Environmental Erosion Research

fa ترمیم خاک‌های تخریب‌شده توسط کادمیم با بیوچار ضایعات میگو: کاهش زیست‌دسترسی فلز و حفظ عملکرد زیستی گیاه بذرانداز (Sporobolus arabicus) Shrimp Waste Biochar for Soil Rehabilitation from Cadmium-Induced Degradation: Reduced Metal Bioavailability and Sustained Phytostability in Sporobolus arabicus مدیریت و کنترل اثرات فرسایش محیطی پژوهشي Research آلودگی خاک به فلزات سنگین، به‌دلیل سمیت مزمن و پایداری زیست‌محیطی، نه‌تنها سلامت اکوسیستم خاک را تهدید می‌کند، بلکه از طریق کاهش پوشش گیاهی و تضعیف محتوای مواد آلی به‌عنوان عوامل کلیدی پایداری ساختاری فرآیندهای تخریب خاک را تشدید می‌کند. این زنجیره تأثیری، با گسستن پیوندهای خاک‌دانه‌ای و افزایش حساسیت سطح خاک به عوامل فرسایشی، چرخه تخریب‑فرسایش را شتاب داده و توان تولیدی اراضی را به‌طور هم‌زمان تضعیف می‌نماید.. بیوچار، به‌عنوان یک ماده کربن‌دار و متخلخل، قادر است خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک از جمله فعالیت میکروبی، تنوع جمعیت‌های میکروبی، فعالیت آنزیمی و ساختار خاک را بهبود بخشد و در نتیجه حاصلخیزی و عملکرد اکولوژیک خاک را ارتقا دهد. این پژوهش با هدف بررسی اثر سوسپانسیون بیوچار تولید‌شده از ضایعات میگو (در دو سطح غلظت 4 و 8 گرم بر لیتر) بر جذب، تثبیت و کاهش زیست‌دسترسی فلزات سنگین کادمیم، سرب و نیکل در خاک و همچنین ارزیابی تأثیر آن بر رشد گیاه Sporobolus arabicus  در شرایط آلودگی خاک با کادمیوم (در دو سطح 40 و 80 میلی‌گرم بر کیلوگرم) در شرایط گلدانی انجام شد. پارامترهای اندازه‌گیری‌شده شامل محتوای کادمیوم در گیاه و خاک، هدایت الکتریکی، pH  خاک، غلظت سرب و نیکل در خاک، بیوماس گیاهی و ضریب جذب زیستی  بود. نتایج تجزیه واریانس نشان داد که محتوای کادمیوم در گیاه و خاک، هدایت&rlm;الکتریکی  و غلظت سرب در خاک به‌طور معنی‌داری (p < 0.01) تحت تأثیر سطوح آلودگی کادمیوم قرار گرفتند. همچنین، کاربرد بیوچار تأثیر معنی‌داری در سطح 1 درصد بر تمامی صفات مورد مطالعه به‌جز بیوماس گیاه داشت. برهمکنش آماری معنی‌داری در سطح 1 درصد نیز بین تیمارهای اعمال‌شده برای پارامترهای ضریب جذب&rlm;زیستی، غلظت نیکل و pH  مشاهده شد. افزودن بیوچار حاصل از ضایعات میگو منجر به کاهش معنی‌دار غلظت فلزات سنگین در خاک، محتوای کادمیوم در بافت گیاهی، هدایت الکتریکی و pH  شد، به‌طوری‌که این اثر در غلظت 4 گرم بر لیتر بیوچار برجسته‌تر بود. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از ضایعات شیلاتی، به‌ویژه پوسته میگو، در مناطق ساحلی جنوب ایران می‌تواند راهبردی پایدار برای تولید بیوچار و اصلاح خاک‌های آلوده به فلزات سنگین باشد.   Introduction Soil contamination by heavy metals represents a critical threat to ecological sustainability, impairing soil quality while accelerating structural degradation and erosion processes. Cadmium (Cd), lead (Pb), and nickel (Ni) pose severe risks to food security and human health due to their high toxicity, environmental persistence, and potential for bioaccumulation in food chains. Biochar has emerged as a sustainable soil amendment capable of reducing heavy metal bioavailability through its porous architecture, abundant surface functional groups, enhanced cation exchange capacity, pH modulation, and chemical immobilization mechanisms. Nevertheless, the efficacy of aquaculture-derived biochars, particularly those produced from shrimp shells, in combination with native halophytic species adapted to coastal ecosystems, remains insufficiently explored. This study was designed to evaluate the capacity of shrimp waste-derived biochar to immobilize Cd, Pb, and Ni in contaminated soil and modulate the physiological responses of the Sporobolus arabicus. Materials and Methods A factorial experiment was conducted under controlled conditions at the Hormozgan Natural Resources Nursery Station (Baghu Village, southern Iran) using a completely randomized design with three replications. Shrimp shell biochar was produced via slow pyrolysis at 450°C for 3 h under oxygen-limited conditions, followed by grinding and sieving through a 0.25-mm mesh. Surface soil (0–30 cm depth) collected from agricultural land near Bandar Abbas was artificially contaminated with cadmium nitrate at concentrations of 40 and 80 mg kg⁻¹. Following a two-week stabilization period, biochar suspensions were uniformly incorporated into the soil at rates of 4 and 8 g L⁻¹. After a 60-day incubation period, Sporobolus arabicus seedlings were transplanted into treated pots and maintained for 90 days under controlled environmental conditions (18–25°C, 50% field capacity). At harvest, the plant's dry biomass was recorded. Heavy metal concentrations (Cd, Pb, Ni) in soil and plant tissues were quantified using atomic absorption spectrometry following acid digestion. Soil chemical parameters (pH and electrical conductivity) were determined via saturated paste extract, and the bioconcentration factor (BCF) was calculated. Statistical analysis was performed using SPSS software with analysis of variance and Duncan's multiple range test at p < 