Effect of Adding Zeolite and Biochar to Soil on Heavy Metals Adsorption by Potato in a Contaminated Soil

Subject Areas : Farm water management with the aim of improving irrigation management indicators

Vahideh Esmaeili ¹ , Jalil Ajalli ² , Ali Faramarzi ³ , Mehrdad Abdi ⁴ , Mortaza Gholizadeh ⁵

1 - PhD Candidate, Department of Agronomy and Plant Breeding, Miyaneh Branch, Islamic Azad University, Miyaneh, Iran
2 - Assist. Prof., Department of Agronomy and Plant Breeding, Miyaneh Branch, Islamic Azad University, Miyaneh, Iran
3 - Assist. Prof., Department of Agronomy and Plant Breeding, Miyaneh Branch, Islamic Azad University, Miyaneh, Iran
4 - Assist. Prof., Department of Agronomy and Plant Breeding, Miyaneh Branch, Islamic Azad University, Miyaneh, Iran
5 - Assist. Prof., Faculty of Chemical and Petroleum Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran

Received: 2020-04-27 Accepted : 2020-07-26 Published : 2020-10-22

Keywords: Cadmium, Adsorption, Lead, nickel, Contaminated Soil,

Abstract :

Heavy metals enter from human being activities into soil and food cycle and can lead to poisoning. In this research, the influence of adding poplar wood biochar, mixture biochar and zeolite on the decrease of Pb, Ni and Cd adsorption by potato was investigated. To produce biochar, a lab scale gasification reactor (850°C) was used. A random trial including 3 repetitions was conducted in a greenhouse located in Basminj, Tabriz. Additives percentages were 2, 3 and 5 wt%. The amount of Ni, Pb and Cd traits were significant at 1% probability level. The highest and lowest Pb adsorption were belonged to treatment with no additives (6.89 mg per g) and poplar biochar factor (3.85 mg per g). Compared to mixture biochar (3.31 mg per g) and zeolite (4.5 mg per g), poplar wood biochar factor (2.75 mg per g) had the lowest Ni adsorption. The second (3%) and third (5%) levels treatments of poplar biochar (2.8 and 2.05 mg per g) accompanied with the third level (5%) mixture biochar factor (2.93 mg per g) had the lowest Ni and the treatment with no additives (6.75 mg per g) had the maximum Ni. The highest Cd amount was belonged to the treatment with no additives (1.96 mg per g). Furthermore, poplar biochar factor (1.18 mg per g) included the lowest Cd amount compared to the mixture biochar (1.58 mg per g) and zeolite (1.52 mg per g). Considering all, the poplar wood biochar showed the highest decline of metal adsorption.

References:

اسماعیل پور فرد˓ ن.˓ گیوی˓ ج. و هوشمند˓ س. 1392. اثر کانی‌های زئولیت، بنتونیت و سپیولیت بر جذب عناصر سنگین توسط گیاه آفتابگردان. علوم و فنون کشتهای گلخانهای، 20(6):55-63.

افشاری˓ ع.˓ خادمی˓ ح. و ایوبی˓ ش. 1393. ارزیابی خطرپذیری آلودگی عناصر سنگین در خاک‌ها و برخی محصولات کشاورزی در اطراف شهر و مناطق صنعتی زنجان. نشریه آب و خاک، 29(1):151-163.

امین˓ م.˓ خوزانی˓ ه.˓ دستجردی˓ م. و یادقارفرد˓ ه. ارزیاتی مقدار فلزات سنگین آرسنیک، کادمیوم و سرب در کاشت سیب‌زمینی در زمین‌های کشاورزی جنوب‌شرقی اصفهان در سال 1395. مجله تحقیق نظام سلامت، 13(4): 478-484.

بوستانی˓ ح.˓ و نجفی قیری˓ م. 1397. تأثیر کاربرد بیوچار و زئولیت طبیعی بر سینتیک آزادسازی و شکل‌های شیمیایی روی در یک خاک آهکی آلوده به روی. نشریه مدیریت خاک و تولید پایدار، 8 (1): 69-88.

