DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1783879
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41988425
تاريخ النشر: 2026-03-31
المؤلف: Santosh Rajbanshi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفحم ومنتجاته الثانوية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الفحم الحيوي على كتلة النبات وتراكم العناصر السامة المحتملة (PTEs) في التربة الملوثة برماد الفحم (FA). استخدمت الدراسة تجربة دفيئة محكومة مع أربعة أنواع من النباتات – عشب السويتش، وعشب الفيسك، وعشب الفيتش، وعشب السيريسا – المزروعة في خلطات مختلفة من التربة وFA والفحم الحيوي. أشارت النتائج إلى أن FA قلل بشكل كبير من كل من كتلة الساق والجذر عبر جميع الأنواع، بينما حسنت إضافة الفحم الحيوي من تراكم الكتلة الحيوية. ومن الجدير بالذكر أن أنماط التراكم الحيوي كشفت عن علاقة سلبية قوية بين امتصاص الكالسيوم-المغنيسيوم (Ca-Mg) والباريم-السترونتيوم (Ba-Sr)، إلى جانب علاقة ضعيفة مع الألمنيوم-السيليكون (Al-Si).
تسلط النتائج الضوء على اختلاف واضح في إنتاج الكتلة الحيوية بين الأنواع العشبية والبقولية، حيث تفوقت الأعشاب باستمرار على البقوليات في التربة المعدلة بـ FA مع الفحم الحيوي. على الرغم من الانخفاض العام في الكتلة الحيوية بسبب تلوث FA، إلا أن الفحم الحيوي عزز نمو النبات. أظهرت تحليل المكونات الرئيسية (PCA) سلوكيات تراكم حيوي متنوعة بين الأنواع، على الرغم من عدم ملاحظة فصل واضح للعلاج. بينما قلل الفحم الحيوي من تركيزات PTE في سيقان النباتات، فإن فعاليته كإضافة للتربة للاستخراج النباتي موضع تساؤل، حيث قد تعيق امتصاص PTE بدلاً من تسهيله.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية العناصر السامة المحتملة (PTEs)، التي يمكن أن تؤثر سلبًا على الأنظمة البيولوجية والبيئية عندما تكون موجودة فوق تركيزات معينة. يمكن أن تؤدي PTEs، بما في ذلك العناصر الأساسية وغير الأساسية مثل الحديد (Fe)، المنغنيز (Mn)، الموليبدينوم (Mo)، الزرنيخ (As)، الزئبق (Hg)، والكادميوم (Cd)، إلى آثار سامة للنبات مثل تقليل عملية التمثيل الضوئي، تثبيط استقلاب النيتروجين، ومشاكل صحية متنوعة لدى البشر من خلال تلوث سلسلة الغذاء. تسلط الورقة الضوء على الآثار الضارة لـ PTEs على خصائص التربة، بما في ذلك الجوانب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية، والتي يمكن أن تعطل بنية التربة، وتغير توفر المغذيات، وتعيق النشاط الميكروبي.
تؤكد المقدمة أيضًا على دور التصنيع، وخاصة إنتاج رماد الفحم (FA) من احتراق الفحم، كمصدر رئيسي لتلوث التربة بـ PTEs. مع إنتاج أكثر من 500 مليون طن من FA سنويًا، فإن التخلص منها يشكل مخاطر كبيرة على البيئة وصحة الإنسان. غالبًا ما تكون طرق المعالجة التقليدية غير قابلة للتطبيق اقتصاديًا وبيئيًا، مما يدفع لاستكشاف الاستخراج النباتي كحل مستدام. تركز الدراسة على فعالية أنواع النباتات المختلفة في تراكم PTEs من التربة الملوثة بـ FA وتحقق في إمكانية تحسين أداء النباتات وتراكم PTE باستخدام إضافات الفحم الحيوي. تهدف الأسئلة البحثية المحددة إلى تقييم الفروق في تراكم PTE بين الأنواع النباتية المختارة، وتأثير FA على غلات الكتلة الحيوية، وفعالية الفحم الحيوي في تحسين تراكم PTE.