0.01. Results Analysis of variance revealed that cadmium contamination levels significantly influenced (p < 0.01) Cd content in plant and soil, electrical conductivity (EC), and soil Pb concentration. Biochar application exerted significant effects (p < 0.01) on all measured parameters except plant biomass. A significant interaction (p < 0.01) between contamination levels and biochar treatments was observed for BCF, Ni concentration, and soil pH. The minimum plant Cd concentration (4.74 mg kg⁻¹) occurred in the 8 g L⁻¹ biochar treatment, compared to 13.08 mg kg⁻¹ in the control. Maximum plant biomass (44.12 g) was recorded at 8 g L⁻¹ biochar, while the control yielded the lowest biomass (36.24 g). BCF decreased from 0.292 (control) to 0.137 (8 g L⁻¹), indicating restricted metal translocation to aerial plant parts. Soil heavy metal concentrations declined substantially: Cd from 45.69 to 34.54 mg kg⁻¹, Pb from 15.94 to 6.72 mg kg⁻¹ (at 4 g L⁻¹), and Ni from 18.03 to 8.33 mg kg⁻¹. EC decreased from 2.808 (control) to 1.667 dS m⁻¹ (8 g L⁻¹), while soil pH was moderated from 8.35 to 8.14. Notably, 4 g L⁻¹ biochar demonstrated optimal efficacy for Pb and Ni immobilization, whereas 8 g L⁻¹ proved superior for reducing plant Cd uptake and enhancing biomass production. Discussion and Conclusion  The observed reduction in heavy metal bioavailability aligns with established biochar immobilization mechanisms, including surface adsorption, organic–metal complexation, and enhanced cation exchange capacity. The significant decline in BCF confirms restricted metal translocation to aboveground tissues—a critical attribute for phytostabilization strategies aimed at minimizing entry into food chains. Sporobolus arabicus exhibited remarkable resilience under elevated Cd stress (80 mg kg⁻¹), maintaining substantial biomass even in untreated controls, thereby confirming its suitability as a native species for phytoremediation of coastal soils in southern Iran. The reduction in soil EC likely reflects improved soil structure, enhanced permeability, and facilitated leaching of soluble salts. The modest pH decrease (8.35 to 8.14)—contrary to the typical alkalizing effect of biochar suggests context-dependent interactions between biochar properties and native soil chemistry; shrimp shell biochar apparently exerted a moderating influence in inherently alkaline coastal soils. In conclusion, shrimp shell-derived biochar significantly reduced Cd uptake by Sporobolus arabicus and enhanced immobilization of Cd, Pb, and Ni in contaminated soil. Under elevated Cd contamination, the 4 g L⁻¹ application rate demonstrated optimal efficacy for improving soil properties and reducing Pb and Ni bioavailability. We therefore recommend application of shrimp waste-derived biochar at 4 g L⁻¹ for remediation of heavy metal-contaminated soils in southern coastal Iran. Furthermore, Sporobolus arabicus is strongly recommended for phytoremediation applications in this region owing to its ecological adaptability, robust growth under metal stress, and inherent capacity to extract heavy metals even without amendment. This integrated approach, simultaneously converting aquacultural waste into a functional soil amendment while deploying regionally adapted vegetation, offers a novel circular-economy framework for sustainable restoration of contaminated coastal ecosystems.   آلودگی کادمیم, بیوچار, ضایعات شیلاتی , ترمیم خاک, گیاه بذرانداز Cadmium contamination, Shrimp waste biochar, Soil rehabilitation, Sporobolus arabicus 44 63 http://magazine.hormozgan.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-44-3&slc_lang=fa&sid=1 Navazollah Moradi نوازاله مرادی nvz.moradi@hormozgan.ac.ir 100319475328460010148 100319475328460010148 Yes Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources Engineering, University of Hormozgan, Bandar-Abbas, Iran گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران Saber Alavi صابر علوی nvz_moradi@yahoo.com 100319475328460010149 100319475328460010149 No Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources Engineering, University of Hormozgan, Bandar-Abbas, Iran گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران Elham Farahani الهام فراهانی e_farahani@areeo.ac.ir 100319475328460010150 100319475328460010150 No Monitoring and Improvement of Soil and Water Research Department, Soil and Water Research Institute of Iran, Karaj, Iran. بخش پایش و بهسازی منابع خاک و آب، موسسه تحقیقات خاک و آب ایران، کرج، ایران. Ali REZA Nafarzadegan علیرضا نفرزادگان a.r.nafarzadegan@hormozgan.ac.ir 100319475328460010151 100319475328460010151 No Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources Engineering, University of Hormozgan, Bandar-Abbas, Iran, گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران