Immobilisation de Cr3+, Cd2+ et Pb2+ ajoutés à un sol calcaire amendé avec de l'agro composté

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8197 (2023) Citer cet article

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La biodisponibilité des métaux traces dans les sols constitue une menace majeure pour l'environnement, en particulier avec des engrais minéraux massifs ajoutés pour augmenter le rendement des plantes. Une expérience parcellaire a été menée pour l'évaluation de l'efficacité du compost et du lombricompost, recyclés à partir de déchets agro-industriels, à immobiliser le chrome, le cadmium et le plomb ajoutés à un sol calcaire (artificiellement contaminé). De plus, l'efficacité de l'immobilisation a été comparée à la présence naturelle de ces métaux dans le sol sans ajout de métal (sol non contaminé). Dans les deux sols, les amendements et les engrais minéraux ont été appliqués à trois niveaux différents seuls et combinés les uns aux autres. Le dispositif expérimental a été organisé en blocs aléatoires complets factoriels utilisant la contamination, les niveaux d'engrais organiques et minéraux et leur combinaison en tant que facteurs catégoriels. La distribution des fractions métalliques et leur biodisponibilité dans les sols et leur bioaccumulation dans les grains de blé ont été évaluées. L'alcalinité du sol, la teneur en carbone organique et en azote du sol, le phosphore disponible et les micronutriments du sol ont été significativement améliorés avec le lombricompost et le compost par rapport à l'engrais minéral et au témoin. Le lombricompost a été plus efficace que le compost pour réduire la biodisponibilité des métaux dans les sols contaminés en augmentant les fractions organiques immobilisées, mais il a régressé lorsqu'il a été combiné avec des engrais minéraux. La biodisponibilité des niveaux de métaux naturels dans un sol non contaminé n'a pas changé de manière significative par rapport au sol contaminé. De même, le rendement du blé, la biomasse végétale et l'enrichissement en éléments nutritifs des grains de blé se sont améliorés en raison de la disponibilité accrue des éléments nutritifs dans le sol. Ces résidus agro-industriels compostés, sous-produits des industries alimentaires, peuvent être classés comme des amendements de sol respectueux de l'environnement pour leur grand potentiel d'enrichir les nutriments du sol, de réduire l'ajout d'engrais minéraux, d'améliorer la croissance des plantes et de stabiliser le Cr, le Cd et le Pb dans sols calcaires contaminés sous les plants de blé.

Les résidus agro-industriels sont définis comme les nombreux déchets différents générés par les industries alimentaires et agricoles1. Ces dernières années, les problèmes environnementaux ont renforcé leur importance et accru l'intérêt pour l'utilisation efficace des déchets de diverses industries agricoles2 En tant que sous-produits, ils doivent être identifiés comme des résidus et non comme des déchets, en raison de leur valeur nutritionnelle qu'il ne faut pas négliger risques de pollution. Leur gestion joue un rôle crucial dans la conservation des ressources naturelles et représente une préoccupation environnementale et économique en raison des énormes quantités générées et de leurs niveaux de pollution, ainsi plus de recherche est nécessaire pour réduire leur rejet dans l'environnement et les coûts de gestion3. De plus, ils sont riches en nutriments et en composants bioactifs et présentent un intérêt en tant que matières premières pour la formation d'engrais naturels et de biocarburant1. Actuellement, ils sont utilisés pour l'alimentation animale ou le compostage, et la plupart d'entre eux sont couramment utilisés comme combustible dans les fourneaux traditionnels à faible rendement ou directement brûlés contribuant à la pollution de l'environnement. Face à cela, des techniques plus respectueuses devraient être expérimentées pour contrôler leur décomposition et réduire les risques environnementaux. Le compostage et le lombricompostage sont des exemples de techniques de décomposition contrôlée qui se sont avérées être des alternatives bénéfiques à utiliser comme engrais4,5,6. Leur décomposition dans le sol permet la formation de fortes particules polymérisantes formant des formes organiques plus stables7. Cependant, la singularité des types de déchets ou des mélanges peut passer par différents processus de décomposition, produisant ainsi divers produits finaux différant par leurs propriétés chimiques et biochimiques5.

La teneur en métaux de transition dans les résidus agro-industriels a souvent été détectée à des taux inférieurs aux limites autorisées, bien qu'ils puissent s'accumuler dans les cultures et les résidus associés. Par conséquent, ils peuvent retourner au sol sous forme d'engrais recyclés. Cependant, alors que des éléments essentiels tels que le fer (Fe), le manganèse (Mn), le cuivre (Cu), le zinc (Zn) et le nickel (Ni) sont bénéfiques pour les plantes en tant que micronutriments8, les métaux non essentiels tels que le cadmium (Cd), le plomb (Pb), l'arsenic (As), le mercure (Hg) et le chrome (Cr) présents naturellement dans le sol peuvent être très préjudiciables aux cultures9,10. Cette étude s'est concentrée sur l'étude de la biodisponibilité et de l'immobilisation du Cr, du Cd et du Pb tels qu'ils existent naturellement dans les terres agricoles égyptiennes sous une faible qualité de l'eau d'irrigation. Ces formes métalliques existent généralement sous forme d'espèces cationiques (c'est-à-dire Cd et Pb) et anioniques (Cr) car elles se complexent avec les constituants inorganiques du sol (carbonates, sulfates, hydroxydes, sulfures) et l'oxygène pour former des précipités ou chargés (positivement ou négativement) complexes (CrO42−)11. La toxicité des métaux non essentiels peut augmenter à des concentrations élevées, posant ainsi une grande préoccupation pour la qualité de l'environnement et la santé humaine, en raison de leur résistance à la dégradation microbienne12. La matière organique stabilisée amendée au sol après compostage de ces résidus peut jouer un rôle important dans l'immobilisation des éléments non essentiels formant des complexes organométalliques chélatés. En raison de la complexation des métaux par des liaisons organiques, leur mobilité et leur disponibilité peuvent être considérablement réduites13. Cependant, la chimie des chélateurs et des métaux est complexe14 et peut être influencée par des facteurs du sol tels que la salinité, le pH, le potentiel redox et les minéraux argileux13,15, ces derniers étant importants dans l'immobilisation des métaux par les mécanismes d'adsorption16. Outre les mécanismes d'adsorption des métaux attribués à l'argile et à la matière organique, la précipitation des métaux peut se produire dans les sols riches en carbonates et en oxydes dans des conditions alcalines. Les fractions métalliques pourraient être précipitées sous forme de carbonate dans les sols calcaires alcalins en fonction de l'activité du carbonate de calcium. Cependant, les sulfates peuvent également libérer des ions métalliques dans le sol en raison de l'effet de pontage du sulfate avec le calcium en fonction du pH du sol et des conditions redox17,18.

Ce travail visait (i) à amender les sols calcaires peu structurés avec du compost et du lombricompost issus de résidus agro-industriels comme engrais organiques pour améliorer les propriétés du sol et la qualité des cultures, ii) à étudier leurs effets sur la mobilité du chrome, du cadmium et du plomb ajoutés. et leur absorption par les grains de blé, et iii) évaluer leur biodisponibilité et leur immobilisation dans le sol artificiellement contaminé par rapport à leur niveau de référence dans le sol non contaminé à l'échelle du champ.

