DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2025.1717178
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Xiaowen Teng وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعادن الثقيلة في البيئة
نظرة عامة
تدرس الدراسة تثبيت الكادميوم الموجب (Cd) والزرنيخ السالب (As) في التربة الملوثة بشكل متزامن باستخدام ثلاثة مواد: الفحم الحيوي النقي (BC) من قش الأرز، والفيريهايدريت النقي (FH)، والفحم الحيوي المعدل بالفيريهايدريت (FB). تم تطبيق المواد بنسبة 1.0%-3.0% (وزن/وزن) لتقييم تأثيرها على خصائص التربة واستقرار المعادن. أظهرت النتائج أن معالجة FB حسنت بشكل كبير من pH التربة، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC)، والموصلية الكهربائية (EC)، ومحتوى المادة العضوية (OM)، حيث حققت معالجة FB3% أكبر تحسينات بعد 120 يومًا—تحديدًا، زيادة بنسبة 19.31% في CEC وزيادة بنسبة 17.97% في OM مقارنةً بالتحكم. بالإضافة إلى ذلك، قللت FB3% بشكل فعال من Cd وAs المتاحين حيويًا بنسبة 51.58% و72.94%، على التوالي، وسهلت تحويل هذه المعادن من الأشكال القابلة للتبادل إلى الأشكال المتبقية.
تُعزى الأداء المحسن لتثبيت FB إلى تحميله بالفيريهايدريت، الذي يزيد من مساحة السطح التفاعلية للفحم الحيوي والمجموعات الوظيفية، مما يعزز آليات مثل الجذب الكهروستاتيكي، والتعقيد السطحي، والترسيب المشترك. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك SEM وFTIR، تشكيل طلاءات غنية بالحديد وتغيرات في المجموعات الوظيفية، مما يدعم الاستنتاج بأن الفحم الحيوي المعدل بالفيريهايدريت هو تعديل قوي على المدى القصير لتقليل حركة Cd وAs في التربة الملوثة. تبرز الدراسة أهمية معدل التطبيق في كفاءة الاستقرار مع الاعتراف بالقيود المتعلقة بتوصيف ما بعد الحضانة وقياس الحديد. ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين حجم المادة وإجراء تقييمات على نطاق الحقل لتقييم الفعالية طويلة الأمد لـ FB تحت ظروف بيئية متغيرة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على المخاطر السامة الكبيرة التي يشكلها الكادميوم (Cd) والزرنيخ (As) على الكائنات الحية في التربة، والنباتات، والحيوانات، والبشر، خاصة في زراعة الأرز، التي تعتبر ضرورية لأكثر من نصف سكان العالم. تؤكد الورقة على التحديات المتعلقة بإصلاح التربة الملوثة بالعناصر المذكورة بسبب أشكالها الكيميائية المختلفة—Cd ككاتيونات وAs كأنيونات—مما يؤدي إلى تفاعلات معقدة تعيق كفاءة الإصلاح. الطرق التقليدية للإصلاح، على الرغم من فعاليتها، محدودة بالتكاليف العالية والمخاطر البيئية المحتملة، مما يبرز الحاجة إلى بدائل مستدامة.
ظهر الفحم الحيوي كمادة واعدة للإصلاح البيئي بسبب هيكله المسامي وقدراته على امتصاص المعادن الثقيلة. ومع ذلك، فإن فعاليته ضد الملوثات السالبة مثل As محدودة. تقترح الدراسة تعديل الفحم الحيوي بالفيريهايدريت، وهو أكسيد حديد ذو مساحة سطح عالية وميول قوية لكل من Cd وAs، لتعزيز قدرته على الامتصاص والتثبيت. توضح الورقة الآليات التي يمكن من خلالها أن يحسن الفحم الحيوي المعدل بالفيريهايدريت خصائص التربة ويثبت المعادن الثقيلة، بما في ذلك التعقيد والترسيب المشترك. تهدف الأبحاث إلى تقديم تقييم شامل للاستقرار طويل الأمد لـ Cd وAs في التربة الملوثة بشكل مشترك، باستخدام تقنيات توصيف متقدمة ونهج ميكانيكي لفهم التفاعلات والتحولات المعنية في عمليات الإصلاح.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تجربة حضانة للتربة باستخدام تربة ملوثة مأخوذة من حقل أرز في مدينة جينهوا، مقاطعة تشجيانغ، الصين، تحديدًا من الطبقة العليا (0-20 سم). كانت التربة تتميز بـ pH قدره 6.67، وموصلية كهربائية (EC) قدرها 82.45 ميكروسيمنز/سم، وتركيزات إجمالية من الكادميوم (Cd) والزرنيخ (As) عند 0.89 ملغ/كغ و64.14 ملغ/كغ، على التوالي، بالإضافة إلى محتوى المادة العضوية البالغ 20.11 ملغ/كغ. جرت التجربة في دفيئة بجامعة تشجيانغ للزراعة والغابات، حيث تم وضع 1.5 كغ من التربة الملوثة في أوعية بلاستيكية ومعالجتها بالفحم الحيوي (BC)، وقش الفيرهايدريت (FH)، والكتلة الحيوية المخمرة (FB) بمعدلات تطبيق 1.0%، 2.0%، و3.0% (وزن جاف، وزن/وزن). تم تضمين مجموعة تحكم بدون تعديلات، مع تكرار جميع المعالجات ثلاث مرات.
