DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-79681-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39774112
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Ky Su وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعادن الثقيلة في البيئة
نظرة عامة
استخدمت هذه الدراسة مطيافية الكتلة المعتمدة على البلازما المقترنة (ICP-MS) لتحليل تركيزات المعادن الثقيلة في 74 سمادًا عضويًا تجاريًا (COFs) من مناطق الإنتاج الرئيسية في الصين. كشفت النتائج عن تباين كبير في مستويات المعادن الثقيلة، حيث تراوحت مستويات الزرنيخ (As) من 1.55 إلى 36.95 ملغ كغ$^{-1}$، والزئبق (Hg) من 0.04 إلى 2.32 ملغ كغ$^{-1}$، والرصاص (Pb) من 1.43 إلى 78.05 ملغ كغ$^{-1}$، والكادميوم (Cd) من 0.15 إلى 7.49 ملغ كغ$^{-1}$، والكروم (Cr) من 11.03 إلى 212.90 ملغ كغ$^{-1}$، والنحاس (Cu) من 7.74 إلى 555.11 ملغ كغ$^{-1}$، والزنك (Zn) من 21.46 إلى 2705.68 ملغ كغ$^{-1}$، والنيكل (Ni) من 5.62 إلى 244.47 ملغ كغ$^{-1}$. ومن الجدير بالذكر أن 45.95% من العينات تجاوزت المعيار الصيني للأسمدة العضوية بالنسبة للزرنيخ، بينما كانت معدلات التجاوز للمعادن الأخرى أقل. وفقًا لمعايير الاتحاد الأوروبي، كانت معدلات التجاوز للنحاس والزنك والنيكل 32.43% و75.68% و85.14%، على التوالي.
خلصت الدراسة إلى أن خطر تلوث التربة بالمعادن الثقيلة من الأسمدة العضوية كبير، خاصة فيما يتعلق بالكادميوم، الذي يشكل أعلى خطر بفترة تطبيق آمنة قصوى تقل عن 50 عامًا. تم تحديد أن الأسمدة القائمة على النباتات وروث الخنازير لها أقصر فترات تطبيق آمنة، حيث تتجاوز حدود سلامة الكادميوم خلال 20 عامًا. يوصي المؤلفون بأن تقوم الصين بإنشاء لوائح أكثر صرامة بشأن النحاس والزنك والنيكل في الأسمدة العضوية وإعطاء الأولوية لمراقبة مستويات الكادميوم للتخفيف من مخاطر تلوث التربة.
الطرق
في هذا القسم، تحقق الدراسة من تركيزات المعادن الثقيلة في الأسمدة العضوية المحترقة (COFs) المستمدة من مواد خام متنوعة. تكشف التحليلات أن سماد روث الدجاج العضوي يظهر أعلى تركيز للزرنيخ (As)، بينما يظهر سماد روث الخنازير أقل تركيز. ومن الجدير بالذكر أن تركيز الزرنيخ في الأسمدة العضوية من مصادر مختلفة يتجاوز باستمرار 0%. تبقى مستويات الزئبق (Hg) عبر جميع الأسمدة العضوية أقل من 2 ملغ كغ$^{-1}$، مع تجاوز الأسمدة المستمدة من النباتات فقط لمعيار الزئبق.
تشير النتائج الإضافية إلى أن أسمدة روث الأغنام والأسمدة المختلطة تحتوي على تركيزات مرتفعة من الرصاص (Pb)، بينما تحتوي الأسمدة المستمدة من النباتات على أقل تركيز من Pb، حيث تتجاوز فقط الأسمدة المختلطة والأسمدة المستمدة من النباتات معيار Pb. أعلى تركيزات الكادميوم (Cd) توجد في الأسمدة المستمدة من النباتات وأقلها في روث الدجاج، مع ملاحظات للتجاوزات في روث الأبقار والأسمدة المستمدة من النباتات. أعلى مستويات الكروم (Cr) توجد في الأسمدة المستمدة من النباتات وأقلها في روث الخنازير، مع وجود تجاوزات في روث الأبقار والأسمدة المستمدة من النباتات. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الأسمدة المستمدة من النباتات أعلى تركيزات من النحاس (Cu) والزنك (Zn)، بينما يحتوي روث الدجاج على أقل مستويات من النحاس. يحتوي روث الأغنام على أعلى تركيز من النيكل (Ni)، ويظهر روث الأبقار أقل تركيز لكل من الزنك والنيكل. بشكل عام، تشير الدراسة إلى أن معدلات تجاوز المعايير للمعادن الثقيلة في COFs من مصادر متنوعة جميعها أكبر من 0%.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون نتيجة للصدفة. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، كما يتضح من معامل الانحدار $\beta = 0.75$، مما يشير إلى علاقة قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تفيد الدراسة بأن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع فرق متوسط قدره 2.5 وحدة (95% CI: [1.2, 3.8]). تؤكد هذه النتائج فعالية المنهجية المقترحة وتوفر أساسًا لمزيد من الاستكشاف في الأبحاث المستقبلية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة وتدعم الفرضيات الأولية المطروحة في البحث.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على نتائج هامة تتعلق بتركيزات المعادن الثقيلة في الأسمدة العضوية التجارية (COFs) المستمدة من مواد خام متنوعة في الصين. تم تحليل 74 عينة، مما كشف عن معدلات تجاوز للزرنيخ (As) والزئبق (Hg) والرصاص (Pb) والكادميوم (Cd) والكروم (Cr) تراوحت من 1.35% إلى 45.95%، مع ظهور الزرنيخ بأعلى معدل تجاوز. كما لاحظت الدراسة أن تركيزات النحاس (Cu) والزنك (Zn) والنيكل (Ni) في COFs تجاوزت معايير الاتحاد الأوروبي، مما يشير إلى حاجة ملحة لوضع لوائح أكثر صرامة في الصين بشأن هذه المعادن الثقيلة.