تحسینی˓ ه. و گویلیان˓ ه. 1395. ارزیابی ریسک فلزات سنگین (کادمیوم˓ سرب˓ روی و مس) ناشی از مصرف محصولات زراعی توزیع شده در شهر سنندج. مجله علوم پزشکی زانکو، 1(1): 62-72.

تقی‌پور˓ ح. و مسافری، م. 2013.  فلزات سنگین در سبزیجات جمع‌آوری شده از سایت‌های صنعتی. مجله سلامت، 3(2): 85-193.

جعفری˓ م.˓ معمری˓ م.˓ جهان‌تاب˓ ا. و ضرغام˓ ن. 1396. تأثیر کمپوست زباله شهری و بیوچار بر توانایی گیاه‌پالایی گونه. Bromus tomentellus Boiss در شرایط گلخانه‌ای. نشریۀ علمی پژوهشی مرتع، 11(2): 194-206.

حجازی­زاده، ا.، غلامعلی­زاده آهنگر، ا. و قربانی، م. 1394. تاثیر بیوچار بر جذب سرب و کادمیوم لجن فاضلاب کارخانه­های کاغذ توسط آفتابگردان. نشریه دانش آب و خاک، 26(2): 259-271.

خادم˓ خ.˓ رئیسی˓ ف. و بشارتی˓ ح. 1396. مروری بر اثرات کاربرد بیوچار بر خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک. نشریه علمی ترویجی مدیریت اراضی، 1(5): 1-18.

رحیمی، ط.، معزی، ع. و حجتی، س. 1397. اثر مقادیر بیوچار و نیکل بر غلظت نیکل و برخی عناصر کم مصرف در ذرت. نشریه پژوهش­های خاک، 32(4): 527-537.

سعادت˓ ک. و بارانی مطلق˓ م. 1391. تأثیر زئولیت کلینوپتیلولیت طبیعی ایران بر جذب سرب و کادمیوم لجن فاضلاب کاربردی توسط ذرت (Zea mays. L.). نشریه پژوهش های حفاظت آب و خاک، 20(4):123-143.

سفیدگر شاهکلایی، ی.، بارانی مطلق، م.، خرمالی، ف. و دردی پور، ا. 1396. تثبیت سرب در یک خاک آهکی با استفاده از اصلاح کننده­های آلی و معدنی. نشریه آب و خاک، 32(1): 127-142.

شاهمرادی، س.، افیونی، م.، حاج عباسی، م.ع.، خوشگفتارمنش، ا.ح. و شیروانی، م. 1396. تاثیر جاذب­های معدنی بر دسترسی زیستی روی، کادمیم و سرب در خاک­های آلوده اطراف معدن زرشوران در استان آذربایجان غربی. علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، دوره 21(2): 165-173.

ضرابی˓ س.˓ حاتمی‌کیا˓ م.˓ درستی˓ ن.˓ ضرابی˓ م. و مرتضوی˓ ث. بررسی میزات تجمع فلزات سنگین (سرب˓ کادمیوم˓ مس˓ نیکل و جیوه) در برخی از سبزی‌های کشت شده در شهرستان‌های خرم‌آباد و الشتر استان لرستان در سال 1395. فصلنامه علمی پژوهشی علوم پزشکی لرستان، 20 (2): 1-11.

طباطبایی˓ ا.˓ ا.˓ انصاری˓ ش.˓ اسکندری˓ ص. و طباطبایی˓ ا.˓ ا.1395. بررسی آلودگی فلزات سنگین سرب و کادمیوم در برخی محصولات کشاورزی. مطالعات علوم محیط زیست، 1(3): 69-77.

علیدادی˓ ح.˓ مقیسه˓ ز. و دهقان˓ ع. 1393. غلظت فلزات سنگین (سرب و کادمیوم) در سبزیجات مصرفی شهر مشهد در سال 1390. مجله دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، 6(1):89-97.

غلامحسینی، م.، آقاغلیخانی، م. و ملکوتی، م.ج. 1388. تاسیر سطوح مختلف نیتروژن و زئولیت بر عملکرد کمی و کیفی علوفه کلزای پائیزه. علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، 12(45): 537-548.

