كاربرد بايوچار حاصل از لجن فاضلاب بر جزء‌بندي مس و روي در حضور كرم خاكي در خاك آلوده آهكي

Application of biochar derived Sewage Sludge on fractionation of Copper and Zinc in the presence of earthworms in calcareous contaminated soils

سابقه و هدف: فعاليت‌هاي انساني از جمله استفاده از لجن فاضلاب بعنوان كود باعث تجمع بيش از حد فلزات سنگين در خاك مي‌شود. تبديل لجن فاضلاب به بايوچار يك روش بالقوه براي دفع آن و يك تكنولوژي مقرون به صرفه براي اصلاح خاك‌هاي آلوده بدليل كاهش دسترسي زيستي فلزات سنگين شناخته شده است. همچنين بهره‌گيري از روش‌هاي زيستي مانند استفاده از موجودات خاك‌زي از جمله كرم‌هاي خاكي، روشي نو و اميد‌بخش براي به‌سازي خاك‌هاي آلوده مي‌باشد. مطالعات مختلفي در مورد اثر بايوچار و كرم‌ خاكي بر جزءبندي فلزات سنگين انجام شده است ولي تاكنون در مورد كاربرد توأم بايوچار و كرم‌ خاكي بر جزءبندي مس و روي گزارشي ارايه نشده است. بنابراين پژوهش حاضر با بررسي تاثير تغيير دماي گرماكافت و ميزان كاربرد بايوچار بر جزءبندي فلز مس و روي و جذب اين فلزات توسط كرم ‌خاكي دريك خاك آهكي آلوده طبيعي از زمين‌هاي اطراف معدن سرب و روي آهنگران انجام شد. مواد و روش ها: آزمايش به صورت فاكتوريل در قالب طرح كـاملاً تـصادفي با سه تكرار در شـرايط آزمايشگاه گروه علـوم خـاك دانشگاه بوعلي سينا همدان انجام شد. تيمار كرم ‌خاكي گونه‌ي ايزينيا فتيدا (Eisenia fetida) در دو سطح (با و بدون كرم ‌خاكي) و بايوچار توليد شده از لجن فاضلاب در دو دماي 300 و 600 درجه سلسيوس در سطح (0 و دو، چهار و هشت درصد وزني) به خاك آهكي آلوده اضافه گرديد. در ظرف‌هاي مربوط به تيمار كرم خاكي 12 عدد كرم خاكي به هر ظرف وارد شد و ظرف‌ها در يك محفظه اقليمي با 16 ساعت نور و هشت ساعت تاريكي در دماي 25 درجه سلسيوس به مدت 42 روز نگه‌داري شدند. اندازه گيري اجزاء فلزات مس و روي خاك از روش عصاره‌گيري پي‌‌در‌پي استفاده شد. تحليل آماري داده‌ها با استفاده از نرم افزارهاي SPSS وMSTATC و مقايسه ميانگين‌ها با آزمون چند دامنه‌اي دانكن در سطح احتمال پنج درصد انجام شد. يافته‌ها: مطابق با نتايج تجزيه واريانس، فعاليت كرم‌ خاكي در خاك تيمار شده با بايوچار توليد شده در دماي 300 درجه سلسيوس تاثير معني‌داري بر ميزان فلز مس و روي در بخش تبادلي نداشت. درحاليكه در خاك تيمار شده با بايوچار توليد شده در دماي 600 درجه سلسيوس موجب كاهش ميزان مس و روي بخش تبادلي و افزايش ميزان مس و روي در بخش باقيمانده گرديد. افزايش ميزان كاربرد بايوچار موجب كاهش معني‌دار ميزان مس و روي در بخش تبادلي گرديد؛ بطوريكه اين كاهش در بايوچار توليد شده در دماي 600 درجه سلسيوس بيشتر مشهود بود. بنابراين فعاليت كرم‌ خاكي در سطح هشت درصد بايوچار توليد شده در دماي 600 درجه سلسيوس موجب كاهش ميزان مس بخش تبادلي از 0/331 به 0/256 ميلي‌گرم بر كيلوگرم نسبت به تيمار عدم حضور كرم‌ خاكي گرديد. ميزان روي تبادلي از 1/24 ميلي‌گرم بر كيلوگرم در تيمار شاهد به 0/579 و 0/283 ميلي‌گرم بر كيلوگرم به ترتيب در تيمار هشت درصد بايوچار توليد شده در دماهاي 300 و 600 درجه سلسيوس كاهش يافت. بدليل تحرك كم فلزات در خاك‌هاي تيمار شده با بايوچار، غلظت فلزات مس و روي در بدن كرم خاكي كاهش يافته و اين روند در بايوچار توليد شده در دماي 600 درجه سلسيوس نسبت به بايوچار توليد شده در دماي 300 درجه سلسيوس در بخش تبادلي بيشتر بود. بنابراين فعاليت كرم‌هاي خاكي در خاك‌هاي تيمار شده با بايوچار مي‌تواند موجب تغيير جزءبندي فلزات سنگين و درنتيجه تغييرشكل آنها از بخش‌هايي با تحرك بيشتر به بخش‌هايي با كم‌تحرك تر گردد.