طرق البحث
تضمنت منهجية هذه الدراسة تجربة قائمة على الدفيئة مصممة للحفاظ على مناخ دقيق، مع تنظيم خاص لدرجة الحرارة والرطوبة. تم إجراء البحث في مزرعة هارولد ر. بنسون للبحث والعرض، والتي هي جزء من جامعة ولاية كنتاكي وتقع في مقاطعة فرانكلين الجنوبية، كنتاكي. كانت هذه البيئة المحكومة ضرورية لتقييم المتغيرات التجريبية بدقة وضمان جمع بيانات موثوقة.
النتائج
في تحليل عشرين عنصرًا سامًا محتملاً (PTEs) في عينات سيقان النباتات، وُجد أن الزرنيخ (As)، الليثيوم (Li)، والرصاص (Pb) كانت دائمًا تحت حدود الكشف عبر جميع العينات. وبالمثل، أظهرت العناصر مثل الكروم (Cr)، الموليبدينوم (Mo)، النيكل (Ni)، التيتانيوم (Ti)، والفاناديوم (V) مستويات غير قابلة للكشف بشكل أساسي عبر العلاجات والأنواع المختلفة. وبالتالي، تم إجراء مزيد من التحليل الإحصائي على العناصر الألمنيوم (Al)، الباريوم (Ba)، البورون (B)، الكالسيوم (Ca)، النحاس (Cu)، الحديد (Fe)، المغنيسيوم (Mg)، المنغنيز (Mn)، الكبريت (S)، السيليكون (Si)، السترونتيوم (Sr)، والزنك (Zn) باستخدام تحليل التباين ثنائي الاتجاه وتحليل المكونات الرئيسية.
تشير النتائج إلى أن الغالبية العظمى من PTEs التي تم تحليلها لم تكن موجودة بتركيزات قابلة للكشف، مما يشير إلى وجود خطر محدود من السمية من هذه العناصر في عينات النباتات المدروسة. تم تقديم قيم حدود الكشف التفصيلية لكل عنصر في الجدول 2، الذي يعمل كمرجع لمستويات العناصر التي تم تحليلها في سياق تأثيرها المحتمل على صحة وسلامة النباتات.
المناقشة
استخدمت الدراسة تصميم كتلة عشوائية كاملة (RCBD) لتقييم تأثيرات العلاجات المختلفة وأنواع النباتات على التراكم الحيوي للعناصر السامة المحتملة (PTEs) في التربة الملوثة برماد الفحم. استخدمت الدراسة ستة علاجات تشمل تركيبات من التربة والفحم الحيوي ورماد الفحم عبر أربعة أنواع من النباتات، وتم تكرارها أربع مرات، مما أسفر عن إجمالي 96 وعاء. أشارت النتائج إلى أن عشب السويتش (Panicum virgatum) وعشب الفيسك (Festuca arundinacea) أظهرا تراكمًا أفضل للكتلة الحيوية وتحملًا لـ PTEs مقارنةً بالأنواع البقولية مثل الفيتش (Vicia villosa) والسيريسا (Lespedeza cuneata). ومن الجدير بالذكر أن إضافة الفحم الحيوي حسنت من غلات الكتلة الحيوية للنباتات في التربة الملوثة، مما يشير إلى دوره المحتمل في التخفيف من الآثار السلبية لرماد الفحم.