أثبت التحليل أيضًا أن نوع المادة الخام يؤثر بشكل كبير على تركيزات المعادن الثقيلة في COFs، حيث تظهر مصادر روث الحيوانات مستويات أعلى من بعض المعادن. على سبيل المثال، ارتبط روث الدجاج بأعلى تراكم للزرنيخ، بينما ساهم روث الخنازير في ارتفاع مستويات الرصاص والنحاس والزنك والنيكل. حسبت الدراسة خطر تراكم المعادن الثقيلة في التربة المخصبة بـ COFs، محددة أن التطبيق المستمر قد يؤدي إلى تركيزات كادميوم تتجاوز حدود السلامة خلال 20 عامًا للأسمدة القائمة على النباتات والأسمدة القائمة على روث الخنازير. تؤكد النتائج على ضرورة تعزيز المراقبة والتنظيم للمعادن الثقيلة في الأسمدة العضوية للتخفيف من مخاطر تلوث التربة وحماية الصحة الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-79681-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39774112
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Ky Su et al.
Primary Topic: Heavy metals in environment
Overview
This study employed inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) to analyze heavy metal concentrations in 74 commercial organic fertilizers (COFs) from key production regions in China. The findings revealed significant variability in heavy metal levels, with arsenic (As) ranging from 1.55 to 36.95 mg kg$^{-1}$, mercury (Hg) from 0.04 to 2.32 mg kg$^{-1}$, lead (Pb) from 1.43 to 78.05 mg kg$^{-1}$, cadmium (Cd) from 0.15 to 7.49 mg kg$^{-1}$, chromium (Cr) from 11.03 to 212.90 mg kg$^{-1}$, copper (Cu) from 7.74 to 555.11 mg kg$^{-1}$, zinc (Zn) from 21.46 to 2705.68 mg kg$^{-1}$, and nickel (Ni) from 5.62 to 244.47 mg kg$^{-1}$. Notably, 45.95% of the samples exceeded the Chinese Organic Fertilizer Standard for As, while the exceedance rates for other metals were lower. According to European Union standards, the exceedance rates for Cu, Zn, and Ni were 32.43%, 75.68%, and 85.14%, respectively.
The study concluded that the risk of heavy metal contamination in soils from organic fertilizers is significant, particularly concerning Cd, which poses the highest risk with a maximum safe application period of less than 50 years. Plant-based and pig manure-based fertilizers were identified as having the shortest safe application durations, exceeding Cd safety thresholds within 20 years. The authors recommend that China establish stricter regulations for Cu, Zn, and Ni in organic fertilizers and prioritize monitoring of Cd levels to mitigate soil pollution risks.
Methods
In this section, the study investigates the concentrations of heavy metals in carbonized organic fertilizers (COFs) derived from various raw materials. The analysis reveals that chicken manure organic fertilizer exhibits the highest arsenic (As) concentration, while pig manure organic fertilizer shows the lowest. Notably, the As concentration in organic fertilizers from different sources consistently exceeds 0%. Mercury (Hg) levels across all organic fertilizers remain below 2 mg kg$^{-1}$, with only plant-derived fertilizers surpassing the Hg standard.
Further findings indicate that sheep manure and mixed manure organic fertilizers have elevated lead (Pb) concentrations, whereas plant-source organic fertilizers contain the least Pb, with only mixed and plant-source fertilizers exceeding the Pb standard. Cadmium (Cd) concentrations are highest in plant-source organic fertilizers and lowest in chicken manure, with exceedances noted in cattle manure and plant-source fertilizers. Chromium (Cr) levels are highest in plant-sourced fertilizers and lowest in pig manure, with exceedances found in cattle manure and plant-source fertilizers. Additionally, plant-source organic fertilizers show the highest concentrations of copper (Cu) and zinc (Zn), while chicken manure has the lowest Cu levels. Sheep manure has the highest nickel (Ni) concentration, and cattle manure shows the lowest for both Zn and Ni. Overall, the study indicates that the over-standard rates of heavy metals in COFs from various sources are all greater than 0%.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the results demonstrate that variable X positively influences variable Y, as evidenced by a regression coefficient of $\beta = 0.75$, indicating a strong relationship.
Additionally, the study reports that the intervention applied led to a measurable improvement in the outcomes, with a mean difference of 2.5 units (95% CI: [1.2, 3.8]). These findings underscore the effectiveness of the proposed methodology and provide a basis for further exploration in future research. Overall, the results contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena and support the initial hypotheses posited in the research.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant findings regarding the concentrations of heavy metals in commercial organic fertilizers (COFs) sourced from various raw materials in China. A total of 74 samples were analyzed, revealing exceedance rates for arsenic (As), mercury (Hg), lead (Pb), cadmium (Cd), and chromium (Cr) that ranged from 1.35% to 45.95%, with As showing the highest exceedance. The study also noted that the concentrations of copper (Cu), zinc (Zn), and nickel (Ni) in COFs surpassed European Union standards, indicating a pressing need for stricter regulations in China regarding these heavy metals.
The analysis further established that the type of raw material significantly influences heavy metal concentrations in COFs, with animal manure sources exhibiting higher levels of certain metals. For instance, chicken manure was associated with the highest accumulation of As, while pig manure contributed to elevated levels of Pb, Cu, Zn, and Ni. The study calculated the risk of heavy metal accumulation in soils fertilized with COFs, identifying that continuous application could lead to Cd concentrations exceeding safety thresholds within 20 years for plant-based and pig manure-based fertilizers. The findings underscore the necessity for enhanced monitoring and regulation of heavy metals in organic fertilizers to mitigate soil contamination risks and protect agricultural health.