Immobilizzazione di Cr3+, Cd2+ e Pb2+ aggiunti al terreno calcareo modificato con agro compostato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8197 (2023) Citare questo articolo

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La biodisponibilità dei metalli in traccia nel suolo rappresenta una grave minaccia per l’ambiente, soprattutto con l’aggiunta massiccia di fertilizzanti minerali per aumentare la resa delle piante. È stato condotto un esperimento in parcella per valutare l'efficacia di compost e vermicompost, riciclati da scarti agroindustriali, nell'immobilizzare cromo, cadmio e piombo aggiunti a terreni calcarei (contaminati artificialmente). Inoltre, l'efficienza dell'immobilizzazione è stata confrontata con la presenza naturale di questi metalli nel terreno senza aggiunta di metalli (terreno non contaminato). In entrambi i terreni, ammendanti e fertilizzanti minerali sono stati applicati singolarmente a tre diversi livelli e combinati tra loro. Il disegno sperimentale è stato organizzato in blocchi fattoriali randomizzati completi utilizzando i livelli di contaminazione, di fertilizzanti organici e minerali e la loro combinazione come fattori categorici. Sono state valutate la distribuzione delle frazioni metalliche e la loro biodisponibilità nei suoli e il bioaccumulo nei chicchi di grano. L’alcalinità del suolo, il contenuto di carbonio organico e azoto, il fosforo disponibile e i micronutrienti del suolo sono risultati significativamente migliorati con vermicompost e compost rispetto al fertilizzante minerale e al controllo. Il vermicompost si è rivelato più efficace del compost nel ridurre la biodisponibilità dei metalli nei terreni contaminati aumentando le frazioni organiche immobilizzate, ma regredisce se combinato con fertilizzanti minerali. La biodisponibilità dei livelli di metalli presenti in natura nel terreno non contaminato non è cambiata in modo significativo rispetto al suolo contaminato. Allo stesso modo, la resa del grano, la biomassa vegetale e l’arricchimento di nutrienti nei chicchi di grano sono migliorati grazie alla maggiore disponibilità di nutrienti nel suolo. Questi residui agroindustriali compostati, sottoprodotti delle industrie alimentari, possono essere classificati come ammendanti del suolo rispettosi dell'ambiente per il loro grande potenziale di arricchire i nutrienti del suolo, ridurre l'aggiunta di fertilizzanti minerali, migliorare la crescita delle piante e stabilizzare Cr, Cd e Pb in terreni calcarei contaminati sotto piante di grano.

I residui agroindustriali sono definiti come i molteplici rifiuti generati dalle industrie alimentari e agricole1. Negli ultimi anni, i problemi ambientali hanno rafforzato la loro importanza e aumentato l’interesse per l’uso efficiente dei rifiuti provenienti da varie industrie agricole2. In quanto sottoprodotti, dovrebbero essere identificati come residui, non come rifiuti, a causa del loro valore nutrizionale che non dovrebbe essere trascurato senza alcuna preoccupazione. rischi di contaminazione. La loro gestione gioca un ruolo cruciale nella conservazione delle risorse naturali e rappresenta una preoccupazione ambientale ed economica a causa delle enormi quantità generate e dei livelli di sostanze inquinanti, pertanto sono necessarie ulteriori ricerche per ridurre il loro scarico nell'ambiente e i costi di gestione3. Inoltre, sono ricchi di nutrienti e componenti bioattivi e sono interessanti come materie prime per la formazione di fertilizzanti naturali e biocarburanti1. Attualmente vengono utilizzati come mangime per animali o compostaggio e la maggior parte di essi viene comunemente utilizzata come combustibile nelle tradizionali stufe a basso rendimento o bruciata direttamente contribuendo all'inquinamento ambientale. A fronte di ciò, si dovrebbero sperimentare tecniche più rispettose per controllarne la decomposizione e ridurre i rischi ambientali. Il compostaggio e il vermicompostaggio sono esempi di tecniche di decomposizione controllata che si sono rivelate alternative vantaggiose da utilizzare come fertilizzanti4,5,6. La loro decomposizione nel terreno consente la formazione di particelle forti polimerizzanti che formano forme organiche più stabili7. Tuttavia, le singole tipologie o miscele di rifiuti possono passare attraverso diversi processi di decomposizione producendo così prodotti finali diversi che differiscono nelle loro proprietà chimiche e biochimiche5.

Il contenuto di metalli di transizione nei residui agroindustriali è stato spesso rilevato a tassi inferiori ai limiti consentiti, sebbene possano accumularsi nei raccolti e nei relativi residui. Di conseguenza, potrebbero ritornare nel terreno come fertilizzanti riciclati. Tuttavia, mentre elementi essenziali come ferro (Fe), manganese (Mn), rame (Cu), zinco (Zn) e nichel (Ni) sono benefici per le piante come micronutrienti8, i metalli non essenziali come il cadmio (Cd), il piombo (Pb), l'arsenico (As), il mercurio (Hg) e il cromo (Cr) presenti naturalmente nel suolo possono essere altamente dannosi per le colture9,10. Questo studio si è concentrato sullo studio della biodisponibilità e dell'immobilizzazione di Cr, Cd e Pb come naturalmente presenti nei terreni agricoli egiziani con una bassa qualità dell'acqua di irrigazione. Queste forme metalliche esistono tipicamente come specie cationiche (cioè Cd e Pb) e anioniche (Cr) poiché si complessano con costituenti inorganici del terreno (carbonati, solfati, idrossidi, solfuri) e ossigeno per formare precipitati o carichi (positivamente o negativamente) complessi (CrO42−)11. La tossicità dei metalli non essenziali può aumentare ad alte concentrazioni, ponendo quindi una forte preoccupazione per la qualità ambientale e la salute umana, a causa della loro resistenza alla degradazione microbica12. La materia organica stabilizzata modificata nel suolo dopo il compostaggio di questi residui può svolgere un ruolo rilevante nell'immobilizzazione di elementi non essenziali che formano complessi organometallici chelati. A causa della complessazione dei metalli mediante legami organici, la loro mobilità e disponibilità potrebbero essere sostanzialmente ridotte13. Tuttavia, la chimica degli agenti chelanti e dei metalli è complessa14 e può essere influenzata da fattori del suolo quali salinità, pH, potenziale redox e minerali argillosi13,15, questi ultimi importanti nell'immobilizzazione dei metalli mediante meccanismi di adsorbimento16. Oltre ai meccanismi di adsorbimento dei metalli attribuiti all’argilla e alla materia organica, la precipitazione dei metalli può verificarsi in terreni ricchi di carbonati e ossidi in condizioni alcaline. Le frazioni metalliche potrebbero essere precipitate in forme carbonatiche in terreni calcarei alcalini a seconda dell'attività del carbonato di calcio. Tuttavia, i solfati possono anche rilasciare ioni metallici nel terreno a causa dell'effetto ponte del solfato con il calcio a seconda del pH del terreno e delle condizioni redox17,18.