Διερεύνηση των δεικτών ρύπανσης του εδάφους με μέταλλα συναρτήσει της αργίλου, οργανικής ουσίας και του ph του εδάφους υπό την επίδραση των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων και των βιοστερεών

Abstract

Treated wastewater and biosolids have been used in agriculture as an alternative to freshwater and as a fertilizer, respectively, a practice accompanied with many advantages and disadvantages. They contain a multitude of important plant nutrients and heavy metals depending on their origin, a factor that must be taken into account when applied to soil. A greenhouse experiment following a randomized block design was conducted in Zakynthos using simulated soils to create equidistant levels of key soil properties, including pH, organic matter, clay content, electrical conductivity (EC), heavy metals, and essential nutrients. Twelve treatments in four replications were prepared. The soils were prepared by amending virgin soil with varying quantities of sterile fine particle sand, CaO, biosolids for the enhancement of organic matter, and mixtures of heavy metal salts (Zn, Mn, Cd, Co, Cu, Cr, Ni, Pb) to achieve the equidistant levels between the soil characteristics. The 48 pots were incubated for 358 days under greenhouse conditions and irrigated with treated municipal wastewater from the local Wastewater Treatment Plant of Zakynthos. In total, five samplings were conducted after 0 days, 36 days, 187 days, 271 days and 358 days. The aim of the experiment was to investigate the interactive contributions of soil constituents—particularly heavy metals and nutrients—on soil toxicity and fertility, as well as the influence of incubation time. To assess the toxicity of heavy metals, the following pollution indices were used: Pollution Load Index (PLI), Elemental Pollution Index (EPI), Heavy Metal Load (HML), and Total Concentration Factor (TCF). The experimental results were analyzed through the construction of regression models and variance analysis (ANOVA). Linear, logarithmic, and quadratic models were tested during the regression analysis, and in each case, the optimal model was selected. The interactions studied in relation to toxicity included: •Physicochemical properties (pH, organic matter, clay, electrical conductivity) × heavy metals •Heavy metals × heavy metals •Nutrients × heavy metalsCorrespondingly, for fertility: •Physicochemical properties (pH, organic matter, clay, electrical conductivity) × nutrients •Heavy metals × nutrients •Nutrients × nutrients Regression analysis of the experimental data revealed numerous statistically significant elemental interactions. These were classified into two broad categories: interactions contributing to heavy metal accumulation and soil toxicity, and those enhancing nutrient availability and fertility. Regarding toxicity, during the first sampling, low concentrations of heavy metals were recorded, with predominant synergistic interactions. The highest contributions were observed for Mn (81.68 mg/kg), Pb (9.81 mg/kg), and Cu (12.84 mg/kg), while the HML (128.79) and PLI (7.23) indices showed significant differentiation. In the second sampling, interactions remained synergistic, with differentiation of all pollution indices, particularly HML (143.72), EPI (11.95), PLI (21.98), and TCF (8.81), while Mn (73.74 mg/kg) and Pb (31.32 mg/kg) dominated the average contributions. In the third sampling, interactions were mainly synergistic, with significant differentiation of HML (105.47), EPI (4.38), PLI (7.60), and TCF (4.39) indices, while the highest contributions were recorded for Mn (123.20 mg/kg), Zn (5.72 mg/kg), and Pb (6.55 mg/kg). In the fourth sampling, the least significant interactions were observed, mainly synergistic or synergistic/antagonistic, with higher average contributions from Mn (132.33 mg/kg) and Zn (64.11 mg/kg). In the fifth sampling, synergistic and synergistic/antagonistic interactions predominated. HML was influenced by micronutrients (66.36), EPI by physicochemical characteristics (3.03), PLI by heavy metals (4.41), and TCF by macronutrients (4.39), with average contributions from Mn 78.37 mg/kg, Zn 4.06 mg/kg, and Cu 5.89 mg/kg. These observations highlight the dominance of synergistic interactions and the variability of metal contributions in each sampling. Regarding fertility, the analysis of the five samplings showed statistically significant interactions (0.001 < p < 0.050) among the parameters. Nitrate (NO₃) steadily increased, nearly doubling, peaking above 1000 mg/kg in the fifth sampling. In contrast, P decreased significantly (from ~58 to 22 mg/kg), as did Ca (from ~1850 to ~1125 mg/kg). Mg rose from 210 to over 360 mg/kg, while K fluctuated, dropping in the middle of the period and rising in the fifth sampling. Among micronutrients, Fe and B recorded a continuous decline (Fe from ~95 to 42 mg/kg, B almost halved). Zn, Cu, and Ni showed temporary peaks in the second sampling (e.g., Zn >12 mg/kg) before decreasing again. Mn showed strong variability, reaching nearly 72 mg/kg in the third sampling before stabilizing around 55 mg/kg. Interactions with heavy metals reinforced the upward trend of NO₃ and Mg but contributed to the decline of P, Ca, Fe, and B. Overall, the soil was enriched in NO₃ and Mg over time, while the availability of key nutrients such as P, Ca, Fe, and B was reduced, with other micronutrients showing temporary fluctuations.Incubation time affected variably the various soil characteristics. A statistically significant increase in electrical conductivity was observed due to irrigation with treated wastewater, while organic matter and clay decreased. Heavy metal concentrations showed some decreasing trends over time, not statistically significant, suggesting a possible self-regulation of the system. Higher average concentrations were observed in the second sampling, except for Zn and Mn. The TCF index showed a statistically significant decreasing trend, while the other indices exhibited smaller, non-significant decreases. The findings highlight the dual role of treated wastewater and biosolids as both nutrient sources and potential contributors to soil contamination, emphasizing the importance of understanding elemental interactions in managing soil quality.

Τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα και τα βιοστερεά έχουν χρησιμοποιηθεί στη γεωργία ως εναλλακτική αρδευτική λύση και ως λίπασμα, αντίστοιχα, μια πρακτική που συνοδεύεται από πολλά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ανάλογα με την προέλευσή τους, περιέχουν πλήθος σημαντικών θρεπτικών στοιχείων για τα φυτά και βαρέα μέταλλα, ένας παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την εφαρμογή τους στο έδαφος. Πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα σε θερμοκήπιο σε πειραματική διάταξη Τυχοποιημένων Ομάδων (Randomized Block Design) στη Ζάκυνθο, χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα εδάφη για τη δημιουργία ισαπέχοντων επιπέδων βασικών ιδιοτήτων του εδάφους, όπως το pH, η οργανική ουσία, η περιεκτικότητα σε άργιλο, η ηλεκτρική αγωγιμότητα (EC), τα βαρέα μέταλλα και τα βασικά θρεπτικά στοιχεία. Παρασκευάστηκαν δώδεκα επεμβάσεις σε τέσσερις επαναλήψεις. Τα εδάφη ετοιμάστηκαν με εμπλουτισμό παρθένου εδάφους με διαφορετικές ποσότητες αποστειρωμένης άμμου λεπτών σωματιδίων, CaO, βιοστερεών για την ενίσχυση της οργανικής ουσίας, και μιγμάτων αλάτων βαρέων μετάλλων (Zn, Mn, Cd, Co, Cu, Cr, Ni, Pb) για την επίτευξη των ισαπέχοντων επιπέδων μεταξύ των χαρακτηριστικών του εδάφους. Συνολικά, 48 γλάστρες επωάστηκαν για 358 ημέρες υπό συνθήκες θερμοκηπίου και αρδεύτηκαν με επεξεργασμένα αστικά λύματα από την τοπική Μονάδα Επεξεργασίας Λυμάτων της Ζακύνθου. Πραγματοποιήθηκαν πέντε δειγματοληψίες μετά από 0, 36, 187, 271 και 358 ημέρες. Σκοπός του πειράματος ήταν η διερεύνηση των αλληλεπιδραστικών συνεισφορών των συστατικών του εδάφους —ιδίως των βαρέων μετάλλων και των θρεπτικών στοιχείων— στην τοξικότητα και τη γονιμότητα του εδάφους, καθώς και η επίδραση του χρόνου επώασης. Για την αξιολόγηση της τοξικότητας των βαρέων μετάλλων, χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες ρύπανσης: Δείκτης Ρυπαντικής Φόρτισης (Pollution Load Index, PLI), Δείκτης Στοιχειακής Ρύπανσης (Elemental Pollution Index, EPI), Φορτίο βαρέων Μετάλλων (Heavy Metal Load, HML) και Ολικός Παράγων Συγκέντρωσης (Total Concentration Factor, TCF). Έγινε ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων μέσω κατασκευής μοντέλων παλινδρόμησης και ανάλυση παραλλακτικότητας - ANOVA. Ελέγχθηκαν γραμμικά, λογαριθμικά και τετραγωνικά μοντέλα κατά τη δοκιμασία παλινδρόμησης, όπου επιλέχθηκε σε κάθε περίπτωση το βέλτιστο. Οι αλληλεπιδράσεις που μελετήθηκαν σε σχέση με την τοξικότητα περιελάμβαναν: •Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (pH, οργανική ουσία, άργιλος, ηλεκτρική αγωγιμότητα) x βαρέα μέταλλα •Βαρέα μέταλλα x βαρέα μέταλλα •Θρεπτικά x βαρέα μέταλλαΑντίστοιχα για τη γονιμότητα: •Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (pH, οργανική ουσία, άργιλος, ηλεκτρική αγωγιμότητα) x θρεπτικά •Βαρέα μέταλλα x θρεπτικά •Θρεπτικά x θρεπτικάΗ ανάλυση παλινδρόμησης των πειραματικών δεδομένων αποκάλυψε πολυάριθμες στατιστικά σημαντικές στοιχειακές αλληλεπιδράσεις. Αυτές ταξινομήθηκαν σε δύο ευρείες κατηγορίες: αλληλεπιδράσεις που συμβάλλουν στη συσσώρευση βαρέων μετάλλων και την τοξικότητα του εδάφους, και εκείνες που ενισχύουν τη διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών και τη γονιμότητα. Αναφορικά με την τοξικότητα, στην πρώτη δειγματοληψία