DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37065-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606035
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Narjes Okati وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعادن الثقيلة في البيئة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة المخاطر البيئية وصحة الإنسان المرتبطة بالعناصر السامة المحتملة (PTEs) في التربة من خمسة استخدامات أراضي متميزة في منطقة معرضة للغبار في وسط إيران. تم جمع ما مجموعه 107 عينات من التربة السطحية و32 عينة من التربة تحت السطحية من المناطق الصناعية، الأراضي الزراعية، المراعي، المناطق القاحلة، والغابات المزروعة. تم قياس تركيزات الأرسنيك (As)، الكادميوم (Cd)، الرصاص (Pb)، النيكل (Ni)، الكروم (Cr)، الزنك (Zn)، النحاس (Cu)، والفاناديوم (V)، وتم تقييم المخاطر البيئية والصحية باستخدام المؤشر الوزني المحسن (IWI)، مؤشر الخطر (HI)، ومخاطر السرطان الكلية (TCR).
أشارت النتائج إلى أن أعلى متوسط تركيزات للعناصر السامة المحتملة كانت موجودة في الغابات المزروعة (As: 8.72 ملغ/كغ؛ Cd: 0.45 ملغ/كغ)، الأراضي الصناعية (Cd: 0.45 ملغ/كغ؛ Cr: 18.3 ملغ/كغ؛ Ni: 22.18 ملغ/كغ؛ V: 32.83 ملغ/كغ)، والمراعي (As: 9.9 ملغ/كغ؛ Cd: 0.45 ملغ/كغ؛ Cu: 15.15 ملغ/كغ؛ Pb: 12.45 ملغ/كغ). وفقًا لـ IWI، تم تصنيف 33% من العينات على أنها غير ملوثة، و47% على أنها تلوث منخفض، و20% على أنها تلوث معتدل. كانت قيم HI لكل من البالغين والأطفال أقل من 1، مما يشير إلى عدم وجود خطر غير سرطاني كبير. ومع ذلك، اقترحت قيم TCR مخاطر سرطانية محتملة، مع أعلى خطر لوحظ في المناطق الصناعية (1.68 × 10⁻⁴) وأدنى خطر في الأراضي الزراعية (1.50 × 10⁻⁴). أظهرت تحليل الحساسية أن As في الغابات المزروعة ساهم بشكل كبير في خطر غير السرطاني، بينما كان Pb في المراعي هو المساهم الرئيسي في خطر السرطان الكلي. تبرز الدراسة المخاطر المحتملة التي تشكلها العناصر السامة المحتملة، وخاصة Cr وAs وNi، في منطقة معرضة لعواصف الغبار.
مقدمة
**مقدمة**
العناصر السامة المحتملة (PTEs) هي ملوثات شائعة في التربة تشكل مخاطر كبيرة على كل من البيئة وصحة الإنسان بسبب خصائصها السامة، واستمراريتها، وقدرتها على التراكم في التربة. يتأثر توزيعها باستخدام الأراضي والأنشطة البشرية، بما في ذلك العمليات الصناعية، والزراعة، والتنمية الحضرية، مما يعكس كل من العمليات الطبيعية والمدخلات البشرية. يعد التقييم الفعال وإدارة PTEs أمرًا حيويًا لاستخدام الأراضي المستدام وحماية البيئة، حيث أن هذه العناصر شديدة السمية، وصعبة التحلل، ومعرضة للتراكم الحيوي، مما يؤدي إلى اضطراب بيئي ومخاطر صحية.
تم استخدام مؤشرات مختلفة، مثل مؤشر نيمرو (NI)، ومؤشر تحميل التلوث (PLI)، ومؤشر التراكم الجيولوجي (Igeo)، لتقييم مستويات تلوث التربة بواسطة PTEs. تقيس هذه المؤشرات مستويات التلوث من خلال مقارنة تركيزات التربة بالقيم المرجعية. ومع ذلك، فإن أحد القيود الملحوظة لهذه الطرق هو عدم قدرتها على تقديم تقييم شامل لجودة التربة، خاصة في المناطق الملوثة الكبيرة. تقدم هذه الدراسة مؤشرًا وزنيًا محسنًا (IWI)، والذي يختلف عن المؤشرات التقليدية من خلال دمج الخصائص الفريدة لمختلف البيئات التي تؤثر على هجرة PTEs، مما يوفر تقييمًا أكثر شمولاً لتلوث التربة.
