zugabe bestätigt. Infolgedessen verringerte sich der CrRES-Anteil bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen deutlich um 45–30 %.

Verteilung der Cr-Anteile in unbelasteten (a) und belasteten (b) Böden. CdEX Austauschbare Fraktion, CdCAR Carbonat-assoziierte Fraktion, CdOXD Fe-Mn-Oxide gebundene Fraktion, CdORG Organisch gebundene Fraktion, CdRES Restfraktion, Kontrollkontrolle, NPK50 50 % der NPK-Dosis, NPK100 100 % der NPK-Dosis, Cp Kompost, Cp+NPK50 Kompost kombiniert mit 50 % NPK, Cp+NPK100 Kompost kombiniert mit 100 % NPK, Vp Vermicompost, Vp+NPK50 Vermicompost kombiniert mit 50 % NPK, Vp+NPK100 Vermicompost kombiniert mit 100 % NPK.

In kontaminiertem Boden (Abb. 1B) nahm der CrEX-Anteil unter Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 30–75 % bzw. 30–40 % ab. Ebenso sank der CrOXD-Anteil unter Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 15–10 % bzw. 30–10 %. Der CrORG-Anteil stieg bei diesen hohen Cr-Gehalten bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen deutlich um 45–75 % an (Abb. 1B). Die NPK-Zusätze verschlechterten jedoch die Bildung unter organischen Unterbehandlungen mit hoher Effizienz unter Wurmkompost. Infolgedessen nahm der CrRES-Anteil bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen deutlich ab.

In nicht kontaminiertem Boden (Abb. 2A) verringerte sich der CdEX-Anteil im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 80–100 % unter Wurmkompost und um 50–75 % unter Kompost. Der karbonatgebundene Anteil verringerte sich im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 50–55 % unter Wurmkompost und um 36–50 % unter Kompost (Abb. 2A). Ebenso sank der CdOXD-Anteil im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 70–80 % unter Wurmkompost und um 50–55 % unter Kompost. Allerdings stieg der organisch gebundene Anteil enorm um das Zehnfache an, wenn Kompost und Wurmkompost allein ausgebracht wurden, während er bei Kombination mit 50 % bzw. 100 % NPK um das Fünffache bzw. einmal anstieg, was den zunehmenden Abbau oder die Reduzierung von organischem Metall bestätigt Komplexe, die durch die steigenden NPK-Raten verursacht werden. Dadurch sank der Restanteil bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zur Kontrolle deutlich um 55–35 % (Abb. 2A).

Verteilung der Cd-Fraktionen in unbelasteten (a) und belasteten (b) Böden. CdEX Austauschbare Fraktion, CdCAR Carbonat-assoziierte Fraktion, CdOXD Fe-Mn-Oxide gebundene Fraktion, CdORG Organisch gebundene Fraktion, CdRES Restfraktion, Kontrollkontrolle, NPK50 50 % der NPK-Dosis, NPK100 100 % der NPK-Dosis, Cp Kompost, Cp+NPK50 Kompost kombiniert mit 50 % NPK, Cp+NPK100 Kompost kombiniert mit 100 % NPK, Vp Vermicompost, Vp+NPK50 Vermicompost kombiniert mit 50 % NPK, Vp+NPK100 Vermicompost kombiniert mit 100 % NPK.

In kontaminiertem Boden (Abb. 2B) verringerte sich der CdEX-Anteil im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 80–75 % unter Wurmkompost und um 70–40 % unter Kompost. Der CdCAR-Anteil nahm unter Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen signifikant um 60–40 % bzw. 25–30 % ab. Der CdOXD-Anteil nahm unter organischen Unterbehandlungen im Vergleich zur Kontrolle signifikant um 15–30 % ab. Allerdings stieg der organisch gebundene Anteil unter Kompost und Wurmkompost um das Neunfache und bei Kombination mit NPK-Dünger um das Zwei- bis Dreifache im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen. Seine Bildung war im Kompost im Vergleich zur Kontrolle wirksamer als im Wurmkompost. Unter organischen Ergänzungsmitteln in Kombination mit NPK-Dünger verringerte sie sich um 64–40 % im Vergleich zu ihrer einmaligen Anwendung (Cp und Vp). Dadurch verringerte sich der Restanteil deutlich um 60–30 % unter Wurmkompost und um 25 % unter Kompost im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen.

In nicht kontaminiertem Boden (Abb. 3A) verringerte sich der PbEX-Anteil unter Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu Kontrollunterbehandlungen signifikant um 60 % bzw. 50 %. Der PbCAR-Anteil nahm unter Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen deutlich um 40 % bzw. 30 % ab. Der PbOXD-Anteil nahm unter Wurmkompost-Unterbehandlungen im Vergleich zur Kontrolle signifikant um 20–40 % ab. Dieser Anteil stieg unter Kompost deutlich um 14 %, sank jedoch bei Kombination mit NPK-Dünger deutlich um 20 % im Vergleich zu den Kontroll-Unterbehandlungen. Allerdings stieg der PbORG-Anteil unter Wurmkompost-Unterbehandlungen um das 20- bis 25-fache und unter Kompost um das 21- bis 33-fache im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen. Bei Böden, die mit Kompost angereichert wurden und mit 50 % und 100 % NPK-Zusätzen kombiniert wurden, verringerte sie sich im Vergleich zu Kompost allein um 35 % bzw. 30 %. In Böden, die mit Wurmkompost und in Kombination mit 50 % und 100 % NPK-Zugaben angereichert wurden, verringerte sie sich im Vergleich zu Wurmkompost allein um 17 % bzw. 16 %. Infolgedessen nahm der Restanteil bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 im Vergleich zur Kontrolle NPK50 bzw. NPK100 deutlich um 11 %, 8 % bzw. 6 % ab, stieg bei Cp jedoch nur um 7 % an im Vergleich zur Kontrolle. In Anbetracht der Bildung der immobilisierten Fraktion war Wurmkompost bei der Reduzierung dieser Fraktion wirksamer als Kompost.