La texture du sol est classée comme loam argilo-sableux (60,59 % de sable, 12,82 % de limon et 26,59 % d'argile). Selon la classification USDA des sols du delta du Nil en Égypte, le sol a été classé comme Typic Calcitorrerts19 avec 35,02 ± 1,21 % (n = 3) CaCO3 (détecté à l'aide de la méthode Scheibler, calcimètre Royal Eijkelkamp, ​​Giesbeek, Pays-Bas). Les caractéristiques chimiques générales du sol sont présentées (tableau supplémentaire S1). En utilisant le test HSD de Tukey, tous les paramètres variaient significativement (P<0,05) dans et entre les traitements étudiés dans les sols non contaminés (petites lettres en exposant) et contaminés (lettres majuscules en exposant). Des pH alcalins modérés ont été observés et ont diminué significativement sous compost et lombricompost dans les deux sols (non contaminés et contaminés). Le pH du sol, le COS, le TN et le P et le K disponibles se sont considérablement améliorés le long des traitements organiques sous compost et vermicompost20. Dans les deux sols, de légères valeurs de salinité ont été observées mais ont augmenté de manière significative le long des sous-traitements organiques et minéraux en raison du comportement chimique des éléments traces disponibles21. Le sodium soluble a diminué de manière significative de 13 % et 22 % sous le compost et le lombricompost, respectivement par rapport au NPK (azote, phosphore et potassium) et aux sous-traitements témoins dans les deux sols22. D'autres cations solubles se sont significativement améliorés au cours des traitements organiques dans les deux sols. Leurs faibles teneurs ont été attribuées à l'augmentation de l'alcalinité, de la salinité et de la teneur en CaCO323. Le SAR a diminué significativement le long des traitements organiques dans les deux sols.

Une corrélation négative hautement significative n'a été observée qu'entre la concentration en H+ par rapport aux valeurs de pH du sol et la CE dans le sol non contaminé (r=−0,729, P<0,001, n=27). Le COS a augmenté de 263 %, 157 %, 126 % dans Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 et de 204 %, 119 % et 94 % dans Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100 dans un sol non contaminé, respectivement. Dans les sols contaminés, le COS a augmenté de 621 %, 44 % et 63 % en Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 et de 376 %, 23 % et 20 % en Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100, respectivement. TN a augmenté de 77 %, 67 % et 105 % dans Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 et de 106 %, 144 % et 125 % dans Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100 dans un sol non contaminé, respectivement . Dans un sol contaminé, TN a augmenté de 109 %, 91 % et 76 % en Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 et de 312 %, 290 % et 191 % en Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100, respectivement. Le phosphore disponible (PAV) a augmenté de 13 %, 11 % et 11 % sous Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 dans les deux sols. Elle a également augmenté de 20 %, 33 % et 36 % sous Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100, respectivement, dans les deux sols. Le potassium disponible (KAV) a augmenté de 53 %, 23 % et 17 % en Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 et de 145 %, 51 % et 23 % en Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100 en sol non contaminé, respectivement. Elle a également été augmentée de 39 %, 64 % et 53 % en Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100 et de 139 %, 115 % et 91 % en Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100 dans un sol contaminé. , respectivement (tableau supplémentaire S1). pH du sol corrélé négativement avec le COS (r= −0,797, P<0,01 ; r= −0,876, P<0,01), TN (r=−0,497, P<0,01 ; r= −0,464, P<0,01), PAV (r = −0,442, P<0,05 ; r= −0,483, P<0,01) et K+ disponible (r= −0,434, P<0,05 ; r= −0,548, P<0,01) dans les sols non contaminés et contaminés, respectivement. EC a augmenté significativement avec SOC (r=0,828, P<0,01 ; r=0,705, P<0,01), TN (r=0,827, P<0,01 ; r=0,764, P<0,01), PAV (r=0,764, P< 0,01 ; r=0,764, P<0,01) et K+ (r=0,697, P<0,01 ; r=0,724, P<0,01) dans un sol non contaminé et contaminé, respectivement.

Les teneurs en métaux étaient rationnellement plus élevées dans les sols contaminés que dans les sols non contaminés. En utilisant le test HSD de Tukey, toutes les fractions métalliques variaient significativement (P <0,05) au sein et entre les traitements étudiés dans les sols non contaminés et contaminés, comme indiqué par les différentes lettres marquées au-dessus des fractions distribuées.

Les fractions échangeables (CrEX) et carbonate (CrCAR) sont considérées comme les fractions primaires et supplémentaires disponibles, respectivement9,13. Dans un sol non contaminé (Fig. 1A), les fractions CrEX et CrCAR ont diminué de manière significative de 70 à 80% et de 90 à 95%, respectivement, sous les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins. De même, la fraction CrOXD a diminué de manière significative de 30 à 40 % sous les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins. Cependant, la fraction CrORG (fraction immobilisée correspond au métal associé à la fraction organique du sol) a extrêmement augmenté (135 à 250 fois) dans les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins (Fig. 1A). Cette fraction a diminué de 48% à Cp+NPK50 et 27% à Cp+NPK100 par rapport à Cp et de 37% à Vp+NPK50 et 17% à Vp+NPK100 par rapport à Vp, confirmant sa réduction due à l'ajout de NPK. En conséquence, la fraction CrRES a diminué de manière significative de 45 à 30 % sous les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins.

Distribution des fractions de Cr dans les sols non contaminés (a) et contaminés (b). CdEX Fraction échangeable, CdCAR Fraction associée au carbonate, CdOXD Fraction liée aux oxydes Fe–Mn, CdORG Fraction organiquement liée, CdRES Fraction résiduelle, Ctrl Contrôle, NPK50 50 % de la dose de NPK, NPK100 100 % de la dose de NPK, Cp Compost, Cp+NPK50 Compost combiné avec 50 % NPK, Cp+NPK100 Compost combiné avec 100 % NPK, Vp Lombricompost, Vp+NPK50 Lombricompost combiné avec 50 % NPK, Vp+NPK100 Lombricompost combiné avec 100 % NPK.

Dans un sol contaminé (Fig. 1B), la fraction CrEX a diminué de manière significative de 30 à 75 % et de 30 à 40 % sous lombricompost et compost, respectivement par rapport aux sous-traitements témoins. De même, la fraction CrOXD a diminué de manière significative de 15 à 10 % et de 30 à 10 % sous lombricompost et compost, respectivement, par rapport aux sous-traitements témoins. La fraction CrORG a augmenté de manière significative à ces teneurs élevées en Cr de 45 à 75% sous les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins (Fig. 1B). Cependant, les ajouts de NPK ont détérioré sa formation sous les sous-traitements organiques avec une grande efficacité sous vermicompost. En conséquence, la fraction CrRES a diminué de manière significative dans les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins.

