Mechanisms for reducing heavy metal toxicity in fertiliser and agrotechnological soil protection systems

Abstract

Pollution of agricultural soils with heavy metals caused by the activities of industrial enterprises, transport, and intensive use of agrochemicals poses a threat to environmental safety and productivity of agricultural systems. In this regard, the purpose of the study was to evaluate the effectiveness of combined use of green manure and organo-mineral stabilisers (zeolite and biochar) to reduce the bioavailability of heavy metals and phytotoxicity of the soil environment. The research methods included a field block experiment on chernozems southern of Southern Steppe of Ukraine contaminated with cadmium (0.7 mg/kg), using four treatment options (control, zeolite, zeolite + green manure, green manure). The results showed that the most effective option for reducing the bioavailability of cadmium was the option with the introduction of zeolite, which provided a decrease in available cadmium by 58% and a decrease in its total content by 22%. The introduction of green manure alone reduced the bioavailability of cadmium by 31% compared to the control. Biochar in combination with phytoremediation reduced the availability of cadmium and zinc by 50%, and soil removal increased by 40% compared to phytoremediation without biochar. The biomass of the aboveground part of sunflower increased by 24% (up to 35.2 g/plant), the chlorophyll content – by 25%, and the activity of antioxidant enzymes – by 32% and 41%. Mustard and phacelia sideration helped to increase the organic carbon content in the soil by 18%, improve the cation exchange capacity by 11%, and reduce metal leaching by 30%, which indicates an improvement in the overall fixation of toxic elements. All results confirmed a significant reduction in the phytotoxicity of the soil environment and an improvement in the physiological and biochemical state of plants. The practical significance of the results lies in the possibility of using biochar, zeolite, and green manure for reclamation of contaminated soils and reducing the risk of heavy metals entering the food chain.

-

Забруднення сільськогосподарських ґрунтів важкими металами, спричинене діяльністю промислових підприємств, транспорту та інтенсивним використанням агрохімікатів, становить загрозу екологічній безпеці та продуктивності сільськогосподарських систем. У зв'язку з цим метою дослідження була оцінка ефективності спільного використання сидератів та органо-мінеральних стабілізаторів (цеоліту та біовугілля) для зниження біодоступності важких металів та фітотоксичності ґрунтового середовища. Методи дослідження включали польовий блок-дослід на чорноземах півдня Південного Степу України, забруднених кадмієм (0,7 мг/кг), з використанням чотирьох варіантів обробки (контроль, цеоліт, цеоліт + сидерати, сидерати). Результати показали, що найефективнішим варіантом для зниження біодоступності кадмію був варіант з внесенням цеоліту, який забезпечив зниження доступного кадмію на 58 % та зниження його загального вмісту на 22 %. Внесення лише сидератів знизило біодоступність кадмію на 31 % порівняно з контролем. Біовугілля у поєднанні з фіторемедіацією зменшило доступність кадмію та цинку на 50 %, а видалення ґрунту збільшилося на 40 % порівняно з фіторемедіацією без біовугілля. Біомаса надземної частини соняшнику збільшилася на 24 % (до 35,2 г/рослину), вміст хлорофілу – на 25 %, а активність антиоксидантних ферментів – на 32 % та 41 %. Сидерація гірчицею та фацелією сприяла збільшенню вмісту органічного вуглецю в ґрунті на 18 %, покращенню ємності катіонного обміну на 11 % та зменшенню вимивання металів на 30 %, що свідчить про покращення загальної фіксації токсичних елементів. Усі результати підтверджують значне зниження фітотоксичності ґрунтового середовища та покращення фізіологічного та біохімічного стану рослин. Практичне значення результатів полягає в можливості використання біовугілля, цеоліту та сидератів для рекультивації забруднених ґрунтів та зниження ризику потрапляння важких металів у харчовий ланцюг.