Verteilung der Pb-Fraktionen in unbelasteten (a) und belasteten (b) Böden. CdEX Austauschbare Fraktion, CdCAR Carbonat-assoziierte Fraktion, CdOXD Fe-Mn-Oxide gebundene Fraktion, CdORG Organisch gebundene Fraktion, CdRES Restfraktion, Kontrollkontrolle, NPK50 50 % der NPK-Dosis, NPK100 100 % der NPK-Dosis, Cp Kompost, Cp+NPK50 Kompost kombiniert mit 50 % NPK, Cp+NPK100 Kompost kombiniert mit 100 % NPK, Vp Vermicompost, Vp+NPK50 Vermicompost kombiniert mit 50 % NPK, Vp+NPK100 Vermicompost kombiniert mit 100 % NPK.

In kontaminiertem Boden (Abb. 3B) nahm die austauschbare PbEX-Fraktion unter Wurmkompost und Kompost-Unterbehandlungen im Vergleich zur Kontrolle signifikant um 55 % bzw. 30 % ab. Der PbCAR-Anteil nahm unter Wurmkompost- bzw. Kompost-Unterbehandlungen im Vergleich zur Kontrolle signifikant um 46 % bzw. 42 % ab. Der PbOXD-Anteil sank effizient um 28 % bei Wurmkompost und um 25 % bei Kompost allein oder in Kombination mit NPK im Vergleich zur Kontrolle und NPK-Zugabe. Allerdings stieg die gebildete PbORG-Fraktion unter Wurmkompost und Kompost deutlich um das 40-fache an, während sie bei Kombination mit NPK-Dünger im Vergleich zur Kontrolle um das Dreifache anstieg. Es zeigte sich eine Gradientenabnahme von 32–11 % unter organischen Behandlungen in Kombination mit 50 % bzw. 100 % NPK-Raten im Vergleich zur alleinigen Anwendung. Infolgedessen verringerte sich der Restanteil deutlich um 1,4 %, 14 % und 15 % bei Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100 und um 1 %, 10 % und 10 % bei Cp, Cp+NPK50. und Cp+NPK100 im Vergleich zur Kontrolle NPK50 bzw. NPK100.

Der Weizenernteertrag wurde durch Messung der Pflanzenhöhe, des Gewichts von 1000 Körnern, des Kornertrags, des Strohertrags, des biologischen Ertrags, des Ernteindex und des NPK-Gehalts in den Körnern bewertet (Ergänzungstabelle S2). Auch der Gehalt an Chrom, Cadmium und Blei in Weizenkörnern wird dargestellt. Unter Verwendung des Tukey-HSD-Tests variierten alle Parameter mit Ausnahme des Ernteindex (HI) innerhalb und zwischen den untersuchten Behandlungen sowohl in nicht kontaminierten (kleine hochgestellte Buchstaben) als auch in kontaminierten (große hochgestellte Buchstaben) Böden signifikant (P < 0,05). Die fehlende Signifikanz bei HI ist auf die konstante Anzahl der Pflanzenbestocker zurückzuführen, die für die Pflanzenbewertung berechnet wurden. Bei der Anreicherung des Bodens mit organischen Zusätzen wurde eine deutliche Verbesserung der Weizenertragsparameter beobachtet. Der höchste Anstieg war bei mit Wurmkompost behandelten Böden zu verzeichnen, gefolgt von Kompost, während die niedrigste Bewertung bei mineralischen NPK- und Kontroll-Unterbehandlungen in beiden Böden zu verzeichnen war, wobei die größte Verbesserung bei nicht kontaminierten Böden zu verzeichnen war.

Bei allen organischen Behandlungen wurde eine Verbesserung der chemischen Bodenbedingungen beobachtet, die sich bei mit Wurmkompost behandelten Böden sowohl bei nicht kontaminierten als auch bei kontaminierten Böden verstärkte. Die Gesamtveränderungen des pH-Werts des Bodens und der organischen Reserveparameter unter Wurmkompost und Kompost könnten auf mikrobielle Bodenmetaboliten (CO2 und organische Säuren) zurückgeführt werden, was sich auf die Interaktion zwischen Boden und Pflanze auswirkt23,24,25Stickstoff und Phosphor werden durch Wurmkompost besser konserviert als durch Kompost, nicht nur weil ihres Inhalts, sondern aufgrund kompostierter Metaboliten26. Allerdings war der organische Kohlenstoff unter Kompost höher als unter Wurmkompost, wahrscheinlich aufgrund des hohen C/N-Verhältnisses. Der SOC stieg signifikant mit TN (r=0,717, P<0,01; r=0,383, P<0,05) und PAV (r=0,606, P<0,01; r=0,413, P<0,05) in nicht kontaminiertem bzw. kontaminiertem Boden. Die Alkalität des Bodens und die organischen Reserven haben sich im Verlauf der organischen Behandlung aufgrund der niedrigen pH-Werte, die durch organische Säuren und Carbonsäuren verursacht werden, die durch Kompost und Wurmkompost hinzugefügt werden, erheblich verbessert20. Insgesamt haben Bodenverbesserungen die Nährstoffvorräte in beiden Böden erhöht, und ihre durch mikrobielle Aktivitäten im Boden vermittelte Stabilisierung wird entlang der organischen Behandlungen deutlich erhöht26. In ähnlicher Weise korrelierten die verfügbaren Phosphor- und Kaliumwerte signifikant mit organischen Behandlungen für nicht kontaminierte (r=0,680, P<0,01) und kontaminierte Böden (r=0,915, P<0,01), wobei die höchsten Werte bei mit Wurmkompost behandelten Böden erzielt wurden. Dementsprechend sank der SOC signifikant mit löslichem Na+ (r=−0,784, P<0,01 und r=−0,574, P<0,01), Ca++ (r=−0,611, P<0,01 und r=−0,530, P<0,01) und SAR (r=−0,513, P<0,01 und r=−0,623, P<0,01) für nicht kontaminierte bzw. kontaminierte Böden, während lösliches Mg++ in nicht kontaminierten Böden signifikant abnahm (r=−0,669, P<0,01). Ein signifikanter Rückgang des löslichen Na wurde beobachtet, wobei die niedrigsten Werte in Wurmkompost und Kompost im Vergleich zu unbehandelten und NPK-behandelten Böden auftraten20. Das Vorhandensein von Fulvo- und Huminsäuren (operativ als SOM-Extrakte definiert), die den Böden durch organische Zusatzstoffe zugesetzt wurden, könnte dazu beigetragen haben, die Löslichkeit von Bodennährstoffen zu verringern.