Background and Objectives: Human activities, including the use of sewage sludge as fertilizer, cause excessive accumulation of heavy metals in the soil. The conversion of sewage sludge to biochar is a potential way its disposal and is a cost-effective technology for the remediation of soils contaminated with heavy metals and the environment due to the reduction of bioavailability of heavy metals. Also, using biological methods such as the use of soil organisms, including earthworms, is a new and promising way to improve contaminated soils. Several studies have been done about the effects of biochar and earthworms on fractionation of heavy metal at the world, but a report has not yet been presented about the effect of integrated application of biochar and earthworms on fractionation of copper and zinc elements. Therefore, the present study was carried out to investigate the effect of pyrolysis temperature change and application rate of biochar on the Copper (Cu) and Zinc (Zn) fractions and their uptake by E. fetida earthworms in a contaminated calcareous soil from the area surrounding the old Ahangaran lead-zinc mine. Materials and Methods: The experiment was carried out as a factorial experiment based on completely randomized design with three replications under environmental conditions of the laboratory of Soil Sciences Department of Bu-Ali Sina University in Hamedan. Experimental factors included earthworms Eisenia fetida species in 2 levels (with and without earthworms) and biochar produced from sewage sludge at two different temperatures of 300 and 600 ° C in 4 levels (0, 2, 4 and 8%) were added to contaminated calcareous soil. 12 earthworms were introduced into each container, and the containers were stored in a climatic chamber with 16 hours of light and 8 hours of darkness at 25 ° C for 42 days. The method of sequential extraction was used to investigate the fractionation of Cu and Zn. Statistical analysis of the data using SPSS and MSTATC software and means comparison was performed by the Duncan test at 5% probability level. Conclusion: According to the results of the analysis, activity of the earthworm in the soil treated with biochar produced at 300 °C had no significant effect on the amount of copper and zinc in the exchangeable fraction. While reduced the amount of Cu and Zn in the exchangeable fraction and increased the amount of Cu and Zn in the residual fraction of the soil treated with biochar produced at a temperature of 600 °C. Increasing the application rate of biochar significantly reduced the amount of copper and zinc in the exchange sector, as this decrease was evident in the biohazard produced at a temperature of 600 °C. So, the activity of the earthworm at a level of 8% biochar produced at a temperature of 600 °C resulted in a decrease of the amount of exchangeable copper from 0.391 to 0.256 in comparison to the absence of earthworms. The concentration of exchangeable zinc decreased from 242.1 mgkg-1 in control treatment to 0.579 and 0.283 mgkg-1 in 8% biochar produced at 300 and 600 ° C treatments, respectively. Due to low motility of heavy metals in soils treated with biochar, the concentration of Cu and Zn in the body of the earthworm has decreased and this trend was higher in the biochar produced at 600 ° C compared to the biochar produced at 300 ° C . Therefore, heavy metals fractionation could be changed as a result of the activity of earthworms in soils treated with biochar, this trend indicates that the distribution of the metals in biochar-amended soil is gradually shifting from the more labile fractions to the more stable fraction.