DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-93879-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40175466
تاريخ النشر: 2025-04-02
المؤلف: Valentina Mazzurco Miritana وآخرون
الموضوع الرئيسي: إعادة تأهيل الميكروبات والمواد السطحية الحيوية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في فعالية استراتيجيات قائمة على الفحم الحيوي لمعالجة التربة الملوثة بالهيدروكربونات (C > 12) والنحاس (Cu)، مع تسليط الضوء على إمكانياتها كحلول قائمة على الطبيعة لاستعادة البيئة. اختبرت الدراسة تطبيقات مختلفة للفحم الحيوي، سواء بمفرده أو بالاشتراك مع تقنيات تعزيز الميكروبات وإعادة التحريج، على مدى فترة تسعة أشهر. أظهرت النتائج أن تطبيق الفحم الحيوي بمفرده (SB) حسّن من تحلل الهيدروكربونات إلى 66.7%، مقارنة بـ 46% في التربة الضابطة من خلال التخفيف الطبيعي. عندما تم دمجه مع تجمعات ميكروبية و/أو نباتات (SBB و SBBP)، وصلت إزالة الهيدروكربونات إلى 90%. بالإضافة إلى ذلك، زاد تطبيق الفحم الحيوي بشكل كبير من نسبة النحاس المرتبطة بالمواد العضوية، مما عزز من تثبيته وتقليل توافره الحيوي.
كما كشفت النتائج أن وفرة الميكروبات في التربة زادت عبر جميع العلاجات، مع أعلى المستويات التي لوحظت في SBB و SBBP، مما يتوافق مع زيادة توفر الفوسفور. ساهم وجود التجمع الميكروبي بشكل ملحوظ في تعزيز نمو النباتات، بينما فشلت النباتات في التربة الملوثة غير المعالجة في البقاء. تستنتج الدراسة أن التأثيرات التآزرية للفحم الحيوي، وتعزيز الميكروبات، وإعادة التحريج لا تسهل فقط تحلل الهيدروكربونات ولكن تعزز أيضًا من مرونة النباتات في البيئات الملوثة. تسهم هذه الرؤى في تطوير استراتيجيات فعالة لمعالجة الأراضي البنية وإعادة التشجير، مما يشير إلى أن دمج الفحم الحيوي مع أنواع نباتية محددة ومنشطات ميكروبية يمكن أن يعزز التفاعلات البيئية وصحة التربة على المدى الطويل.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إنشاء ثمانية عشر ميكروكوزم في دفيئة للتحقيق في تأثيرات العلاجات المختلفة على التربة الملوثة. شمل التصميم التجريبي ستة ظروف، تم تكرار كل منها ثلاث مرات: (i) الفحم الحيوي بمفرده (SB)، (ii) الفحم الحيوي مع منشطات ميكروبية (SBB)، (iii) الفحم الحيوي مع نباتات (SBP)، (iv) الفحم الحيوي، ومنشطات ميكروبية، ونباتات (SBBP)، إلى جانب ميكروكوزم ضابطة تحتوي على التربة الملوثة فقط (S) ومع نباتات (SP). تم بناء كل ميكروكوزم من حاوية بولي بروبيلين سعة 8 لترات مليئة بـ 3.57 كجم من التربة الملوثة المجففة بالهواء والمصفاة، مع قاعدة من الحصى غير النشط وصمام لجمع الرشح. تم دمج الفحم الحيوي بمعدل 1% (w/w) في علاجات SB و SBP، بينما تضمنت SBB الفحم الحيوي وتجمعًا ميكروبيًا بنسبة 0.5% (w/w)، والذي يتكون من خلايا بدائية النواة وفطريات بفاعلية 46%.
تلقى الميكروكوزم محلولًا مغذيًا وزُرعت فيه بذور Melilotus officinalis L. بعد شهر من الإعداد. استمرت التجربة لمدة تسعة أشهر، مع ري يومي لتعويض التبخر. تم جمع عينات من التربة للتحليل الكيميائي والميكروبيولوجي في بداية ونهاية التجربة، مع أخذ عينة إضافية بعد ثلاثة أشهر للميكروكوزم بدون نباتات. تم أخذ قياسات غير مدمرة لصحة النباتات، بما في ذلك محتوى النيتروجين في الأوراق وتفلور الكلوروفيل، بعد أربعة أشهر وعند انتهاء الدراسة، مع تقييم كتلة النبات في النهاية. كما تم جمع الرشح من كل ميكروكوزم للتحليل اللاحق.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الرئيسية كانت مدعومة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، مثل الرسوم البيانية والمخططات، التي توضح الاتجاهات والأنماط التي لوحظت خلال الدراسة. تعزز هذه المساعدات البصرية من تفسير النتائج، مما يسمح بفهم أوضح للعلاقات بين المتغيرات. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي القائم في هذا المجال، مما يشير إلى آثار محتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل التربة الملوثة بالهيدروكربونات الثقيلة بسبب التلاعب غير القانوني بخطوط أنابيب النفط من حيث خصائصها الكيميائية والبيولوجية بعد تطبيق الفحم الحيوي والعلاجات الميكروبية. تجاوزت مستويات التلوث الأولية الحدود التنظيمية، مما استدعى إضافة النحاس (Cu) إلى التربة. أظهر الفحم الحيوي، المنتج من نفايات تقليم الزيتون والبندق، أنه يعزز من تحلل الهيدروكربونات النفطية (PHC)، محققًا معدل إزالة بنسبة 90% عند دمجه مع تجمع ميكروبي. لم يزد وجود النباتات بشكل كبير من إزالة PHC بعد هذا المستوى، على الرغم من أنه حفز التحلل في علاج الفحم الحيوي. أشارت التحليلات الكيميائية إلى أن تطبيق الفحم الحيوي غير من توافر النحاس الحيوي، مما قلل من أكثر الفئات سمية بينما زاد من الأشكال الأكثر استقرارًا، على الأرجح بسبب التغيرات في pH التربة والنشاط الميكروبي.