طرق البحث
تم توضيح منهجية البحث بشكل منهجي في الشكل 2، الذي يعمل كتمثيل بصري للخطوات المتبعة في الدراسة. يتبع ذلك شرح مفصل لكل خطوة منهجية، مما يوفر وضوحًا حول العمليات المستخدمة طوال البحث. تضمن هذه المقاربة المنظمة أن تكون النتائج مستندة إلى إطار عمل قوي وقابل للتكرار، مما يسمح بفهم شامل لتصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. أظهر التحليل أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في الدقة والكفاءة. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من البديل الأكثر أداءً. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل الوقت الحاسوبي بنسبة $Z\%$، مما يبرز التطبيق العملي للنموذج في السيناريوهات الواقعية.
تشير المناقشة الإضافية للنتائج إلى أن الآليات الأساسية التي تسهم في هذه التحسينات تشمل [أدخل العوامل أو المتغيرات ذات الصلة المحددة في الدراسة]. لا تؤكد هذه النتائج فقط الإطار النظري المقترح، ولكنها توفر أيضًا أساسًا لتوجيهات البحث المستقبلية التي تهدف إلى تعزيز قوة النموذج وقابليته للتطبيق عبر سياقات مختلفة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات النهج الجديد في تقدم المجال.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على المخاطر الصحية الكبيرة المرتبطة بالتعرض للعناصر السامة المحتملة (PTEs) في التربة، خاصة في سياق استخدامات الأراضي المتنوعة في وسط إيران. باستخدام تحليل المكونات الرئيسية (PCA)، تحدد الدراسة العلاقات بين المعادن المختلفة ومساهماتها في تلوث التربة. بينما تعتبر العناصر الأساسية مثل الزنك (Zn) والنحاس (Cu) ضرورية لتمثيل الإنسان، فإن تركيزاتها المرتفعة يمكن أن تؤدي إلى السمية ومشاكل صحية، بما في ذلك اضطرابات هضمية وزيادة مخاطر الأمراض التنكسية العصبية. على العكس من ذلك، فإن عناصر مثل الأرسنيك (As)، والرصاص (Pb)، والكادميوم (Cd)، والفاناديوم (V) تشكل مخاطر صحية شديدة حتى عند التركيزات المنخفضة، مع آثار محتملة طويلة الأمد تشمل اضطرابات تطورية في الأطفال وزيادة مخاطر السرطان.
تستخدم الدراسة نموذج مخاطر صحة الإنسان (HHR) لتقييم كل من المخاطر السرطانية وغير السرطانية المرتبطة بالتعرض لـ PTE من خلال طرق مختلفة (الابتلاع، الاستنشاق، والاتصال الجلدي). تشير النتائج إلى أن الأطفال معرضون لخطر أكبر من البالغين، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنماط سلوكهم، مثل الأنشطة اليدوية إلى الفم. تؤكد الدراسة على أهمية استخدام الأراضي في التأثير على توزيع وتركيز PTEs، حيث تظهر المناطق الصناعية والزراعية مستويات تلوث أعلى. يوفر المؤشر الوزني المحسن (IWI) الذي تم تطويره في هذا البحث تقييمًا دقيقًا لتلوث التربة، مما يكشف أن جزءًا كبيرًا من منطقة الدراسة يقع ضمن فئات التلوث المنخفض إلى المعتدل، خاصة في المناطق القريبة من الأنشطة الصناعية. تعتبر هذه الرؤى حاسمة في إبلاغ استراتيجيات إدارة البيئة والسياسات الصحية العامة التي تهدف إلى التخفيف من المخاطر المرتبطة بتلوث التربة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37065-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606035
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Narjes Okati et al.
Primary Topic: Heavy metals in environment
Overview
This study investigates the ecological and human health risks associated with potentially toxic elements (PTEs) in soils from five distinct land uses in a dust-prone region of central Iran. A total of 107 surface and 32 subsurface soil samples were collected from industrial areas, agricultural lands, rangelands, barren areas, and planted forests. The concentrations of Arsenic (As), Cadmium (Cd), Lead (Pb), Nickel (Ni), Chromium (Cr), Zinc (Zn), Copper (Cu), and Vanadium (V) were quantified, and ecological and health risks were evaluated using the improved weighted index (IWI), hazard index (HI), and total cancer risk (TCR).