καταγράφηκαν χαμηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων, με κυρίαρχες συνεργιστικές αλληλεπιδράσεις. Οι μεγαλύτερες συμβολές αφορούσαν Mn (81,68 mg/kg), Pb (9,81 mg/kg) και Cu (12,84 mg/kg), ενώ οι δείκτες HML (128,79) και PLI (7,23) διαφοροποιήθηκαν σημαντικά. Στη δεύτερη δειγματοληψία οι αλληλεπιδράσεις παρέμειναν συνεργιστικές, με μεταβολή όλων των δεικτών ρύπανσης, ιδίως HML (143,72), EPI (11,95), PLI (21,98) και TCF (8,81), και κυριαρχία Mn (73,74 mg/kg) και Pb (31,32 mg/kg). Στην τρίτη δειγματοληψία οι αλληλεπιδράσεις ήταν κυρίως συνεργιστικές, με διαφοροποίηση των HML (105,47), EPI (4,38), PLI (7,60) και TCF (4,39), και κύριες συμβολές Mn (123,20 mg/kg), Zn (5,72 mg/kg) και Pb (6,55 mg/kg). Στην τέταρτη δειγματοληψία παρατηρήθηκαν οι ασθενέστερες, κυρίως συνεργιστικές ή συνεργιστικές/ανταγωνιστικές, με υψηλότερες μέσες συμβολές Mn (132,33 mg/kg) και Zn (64,11 mg/kg). Στην πέμπτη δειγματοληψία επικράτησαν συνεργιστικές και συνεργιστικές/ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις. Ο HML επηρεάστηκε από μικροθρεπτικά (66,36), ο EPI από φυσικοχημικά (3,03), ο PLI από βαρέα μέταλλα (4,41) και ο TCF από μακροθρεπτικά (4,39), με μέσες συμβολές Mn 78,37 mg/kg, Zn 4,06 mg/kg και Cu 5,89 mg/kg. Συνολικά, οι παρατηρήσεις δείχνουν κυριαρχία συνεργιστικών αλληλεπιδράσεων και μεταβλητότητα της συμβολής των μετάλλων ανά δειγματοληψία. Όσον αφορά τη γονιμότητα, η ανάλυση των πέντε δειγματοληψιών έδειξε στατιστικά σημαντικές αλληλεπιδράσεις (0,001<p<0,050) μεταξύ παραμέτρων. Τα ΝΟ₃ αυξήθηκαν σταθερά, σχεδόν διπλασιαζόμενα, υπερβαίνοντας τα 1000 mg/kg στην 5η δειγματοληψία. Αντίθετα, ο P μειώθηκε αισθητά (58→22 mg/kg), όπως και το Ca (1850→1125 mg/kg). Το Mg ανέβηκε από 210 σε >360 mg/kg, ενώ το K παρουσίασε διακυμάνσεις, με πτώση στη μέση και άνοδο στην 5η δειγματοληψία. Στα μικροθρεπτικά, Fe και B μειώθηκαν σταθερά (Fe 95→42 mg/kg, Β σχεδόν στο μισό). Zn, Cu και Ni είχαν παροδικές κορυφώσεις στη 2η δειγματοληψία (Zn >12 mg/kg) πριν μειωθούν ξανά. Το Mn εμφάνισε έντονη μεταβλητότητα, αγγίζοντας 72 mg/kg στην 3η δειγματοληψία πριν σταθεροποιηθεί γύρω στα 55 mg/kg. Οι αλληλεπιδράσεις με βαρέα μέταλλα ενίσχυσαν την αύξηση ΝΟ₃ και Mg, αλλά συνέβαλαν στην πτώση P, Ca, Fe και B. Συνολικά, το έδαφος εμπλουτίστηκε σε ΝΟ₃ και Mg, ενώ μειώθηκε η διαθεσιμότητα P, Ca, Fe και B, με τα υπόλοιπα μικροθρεπτικά να παρουσιάζουν παροδικές μεταβολές. Ο χρόνος επώασης επηρέασε ποικιλοτρόπως τα χαρακτηριστικά του εδάφους. Παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας λόγω της άρδευσης με ΕΥΑΑ, ενώ η οργανική ουσία και η άργιλος μειώθηκαν. Οι συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων εμφάνισαν κάποιες τάσεις μείωσης με το χρόνο μη στατιστικά σημαντική, υποδεικνύοντας μια ενδεχόμενη αυτορρύθμιση του συστήματος. Υψηλότερες μέσες συγκεντρώσεις είχαμε στη 2η δειγματοληψία εκτός από τα Zn, Mn. Ο δείκτης TCF παρουσίασε στατιστικά σημαντική πτωτική τάση, ενώ οι υπόλοιποι δείκτες εμφάνισαν μικρότερες μη στατιστικά σημαντικές μειώσεις. Τα ευρήματα υπογραμμίζουν τον διττό ρόλο των επεξεργασμένων λυμάτων και των βιοστερεών ως πηγές θρεπτικών ουσιών αλλά και εν δυνάμει παράγοντες ρύπανσης του εδάφους, τονίζοντας τη σημασία της κατανόησης των στοιχειακών αλληλεπιδράσεων για τη διαχείριση της ποιότητας του εδάφους.