Die höchsten Werte für die Bewertungsparameter der Weizenernte wurden bei biologischen Behandlungen in Kombination mit NPK-Zusätzen beobachtet. Dies war auf die relative Verbesserung der Mikronährstoffverfügbarkeit im Boden sowie auf die verringerte Bioverfügbarkeit von Übergangsmetallen im Boden zurückzuführen, was wiederum das Pflanzenwachstum, die allgemeine Pflanzenstärke und die Pflanzenproduktivität förderte. Auch die biologischen Eigenschaften des Bodens wurden verbessert, da diese organischen Zusätze als Pflanzennährstoffquellen dienten. Ähnliche Ergebnisse wurden von Najar und Khan27 erzielt, da Wurmkompost eine potenzielle Quelle für Pflanzennährstoffe für eine nachhaltige Tomatenproduktion darstellte.

Bei den organischen Unterbehandlungen war Wurmkompost bei der Reduzierung der Cr-Verfügbarkeit im Boden wirksamer als Kompost, stieg jedoch wieder an, wenn beides mit NPK-Dünger in beiden Böden kombiniert wurde. Der immobilisierte Cr-organische Anteil erhöhte sich bei organischen Unterbehandlungen im Vergleich zu Kontroll-Unterbehandlungen in beiden Böden. In nicht kontaminiertem Boden war die Immobilisierung im Kompost höher als im Wurmkompost, beide verschlechterten sich jedoch mit der erhöhten NPK-Zugabe. In kontaminierten Böden mit höheren Cr-Gehalten war Wurmkompost bei der Erhöhung des CrORG-Anteils wirksamer als Kompost, ging jedoch zurück, wenn sowohl Kompost als auch Wurmkompost mit NPK-Dünger kombiniert wurden. In ähnlicher Weise berichteten Covelo et al.28 über einen Anstieg des CrORG-Anteils bei hohen Cr-Konzentrationen aufgrund der hohen konstanten Werte stabilisierter Cr-organischer Komplexe. Die Cr-Formen wurden zunächst von Bodenkarbonaten adsorbiert28 und entlang der organischen Behandlungen neu verteilt, wobei der immobilisierte Anteil deutlich zunahm. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Zugabe organischer Zusatzstoffe die Cr-Reduktionsrate erhöhen und so die zeitliche Immobilisierung im Boden erhöhen kann29.

Bei Cadmium lässt sich beobachten, dass Wurmkompost bei der Reduzierung der verfügbaren Cd-Fraktionen sowohl in nicht kontaminierten als auch in kontaminierten Böden wirksamer war als Kompost, aber beide, mit Ausnahme der austauschbaren Fraktion im Kompost, gingen aufgrund des NPK-Anstiegs zurück. Die Bildung von Cd-organischen Komplexen war im Kompost im Vergleich zu den Kontroll- und Mineraldüngern hochwirksamer als in Wurmkompost10,16. Dieser Anteil verringerte sich bei den kombinierten Unterbehandlungen (organischer und mineralischer Dünger) im Vergleich zur alleinigen Anwendung.

Vermicompost verringerte die Pb-Verfügbarkeit sowohl in nicht kontaminierten als auch in kontaminierten Böden wirksamer als Kompost, aber nur der austauschbare Anteil in kontaminierten Böden verschlechterte sich, wenn Wurmkompost mit NPK-Dünger kombiniert wurde. Die Löslichkeit von Pb2+ in leicht bis mäßig kontaminierten Böden wird durch seine starke Adsorption an Fe- und Mn-Oxiden und organischen Stoffen gesteuert30. In stark kontaminierten Böden sind einige Pb-Formen stabil genug, um ihre Löslichkeit einzuschränken31. Die Effizienz bei der Erhöhung der immobilisierten PbORG-Fraktion war in mit Kompost angereicherten Böden höher als bei Wurmkompost in nicht kontaminierten Böden, beide verschlechterten sich jedoch in Kombination mit Mineraldünger. In kontaminiertem Boden stieg dieser Anteil bei alleiniger Anwendung von Wurmkompost und Kompost deutlich an als in Kombination mit NPK-Dünger und der Kontrolle.

Die Bioverfügbarkeit der untersuchten Metalle war bei organischen Behandlungen in kontaminierten Böden im Vergleich zu ihren Ausgangswerten in nicht kontaminierten Böden stark verringert. In ähnlicher Weise kam es bei organischen Behandlungen in kontaminierten Böden und im Vergleich zu den Ausgangswerten der untersuchten Metalle in nicht kontaminierten Böden zu einer starken Immobilisierung im Sinne einer erhöhten Bildung stabilisierter organischer Komplexe. Darüber hinaus zeigt die Ergänzungstabelle S2 die Gehalte an Chrom, Cadmium und Blei in Weizenkörnern in nicht kontaminierten und kontaminierten Böden. Ihr Gehalt nahm bei den organischen Behandlungen deutlich ab, wobei die niedrigsten Werte bei Vermicompost, gefolgt von Kompost, zu verzeichnen waren. In dieser Hinsicht wurde die verringerte Pflanzenaufnahme von Metallen durch die Bildung stabilisierter organischer Verbindungen im Boden und infolgedessen durch eine geringere Translokation in Weizenkörnern erreicht29,32. Die Bildung komplexer metallorganischer Assoziationen sowohl in solvatisierten als auch in festen Phasen durch Komplexität und spezifische Adsorption ist ein wichtiger Mechanismus, der für die Behinderung einheimischer Metalleffekte und die Verringerung ihrer Aufnahme durch Pflanzen verantwortlich ist33.