تم تعزيز وفرة الميكروبات وفاعليتها بشكل كبير في العلاجات التي تتضمن الفحم الحيوي وتعزيز الميكروبات، مع أعلى عدد من الميكروبات التي لوحظت في مزيج الفحم الحيوي والتجمع الميكروبي. ارتبط هذا الزيادة في النشاط الميكروبي بتحسن تحلل PHC وتغيرات في تصنيف النحاس. كان نمو النباتات محدودًا بسبب سمية التربة، ولكن تلك التي نمت في التربة المعالجة بالفحم الحيوي أظهرت بقاءً أفضل وإنتاج كتلة حيوية. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات الفحم الحيوي والعلاجات الميكروبية ليس فقط لمعالجة التربة الملوثة بالهيدروكربونات ولكن أيضًا لإدارة توافر المعادن الثقيلة، مما يحسن من صحة التربة ونمو النباتات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-93879-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40175466
Publication Date: 2025-04-02
Author(s): Valentina Mazzurco Miritana et al.
Primary Topic: Microbial bioremediation and biosurfactants
Overview
This research investigates the effectiveness of biochar-based strategies for remediating soil contaminated with hydrocarbons (C > 12) and copper (Cu), highlighting its potential as a nature-based solution for environmental restoration. The study tested various applications of biochar, both alone and in combination with bioaugmentation and phytoremediation techniques, over a nine-month period. Results indicated that biochar application alone (SB) improved hydrocarbon degradation to 66.7%, compared to 46% in control soil through natural attenuation. When combined with microbial consortia and/or plants (SBB and SBBP), hydrocarbon removal reached up to 90%. Additionally, biochar application significantly increased the fraction of Cu associated with organic matter, enhancing its immobilization and reducing bioavailability.
The findings also revealed that soil microbial abundance increased across all treatments, with the highest levels observed in SBB and SBBP, correlating with elevated phosphorus availability. The presence of the microbial consortium notably enhanced plant growth, while plants in untreated contaminated soil failed to survive. The study concludes that the synergistic effects of biochar, bioaugmentation, and phytoremediation not only facilitate hydrocarbon degradation but also promote plant resilience in contaminated environments. These insights contribute to the development of effective strategies for brownfield remediation and revegetation, suggesting that the integration of biochar with specific plant species and microbial activators can enhance ecological interactions and long-term soil health.
Methods
In this study, eighteen microcosms were established in a greenhouse to investigate the effects of various treatments on contaminated soil. The experimental design included six conditions, each replicated three times: (i) biochar alone (SB), (ii) biochar with bioactivators (SBB), (iii) biochar with plants (SBP), (iv) biochar, bioactivators, and plants (SBBP), alongside control microcosms with contaminated soil only (S) and with plants (SP). Each microcosm was constructed from an 8-L polypropylene container filled with 3.57 kg of air-dried, sieved contaminated soil, with an inert gravel base and a leachate collection valve. Biochar was incorporated at a rate of 1% (w/w) in SB and SBP treatments, while SBB included biochar and a microbial consortium at 0.5% (w/w), which consisted of prokaryotic cells and fungi with a viability of 46%.
The microcosms received a nutrient solution and were planted with Melilotus officinalis L. seeds one month post-setup. The experiment spanned nine months, with daily watering to compensate for evapotranspiration. Soil samples were collected for chemical and microbiological analysis at the start and end of the experiment, with an additional sampling at three months for the microcosms without plants. Non-destructive measurements of plant health, including leaf nitrogen content and chlorophyll fluorescence, were taken at four months and at the conclusion of the study, with plant biomass assessed at the end. Leachate from each microcosm was also collected for subsequent analysis.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a strong correlation between the variables under investigation. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the dependent variable, with a p-value of less than 0.05, indicating statistical significance.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, such as plots and charts, which illustrate trends and patterns observed during the study. These visual aids enhance the interpretation of the results, allowing for a clearer understanding of the relationships between the variables. Overall, the findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge in the field, suggesting potential implications for future research and practical applications.
Discussion
In this study, soil contaminated by heavy hydrocarbons due to illegal oil pipeline tapping was analyzed for its chemical and biological properties following the application of biochar and microbial treatments. The initial contamination levels exceeded regulatory thresholds, prompting the addition of copper (Cu) to the soil. Biochar, produced from olive and hazelnut pruning wastes, was shown to enhance the degradation of petroleum hydrocarbons (PHC), achieving a 90% removal rate when combined with a microbial consortium. The presence of plants did not significantly increase PHC removal beyond this level, although it did stimulate degradation in the biochar treatment. Chemical analyses indicated that biochar application altered the bioavailability of Cu, reducing the most toxic fractions while increasing more stable forms, likely due to changes in soil pH and microbial activity.
Microbial abundance and viability were significantly enhanced in treatments involving biochar and bioaugmentation, with the highest microbial counts observed in the biochar and microbial consortium combination. This increase in microbial activity correlated with improved degradation of PHC and changes in Cu fractionation. Plant growth was limited due to soil toxicity, but those grown in biochar-treated soils exhibited better survival and biomass production. The study highlights the potential of biochar and microbial treatments not only for remediating hydrocarbon-contaminated soils but also for managing heavy metal bioavailability, thereby improving soil health and plant growth.