Dans un sol non contaminé (Fig. 2A), la fraction CdEX a diminué de manière significative de 80 à 100 % sous lombricompost et de 50 à 75 % sous compost par rapport aux sous-traitements témoins. La fraction liée au carbonate a diminué de manière significative de 50 à 55 % sous lombricompost et de 36 à 50 % sous compost par rapport aux sous-traitements témoins (Fig. 2A). De même, la fraction CdOXD a diminué de manière significative de 70 à 80 % sous lombricompost et de 50 à 55 % sous compost par rapport aux sous-traitements témoins. Cependant, la fraction liée à la matière organique a énormément augmenté de 10 fois lorsque le compost et le lombricompost ont été appliqués seuls, mais a augmenté de 5 fois et une fois lorsqu'ils sont combinés avec 50 % et 100 % de NPK, respectivement, confirmant la dégradation ou la réduction croissante de l'organo-métal. complexes causés par les taux croissants de NPK. En conséquence, la fraction résiduelle a diminué de manière significative de 55 à 35 % sous les sous-traitements organiques par rapport au témoin (Fig. 2A).

Répartition des fractions de Cd dans les sols non contaminés (a) et contaminés (b). CdEX Fraction échangeable, CdCAR Fraction associée au carbonate, CdOXD Fraction liée aux oxydes Fe–Mn, CdORG Fraction organiquement liée, CdRES Fraction résiduelle, Ctrl Contrôle, NPK50 50 % de la dose de NPK, NPK100 100 % de la dose de NPK, Cp Compost, Cp+NPK50 Compost combiné avec 50 % NPK, Cp+NPK100 Compost combiné avec 100 % NPK, Vp Lombricompost, Vp+NPK50 Lombricompost combiné avec 50 % NPK, Vp+NPK100 Lombricompost combiné avec 100 % NPK.

Dans un sol contaminé (Fig. 2B), la fraction CdEX a diminué de manière significative de 80 à 75 % sous lombricompost et de 70 à 40 % sous compost par rapport aux sous-traitements témoins. La fraction CdCAR a diminué de manière significative de 60 à 40 % et de 25 à 30 % sous lombricompost et compost, respectivement, par rapport aux sous-traitements témoins. La fraction CdOXD a diminué de manière significative de 15 à 30 % sous les sous-traitements organiques par rapport au témoin. Cependant, la fraction liée à la matière organique a augmenté de manière significative neuf fois sous le compost et le lombricompost et de 2 à 3 fois lorsqu'elle est combinée avec l'engrais NPK par rapport aux sous-traitements témoins. Sa formation était plus efficace dans le compost que dans le lombricompost par rapport au témoin. Il a diminué de 64 à 40 % sous les amendements organiques combinés à l'engrais NPK par rapport à leur application unique (Cp et Vp). En conséquence, la fraction résiduelle a diminué de manière significative de 60 à 30 % sous lombricompost et de 25 % sous compost par rapport aux sous-traitements témoins.

Dans un sol non contaminé (Fig. 3A), la fraction PbEX a diminué de manière significative de 60 % et 50 % sous vermicompost et compost, respectivement, par rapport aux sous-traitements témoins. La fraction PbCAR a diminué de manière significative de 40 % et 30 % sous le lombricompost et le compost respectivement, par rapport aux sous-traitements témoins. La fraction PbOXD a diminué de manière significative de 20 à 40 % sous les sous-traitements de lombricompost par rapport au témoin. Cette fraction a augmenté significativement de 14% sous compost mais a diminué significativement de 20% lorsqu'elle est combinée avec l'engrais NPK par rapport aux sous-traitements témoins. Cependant, la fraction PbORG a augmenté de 20 à 25 fois sous les sous-traitements de lombricompost et de 21 à 33 fois sous le compost par rapport aux sous-traitements témoins. Il a diminué de 35% et 30% dans un sol amendé avec du compost et combiné avec des ajouts de 50% et 100% de NPK par rapport au compost seul. Il a diminué de 17 % et 16 % dans un sol amendé avec du lombricompost et combiné avec des ajouts de 50 % et 100 % de NPK par rapport au lombricompost seul. En conséquence, la fraction résiduelle a diminué de manière significative de 11 %, 8 % et 6 %, à Vp, Vp + NPK50 et Vp + NPK100 par rapport au contrôle, NPK50 et NPK100, respectivement, mais n'a augmenté que de 7 % à Cp par rapport au contrôle. Le lombricompost a été plus efficace que le compost pour réduire cette fraction compte tenu de la formation de la fraction immobilisée.

Répartition des fractions de Pb dans les sols non contaminés (a) et contaminés (b). CdEX Fraction échangeable, CdCAR Fraction associée au carbonate, CdOXD Fraction liée aux oxydes Fe–Mn, CdORG Fraction organiquement liée, CdRES Fraction résiduelle, Ctrl Contrôle, NPK50 50 % de la dose de NPK, NPK100 100 % de la dose de NPK, Cp Compost, Cp+NPK50 Compost combiné avec 50 % NPK, Cp+NPK100 Compost combiné avec 100 % NPK, Vp Lombricompost, Vp+NPK50 Lombricompost combiné avec 50 % NPK, Vp+NPK100 Lombricompost combiné avec 100 % NPK.

Dans les sols contaminés (Fig. 3B), la fraction de PbEX échangeable a diminué de manière significative de 55 % et 30 % sous les sous-traitements de vermicompost et de compost par rapport au témoin. La fraction PbCAR a diminué de manière significative de 46 % et 42 % sous les sous-traitements de lombricompost et de compost, respectivement, par rapport au témoin. La fraction PbOXD a diminué efficacement de 28 % au lombricompost et de 25 % au compost seul ou combiné avec du NPK par rapport au contrôle et aux ajouts de NPK. Cependant, la fraction formée de PbORG a augmenté de manière significative 40 fois sous vermicompost et compost tout en augmentant trois fois lorsqu'elle est combinée avec l'engrais NPK par rapport au témoin. Il a montré une diminution progressive de 32 à 11 % sous des traitements biologiques combinés à des taux de NPK de 50 % et 100 %, respectivement, par rapport à leur application seule. En conséquence, la fraction résiduelle a diminué significativement de 1,4 %, 14 % et 15 %, à Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100, et de 1 %, 10 % et 10 % à Cp, Cp+NPK50, et Cp + NPK100 par rapport au contrôle, NPK50 et NPK100, respectivement.

Le rendement des cultures de blé a été évalué en mesurant la hauteur de la plante, le poids de 1000 grains, le rendement en grains, le rendement en paille, le rendement biologique, l'indice de récolte et la teneur en NPK des grains (tableau supplémentaire S2). Les teneurs en chrome, cadmium et plomb des grains de blé sont également présentées. En utilisant le test HSD de Tukey, tous les paramètres, à l'exception de l'indice de récolte (HI), variaient significativement (P <0,05) dans et entre les traitements étudiés dans les sols non contaminés (petites lettres en exposant) et contaminés (lettres majuscules en exposant). Le manque de signification de l'IH est dû au nombre constant de talles de plantes calculé pour l'évaluation des plantes. Une amélioration significative a été observée dans les paramètres de rendement des cultures de blé lorsque le sol a été enrichi avec des amendements organiques. L'augmentation la plus élevée concernait les sols traités avec du lombricompost, suivi du compost, tandis que l'évaluation la plus faible concernait le NPK minéral et les sous-traitements témoins dans les deux sols, avec la plus forte amélioration dans les sols non contaminés.

Une amélioration des conditions chimiques du sol a été observée dans tous les traitements organiques qui se sont améliorés dans les sols traités au lombricompost dans les sols non contaminés et contaminés. Les changements globaux du pH du sol et des paramètres de réserve organique sous lombricompost et compost pourraient être attribués aux métabolites microbiens du sol (CO2 et acides organiques) affectant ainsi l'interaction sol-plante23,24,25L'azote et le phosphore sont plus conservés par le lombricompost que le compost, non seulement parce que de leur contenu mais du fait de métabolites compostés26. Cependant, le carbone organique était plus élevé sous le compost que sous le lombricompost, probablement en raison du rapport C/N élevé. Le COS a augmenté de manière significative avec TN (r=0,717, P<0,01 ; r=0,383, P<0,05) et PAV (r=0,606, P<0,01 ; r=0,413, P<0,05) dans les sols non contaminés et contaminés, respectivement. L'alcalinité du sol et les réserves organiques se sont considérablement améliorées le long des traitements organiques en raison des faibles valeurs de pH médiées par les acides organiques et carboxyliques ajoutés par le compost et le lombricompost20. Dans l'ensemble, les amendements du sol ont augmenté les stocks de nutriments dans les deux sols, et leur stabilisation médiée par les activités microbiennes du sol est considérablement augmentée le long des traitements organiques26. De même, le phosphore et le potassium disponibles étaient significativement corrélés le long des traitements organiques pour les sols non contaminés (r = 0,680, P <0,01) et contaminés (r = 0,915, P <0,01) avec les valeurs les plus élevées sous les sols traités au lombricompost. En conséquence, le COS a diminué significativement avec le Na+ soluble (r=−0,784, P<0,01 et r=−0,574, P<0,01), Ca++ (r=−0,611, P<0,01 et r=−0,530, P<0,01), et SAR (r=−0,513, P<0,01 et r=−0,623, P<0,01) pour les sols non contaminés et contaminés, respectivement, tandis que le Mg++ soluble a diminué de manière significative (r=−0,669, P<0,01) dans les sols non contaminés. Une diminution significative du Na soluble a été observée avec les valeurs les plus faibles dans le lombricompost et le compost par rapport aux sols non traités et traités au NPK20. La présence d'acides fulviques et humiques (opérationnellement définis comme des extraits de MOS), ajoutés aux sols par les amendements organiques, peut avoir contribué à diminuer la solubilité des éléments nutritifs du sol.

Les valeurs les plus élevées pour les paramètres d'évaluation des cultures de blé ont été observées dans les traitements biologiques combinés avec des ajouts de NPK. Cela était dû à l'amélioration relative de la disponibilité des micronutriments dans le sol, ainsi qu'à la biodisponibilité réduite des métaux de transition dans le sol, ce qui à son tour a favorisé la croissance des plantes, amélioré la résistance générale des plantes et encouragé la productivité des plantes. Les propriétés biologiques du sol ont également été améliorées car ces ajouts organiques ont agi comme sources d'éléments nutritifs pour les plantes. Des résultats similaires ont été obtenus par Najar et Khan27 car le lombricompost était une source potentielle d'éléments nutritifs pour les plantes pour la production durable de tomates.

Dans les sous-traitements organiques, le lombricompost était plus efficace que le compost pour réduire la disponibilité de Cr dans le sol, mais augmentait de nouveau lorsque les deux étaient combinés avec l'engrais NPK dans les deux sols. La fraction Cr-organique immobilisée a augmenté dans les sous-traitements organiques par rapport aux sous-traitements témoins dans les deux sols. Dans le sol non contaminé, l'immobilisation était plus élevée dans le compost que dans le lombricompost, cependant, les deux se sont détériorés avec l'augmentation des ajouts de NPK. Dans les sols contaminés avec des teneurs en Cr plus élevées, le lombricompost était plus efficace que le compost pour augmenter la fraction CrORG mais régressait lorsque le compost et le lombricompost étaient combinés à l'engrais NPK. De même, Covelo et al.28 ont signalé une augmentation de la fraction CrORG sous des concentrations élevées de Cr en raison des valeurs constantes élevées des complexes Cr-organiques stabilisés. Les formes de Cr ont été initialement adsorbées par les carbonates du sol28 et redistribuées le long des traitements organiques avec une augmentation significative de la fraction immobilisée. Cela peut indiquer que l'ajout d'amendements organiques peut augmenter le taux de réduction du Cr pour augmenter son immobilisation temporelle dans le sol29.

Pour le cadmium, on peut observer que le lombricompost a été plus efficace que le compost pour réduire les fractions de Cd disponibles dans les sols non contaminés et contaminés, mais les deux ont rechuté en raison de l'augmentation du NPK, à l'exception de la fraction échangeable dans le compost. La formation de complexes Cd-organiques était plus efficace dans le compost que dans le lombricompost par rapport au témoin et aux engrais minéraux10,16. Cette fraction a diminué sous les sous-traitements combinés (organique et minéral) d'engrais par rapport à leur application seule.

Le lombricompost a été plus efficace pour diminuer la disponibilité du Pb que le compost dans les sols non contaminés et contaminés, mais seule la fraction échangeable, dans le sol contaminé, s'est détériorée lorsque le lombricompost a été combiné avec l'engrais NPK. La solubilité du Pb2+, dans les sols peu à moyennement contaminés, est contrôlée par sa forte adsorption sur les oxydes de Fe et Mn et la matière organique30. Dans les sols fortement contaminés, certaines formes de Pb sont suffisamment stables pour limiter leur solubilité31. L'efficacité la plus élevée pour augmenter la fraction PbORG immobilisée était dans les sols amendés avec du compost que le lombricompost dans un sol non contaminé, cependant, les deux se détérioraient lorsqu'ils étaient combinés avec un engrais minéral. Dans les sols contaminés, cette fraction a augmenté de manière significative sous l'application seule de lombricompost et de compost que combiné avec l'engrais NPK et le témoin.

La biodisponibilité des métaux étudiés était fortement diminuée sous les traitements organiques dans les sols contaminés par rapport à leurs niveaux de base dans les sols non contaminés. De même, l'immobilisation en termes d'augmentation de la formation de complexes organiques stabilisés s'est fortement produite lors de traitements organiques dans des sols contaminés et par rapport aux niveaux de référence des métaux étudiés dans des sols non contaminés. De plus, le tableau supplémentaire S2 montre la teneur en chrome, cadmium et plomb des grains de blé dans les sols non contaminés et contaminés. Leurs teneurs ont diminué significativement au fur et à mesure des traitements biologiques avec les valeurs les plus faibles en lombricompost suivi du compost. À cet égard, la diminution de l'absorption des métaux par les plantes a été atteinte en raison de la formation de composés organiques stabilisés dans le sol et, par conséquent, de la diminution de leurs translocations dans les grains de blé29,32. La formation d'associations organométalliques complexes dans les phases solvatées et solides, par complexité et adsorption spécifique, est un mécanisme important responsable de l'inhibition des effets des métaux indigènes et de la diminution de leur absorption par les plantes33.