Der Mobilitätsfaktor der untersuchten Metalle war in Kontroll- und NPK-Behandlungen in beiden Böden stark ausgeprägt (Ergänzungstabelle S3). Der Mobilitätsfaktor stellt die relative Menge sowohl der leicht mobilen (austauschbaren, EX) als auch der verfügbaren (Carbonat, CAR) Fraktionen34 im Verhältnis zu den gesamten extrahierten Metallfraktionen dar. Die verminderte Mobilität (%) von Metallen in organischen Behandlungen wurde als Unterschied zwischen organischen Unterbehandlungen und den zugehörigen Kontroll- und NPK-Unterbehandlungen dargestellt. Die potenzielle Toxizität von Metallen im Boden ist eine Funktion ihrer Mobilität und Bioverfügbarkeit aufgrund der zunehmenden Tendenz, leicht in die Nahrungskette zu gelangen. Ebenso zeigte der Bioakkumulationsfaktor in Weizenkörnern einen ähnlichen Trend, der einen Rückgang der Pflanzenaufnahme unter Kompost und Wurmkompost aufgrund der Bildung metallorganischer Komplexe bestätigt, die deren Verfügbarkeit verringern17. Ein starker Rückgang wurde bei Wurmkompost und Kompost beobachtet (unterstrichene, fette Werte), diese wurden jedoch durch NPK-Zugaben in Kombination mit Wurmkompost und Kompost (fette Werte) zurückgenommen. Eine allgemeine Beobachtung zeigte die Wirksamkeit von Wurmkompost im Vergleich zu Kompost in beiden Böden. Die Mobilität von Chrom war in nicht kontaminiertem Boden stark verringert, während die Mobilität von Cadmium und Blei in kontaminiertem Boden aufgrund des Metallverhaltens im Boden, das durch den Ca-Gehalt gesteuert wird, stark verringert war35. Unter Verwendung des HSD-Tests von Tukey variierten die Mobilitäts-, Immobilisierungs- und Bioakkumulationsparameter innerhalb und zwischen den untersuchten Behandlungen sowohl in nicht kontaminierten (kleine hochgestellte Buchstaben) als auch in kontaminierten (große hochgestellte Buchstaben) Böden signifikant (P < 0,05).

Mithilfe der Faktoranalyse wurden alle Daten für Boden- und Pflanzenanalysen (Varimax-normalisiert), die aus kontaminierten und nicht kontaminierten Böden gewonnen wurden, separat ausgeführt (Ergänzungstabelle S4). Bei den nicht kontaminierten Bodendaten erklärten die ersten drei Faktoren 92 % der Gesamtvarianz. Der erste Faktor erklärte 65 % der Varianz mit hohen positiven Beladungen >0,50 aus löslichem Natrium, SAR, PbCAR, CrCAR, CrRES, Mobilität von Cr, Cd und Pb, Pb-Aufnahme in Körnern und Bioakkumulationsfaktor von Cd und Pb. Die positiven Faktorwerte, die zu diesen Parametern beitrugen, stammten von den Kontrollbehandlungen (1,64), NPK50 (0,90), Cp+NPK0 (0,98) und Cp+NPK50 (0,20), wobei die negativen Einflüsse von Mineraldüngern zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit und Mobilität von Metallen hervorgehoben wurden folglich ihre Aufnahme durch Pflanzenkörner. Negative Ladungen > –0,50 stammten aus EC, SOC, TN, PAV, K, CrORG, PbORG, Pflanzenhöhe, Weizenstroh, Kornertrag, biologischem Ertrag und NPK in Körnern. Die negativen Faktorwerte, die zu diesen Parametern beitrugen, stammten aus den Behandlungen Vp+NPK100 (–1,43), Vp+NPK50 (–1,02), Cp+NPK100 (–0,58), Vp (–0,49) und NPK100 (–0,10), was den Beitrag anzeigt von Wurmkompost zur Erhöhung der organischen Reserve im Boden, zur Immobilisierung von Cr und Pb und damit zur Steigerung des Ernteertrags und der Erntequalität (NPK-Gehalt in Körnern) im Vergleich zu Kompost5,6.

Der zweite Faktor erklärte 19 % der Gesamtvarianz mit hohen positiven Beladungen aus löslichem Na+, Ca+2 und Mg+2, verfügbar, Fe-Mn-Oxid, Restanteilen von Cr, Cd und Pb, dem Gesamtgehalt an Cd, und Pb im Boden, Kalium in Körnern, Pflanzenaufnahme von Cr, Cd und Pb und deren Bioakkumulationsfaktor. Die mit diesem Faktor verbundenen positiven Faktorwerte stammten aus den Behandlungen NPK100 (1,97), NPK50 (0,89) und Cp+NPK100 (0,46), wobei die Zunahme der Metallanreicherung in Pflanzen aufgrund der NPK-Zugabe hervorgehoben wurde. Hohe negative Beladungen > –0,50 stammten von SOC und organischen Fraktionen von Cr, Cd und Pb, wobei die höchsten negativen Faktorwerte von Vp (–1,33) und Cp (–0,89) die Bildung immobilisierter Fraktionen unter Kompost und Wurmkompost hervorhoben. Mittlere negative Faktorwerte stammten von Vp+NPK50 (–0,50) und Cp+NPK50 (–0,18) und positive Werte von Cp+NPK100 (0,46) und Vp+NPK100 (0,02), was die negativen Auswirkungen von NPK in Kombination mit Cp und Vp bestätigte , über die Immobilisierung von Spurenmetallen, um deren Aufnahme durch Pflanzen zu erhöhen.

Der dritte Faktor erklärte 8 % der Gesamtvarianz mit hohen positiven Ladungen > 0,50 aus dem pH-Wert des Bodens mit den höchsten Faktorwerten aus der Kontrolle, NPK50 und NPK100. Die hohen negativen Ladungen > −0,50 stammten aus SOC und organischen Anteilen von Cr, Cd und Pb, dem Restanteil von Pb, dem Gesamtgehalt an Cr und Pb im Boden und dem Ernteindex mit den höchsten Faktorwerten von Cp, Cp+ NPK50 und Cp+NPK100.

