DOI: https://doi.org/10.28991/esj-2025-09-05-04
تاريخ النشر: 2025-10-01
المؤلف: Qian Sun وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية حمض الهيوميك النانوي (NHA) كإضافة للتربة لإصلاح التربة الزراعية الملوثة بسماد الماشية والدواجن، مع التركيز بشكل خاص على قدراته في امتصاص المعادن الثقيلة (النحاس (Cu)، الزنك (Zn)، الزرنيخ (As)، المغنيسيوم (Mg)) والمركبات النيتروجينية (النترات والنيتروجين الأموني). تم تصنيع NHA باستخدام طرق التحضير عالية القص، الترسيب الحمضي، وطرق المساعدة بالسطح، وتم إجراء توصيف هيكلي باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR). أشارت النتائج إلى أن NHA قدمت مجموعات وظيفية جديدة، مما عزز قدرتها على ربط الملوثات.
في تجارب الامتصاص، أظهر NHA تخفيضات كبيرة في تركيزات المعادن الثقيلة خلال 30 يومًا، حيث حقق تخفيضًا بنسبة 76.1% في النحاس، و57.5% في الزنك، و12.9% في الزرنيخ، مع أعلى امتصاص لوحظ في المعالجات NANO3 وNANO4. بعد 90 يومًا، استمر النحاس والمغنيسيوم في إظهار إزالة قوية تعتمد على الجرعة، بينما أظهرت الزنك والزرنيخ تأثيرات تشبع. من الجدير بالذكر أن NHA تفوقت على حمض الهيوميك التقليدي في امتصاص النيتروجين، حيث حققت تخفيضًا يصل إلى 55% في النترات و20% في الأمونيوم عند جرعة مثالية تبلغ 25 غرام/كغ. تؤكد النتائج على إمكانية NHA كحل فعال وصديق للبيئة للإصلاح طويل الأمد للتربة الزراعية الملوثة، لا سيما في المناطق الضعيفة مثل حوض نهر الأصفر، مما يساهم في جهود التحكم في التلوث وإعادة التأهيل البيئي المستدام.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات البيئية الكبيرة التي تطرحها انتقال صناعة الماشية والدواجن إلى ممارسات الزراعة المكثفة. بينما حسنت هذه الأساليب من الأمن الغذائي، إلا أنها أدت أيضًا إلى التخلص غير السليم من السماد غير المعالج، الذي يحتوي على مغذيات ولكنه يحتوي أيضًا على معادن ثقيلة ضارة مثل النحاس (Cu)، والزنك (Zn)، والزرنيخ (As). تعتبر هذه التلوثات مشكلة خاصة في مناطق مثل سهول نهر الأصفر في الصين، حيث تؤثر سلبًا على جودة التربة، وتعيق المجتمعات الميكروبية، وتقلل من إنتاجية الزراعة. أثبتت تقنيات الإصلاح التقليدية أنها غير كافية لمعالجة التلوث الواسع النطاق بتركيزات منخفضة، مما دفع لاستكشاف حلول بديلة.
تركز الدراسة على حمض الهيوميك النانوي (NHA)، وهو مشتق نانوي من حمض الهيوميك الذي أظهر وعدًا في تعزيز امتصاص أيونات المعادن بسبب زيادة مساحته السطحية والمجموعات الوظيفية النشطة. أظهرت الأبحاث السابقة أداءً متفوقًا لـ NHA في ربط المعادن الثقيلة في الأنظمة المائية، ولكن هناك نقص في الدراسات التي تفحص سلوكه على المدى الطويل في التربة. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال التحقيق في فعالية NHA في إصلاح كل من المعادن الثقيلة والمركبات النيتروجينية في التربة الملوثة من مزرعة دواجن في تشانغتشو، الصين. تستخدم الدراسة تقنيات تحليلية متنوعة لتوضيح آليات الامتصاص ودور المجموعات الوظيفية الجديدة المقدمة. من المتوقع أن توفر النتائج أساسًا علميًا لتطبيق NHA على نطاق الحقل كإضافة للتربة صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة، مع تداعيات على الممارسات الزراعية عالميًا، لا سيما في المناطق التي تواجه تحديات تلوث مماثلة.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل تصميم التجربة والطرق لتقييم أداء الامتصاص للمواد الهيوميك في التربة الملوثة. تم جمع عينات التربة، التي تزن حوالي 500 غرام لكل منها، ربع سنويًا من موقع ملوث بسماد الدواجن في تشانغتشو، مقاطعة جيانغسو، الصين، وتم نقلها إلى المختبر في ظروف معقمة للحفاظ على سلامة العينة. تم اختبار نوعين من المواد الهيوميك: حمض الهيوميك التقليدي (HA) وحمض الهيوميك النانوي (NHA)، مع مستويات جرعة متفاوتة. على وجه التحديد، تم تحديد خمسة مستويات جرعة من HA (6.25، 12.5، 25، 50، و100 غرام/كغ من التربة الجافة) كـ HA1 إلى HA5، بينما تم تصنيف أربعة مستويات من NHA (12.5، 25، 50، و100 غرام/كغ) كـ NANO1 إلى NANO4. تم تضمين مجموعة تحكم (CK) بدون معالجة هيوميك للمقارنة الأساسية.