Le facteur de mobilité des métaux étudiés était fortement présenté dans les traitements témoins et NPK dans les deux sols (tableau supplémentaire S3). Le facteur de mobilité représente la quantité relative à la fois des fractions facilement mobiles (échangeables, EX) et disponibles (carbonate, CAR)34 en fonction des fractions métalliques totales extraites. La diminution de la mobilité (%) des métaux dans les traitements organiques a été présentée comme les différences entre les sous-traitements organiques et leurs sous-traitements témoins et NPK connexes. La toxicité potentielle des métaux dans le sol est fonction de leur mobilité et de leur biodisponibilité en raison de la tendance croissante à entrer facilement dans la chaîne alimentaire. De même, le facteur de bioaccumulation dans les grains de blé a montré une tendance similaire confirmant une diminution de l'absorption des plantes sous compost et lombricompost en raison de la formation de complexes organométalliques pour réduire leur disponibilité17. Une forte diminution a été observée dans le lombricompost et le compost (valeurs soulignées en gras), cependant, elles ont été rétractées avec des ajouts de NPK combinés avec du lombricompost et du compost (valeurs en gras). Une observation générale a montré l'efficacité du lombricompost par rapport au compost dans les deux sols. La mobilité du chrome était fortement réduite dans un sol non contaminé, tandis que la mobilité du cadmium et du plomb était fortement réduite dans un sol contaminé en raison du comportement du métal dans le sol, contrôlé par la teneur en Ca35. En utilisant le test HSD de Tukey, les paramètres de mobilité, d'immobilisation et de bioaccumulation variaient significativement (P <0,05) dans et entre les traitements étudiés dans les sols non contaminés (petites lettres en exposant) et contaminés (lettres majuscules en exposant).

À l'aide de l'analyse factorielle, toutes les données des analyses de sol et de plantes (varimax normalisées) obtenues à partir de sols contaminés et non contaminés ont été exécutées séparément (tableau supplémentaire S4). Pour les données sur les sols non contaminés, les trois premiers facteurs expliquaient 92 % de la variance totale. Le premier facteur expliquait 65 % de la variance avec des charges positives élevées > 0,50 provenant du sodium soluble, du SAR, du PbCAR, du CrCAR, du CrRES, de la mobilité du Cr, du Cd et du Pb, de l'absorption du Pb dans les grains et du facteur de bioaccumulation du Cd et du Pb. Les scores des facteurs positifs ont contribué à ces paramètres provenaient des traitements de contrôle (1,64), NPK50 (0,90), Cp+NPK0 (0,98) et Cp+NPK50 (0,20) soulignant les influences négatives des engrais minéraux pour augmenter la biodisponibilité et la mobilité des métaux et par conséquent leur absorption par les grains végétaux. Les charges négatives> -0,50 provenaient de EC, SOC, TN, PAV, K, CrORG, PbORG, hauteur de la plante, paille de blé, rendement en grains, rendement biologique et NPK dans les grains. Les scores factoriels négatifs ayant contribué à ces paramètres provenaient des traitements Vp+NPK100 (−1,43), Vp+NPK50 (−1,02), Cp+NPK100 (−0,58), Vp (−0,49) et NPK100 (−0,10) indiquant la contribution du lombricompost pour augmenter la réserve organique du sol, l'immobilisation de Cr et de Pb, et par conséquent augmenter le rendement et la qualité des cultures (teneur en NPK dans les grains) par rapport au compost5,6.

Le deuxième facteur expliquait 19 % de la variance totale avec des charges positives élevées de Na+, Ca+2 et Mg+2 solubles, disponibles, l'oxyde de Fe-Mn, les fractions résiduelles de Cr, Cd et Pb, la teneur totale en Cd, et Pb dans le sol, le potassium dans les grains, l'absorption par les plantes de Cr, Cd et Pb, et leur facteur de bioaccumulation. Les scores de facteurs positifs liés à ce facteur provenaient des traitements NPK100 (1,97), NPK50 (0,89) et Cp + NPK100 (0,46) soulignant l'augmentation de l'accumulation de métaux dans les plantes due à l'ajout de NPK. Les charges négatives élevées > -0,50 provenaient du COS et des fractions organiques de Cr, Cd et Pb avec les scores de facteurs négatifs les plus élevés de Vp (-1,33), Cp (-0,89) mettant l'accent sur la formation de fraction immobilisée sous le compost et le lombricompost. Les scores de facteurs négatifs intermédiaires provenaient de Vp+NPK50 (−0,50) et Cp+NPK50 (−0,18) et les scores positifs de Cp+NPK100 (0,46) et Vp+NPK100 (0,02) corroborant les impacts négatifs de NPK, combinés avec Cp et Vp , sur l'immobilisation des métaux traces pour augmenter leur absorption par les plantes.

Le troisième facteur expliquait 8 % de la variance totale avec des charges positives élevées > 0,50 du pH du sol avec les scores factoriels les plus élevés du contrôle, NPK50 et NPK100. Les charges négatives élevées > -0,50 provenaient du COS et des fractions organiques de Cr, Cd et Pb, de la fraction résiduelle de Pb, de la teneur totale en Cr et Pb dans le sol et de l'indice de récolte avec les scores de facteurs les plus élevés de Cp, Cp+ NPK50 et Cp+NPK100.

Pour les données obtenues à partir de sols contaminés, les trois premiers facteurs expliquaient 94 % de la variance totale. Le premier facteur expliquait 65 % de la variance avec des charges positives élevées > 0,50 provenant des fractions solubles de sodium, de calcium, de magnésium, disponibles et résiduelles de Cr, Cd et Pb, de la fraction d'oxyde Fe-Mn de Cr et Pb, de la mobilité et de la teneur totale en Cr, Cd et Pb dans le sol, absorption de Cr, Cd et Pb par les grains végétaux et leur facteur de bioaccumulation. Les scores factoriels les plus élevés pour ce facteur provenaient de NPK50 (1,5), NPK100 (0,73), Cp+NPK50 (0,39) et Cp+NPK100 (0,95) soulignant les effets négatifs des engrais minéraux pour augmenter la disponibilité de ces métaux et ainsi réduire leur immobilisation même en combinaison avec du compost. Parallèlement aux traitements organiques, une inhibition de la disponibilité du Cd s'est produite, ce qui réduit les effets nocifs du cadmium sur la croissance. Les scores de facteur positif les plus élevés de Cp + NPK50 (0,39) et Cp + NPK100 (0,95) avec des valeurs de pH faibles en raison des additifs organiques, augmentent la solubilité des métaux pour devenir plus disponibles pour les plantes36. La charge négative élevée provenait uniquement de TN avec la contribution la plus élevée de Vp (-1, 68), Vp + NPK50 (-0, 95), Vp + NPK100 (-0, 03) et Cp (-0, 53) avec des formes N disponibles élevées.