Bei Daten aus kontaminiertem Boden erklärten die ersten drei Faktoren 94 % der Gesamtvarianz. Der erste Faktor erklärte 65 % der Varianz mit hohen positiven Beladungen > 0,50 aus löslichem Natrium, Calcium, Magnesium, verfügbaren und restlichen Anteilen von Cr, Cd und Pb, Fe-Mn-Oxidanteil von Cr und Pb, Mobilität und Gesamtgehalt von Cr, Cd und Pb im Boden, Aufnahme von Cr, Cd und Pb durch Pflanzenkörner und ihr Bioakkumulationsfaktor. Die höchsten Faktorwerte für diesen Faktor stammten von NPK50 (1,5), NPK100 (0,73), Cp+NPK50 (0,39) und Cp+NPK100 (0,95), was die negativen Auswirkungen von Mineraldüngern auf die Erhöhung und damit Reduzierung der Verfügbarkeit dieser Metalle hervorhebt ihre Immobilisierung auch in Kombination mit Kompost. Zusammen mit den organischen Behandlungen kam es zu einer Hemmung der Cd-Verfügbarkeit, wodurch die schädlichen Auswirkungen von Cadmium auf das Wachstum verringert wurden. Die höchsten positiven Faktorwerte erzielen Cp+NPK50 (0,39) und Cp+NPK100 (0,95) mit niedrigen pH-Werten aufgrund der organischen Zusätze, was die Löslichkeit von Metallen erhöht und sie für Pflanzen besser verfügbar macht36. Die hohe negative Beladung kam nur von TN mit dem höchsten Beitrag von Vp (–1,68), Vp+NPK50 (–0,95), Vp+NPK100 (–0,03) und Cp (–0,53) mit hoch verfügbaren N-Formen.

Der zweite Faktor erklärte 21 % der Gesamtvarianz mit hohen positiven Beladungen > 0,50 aus löslichem Natrium, SAR, verfügbaren und Fe-Mn-Oxid-Fraktionen von Pb, Mobilitätsfaktor von Cr und Pb und Ernteindex. Die relevanten Faktorwerte stammten von der Kontrolle (1,26), NPK50 (0,79) und NPK100 (0,30). Die hohen negativen Beladungen stammten von EC, TN, PAV, K+, der organischen Fraktion von Cr, Cd und Pb, der Fe-Mn-Oxidfraktion von Cd, der Pflanzenhöhe, dem Weizenstroh, dem Kornertrag, dem biologischen Ertrag und der NPK-Aufnahme in Körnern. Die höchsten Faktorwerte stammten von Cp+NPK100 (–0,73), Cp+NPK50 (–0,06), Vp+NPK100 (–1,73) und Vp+NPK50 (–1,06). Es scheint, dass die Variablen Pflanzenhöhe, Weizenstroh, Kornertrag, biologischer Ertrag und NPK-Aufnahme in Körnern unter kontaminierten Behandlungen im zweiten Durchgang zum zweiten Faktor verschoben wurden, was darauf hindeutet, dass die erhöhte Empfindlichkeit des Pflanzenertrags gegenüber der Zugabe von Pb, Cd- und Cr-Ionen in Böden, da sich diese Parameter parallel zu den organisch gebundenen Anteilen dieser Metalle und der Natriumadsorptionskapazität bewegten. Der dritte Faktor erklärte 8 % der Gesamtvarianz mit hohen positiven Ladungen > 0,50 aus dem pH-Wert des Bodens, Karbonaten und Fe-Mn-Oxid-gebundenen Fraktionen von Cr und Pb und ihrem Mobilitätsfaktor. Die mit diesen Parametern verbundenen Faktorwerte stammten von der Kontrolle (1,28), NPK50 (0,78), NPK100 (0,57), Vp+NPK50 (0,66) und Vp+NPK100 (0,37). Die hohen negativen Ladungen stammten von SOC und PbORG mit dem höchsten Beitrag von Cp (–1,72), Cp+NPK50 (–1,08), Cp+NPK100 (–0,84) und Wurmkompost (–0,02).

Die von der PCA (Hauptkomponentenanalyse) getesteten Faktorwerte in Abb. 4 können den Beitrag jeder Behandlung zu den relevanten Faktorstrukturen für nicht kontaminierte (blaue Farbe) und kontaminierte (violette Farbe) Böden anzeigen. Die höchsten positiven Faktorwerte bei den beiden Faktoren stammten aus Böden, die nur mit NPK behandelt wurden, sowohl in nicht kontaminierten als auch in kontaminierten Böden, die mit den Verfügbarkeits-, Mobilitäts-, Bioverfügbarkeits- und Bioakkumulationsfaktoren der untersuchten Metalle korrelierten. Darüber hinaus kam der niedrigste Beitrag für diese Parameter von Vp, Vp+NPK50 und Vp+NPK100. Der unmittelbare Beitrag wurde von Cp, Cp+NPK50 und Cp+NPK100 aufgezeichnet. Der kombinierte Kompost und Wurmkompost mit NPK ergab einen höheren Beitrag zu den oben genannten Parametern als der absolute Einsatz.

Die Beziehung zwischen den Faktorbewertungen entspricht den ersten beiden PCAs, die sowohl für nicht kontaminierte (Markierungen mit blauer Farbe) als auch für kontaminierte (Markierungen mit violetter Farbe) Böden durchgeführt wurden.

Es kann auch beobachtet werden, dass die organische Reserve des Bodens (Abb. 4) in Form von organischem Kohlenstoff im Boden, Gesamtstickstoff, Bodenphosphor, verfügbarem Phosphor und Kalium, löslichen Kationen und organischen Anteilen von Cr, Cd und Pb sowie Gesamt-Cr-Gehalten vorliegt ergab den höchsten Beitrag von Wurmkompost und Kompostbehandlungen im Vergleich zur absoluten NPK-Zugabe. Dieser Trend wurde in nicht kontaminierten und kontaminierten Böden anhand der höchsten negativen Faktorwerte im Zusammenhang mit dem ersten bzw. zweiten Faktor beobachtet. Infolgedessen zeigte die durch den Zusatz von Wurmkompost und Kompost ergänzte organische Komponente eine hohe Bedeutung für die Erhaltung organischer Komponenten und die Minderung der Gefahrenindizes von Cr, Cd und Pb14,17.