تم إجراء دراسة الامتصاص على مدى فترة حضانة مدتها 90 يومًا تحت ظروف بيئية، مع جمع عينات التربة في 30، 60، و90 يومًا لتحليل التغيرات الزمنية في تركيزات الملوثات. تم تكرار كل معالجة ثلاث مرات لضمان الصلاحية الإحصائية، وتم تقديم ملخص لرموز المعالجة ومعدلات التطبيق في الجدول 4. يسمح هذا النهج المنظم بتقييم شامل لفعالية المواد الهيوميك في التخفيف من تلوث التربة.
مناقشة
تسلط الدراسة التي أجريت في مزرعة الطيور المائية في تشانغتشو، مقاطعة جيانغسو، الصين، الضوء على قدرات الامتصاص المزدوجة لحمض الهيوميك النانوي (NHA) في التربة الملوثة الغنية بالنيتروجين العضوي والمعادن الثقيلة النادرة. أظهرت عينات التربة، التي تم جمعها ربع سنويًا، مستويات كبيرة من النحاس (Cu)، والزنك (Zn)، والزرنيخ (As) بسبب التطبيق الواسع للسماد. كشفت التحليلات الفيزيائية الكيميائية الأولية عن درجة حموضة تبلغ 6.47، ومحتوى المادة العضوية 2.91%، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC) تبلغ 18.4 سمول/كغ، وكلها حاسمة لفهم سلوكيات الامتصاص. تم تصنيع NHA من خلال طريقة معدلة تتضمن الهيومات الصوديوم وتم توصيفه باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مما يؤكد حجمه النانوي (متوسط 95 نانومتر) وزيادة مساحته السطحية (73.5 م²/غ) مقارنة بحمض الهيوميك التقليدي.
أظهرت تجارب الامتصاص أن NHA خفضت بشكل كبير تركيزات المعادن الثقيلة في التربة الملوثة على مدى 30 و90 يومًا. على سبيل المثال، انخفضت مستويات النحاس بنسبة 76.1% والزنك بنسبة 57.5% بعد 30 يومًا من المعالجة بـ NHA، مما يظهر أدائها المتفوق مقارنة بحمض الهيوميك التقليدي. كما لاحظت الدراسة قدرة امتصاص مستدامة لـ NHA على مدى 90 يومًا، مع تخفيضات ملحوظة في النحاس (49.9%) والزنك (27.7%). بالإضافة إلى ذلك، قام NHA بتثبيت المركبات النيتروجينية بفعالية، محققًا تخفيضًا بنسبة 55% في نيتروجين النترات (NO₃⁻-N) و20% في نيتروجين الأمونيوم (NH₄⁺-N) بعد 90 يومًا. تؤكد هذه النتائج على إمكانية NHA كعامل إصلاح فعال للتربة الملوثة، مما يعزز كل من تثبيت المعادن الثقيلة والمغذيات من خلال خصائصه الهيكلية والوظيفية الفريدة.
القيود
تسلط الدراسة الضوء على فعالية حمض الهيوميك النانوي (NHA) في امتصاص المعادن الثقيلة والمركبات النيتروجينية تحت ظروف محاكاة ميدانية. ومع ذلك، تعترف بوجود قيود كبيرة، لا سيما نقص التقييم بشأن إزالة أو إعادة تحريك هذه المعادن المرتبطة عند تعرضها لعوامل بيئية متغيرة، مثل تقلبات درجة الحموضة أو زيادة القوة الأيونية. هذه العوامل حاسمة لأنها يمكن أن تؤثر على الاستقرار طويل الأمد لمجمعات NHA-metal، خاصة في التربة الحمضية أو المالحة القلوية.
لمعالجة هذه القيود، يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التحقيق في سلوك الإزالة والمخاطر المحتملة للتسرب المرتبطة بـ NHA تحت ظروف بيئية متنوعة. سيكون هذا ضروريًا لتقييم السلامة البيئية والمتانة لاستراتيجيات الإصلاح المعتمدة على NHA، مما يضمن فعاليتها في التطبيقات الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.28991/esj-2025-09-05-04
Publication Date: 2025-10-01
Author(s): Qian Sun et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the efficacy of nano humic acid (NHA) as a soil amendment for remediating agricultural soils contaminated by livestock and poultry manure, specifically focusing on its adsorption capabilities for heavy metals (Cu, Zn, As, Mg) and nitrogenous compounds (nitrate and ammonium nitrogen). NHA was synthesized using high-shear, acid-precipitation, and surfactant-assisted methods, with structural characterization performed via scanning electron microscopy (SEM) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The results indicated that NHA introduced new functional groups, enhancing its pollutant binding capacity.