Le deuxième facteur expliquait 21 % de la variance totale avec des charges positives élevées > 0,50 provenant du sodium soluble, du SAR, des fractions d'oxyde Fe-Mn de Pb, du facteur de mobilité du Cr et du Pb et de l'indice de récolte. Les scores factoriels pertinents provenaient du contrôle (1,26), NPK50 (0,79) et NPK100 (0,30). Les charges négatives élevées provenaient de EC, TN, PAV, K+, fraction organique de Cr, Cd et Pb, fraction d'oxyde Fe–Mn de Cd, hauteur de la plante, paille de blé, rendement en grains, rendement biologique et absorption de NPK dans les grains. Les scores factoriels les plus élevés provenaient de Cp+NPK100 (−0,73), Cp+NPK50 (−0,06), Vp+NPK100 (−1,73) et Vp+NPK50 (−1,06). Il peut sembler que la hauteur de la plante, la paille de blé, le rendement en grains, le rendement biologique et l'absorption de NPK dans les grains sont passés au deuxième facteur sous des traitements contaminés, dans le deuxième passage, indiquant que la sensibilité accrue du rendement de la plante à l'ajout de Pb, Les ions Cd et Cr dans les sols car ces paramètres se sont déplacés parallèlement vers les fractions organiques liées de ces métaux et la capacité d'adsorption du sodium. Le troisième facteur expliquait 8 % de la variance totale avec des charges positives élevées > 0,50 provenant du pH du sol, des carbonates et des fractions liées à l'oxyde Fe–Mn de Cr et Pb et de leur facteur de mobilité. Les scores factoriels liés à ces paramètres provenaient du contrôle (1,28), NPK50 (0,78), NPK100 (0,57), Vp+NPK50 (0,66) et Vp+NPK100 (0,37). Les charges négatives élevées provenaient de SOC et PbORG avec la contribution la plus élevée de Cp (-1,72), Cp + NPK50 (-1,08), Cp + NPK100 (-0,84) et vermicompost (-0,02).

Les valeurs des scores factoriels testées par l'ACP (analyse en composantes principales) de la Fig. 4 peuvent afficher la contribution de chaque traitement aux structures factorielles pertinentes pour les sols non contaminés (couleur bleue) et contaminés (couleur violette). Les scores de facteurs positifs les plus élevés pour les deux facteurs provenaient de sols uniquement traités avec du NPK dans des sols non contaminés et contaminés corrélés avec la disponibilité, la mobilité, la biodisponibilité et les facteurs de bioaccumulation des métaux étudiés. De plus, la contribution la plus faible pour ces paramètres provenait de Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100. La contribution immédiate a été enregistrée à partir de Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100. Le compost et le lombricompost combinés avec NPK ont entraîné une contribution plus élevée aux paramètres indiqués ci-dessus que leur application absolue.

La relation entre les scores factoriels correspond aux deux premières PCA exécutées pour les sols non contaminés (étiquettes de couleur bleue) et contaminés (étiquettes de couleur violette).

On peut également observer que la réserve organique du sol (Fig. 4) en termes de carbone organique du sol, d'azote total, de phosphore du sol, de phosphore et de potassium disponibles, de cations solubles et de fractions organiques de Cr, Cd et Pb, et de teneur totale en Cr a entraîné la contribution la plus élevée des traitements de vermicompost et de compost par rapport à l'ajout absolu de NPK. Cette tendance a été observée dans les sols non contaminés et contaminés par les scores de facteurs négatifs les plus élevés liés au premier et au deuxième facteur, respectivement. En conséquence, le composant organique modifié avec le lombricompost et le compost ajoutés a montré une grande importance pour la préservation des composants organiques et l'atténuation des indices de danger de Cr, Cd et Pb14,17.

L'application d'amendements organiques (compost et lombricompost) recyclés à partir de résidus agro-industriels a amélioré les propriétés chimiques du sol, ce qui s'est répercuté positivement sur le rendement et la qualité de la récolte de blé dans les sols non contaminés et contaminés. L'amélioration la plus élevée des conditions chimiques du sol était dans le lombricompost suivi du compost tandis que les valeurs les plus basses étaient dans les engrais NPK (%50 et 100% NPK) et le contrôle dans les deux sols. Cette amélioration a rechuté dans les traitements de vermicompost et de compost lorsqu'ils sont combinés avec des ajouts de NPK, sur la base des taux de NPK appliqués, dans les deux sols. Les cultures de blé se sont améliorées dans les deux sols et ont montré la hauteur de plante la plus élevée, le poids de 1000 grains, le rendement en grain, le rendement en paille, le rendement biologique et la teneur en NPK des grains de blé dans le lombricompost et le compost par rapport aux engrais NPK et aux traitements témoins. Une amélioration du rendement des cultures de blé a été observée dans le lombricompost et le compost lorsqu'ils sont combinés avec des ajouts de NPK.

Ce type d'application dans des sols contaminés par le chrome, le cadmium et le plomb a réduit leur disponibilité dans le sol et ainsi diminué leur absorption par les plantes et leur bioaccumulation dans les grains de blé. Les complexes organométalliques formés par le lombricompost amendé et le compost dans le sol ont transformé les fractions solubles et/ou échangeables de ces métaux réduisant ainsi leur disponibilité pour les plantes. Les fractions métalliques redistribuées dans le sol sous amendements organiques comme ORG>OXD>CAR>RES>EX pour le chrome, ORG>RES>OXD>CAR>EX pour le cadmium, et ORG>OXD>CAR>RES>EX pour le plomb, donnant la masse quantité pour les fractions organiquement liées. En raison de la complexation et de l'adsorption ou de la précipitation, les liaisons métalliques avec les composés organiques et les oxydes ou dans les fractions résiduelles ne sont plus facilement disponibles pour les plantes. Ainsi, ces amendements recyclés peuvent atténuer le risque de contamination dans la chaîne alimentaire en diminuant la disponibilité des métaux dans le sol et leur absorption par la plante. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour tenir compte de l'importance des amendements dans la réduction de l'entrée des métaux dans la chaîne alimentaire et pour évaluer leurs risques pour la santé humaine. Il envisage de produire une fiche technique pour les résidus agro-industriels recyclés afin d'approuver leur efficacité en tant qu'amendements de sol recommandés.