فلاحتی، س. و ادهمی، ا. 1393. تاثیر ورمی کمپوست و دو گونه زئولیت (فیروزکوه و سمنان) بر سینتیک تثبیت نیکل در دو نوع خاک آهکی. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، سال نوزدهم، 71: 253-263.

قلی زاده، آ.، اصفهانی، م.،  عزیزی، م. و اینانلو، م. ۱۳۸۵. بررسی اثرات زئولیت و تنشی خشکی بر رشد و نمود و میزان اسانس گیاه دارویی بادرشبی (Dracocephalum moldavica).  دو فصلنامه علوم و صنایع کشاورزی، 20(2): 113-121.

کاظم­زاده خویی، ج،. سادات نوری، ا.، پورنگ، ن.، علیزاده، م.، قریشی، ح. و پاداش، ا. 1391. بررسی و اندازه گیری فلزات سنگین نیکل، سرب، مس، منگنز، روی، کادمیوم و وانادیوم در سبزی­های خوراکی جنوب پالایشگاه تهران. پژوهش­های محیط زیست، 3(6): 65-74.

کیانی˓ ا. و عبداللهی˓ س. بررسی وضعیت محصول سیب‌زمینی در ایران و جهان و راهکارهای افزایش صادرات کشور (با تاکید بر استان اردبیل).  وزارت امور اقتصادی و دارائی.

لکزیان، ا. 1394. تاثیر بیوچار بر خصوصیات رشدی گیاه سویا و خصوصیات شیمیایی خاک. اولین همایش بین المللی و چهارمین همایش ملی پژوهش­ای محیط زیست و کشاورزی ایران. همدان.

محب‌زاده˓ ف.˓ جعفری˓ م.˓ متشرع‌زاده˓ ب. و صفاری امان˓ م. 1397. بررسی تأثیر و کمپوست زباله شهری بر گیاه پالایی خاک آلوده به سرب. سومین کنفرانس ملی حفاظت خاک و آبخیزداری، 1-13.

محمدی، ا.، ملکی، غ.ر. و زند، ا. 1389. بررسی اثرات کاربرد زئولیت و پتاسیم بر رشد رویشی و عملکرد چغندرقند. نشریه یافته­های نوین کشاورزی، دوره 5(2): 125-132.

مدنی، ح.، مقیمی، آ. و ساجدی، ن.ع. 1389. تاثیر مقادیر مختلف زئولیت و دور آبیاری بر عملکرد و برخی صفات سیب زمینی. یافته­های نوین کشاورزی، 4(3): 285-293.

ناظمی، س.، عسگری، ع.ر. و راعی، م. 1389. بررسی مقدار فلزات سنگین در سبزیجات پرورشی حومه شهر شاهرود. سلامت و محیط زسیت، دوره 3(2): 195-202.

نوفرستی˓ ع.˓ شریعتی˓ س. و نیک‌پور˓ ط. 1392. اندازه‌گیری آرسنیک موجود در گیاهان سیب‌زمینی و هویج در دشت قروه به‌روش جذب اتمی. علوم و تکنولوژی محیط زیست، 16(1):61-74.

Ahmad M., Usman, A.R.A., Al-Faraj, A.S., Ahmad, M., Sallam, A. and Al-Wabel, M.I. 2018. Phosphorus-loaded biochar changes soil heavy metals availability and uptake potential of maize (Zea mays L.) plants. Chemosphere, 194: 327-339.

Amonette, J. and Joseph, S. 2009. Characteristics of biochar: Microchemical properties. Biochar for environmental management, London, pp 33-52.

Bridgwater, A. 2012. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy, 38: 68-94.

Castaldi, P., Santona, L. and Melis, P. 2005. Heavy metal immobilization by chemical amendments in a polluted soil and influence on white lupin growth. Chemosphere, 60: 365-371.

Dominguez, M., Nunez, R.P., Pineiro, J., Barral, M.T. 2019. Physicochemical and biochemical properties of an acid soil under potato culture amended with municipal solid waste compost. International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture, 1: 1-8.

Esmaeili, V., Ajalli, J., Faramarzi, A., Abdi, M. and Gholizadeh, M. 2019. Gasification of wastes: The impact of the feedstock type and co-gasification on the formation of volatiles and char. International Journal of Energy Research, In Press.