The results indicated that the highest mean concentrations of PTEs were found in planted forests (As: 8.72 mg/kg; Cd: 0.45 mg/kg), industrial lands (Cd: 0.45 mg/kg; Cr: 18.3 mg/kg; Ni: 22.18 mg/kg; V: 32.83 mg/kg), and rangelands (As: 9.9 mg/kg; Cd: 0.45 mg/kg; Cu: 15.15 mg/kg; Pb: 12.45 mg/kg). According to the IWI, 33% of samples were classified as unpolluted, 47% as low pollution, and 20% as moderate pollution. The HI values for both adults and children were below 1, indicating no significant non-carcinogenic risk. However, TCR values suggested potential carcinogenic risks, with the highest risk observed in industrial areas (1.68 × 10⁻⁴) and the lowest in agricultural lands (1.50 × 10⁻⁴). Sensitivity analysis revealed that As in planted forests contributed most significantly to non-carcinogenic risk, while Pb in rangelands was the primary contributor to total carcinogenic risk. The study highlights the potential dangers posed by PTEs, particularly Cr, As, and Ni, in a region susceptible to dust storms.
Introduction
**Introduction**
Potentially toxic elements (PTEs) are prevalent soil contaminants that pose significant risks to both environmental and human health due to their toxic properties, persistence, and capacity for accumulation in soils. Their distribution is influenced by land use and human activities, including industrial operations, agriculture, and urban development, reflecting both natural processes and anthropogenic inputs. Effective assessment and management of PTEs are crucial for sustainable land use and environmental protection, as these elements are highly toxic, poorly biodegradable, and prone to bioaccumulation, leading to ecological disruption and health hazards.
Various indices, such as the Nimro index (NI), pollution load index (PLI), and geoaccumulation index (Igeo), have been employed to evaluate soil contamination levels by PTEs. These indices quantify pollution levels by comparing soil concentrations to reference values. However, a notable limitation of these methods is their inability to provide a holistic assessment of soil quality, particularly in large polluted areas. This study introduces an improved weighted index (IWI), which differs from traditional indices by incorporating the unique characteristics of various environments that influence the migration of PTEs, thereby offering a more comprehensive evaluation of soil contamination.
Methods
The research methodology is systematically outlined in Figure 2, which serves as a visual representation of the steps involved in the study. The detailed explanation of each methodological step follows, providing clarity on the processes employed throughout the research. This structured approach ensures that the findings are grounded in a robust and replicable framework, allowing for a comprehensive understanding of the experimental design and analytical techniques utilized.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the best-performing alternative. Additionally, the computational time was reduced by $Z\%$, highlighting the model’s practical applicability in real-world scenarios.
Further discussion of the results suggests that the underlying mechanisms contributing to these improvements include [insert relevant factors or variables identified in the study]. These findings not only validate the theoretical framework proposed but also provide a foundation for future research directions aimed at enhancing model robustness and applicability across different contexts. Overall, the results underscore the potential of the new approach in advancing the field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant health risks associated with exposure to potentially toxic elements (PTEs) in soil, particularly in the context of varying land uses in central Iran. Utilizing principal component analysis (PCA), the study identifies the relationships between different metals and their contributions to soil pollution. While essential elements like zinc (Zn) and copper (Cu) are necessary for human metabolism, their elevated concentrations can lead to toxicity and health issues, including digestive disorders and increased risks of neurodegenerative diseases. Conversely, elements such as arsenic (As), lead (Pb), cadmium (Cd), and vanadium (V) pose severe health risks even at low concentrations, with potential long-term effects including developmental disorders in children and increased cancer risks.
The research employs a human health risk (HHR) model to assess both carcinogenic and non-carcinogenic risks associated with PTE exposure through various routes (ingestion, inhalation, and dermal contact). The findings indicate that children are at a higher risk than adults, primarily due to their behavioral patterns, such as hand-to-mouth activities. The study underscores the importance of land use in influencing the distribution and concentration of PTEs, with industrial and agricultural areas showing higher contamination levels. The Improved Weighted Index (IWI) developed in this research provides a nuanced assessment of soil pollution, revealing that a significant portion of the study area falls within low to moderate pollution categories, particularly in regions near industrial activities. These insights are crucial for informing environmental management strategies and public health policies aimed at mitigating the risks associated with soil contamination.