كشفت تحليل البيانات عن اختلافات كبيرة في تراكم PTE بين الأنواع والعلاجات، حيث تراكم الفيتش كميات أعلى من الكالسيوم (Ca)، السترونتيوم (Sr)، الكبريت (S)، والزنك (Zn)، بينما أظهر عشب الفيسك مستويات أعلى من الألمنيوم (Al)، الباريوم (Ba)، البورون (B)، النحاس (Cu)، الحديد (Fe)، المغنيسيوم (Mg)، المنغنيز (Mn)، والسيليكون (Si). خلصت الدراسة إلى أنه بينما أظهرت كلا النوعين إمكانات للاستخراج النباتي، إلا أن غلة الكتلة الحيوية انخفضت في التربة المعدلة بـ FA، مما يشير إلى الحاجة لمزيد من التحقيق في مستويات تحملها. بالإضافة إلى ذلك، سلطت وفاة السيريسا الكاملة في علاج 10% من رماد الفحم الضوء على التحديات التي تطرحها تركيزات PTE العالية، مما يستدعي مزيدًا من البحث لاستكشاف جدواها في البيئات الملوثة.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود تؤثر على شمولية النتائج. بشكل أساسي، كان تحليل العناصر السامة المحتملة (PTEs) مقصورًا على الأجزاء فوق الأرض من النباتات بسبب قيود الميزانية، مما منع فحصًا شاملاً للجذور، وخلائط التربة، والمياه المتسربة. أدى هذا القيد إلى مجموعة بيانات غير كافية ضرورية لحساب مؤشرات حيوية مثل عامل التراكم الحيوي (BAF) وعامل النقل (TF)، والتي تعتبر أساسية لتقييم فعالية جهود الاستخراج النباتي والتمييز بين المثبتات النباتية والمستخرجات النباتية.
علاوة على ذلك، لم تميز الدراسة بين الأجزاء النباتية الخضرية والتناسلية في عملية أخذ العينات. يمكن أن توضح تحليل أكثر تفصيلاً خصائص التراكم الحيوي لمختلف الأنواع النباتية، وهو أمر ذو صلة خاصة بتطبيقات ما بعد الاستخراج النباتي مثل التعدين النباتي. يمكن أن يؤدي فهم الأجزاء المحددة من النباتات التي تركز PTEs إلى تعزيز الاستخراج الاقتصادي للعناصر القيمة، بما في ذلك الليثيوم، النيكل، الذهب، والعناصر الأرضية النادرة. أخيرًا، لا تتناول الدراسة إدارة أو التخلص الآمن من الكتلة الحيوية النباتية الملوثة، مما يترك فجوة في فهم الآثار العامة لتراكم PTE في ممارسات الاستخراج النباتي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1783879
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41988425
Publication Date: 2026-03-31
Author(s): Santosh Rajbanshi et al.
Primary Topic: Coal and Its By-products
Overview
The research investigates the impact of biochar on plant biomass and the accumulation of potentially toxic elements (PTEs) in soils contaminated with coal fly ash (FA). The study utilized a controlled greenhouse experiment with four plant species—switchgrass, tall fescue, hairy vetch, and sericea lespedeza—grown in varying mixtures of soil, FA, and biochar. Results indicated that FA significantly diminished both shoot and root biomass across all species, while biochar application improved biomass accumulation. Notably, the bioaccumulation patterns revealed a strong negative correlation between calcium-magnesium (Ca-Mg) and barium-strontium (Ba-Sr) uptake, alongside a weak relationship with aluminum-silicon (Al-Si).
The findings highlight a distinct difference in biomass production between grass and legume species, with grasses consistently outperforming legumes in FA-amended soils with biochar. Despite the overall reduction in biomass due to FA contamination, biochar enhanced plant growth. Principal component analysis (PCA) demonstrated varied bioaccumulation behaviors among species, although no clear treatment separation was observed. While biochar reduced PTE concentrations in plant shoots, its effectiveness as a soil amendment for phytoextraction is questioned, as it may hinder PTE uptake rather than facilitate it.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of Potentially Toxic Elements (PTEs), which can adversely affect biological and environmental systems when present above certain threshold concentrations. PTEs, including both essential and non-essential elements like Fe, Mn, Mo, As, Hg, and Cd, can lead to phytotoxic effects such as reduced photosynthesis, inhibited nitrogen metabolism, and various health issues in humans through food chain contamination. The paper highlights the detrimental impacts of PTEs on soil properties, including physical, chemical, and biological aspects, which can disrupt soil structure, alter nutrient availability, and inhibit microbial activity.
The introduction further emphasizes the role of industrialization, particularly the production of fly ash (FA) from coal combustion, as a major source of soil contamination with PTEs. With over 500 million tons of FA produced annually, its disposal poses significant risks to environmental and human health. Traditional remediation methods are often economically and environmentally unviable, prompting the exploration of phytoextraction as a sustainable solution. The study focuses on the effectiveness of various plant species in accumulating PTEs from FA-contaminated soils and investigates the potential of biochar amendments to enhance plant performance and PTE bioaccumulation. The specific research questions aim to assess the differences in PTE accumulation among selected plant species, the impact of FA on biomass yields, and the effectiveness of biochar in improving PTE bioaccumulation.