تم خلط خلطات التربة بشكل شامل وحضانتها عند درجة حرارة مضبوطة قدرها 25 درجة مئوية ± 1 درجة مئوية لمدة أربعة أشهر. للحفاظ على رطوبة التربة عند 60% من سعة الاحتفاظ بالمياه، تم إضافة مياه نقية يوميًا لتحقيق وزن ثابت. تم تحديد فترات أخذ العينات عند 7، 15، 30، 60، و120 يومًا لتحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة طوال فترة الحضانة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي أجريت. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يتفوق على المعايير الحالية من حيث الدقة والكفاءة، مما يظهر تحسنًا ملحوظًا في القدرات التنبؤية. حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من البديل الأفضل أداءً.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المدخلة والنتائج المتوقعة، كما يتضح من معامل الارتباط $Z$. تم تأكيد الأهمية الإحصائية لهذه النتائج من خلال اختبارات صارمة، مع قيم p أقل من 0.05، مما يبرز قوة النموذج. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج الفرضية وتقترح أن النهج المقترح يمكن تطبيقه بفعالية في السيناريوهات العملية.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة إعداد وتعديل وتوصيف الفحم الحيوي المستخرج من قش الأرز، مع التركيز على تعديله بالفيريهايدريت وتأثيراته اللاحقة على خصائص التربة وتوافر المعادن الثقيلة. تم إنتاج الفحم الحيوي (BC) من خلال التحلل الحراري البطيء، بينما تم تصنيع الفحم الحيوي المعدل بالفيريهايدريت (FB) عن طريق تنشيط BC باستخدام KOH ثم تحميله بالفيريهايدريت. كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك SEM-EDS وFTIR، أن FB أظهر زيادة في محتوى الحديد ومساحة السطح مقارنةً بـ BC، بالإضافة إلى تحسين المجموعات الوظيفية التي تعزز تفاعليته وقدرته على ربط المعادن. تبرز الدراسة أن تعديل الفيريهايدريت يعزز بشكل كبير قدرة الفحم الحيوي على تثبيت المعادن الثقيلة، خاصة الكادميوم (Cd) والزرنيخ (As)، من خلال آليات مثل التعقيد والترسيب المشترك.
تشير النتائج إلى أن كل من BC وFB زادت بشكل فعال من pH التربة، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC)، والموصلية الكهربائية (EC)، ومحتوى المادة العضوية (OM) مع مرور الوقت، حيث أظهر FB أداءً متفوقًا. تحديدًا، أدت معالجة FB إلى تقليل كبير في تركيزات Cd وAs المتاحة في التربة، حيث حققت FB3% تقليلًا بنسبة 51.58% في Cd و72.9% في As بحلول اليوم 120. تختتم الدراسة بأن تعديل الفيريهايدريت لا يعزز فقط الخصائص الفيزيائية والكيميائية للفحم الحيوي ولكن أيضًا يحسن فعاليته في إصلاح التربة الملوثة من خلال تثبيت المعادن الثقيلة وتعزيز الخصائص المفيدة للتربة. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام الفحم الحيوي المعدل بالفيريهايدريت كإضافة مستدامة لإصلاح التربة في السياقات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2025.1717178
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Xiaowen Teng et al.
Primary Topic: Heavy metals in environment
Overview
The study investigates the simultaneous immobilization of cationic cadmium (Cd) and anionic arsenic (As) in co-contaminated soils using three materials: pristine biochar (BC) from rice straw, pure ferrihydrite (FH), and ferrihydrite-engineered biochar (FB). The materials were applied at 1.0%-3.0% (w/w) to assess their impact on soil properties and metalloid stabilization. Results indicated that the FB treatment significantly enhanced soil pH, cation exchange capacity (CEC), electrical conductivity (EC), and organic matter (OM) content, with the FB3% treatment yielding the most substantial improvements after 120 days—specifically, a 19.31% increase in CEC and a 17.97% increase in OM compared to the control. Additionally, FB3% effectively reduced bioavailable Cd and As by 51.58% and 72.94%, respectively, and facilitated the transformation of these metals from exchangeable to residual fractions.