Die Anwendung organischer Zusätze (Kompost und Wurmkompost), die aus agroindustriellen Rückständen recycelt wurden, verbesserte die chemischen Eigenschaften des Bodens, was sich wiederum positiv auf den Ertrag und die Qualität der Weizenernte sowohl in nicht kontaminierten als auch in kontaminierten Böden auswirkte. Die höchste Verbesserung der chemischen Bodenbedingungen wurde bei Vermikompost erzielt, gefolgt von Kompost, während die niedrigsten Werte bei NPK-Düngemitteln (50 % und 100 % NPK) und bei der Kontrolle in beiden Böden zu verzeichnen waren. Diese Verbesserung trat bei Wurmkompost und Kompostbehandlungen in Kombination mit NPK-Zusätzen, basierend auf den angewendeten NPK-Raten, in beiden Böden wieder auf. Die Weizenernten verbesserten sich in beiden Böden und zeigten im Vergleich zu NPK-Düngemitteln und Kontrollbehandlungen die höchste Pflanzenhöhe, das 1000-Korn-Gewicht, den höchsten Kornertrag, den höchsten Strohertrag, den biologischen Ertrag und den höchsten NPK-Gehalt der Weizenkörner in Wurmkompost und Kompost. Bei Wurmkompost und Kompost wurde in Kombination mit NPK-Zusätzen eine Steigerung des Weizenernteertrags beobachtet.

Diese Art der Anwendung in mit Chrom, Cadmium und Blei kontaminierten Böden verringerte deren Verfügbarkeit im Boden und verringerte somit ihre Aufnahme durch Pflanzen und ihre Bioakkumulation in Weizenkörnern. Die durch veränderten Wurmkompost und Kompost im Boden gebildeten metallorganischen Komplexe wandelten die löslichen und/oder austauschbaren Anteile dieser Metalle um und verringerten so ihre Verfügbarkeit für Pflanzen. Die Metallfraktionen wurden im Boden unter organischen Zusätzen als ORG>OXD>CAR>RES>EX für Chrom, ORG>RES>OXD>CAR>EX für Cadmium und ORG>OXD>CAR>RES>EX für Blei umverteilt, was die Masse ergibt Betrag für die organisch gebundenen Fraktionen. Aufgrund der Komplexierung und Adsorption oder Ausfällung wurden die Metallbindungen mit organischen Stoffen und Oxiden oder in den Restfraktionen für Pflanzen nicht mehr leicht verfügbar. Dementsprechend können diese recycelten Zusatzstoffe das Risiko einer Kontamination in der Nahrungskette verringern, indem sie die Verfügbarkeit von Metallen im Boden und deren Aufnahme durch die Pflanze verringern. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Bedeutung der Änderungen für die Verringerung des Metalleintrags in die Nahrungskette zu beleuchten und ihre Risiken für die menschliche Gesundheit abzuschätzen. Es ist geplant, ein Datenblatt für die recycelten agroindustriellen Rückstände zu erstellen, um deren Wirksamkeit als empfohlene Bodenverbesserungsmittel zu bestätigen.

Ein Feldversuch wurde während der Saison 2021/2022 in New Borg El-Arab City (30°53´33.17" N, 29°22´46.43" E), Gouvernement Alexandria, Ägypten, durchgeführt. Wir bestätigen, dass experimentelle Forschung und Feldstudien an kultivierten Weizenpflanzen, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen entsprechen. Die Feldstudie wurde auf der Versuchsfarm von SRTA-City durchgeführt. Die Genehmigungen wurden vom wissenschaftlichen Berater der Farm erteilt, da unsere Studie den lokalen und nationalen Vorschriften entspricht. Samen des Weizens „Triticum aestivum L.“ (Sorte GIZA 171) wurden vom akkreditierten nationalen Zentrum für Saatgut am Agrarforschungszentrum des Landwirtschaftsministeriums in Gizeh, Ägypten, erworben. Alle landwirtschaftlichen Verfahren für die Weizenproduktion, einschließlich organischer und mineralischer Düngung, wurden gemäß den Empfehlungen des ägyptischen Ministeriums für Landwirtschaft und Landgewinnung aus dem Jahr 201337 durchgeführt. Der Karbonatgehalt des Bodens wurde durch übermäßige Zugabe von 4 M HCl ermittelt und freigesetzt CO2 wurde mit dem entwickelten Bodenkalzimeter Royal Eijkelkamp (Scheibler-Instrument, Eijkelkamp Soil & Water, Giesbeek, Niederlande) quantifiziert, das dem zertifizierten Standard NEN-ISO 10693 entspricht. Genaue Messungen erfolgten nach der Scheibler-Methode, die eine Bestimmung des Karbonatgehalts beinhaltet im Boden basierend auf einem volumetrischen Verfahren (Messbereich: 0–>200 g kg−1 mit einer Ablesegenauigkeit von 1 g kg−1).

Das Plotexperiment war in zwei Bereiche unterteilt; unkontaminierter Boden, ohne jegliche Metallzusätze, und kontaminierter Boden, behandelt mit Konzentrationen von CrCl3 (SIGMA-Aldrich Labrochemikalien GmbH, Riedstr.2, D-89555 Steinheim, Deutschland, 98,5 %) (100 mg Cr pro kg Boden), PbCl2 (SIGMA -Aldrich Labrochemikalien GmbH, Riedstr.2, D-89555 Steinheim, Deutschland, 99,0 % (100 mg Pb pro kg Boden) und CdCl2 (SIGMA-Aldrich Labrochemikalien GmbH, Riedstr.2, D-89555 Steinheim, Deutschland, 99,0 % ) (3 mg Cd pro kg Boden), um die von Alloway38 vorgeschlagenen kritischen Bodengrenzwerte zu erreichen und die in unseren Gebieten mit alkalischen Böden anzutreffenden Grenzwerte zu überschreiten39. Zusätzlich wurde jeder Boden entweder mit Kompost (Cp) oder Wurmkompost (Vp) in einer Menge behandelt, um 2 % der organischen Substanz des Bodens zu erreichen, jedoch die Kontrolle. In beiden Böden wurden Kompost und Wurmkompost, sogenannte organische Behandlungen, mit NPK in unterschiedlichen Mengen von 0 % (Kontrolle), 50 % (NPK50) und 100 % (NPK100) unterbehandelt37. Die 100 % NPK-Dosis umfasst 118 kg N pro Feddan mit 33,5 % N (NH4NO3), 29 kg P2O5 pro Feddan mit 15,5 % P2O5 und 59 kg K2O pro Feddan mit 48 % K2O. Phosphor wurde vor der Kultivierung hinzugefügt, während Stickstoff und Kalium in drei Chargen zugegeben wurden: nach der Keimung, zu Beginn der vegetativen Wachstumsphase und in der Bestockungsphase. Auf einer Fläche von 4.000 m3 ha wurde eine Oberflächenbewässerung durchgeführt, um den Wasserbedarf der Weizenernte zu decken und jeglichen Stress durch die Metallverlagerung vom Boden zur Pflanze zu verhindern.