Une expérience de terrain a été menée au cours de la saison 2021/2022 dans la ville de New Borg El-Arab (30°53´33.17" N, 29°22´46.43" E), gouvernorat d'Alexandrie, Egypte. Nous confirmons que la recherche expérimentale et les études de terrain sur les plants de blé cultivés, y compris la collecte de matériel végétal, sont conformes aux directives et législations institutionnelles, nationales et internationales pertinentes. L'étude de terrain a été réalisée dans la ferme expérimentale de SRTA-City, les autorisations ont été accordées par le conseil scientifique de la ferme car notre étude est conforme aux réglementations locales et nationales. Graines de blé "Triticum aestivum L." (cultivar GIZA 171) ont été achetés auprès du centre national accrédité pour les semences au Centre de recherche agricole, ministère de l'Agriculture, Gizeh, Égypte. Toutes les pratiques agricoles pour la production de blé, y compris la fertilisation organique et minérale, ont été réalisées conformément aux recommandations du ministère égyptien de l'agriculture et de la mise en valeur des terres en 201337. La teneur en carbonate du sol a été détectée par un ajout excessif de 4M HCl et la libération Le CO2 a été quantifié à l'aide du calcimètre de sol Royal Eijkelkamp développé (instrument Scheibler, Eijkelkamp Soil & Water, Giesbeek, Pays-Bas) qui répond à la norme certifiée NEN-ISO 10693. Les mesures précises étaient conformes à la méthode Scheibler qui implique une détermination de la teneur en carbonate dans le sol selon une méthode volumétrique (plage de mesure : 0–>200 g kg−1 avec une précision de lecture de 1 g kg−1).

L'expérience de parcelle a été divisée en deux zones; sol non contaminé, sans aucun ajout de métal, et sol contaminé, traité avec des concentrations de CrCl3 (SIGMA-Aldrich Labrochemikalien GmbH, Riedstr.2, D-89555 Steinheim, Allemagne, 98,5%) (100 mg Cr par kg de sol), PbCl2 (SIGMA -Aldrich Labrochemikalien GmbH, Riedstr.2, D-89555 Steinheim, Allemagne, 99,0 %) (100 mg Pb par kg de sol) et CdCl2 (SIGMA-Aldrich Labrochemikalien GmbH, Riedstr.2, D-89555 Steinheim, Allemagne, 99,0 % ) (3 mg Cd par kg de sol) pour atteindre les limites critiques de sol proposées par Alloway38 et dépasser celles rencontrées dans nos zones de sols alcalins39. De plus, chaque sol a été traité avec du compost (Cp) ou du vermicompost (Vp) à un taux pour atteindre 2% de matière organique du sol, mais le contrôle. Dans les deux sols, le compost et le lombricompost, appelés traitements organiques, ont été sous-traités avec du NPK à différents taux de 0 % (témoin), 50 % (NPK50) et 100 % (NPK100)37. La dose de 100 % de NPK comprend 118 kg de N par feddan de 33,5 % de N (NH4NO3), 29 kg de P2O5 par feddan de 15,5 % de P2O5 et 59 kg de K2O par feddan de 48 % de K2O. Le phosphore a été ajouté avant la culture tandis que l'azote et le potassium ont été ajoutés en trois lots : après la germination, au début de la phase de croissance végétative et au stade du tallage. L'irrigation de surface a été appliquée à 4 000 m3 ha−1 pour répondre aux besoins en eau de la culture de blé et éviter tout stress lié à la translocation des métaux du sol à la plante.

La conception en blocs complets aléatoires (RCBD) a été utilisée pour la conception expérimentale basée sur trois facteurs : la contamination (sol non contaminé et contaminé), les traitements organiques (témoin, compost et lombricompost) et les niveaux d'engrais minéraux (0, 50 et 100 % NPK) avec triple exemplaire pour chaque sous-traitement, soit un total de 54 sous-traitements. Au total, dix-huit sous-traitements ont été obtenus, neuf (n = 27 = 9 × 3 répétitions) pour le sol non contaminé et neuf (n = 27 = 9 × 3 répétitions) pour le sol contaminé (tableau supplémentaire S1). Le terme "sous-traitements témoins" fait référence aux sous-traitements témoins, NPK50 et NPK100. Ainsi, le terme "sous-traitements de compostage" désigne les sous-traitements Cp, Cp+NPK50 et Cp+NPK100, et le terme "sous-traitements de lombricompostage" désigne les sous-traitements Vp, Vp+NPK50 et Vp+NPK100. . Chaque sous-traitement a été effectué dans des parcelles carrées (3 × 3 m) en triple exemplaire.

Après l'expérience, des échantillons de sol provenant de sols non contaminés et contaminés ont été prélevés en triple de chaque sous-traitement (3 × 9 × 2 = 54 échantillons), séchés à l'air, broyés et tamisés à 2 mm pour les analyses de sol ultérieures suivant le manuel. proposé par Ryan et al.40. L'analyse des particules de sol a été réalisée en utilisant la méthode de la pipette de Robinson (Eijkelkamp Agriresearch Equipment, Giesbeek, Pays-Bas). Le pH du sol et la conductivité électrique (EC) ont été mesurés dans une suspension aqueuse de sol 1:2,5 w/v et 1:1 w/v, respectivement. Le carbone organique du sol (COS) a été oxydé par la méthode d'oxydation par voie humide. L'azote total (TN) a été déterminé selon la méthode de Kjeldahl40. Les cations solubles (Na+, K+, Ca2+ et Mg2+) et les anions (SO42−, Cl−, HCO3−) ont été déterminés à partir des extraits saturés de pâte de sol40. Le Na+ et le K+ solubles ont été mesurés par le photomètre à flamme (PG Instruments Ltd, Alma Park, Wibtoft, Leicestershire, Angleterre : FP902). Le taux d'adsorption du sodium (SAR) a été calculé comme proposé par Robbins41.

Le SO42− soluble a été déterminé par précipitation au sulfate de baryum. Le Cl− et le HCO3− solubles ont été titrés avec AgNO3 (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120–89555 Steinheim, Allemagne) et 0,01 N H2SO4 (SIGMA-Aldrich Laborechemikalien GmbH, D 30926 Seelze, Allemagne), respectivement. La méthode de titrage EDTA (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, Riedstr 2–89555 Steinheim, Allemagne) a été utilisée pour évaluer le Ca2+ et le Mg2+ solubles. Le phosphore disponible (PAV) a été extrait avec du NaHCO3 0,5 M (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120–89555 Steinheim, Allemagne) à pH 8,5 et mesuré par le spectrophotomètre UV/VIS PG Instruments Ltd T80, Alma Park, Woodway Lane, Wibtoft, Angleterre42 . Le potassium disponible (KAV) a été extrait avec 1 N NH4OAc (PANREAC QUIMICA SA, E-08211 Castellar del Valles, Barcelone, Espagne) et mesuré par le photomètre à flamme (PG Instruments Ltd, Alma Park, Wibtoft, Leicestershire, Angleterre : FP902).