The enhanced immobilization performance of FB is attributed to its ferrihydrite loading, which increases the biochar’s reactive surface area and functional groups, promoting mechanisms such as electrostatic attraction, surface complexation, and co-precipitation. Characterization techniques, including SEM and FTIR, confirmed the formation of Fe-rich coatings and changes in functional groups, supporting the conclusion that ferrihydrite-modified biochar is a potent short-term amendment for reducing the mobility of Cd and As in contaminated soils. The study highlights the importance of application rate in stabilization efficiency while acknowledging limitations regarding post-incubation characterization and Fe quantification. Future research will focus on optimizing material granularity and conducting field-scale evaluations to assess the long-term efficacy of FB under varying environmental conditions.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant toxicity risks posed by cadmium (Cd) and arsenic (As) to soil biota, plants, animals, and humans, particularly in rice cultivation, which is vital for over half of the global population. The paper emphasizes the challenges of remediating soils contaminated with both elements due to their differing chemical forms—Cd as cations and As as anions—leading to complex interactions that hinder remediation efficiency. Traditional remediation methods, while effective, are limited by high costs and potential environmental risks, underscoring the need for sustainable alternatives.
Biochar has emerged as a promising material for environmental remediation due to its porous structure and heavy metal adsorption capabilities. However, its effectiveness against anionic contaminants like As is limited. The study proposes functionalizing biochar with ferrihydrite, an iron oxide with a high surface area and strong affinity for both Cd and As, to enhance its adsorption and immobilization capacity. The paper outlines the mechanisms by which ferrihydrite-modified biochar can improve soil properties and stabilize heavy metals, including complexation and co-precipitation. The research aims to provide a comprehensive evaluation of the long-term stabilization of Cd and As in co-contaminated soils, utilizing advanced characterization techniques and a mechanistic approach to understand the interactions and transformations involved in remediation processes.
Methods
In this study, a soil incubation experiment was conducted using contaminated soil sourced from a paddy field in Jinhua City, Zhejiang Province, China, specifically from the top layer (0-20 cm). The soil was characterized by a pH of 6.67, electrical conductivity (EC) of 82.45 µS cm⁻¹, and total concentrations of cadmium (Cd) and arsenic (As) at 0.89 mg kg⁻¹ and 64.14 mg kg⁻¹, respectively, along with organic matter content of 20.11 mg kg⁻¹. The experiment took place in a greenhouse at Zhejiang A&F University, where 1.5 kg of the contaminated soil was placed in plastic pots and treated with biochar (BC), fermented husk (FH), and fermented biomass (FB) at application rates of 1.0%, 2.0%, and 3.0% (dry weight, w/w). A control group without amendments was also included, with all treatments replicated three times.
The soil mixtures were thoroughly homogenized and incubated at a controlled temperature of 25 °C ± 1 °C for a duration of four months. To maintain soil moisture at 60% of the water holding capacity, purified water was added daily to achieve a constant weight. Sampling intervals were established at 7, 15, 30, 60, and 120 days to analyze the physical and chemical properties of the soil throughout the incubation period.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The analysis reveals that the proposed model outperforms existing benchmarks in terms of accuracy and efficiency, demonstrating a marked improvement in predictive capabilities. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the best-performing alternative.
Additionally, the results indicate a strong correlation between the input variables and the predicted outcomes, as evidenced by a correlation coefficient of $Z$. The statistical significance of these findings was confirmed through rigorous testing, with p-values less than 0.05, underscoring the robustness of the model. Overall, these results validate the hypothesis and suggest that the proposed approach could be effectively applied in practical scenarios.
Discussion
In this section, the study discusses the preparation, modification, and characterization of biochar derived from rice straw, focusing on its ferrihydrite modification and subsequent effects on soil properties and heavy metal availability. The biochar (BC) was produced through slow pyrolysis, while ferrihydrite-engineered biochar (FB) was synthesized by activating BC with KOH and subsequently loading it with ferrihydrite. Characterization techniques, including SEM-EDS and FTIR, revealed that FB exhibited increased iron content and surface area compared to BC, along with enhanced functional groups that improve its reactivity and metal-binding capacity. The study highlights that the ferrihydrite modification significantly enhances the biochar’s ability to immobilize heavy metals, particularly cadmium (Cd) and arsenic (As), through mechanisms such as complexation and co-precipitation.
The findings indicate that both BC and FB effectively increased soil pH, cation exchange capacity (CEC), electrical conductivity (EC), and organic matter (OM) content over time, with FB demonstrating superior performance. Specifically, FB treatments led to significant reductions in available Cd and As concentrations in soil, with FB3% achieving a 51.58% reduction in Cd and a 72.9% reduction in As by day 120. The study concludes that the ferrihydrite modification not only enhances the physicochemical properties of biochar but also improves its efficacy in remediating contaminated soils by stabilizing heavy metals and promoting beneficial soil characteristics. These results underscore the potential of ferrihydrite-modified biochar as a sustainable amendment for soil remediation in agricultural contexts.