In adsorption experiments, NHA demonstrated significant reductions in heavy metal concentrations within 30 days, achieving 76.1% reduction in Cu, 57.5% in Zn, and 12.9% in As, with the highest adsorption observed in treatments NANO3 and NANO4. After 90 days, Cu and Mg continued to show strong dose-responsive removal, while Zn and As exhibited saturation effects. Notably, NHA outperformed traditional humic acid in nitrogen adsorption, achieving up to 55% reduction in nitrate and 20% in ammonium at an optimal dosage of 25 g/kg. The findings underscore NHA’s potential as an effective, eco-friendly solution for long-term remediation of contaminated agricultural soils, particularly in vulnerable regions like the Yellow River basin, contributing to sustainable pollution control and ecological rehabilitation efforts.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant environmental challenges posed by the transition of the livestock and poultry industry to intensive farming practices. While these methods have improved food security, they have also led to the improper disposal of untreated manure, which is rich in nutrients but also contains harmful heavy metals such as copper (Cu), zinc (Zn), and arsenic (As). This contamination is particularly problematic in regions like the Yellow River floodplains in China, where it adversely affects soil quality, disrupts microbial communities, and reduces agricultural productivity. Traditional remediation techniques have proven inadequate for addressing widespread low-concentration contamination, prompting the exploration of alternative solutions.
The study focuses on nano humic acid (NHA), a nanoscale derivative of humic acid that has shown promise in enhancing metal ion adsorption due to its increased surface area and active functional groups. Previous research has demonstrated NHA’s superior performance in binding heavy metals in aqueous systems, but there is a lack of studies examining its long-term behavior in soil. This research aims to fill that gap by investigating NHA’s effectiveness in remediating both heavy metals and nitrogen compounds in contaminated soils from a poultry farm in Changzhou, China. The study employs various analytical techniques to elucidate the mechanisms of adsorption and the role of newly introduced functional groups. The findings are expected to provide a scientific basis for the field-scale application of NHA as an eco-friendly and cost-effective soil amendment, with implications for agricultural practices globally, particularly in regions facing similar pollution challenges.
Methods
In this section, the experimental design and methods for evaluating the adsorption performance of humic substances in contaminated soil are detailed. Soil samples, approximately 500 g each, were collected quarterly from a poultry manure-contaminated site in Changzhou, Jiangsu Province, China, and transported to the laboratory in sterile conditions to maintain sample integrity. Two types of humic materials were tested: conventional humic acid (HA) and nano humic acid (NHA), with varying dosage levels. Specifically, five dosage levels of HA (6.25, 12.5, 25, 50, and 100 g/kg of dry soil) were designated as HA1 through HA5, while four levels of NHA (12.5, 25, 50, and 100 g/kg) were labeled NANO1 through NANO4. A control group (CK) with no humic treatment was included for baseline comparison.
The adsorption study was conducted over a 90-day incubation period under ambient conditions, with soil samples collected at 30, 60, and 90 days to analyze time-dependent changes in pollutant concentrations. Each treatment was replicated three times to ensure statistical validity, and a summary of treatment codes and application rates is provided in Table 4. This structured approach allows for a comprehensive assessment of the effectiveness of humic substances in mitigating soil pollution.
Discussion
The study conducted at the Changzhou Waterfowl Farm in Jiangsu Province, China, highlights the dual adsorption capabilities of nano humic acid (NHA) in contaminated soils enriched with organic nitrogen and trace heavy metals. Soil samples, collected quarterly, exhibited significant levels of copper (Cu), zinc (Zn), and arsenic (As) due to extensive manure application. Initial physicochemical analyses revealed a pH of 6.47, organic matter content of 2.91%, and a cation exchange capacity (CEC) of 18.4 cmol/kg, all of which are critical for understanding adsorption behaviors. The NHA was synthesized through a modified method involving sodium humate and characterized using techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirming its nanoscale size (average 95 nm) and enhanced surface area (73.5 m²/g) compared to conventional humic acid.
The adsorption experiments demonstrated that NHA significantly reduced heavy metal concentrations in contaminated soil over 30 and 90 days. For instance, Cu levels decreased by 76.1% and Zn by 57.5% after 30 days of treatment with NHA, showcasing its superior performance compared to traditional humic acid. The study also noted a sustained adsorption capacity for NHA over 90 days, with notable reductions in Cu (49.9%) and Zn (27.7%). Additionally, NHA effectively immobilized nitrogen compounds, achieving a 55% reduction in nitrate nitrogen (NO₃⁻-N) and a 20% reduction in ammonium nitrogen (NH₄⁺-N) after 90 days. These findings underscore the potential of NHA as an effective remediation agent for contaminated soils, enhancing both heavy metal and nutrient immobilization through its unique structural and functional properties.
Limitations
The study highlights the effectiveness of nano humic acid (NHA) in adsorbing heavy metals and nitrogen compounds under field-simulated conditions. However, it acknowledges significant limitations, particularly the lack of evaluation regarding the desorption or remobilization of these bound metals when subjected to varying environmental factors, such as fluctuations in pH or increased ionic strength. These factors are crucial as they can influence the long-term stability of NHA-metal complexes, especially in acidic or saline-alkaline soils.
To address these limitations, future research should focus on investigating the desorption behavior and potential leaching risks associated with NHA under diverse environmental conditions. This will be essential for assessing the environmental safety and durability of NHA-based remediation strategies, ensuring their effectiveness in real-world applications.