Methods
The methodology of this study involved a greenhouse-based experiment designed to maintain a controlled microclimate, specifically regulating temperature and humidity. The research was conducted at the Harold R. Benson Research and Demonstration Farm, which is part of Kentucky State University and situated in southern Franklin County, Kentucky. This controlled environment was essential for accurately assessing the experimental variables and ensuring reliable data collection.
Results
In the analysis of twenty potential toxic elements (PTEs) in plant shoot samples, arsenic (As), lithium (Li), and lead (Pb) were consistently found to be below detection limits across all samples. Similarly, chromium (Cr), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V) also exhibited predominantly undetectable levels across various treatments and species. Consequently, further statistical analysis was conducted on the elements aluminum (Al), barium (Ba), boron (B), calcium (Ca), copper (Cu), iron (Fe), magnesium (Mg), manganese (Mn), sulfur (S), silicon (Si), strontium (Sr), and zinc (Zn) using two-way ANOVA and principal component analysis.
The results indicate that the majority of the analyzed PTEs were not present in detectable concentrations, suggesting a limited risk of toxicity from these elements in the studied plant samples. The detailed detection limit values for each element are provided in Table 2, which serves as a reference for the levels of elements that were analyzed in the context of their potential impact on plant health and safety.
Discussion
The research employed a Factorial Randomized Complete Block Design (RCBD) to assess the effects of various treatments and plant species on the bioaccumulation of potentially toxic elements (PTEs) in fly ash-contaminated soils. The study utilized six treatments involving combinations of soil, biochar, and fly ash across four plant species, replicated four times, resulting in a total of 96 pots. The findings indicated that switchgrass (Panicum virgatum) and tall fescue (Festuca arundinacea) exhibited superior biomass accumulation and tolerance to PTEs compared to legume species like hairy vetch (Vicia villosa) and sericea lespedeza (Lespedeza cuneata). Notably, the addition of biochar improved plant biomass yields in contaminated soils, suggesting its potential role in mitigating the adverse effects of fly ash.
Data analysis revealed significant differences in PTE bioaccumulation among species and treatments, with hairy vetch accumulating higher concentrations of calcium (Ca), strontium (Sr), sulfur (S), and zinc (Zn), while tall fescue showed higher levels of aluminum (Al), barium (Ba), boron (B), copper (Cu), iron (Fe), magnesium (Mg), manganese (Mn), and silicon (Si). The study concluded that while both species demonstrated potential for phytoremediation, their biomass yield decreased in fly ash-amended soils, indicating a need for further investigation into their tolerance levels. Additionally, sericea lespedeza’s complete mortality in the 10% fly ash treatment highlighted the challenges posed by high PTE concentrations, necessitating further research to explore its viability in contaminated environments.
Limitations
The research presents several limitations that impact the comprehensiveness of the findings. Primarily, the analysis of potentially toxic elements (PTEs) was restricted to the aboveground parts of plants due to budgetary constraints, which precluded a thorough examination of roots, soil mixes, and leachates. This limitation resulted in an insufficient data set necessary for calculating critical indices such as the bioaccumulation factor (BAF) and the translocation factor (TF), which are essential for assessing the efficacy of phytoremediation efforts and distinguishing between phytostabilizers and phytoextractors.
Moreover, the study did not differentiate between the vegetative and reproductive parts of the plants in the sampling process. A more detailed analysis could elucidate the bioaccumulation characteristics of various plant species, which is particularly relevant for post-phytoextraction applications like phytomining. Understanding the specific parts of plants that concentrate PTEs could enhance the economic extraction of valuable elements, including lithium, nickel, gold, and rare earth elements. Lastly, the research does not address the management or safe disposal of contaminated plant biomass, leaving a gap in the understanding of the overall implications of PTE bioaccumulation in phytoremediation practices.