Für das Versuchsdesign wurde das Randomized Complete Block Design (RCBD) verwendet, das auf drei Faktoren basiert: Kontamination (nicht kontaminierter und kontaminierter Boden), organische Behandlungen (Kontrolle, Kompost und Wurmkompost) und Mineraldüngergehalt (0, 50 und 100 %). NPK) mit dreifacher Ausfertigung für jede Unterbehandlung, was insgesamt 54 Unterbehandlungen ergibt. Insgesamt wurden achtzehn Unterbehandlungen durchgeführt, neun (n = 27 = 9 × 3 Wiederholungen) für den nicht kontaminierten Boden und neun (n = 27 = 9 × 3 Wiederholungen) für den kontaminierten Boden (Ergänzungstabelle S1). Der Begriff „Kontroll-Unterbehandlungen“ bezieht sich auf die Kontroll-, NPK50- und NPK100-Unterbehandlungen. Dementsprechend bezieht sich der Begriff „Kompost-Unterbehandlungen“ auf Cp-, Cp+NPK50- und Cp+NPK100-Unterbehandlungen, und der Begriff „Wurmkompost-Unterbehandlungen“ bezieht sich auf Vp-, Vp+NPK50- und Vp+NPK100-Unterbehandlungen . Jede Unterbehandlung wurde dreifach in quadratischen Parzellen (3 × 3 m) durchgeführt.

Nach dem Experiment wurden Bodenproben von nicht kontaminierten und kontaminierten Böden in dreifacher Ausfertigung aus jeder Unterbehandlung (3×9×2=54 Proben) gesammelt, luftgetrocknet, gemahlen und bei 2 mm für die anschließenden Bodenanalysen gemäß dem Handbuch gesiebt vorgeschlagen von Ryan et al.40. Die Bodenpartikelanalyse wurde mit der Pipettenmethode von Robinson (Eijkelkamp Agriresearch Equipment, Giesbeek, Niederlande) durchgeführt. Der pH-Wert des Bodens und die elektrische Leitfähigkeit (EC) wurden in wässriger Bodensuspension im Verhältnis 1:2,5 w/v bzw. 1:1 w/v gemessen. Der organische Kohlenstoff (SOC) im Boden wurde mithilfe der Nassoxidationsmethode oxidiert. Der Gesamtstickstoff (TN) wurde mit der Kjeldahl-Methode40 bestimmt. Lösliche Kationen (Na+, K+, Ca2+ und Mg2+) und Anionen (SO42−, Cl−, HCO3−) wurden aus den gesättigten Bodenpastenextrakten bestimmt40. Lösliches Na+ und K+ wurden mit dem Flammenphotometer (PG Instruments Ltd, Alma Park, Wibtoft, Leicestershire, England: FP902) gemessen. Das Natriumadsorptionsverhältnis (SAR) wurde nach Robbins41 berechnet.

Lösliches SO42− wurde durch Bariumsulfatfällung bestimmt. Lösliches Cl− und HCO3− wurden mit AgNO3 (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120–89555 Steinheim, Deutschland) bzw. 0,01 N H2SO4 (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D 30926 Seelze, Deutschland) titriert. Zur Bestimmung des löslichen Ca2+ und Mg2+ wurde die EDTA-Titrationsmethode (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, Riedstr 2–89555 Steinheim, Deutschland) verwendet. Verfügbarer Phosphor (PAV) wurde mit 0,5 M NaHCO3 (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120–89555 Steinheim, Deutschland) bei pH 8,5 extrahiert und mit dem UV/VIS-Spektrophotometer PG Instruments Ltd T80, Alma Park, Woodway Lane, Wibtoft, England, gemessen42 . Verfügbares Kalium (KAV) wurde mit 1 N NH4OAc (PANREAC QUIMICA SA, E-08211 Castellar del Valles, Barcelona, ​​Spanien) extrahiert und mit dem Flammenphotometer (PG Instruments Ltd, Alma Park, Wibtoft, Leicestershire, England: FP902) gemessen.

Übergangsmetallfraktionen wurden nacheinander extrahiert43,44. Fünf Fraktionen wurden für Cr3+, Cd2+ und Pb2+ wie folgt bestimmt: Die austauschbare Fraktion (EX) wurde mit 1 M MgCl2 (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120–89555 Steinheim, Deutschland) bei pH 7 für 1 Stunde und 25 °C extrahiert ; die an Carbonate gebundene Fraktion (CAR) wurde mit 1 M CH3COONa (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, Riedstr 2 -89555 Steinheim, Deutschland) bei pH 5 für 5 Stunden bei 25 °C extrahiert; Die an Fe-Mn-Oxide (OXD) gebundene Fraktion wurde mit 0,04 M NH2OH.HCl (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, D-30926 Seelze, Deutschland) in 25 % Essigsäure (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120 -89555 Steinheim, Deutschland) für 5 h bei 96°C; Die an organische Substanz (ORG) gebundene Fraktion wurde mit 30 % H2O2 (PANREAC QUIMICA SA, E-08211 Castellar del Valles, Barcelona, ​​Spanien) mit 0,02 M HNO3 (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D-30926 Seelze, Deutschland) extrahiert pH 2 für 5 Stunden bei 85 °C, gefolgt von 3,2 M NH4OAc (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, Riedstr2, D-89555 Steinheim, Deutschland) in 20 % HNO3 (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D-30926 Seelze, Deutschland); und die Restfraktion (RES) wurde mit konzentrierter HNO3 (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D-30926 Seelze, Deutschland) für 2 Stunden bei 100 °C extrahiert. Alle Fraktionen wurden mit Whatman-Filterpapier Nr. 1 (Whatman-Papier, Z240079) gefiltert und anschließend mit einem Agilent 4100 Microwave Plasma-Atomic Emission Spectrometer (MP-AES) (Agilent Technologies, G8000A, Australien) quantifiziert. Die verfügbaren Anteile jedes Metalls wurden als Summe der austauschbaren und karbonatgebundenen Anteile bewertet34.