Les fractions de métaux de transition ont été extraites séquentiellement43,44. Cinq fractions ont été déterminées pour Cr3+, Cd2+ et Pb2+ comme suit : la fraction échangeable (EX) a été extraite par 1 M MgCl2 (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120–89555 Steinheim, Allemagne) à pH 7 pendant 1 h à 25 °C ; la fraction liée aux carbonates (CAR) a été extraite par 1 M CH3COONa (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, Riedstr 2 -89555 Steinheim, Allemagne) à pH 5 pendant 5 h à 25 °C ; la fraction liée aux oxydes de Fe-Mn (OXD) a été extraite par du NH2OH.HCl 0,04 M (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, D-30926 Seelze, Allemagne) dans de l'acide acétique à 25 % (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, PO1120 -89555 Steinheim, Allemagne) pendant 5 h à 96°C ; la fraction liée à la matière organique (ORG) a été extraite par 30% H2O2 (PANREAC QUIMICA SA, E-08211 Castellar del valles, Barcelone, Espagne) avec 0,02 M HNO3 (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D-30926 Seelze, Allemagne) de pH 2 pendant 5 h à 85 °C suivi de NH4OAc 3,2 M (SIGMA-Aldrich CHEMIE GmbH, Riedstr2, D-89555 Steinheim, Allemagne) dans 20 % HNO3 (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D-30926 Seelze, Allemagne) ; et la fraction résiduelle (RES) a été extraite par du HNO3 concentré (SIGMA-Aldrich Laborchemikalien GmbH, D-30926 Seelze, Allemagne) pendant 2 h à 100°C. Toutes les fractions ont été filtrées à l'aide de papier filtre Whatman n ° 1 (papier Whatman, Z240079), puis quantifiées avec un spectromètre d'émission atomique à micro-ondes Agilent 4100 (MP-AES) (Agilent Technologies, G8000A, Australie). Les fractions disponibles de chaque métal ont été évaluées comme la somme des fractions échangeables et liées au carbonate34.

Le facteur de mobilité de Cr3+, Cd2+ et Pb2+ dans le sol a été évalué pour détecter les quantités relatives des fractions facilement mobiles et disponibles34 comme suit :

où EX est la fraction échangeable, CAR est la fraction associée au carbonate, OXD est la fraction liée aux oxydes Fe – Mn, ORG est la fraction liée organiquement et RES est la fraction résiduelle.

Les résidus agro-industriels recyclés, sous-produits des industries agro-alimentaires, ont été analysés avant leur ajout au sol40. Leur pH, EC, carbone organique, azote total, matière organique et rapport C/N étaient de 7,50, 2,16 dS m−1, 25,93 %, 1,57 %, 44,59 % et 16,51 pour le compost et étaient de 7,98, 3,01 dS m−1 , 36,41 %, 1,89 %, 62,63 % et 19,26 pour le lombricompost, respectivement. Leurs teneurs en NPK étaient respectivement de 1,57 %, 0,52 % et 1,02 % pour le compost et de 1,89 %, 0,23 % et 0,41 % pour le lombricompost. Leurs teneurs en Fe, Zn, Mn et Cu étaient de 4870,00, 35,40, 315,00 et 11,30 mg kg−1 pour le compost et de 2081,00, 28,11, 127,00 et 7,22 mg kg−1 pour le lombricompost, respectivement. Leurs teneurs en Cr, Cd et Pb étaient respectivement de 0,54, 0,23 et 5,93 mg kg−1 pour le compost et de 0,32, 0,10 et 2,25 mg kg−1 pour le lombricompost.

Une alcalinité modérée du sol (pH 8,39, 1:2,5 w/v) et une salinité (CE de 2,69 dS m-1, 1:1 w/v) sont observées. Les teneurs en cations solubles tels que Na+, K+, Ca2+ et Mg+2 étaient de 7,97, 0,80, 7,15 et 0,82 meq L−1, respectivement, tandis que les anions solubles tels que Cl−, HCO3− et SO42− étaient de 6,12, 4,52 , et 7,12 meq L−1, respectivement. L'azote total (TN) et la matière organique étaient respectivement de 0,09 % et 0,98 %. Le phosphore et le potassium disponibles dans le sol étaient respectivement de 5,00 et 105,22 mg kg−1. Les micronutriments du sol tels que Fe, Zn, Mn et Cu étaient respectivement de 4,81, 0,65, 7,74 et 0,85 mg kg-1. Les teneurs des trois métaux étudiés tels que Cr, Cd et Pb étaient de 0,02, 0,01 et 0,66 mg kg-1, respectivement.

Après la récolte (155 jours), des plants de blé (n = 9) ont été choisis au hasard dans chaque sous-traitement (9 × 9 × 2 = 162 échantillons de plantes) pour évaluer le rendement de la culture de blé en mesurant la hauteur de la plante (cm), le poids de 1000 -grains (g), paille de blé (t ha−1) et rendement en grain (t ha−1). Le rendement biologique (t ha−1) a été calculé comme la somme du rendement en paille de blé et en grain. L'indice de récolte a été présenté comme le rapport du rendement en grain au rendement biologique.

Les grains de blé ont été lavés avec DH2O et séchés au four à 65 ℃ pendant 48 h. Les grains ont été digérés par voie humide à l'aide du H2SO4/H2O2 (SIGMA-Aldrich Laborechemikalien GmbH, D 30926 Seelze, Allemagne), mélange pour les déterminations du NPK et des métaux de transition (Cr3+, Cd2+ et Pb2+) conformément au manuel proposé par Ryan et al.40 .

Le BAF est l'efficacité d'accumulation de chaque métal accumulé dans les grains végétaux45 et peut être calculé à l'aide de l'équation suivante :

L'analyse statistique a été effectuée à l'aide de STATISTICA 10 de StatSoft, Inc. (Tulsa, Oklahoma, États-Unis)46. L'ANOVA à deux facteurs a été testée pour analyser la variabilité de toutes les variables étudiées du sol et de la plante en utilisant des amendements minéraux et organiques comme deux facteurs catégoriels pour vérifier la variance significative de chaque ensemble de données obtenu à partir de sols non contaminés et contaminés. Deux cycles d'analyse en composantes principales ont été effectués pour chaque ensemble de données obtenu à partir de sols non contaminés et contaminés. La contribution de chaque sous-traitement (minéral × organique) à la structure factorielle associée a été calculée par des scores factoriels.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude actuelle sont inclus dans cet article publié et plus de détails peuvent être obtenus auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Toutes les analyses des sols et des plantes ont été effectuées dans les laboratoires centraux de SRTA-City et dans le laboratoire de chimie des sols de l'ALCRI.

Financement en libre accès fourni par The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en coopération avec The Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Département des technologies de la terre et de l'eau, Institut de recherche sur la culture des terres arides (ALCRI), Ville de la recherche scientifique et des applications technologiques (SRTA-City), New Borg El-Arab City, 21934, Alexandrie, Égypte

Mai Khedr, Mohamed Emran et Mohamed Rashad

Département de génie chimique, technologie agricole et alimentaire, Université de Gérone, C Maria Aurèlia Capmany, 61, Campus Montilivi, 17003, Gérone, Espagne

Marie Gispert

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MK a réalisé la conception expérimentale, surveillé l'expérience sur le terrain, effectué les analyses du sol et des plantes et rédigé la première ébauche de ce manuscrit. ME a surveillé l'expérience sur le terrain, exécuté l'analyse statistique et a été le principal contributeur à la rédaction du manuscrit. MG et MR ont interprété les résultats les plus importants. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Mohamed Emran.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Khedr, M., Emran, M., Gispert, M. et al. Immobilisation de Cr3+, Cd2+ et Pb2+ ajoutés à un sol calcaire amendé avec des résidus agro-industriels compostés. Sci Rep 13, 8197 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35358-3

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Reçu : 21 janvier 2023

Accepté : 17 mai 2023

Publié: 20 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35358-3

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