Fu, J., Zhou, Q., Liu, J., Liu, W., Wang, T. and Zhang, Q. 2008. High levels of heavy metals in rice (Oryza sativaL.) from a typical E-waste recycling area in southeast China and its potential risk to human health. Chemosphere, 71(7): 1269-1275.

Geneva, 2017. World health organization (WHO). Guidelines for Drinking Water Quality. 4rd edition.

Imsirovic, E., Salkic, B., Keran, H., Salkic, E. and Salkic, A. 2019. Examination of the impact of contaminated soil on the concentration of heavy metals in vegetables. International Journal of Development Research, 9: 25612-25619.

He, M., Hu, Z., Xiao, B., Li, J., Guo, X., Luo, S., Yang, F., Feng, Y., Yang, G. and Liu, S. 2009. Hydrogen-rich gas from catalytic steam gasification of municipal solid waste (MSW): Influence of catalyst and temperature on yield and product composition. International Journal of Hydrogen Energy, 34: 195-203.

Indianara, C.O., Maria, A.S.D.B., Edson, A.S., Joao, H.D., Pedro, A.A. and Osxaldo, C.M.L. 2009. A comparative study for the ion exchange of Fe (III) and Zn(II) on zeolite NaY. Journal of Hazardous Materials, 161: 1404-1412.

Kabata-Pendias, A. 2011. Trace elements in soils and plants. 4th edition. Boca Raton, Florida. CRC Press.

Laird, D.A., Fleming, P.D., Karlen, D.L., Wang, B. and Horton, R. 2010. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil. Geoderma, 158: 436-442.

Lopez, R., Hallat, J., Castro, A., Miras, A. and Burgos, P. 2019. Heavy metal pollution in soils and urban-grown organic vegetables in the province of Sevilla, Spain. Biological Agriculture & Horticulture, 1: 1-20.

Molaei, S., Shirani, H., Hamidpour, M., Shekofteh, H. and Besalatpour, A.A. 2016. Effect of vermicompost, pistachio kernel and shrimp shell on some growth parameters and availability of Cd, Pb and Zn in corn in a polluted soil. JWSS, 19(74): 113-124

Nematollahsani, R., Hasanpoor, A. and Abootalebi, A. 2013. Conrtamination of azot and heavy metals under soilless (plumbago, copper, cadmium) in herbs culture. Website of Agriculture and Gardening.

Nzediegwu, C., Prasher, S., Elsayed, E., Dhiman, J., Mawof, A. and Patel, R. 2019. Effect of biochar on heavy metal accumulation in potatoes from wastewater irrigation. Journal of Environmental Management, 232: 153-164.

Osmani, M., Bani, A. and Hozha, B. 2015. Heavy metals and Ni phytoextractionin in the metallurgical area soils in Elbasan. Albanian Journal of Agricultural Sciences, 14: 414-419.

Puga, A.P., Abreu, C.A., Melo, L.C.A. and Beesley, L. 2015. Biochar application to a contaminated soil reduces the availability and plant uptake of zinc, lead and cadmium.  Journal of Environmental Management, 159: 86-93.

Salavati, S., Zhang, C.T., Zhang, S., Liu, Q., Gholizadeh, M., Hu, X. 2019. Cross-interaction during co-gasification of wood, weed, plastic, tire and carton. Journal of Environmental Management, 250:1-15.

Yang, H. and Sheng, K. 2012. Characterization of biochar properties affected by different pyrolysis temperatures using visible near infrared spectroscopy.  International Scholarly Research Network Spectroscopy.

Zhang, A., Liu, Y., Pan, G., Hussain, Q., Li, L., Zheng, J. and Zhang, X. 2012. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil from central China plain. Plant and Soil, 351: 263-275.

Zheng, R., Chen, Z., Cai, C., Wang, X., Huang, Y., Xiao, B. and Sun, G. 2013. Effect of biochars from rice husk, bran and straw on heavy metal uptake by pot-grown wheat seedling in a historically contaminated soil. BioResources, 8 (4): 5965-5982.