Der Mobilitätsfaktor von Cr3+, Cd2+ und Pb2+ im Boden wurde wie folgt bewertet, um die relativen Mengen der leicht mobilen und verfügbaren Fraktionen34 zu ermitteln:

Dabei ist EX der austauschbare Anteil, CAR der Carbonat-assoziierte Anteil, OXD der an Fe-Mn-Oxide gebundene Anteil, ORG der organisch gebundene Anteil und RES der Restanteil.

Die recycelten agroindustriellen Rückstände, Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie, wurden vor ihrer Zugabe zum Boden analysiert40. Ihr pH-Wert, ihr EC, ihr organischer Kohlenstoff, ihr Gesamtstickstoff, ihre organische Substanz und ihr C/N-Verhältnis betrugen 7,50, 2,16 dS m−1, 25,93 %, 1,57 %, 44,59 % und 16,51 für Kompost und lagen bei 7,98, 3,01 dS m−1 , 36,41 %, 1,89 %, 62,63 % bzw. 19,26 für Wurmkompost. Ihr NPK-Gehalt betrug 1,57 %, 0,52 % und 1,02 % für Kompost und 1,89 %, 0,23 % bzw. 0,41 % für Wurmkompost. Ihr Gehalt an Fe, Zn, Mn und Cu betrug 4870,00, 35,40, 315,00 und 11,30 mg kg−1 für Kompost und 2081,00, 28,11, 127,00 bzw. 7,22 mg kg−1 für Wurmkompost. Ihr Gehalt an Cr, Cd und Pb betrug 0,54, 0,23 und 5,93 mg kg-1 für Kompost und 0,32, 0,10 bzw. 2,25 mg kg-1 für Wurmkompost.

Es wird eine mäßige Bodenalkalität (pH 8,39, 1:2,5 Gew./Vol.) und Salzgehalt (EC von 2,69 dS m-1, 1:1 Gew./Vol.) beobachtet. Der Gehalt an löslichen Kationen wie Na+, K+, Ca2+ und Mg+2 betrug 7,97, 0,80, 7,15 bzw. 0,82 meq L−1, während lösliche Anionen wie Cl−, HCO3− und SO42− 6,12 bzw. 4,52 betrugen bzw. 7,12 meq L−1. Der Gesamtstickstoff (TN) und die organische Substanz betrugen 0,09 % bzw. 0,98 %. Der verfügbare Phosphor- und Kaliumgehalt im Boden betrug 5,00 bzw. 105,22 mg kg−1. Bodenmikronährstoffe wie Fe, Zn, Mn und Cu betrugen 4,81, 0,65, 7,74 bzw. 0,85 mg kg−1. Die Gehalte der drei untersuchten Metalle wie Cr, Cd und Pb betrugen 0,02, 0,01 bzw. 0,66 mg kg−1.

Nach der Ernte (155 Tage) wurden Weizenpflanzen (n=9) zufällig aus jeder Unterbehandlung (9×9×2=162 Pflanzenproben) ausgewählt, um den Weizenernteertrag durch Messung der Pflanzenhöhe (cm) und des Gewichts von 1000 zu bewerten -Körner (g), Weizenstroh (t ha−1) und Getreideertrag (t ha−1). Der biologische Ertrag (t ha−1) wurde als Summe aus Weizenstroh und Getreideertrag berechnet. Der Ernteindex wurde als Verhältnis von Getreideertrag zu biologischem Ertrag dargestellt.

Weizenkörner wurden mit DH2O gewaschen und 48 Stunden lang bei 65 °C im Ofen getrocknet. Die Körner wurden unter Verwendung der H2SO4/H2O2-Mischung (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D 30926 Seelze, Deutschland) für die NPK- und Übergangsmetallbestimmungen (Cr3+, Cd2+ und Pb2+) gemäß dem von Ryan et al.40 vorgeschlagenen Handbuch nass aufgeschlossen .

BAF ist die Akkumulationseffizienz jedes in Pflanzenkörnern angesammelten Metalls45 und kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

Die statistische Analyse wurde mit STATISTICA 10 von StatSoft, Inc. (Tulsa, Oklahoma, USA)46 durchgeführt. Die Zwei-Faktor-ANOVA wurde getestet, um die Variabilität aller untersuchten Boden- und Pflanzenvariablen zu analysieren. Dabei wurden mineralische und organische Zusatzstoffe als zwei kategoriale Faktoren verwendet, um die signifikante Varianz jedes Datensatzes aus nicht kontaminierten und kontaminierten Böden zu überprüfen. Für jeden Datensatz aus nicht kontaminierten und kontaminierten Böden wurden zwei Durchläufe der Hauptkomponentenanalyse durchgeführt. Der Beitrag jeder Unterbehandlung (mineralisch×organisch) zur zugehörigen Faktorstruktur wurde durch Faktorscores berechnet.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten und weitere Einzelheiten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Alle Boden- und Pflanzenanalysen wurden in den Zentrallabors der SRTA-City und im Bodenchemielabor des ALCRI durchgeführt.

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Mai Khedr, Mohamed Emran und Mohamed Rashad

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Landwirtschaft und Lebensmitteltechnologie, Universität Girona, C Maria Aurèlia Capmany, 61, Campus Montilivi, 17003, Girona, Spanien

Maria Gispert

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MK führte den Versuchsaufbau durch, überwachte das Feldexperiment, führte die Boden- und Pflanzenanalysen durch und verfasste den ersten Entwurf dieses Manuskripts. ME überwachte das Feldexperiment, führte die statistische Analyse durch und war maßgeblich an der Erstellung des Manuskripts beteiligt. MG und MR interpretierten die wichtigsten Ergebnisse. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Mohamed Emran.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khedr, M., Emran, M., Gispert, M. et al. Immobilisierung von Cr3+, Cd2+ und Pb2+, hinzugefügt zu kalkhaltigem Boden, angereichert mit kompostierten agroindustriellen Rückständen. Sci Rep 13, 8197 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35358-3

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Eingegangen: 21. Januar 2023

Angenommen: 17. Mai 2023

Veröffentlicht: 20. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35358-3

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