Stability of Lead Immobilization by Hydroxyapatite and Biochar in a Typical Brown Soil (Haplic Cambisol)

التربة هي أكثر من مجرد تراب؛ إنها أساس حي يتنفس، يمدنا بالغذاء الذي نأكله والماء الذي نشربه. ومع ذلك، عندما يتلوث هذا الأساس بالمعادن الثقيلة مثل الرصاص، فإنه يشكل خطراً صامتاً ومتسللاً. الرصاص عنصر سام لا يتحلل أو يختفي، بل يتراكم بدلاً من ذلك في الطبقات العليا من الأرض، حيث تنمو النباتات وترعى الحيوانات. وبمجرد دخول الرصاص إلى التربة، يمكن أن تمتصه المحاصيل، لتنتقل عبر السلسلة الغذائية حتى تصل إلى موائد البشر، مما يهدد الصحة في كل خطوة. ولا يقتصر التحدي الذي يواجه العلماء على إزالة هذا السم فحسب، وهو أمر غالباً ما يكون مستحيلاً دون تدمير التربة نفسها، بل يكمن في "حبسه". تهدف هذه العملية، المعروفة باسم "التثبيت"، إلى تحويل الرصاص من شكل يمكن للنباتات امتصاصه بسهولة إلى حالة صلبة ومستقرة تظل محتجزة في الأرض. والهدف هو إيجاد مواد يمكن أن تعمل كمرتكزات دائمة، تثبت المعدن في مكانه بحيث لا تستطيع الأمطار أو مرور الوقت غسله ليعود إلى حالة متحركة وخطيرة.

في المناطق الجنوبية من الشرق الأقصى الروسي، واجه الباحثون هذه المشكلة تحديداً في نوع معين من التربة يُعرف بالتربة البنية، أو (Haplic Cambisol). هذه التربة حامضية بطبيعتها وغنية بالمواد العضوية، ومع ذلك فهي تفتقر إلى القدرة الطبيعية على التمسك بالرصاص بشكل دائم. وللتحقق من أفضل طريقة لتأمين هذه التربة، أجرى فريق من العلماء من فرع الشرق الأقصى للأكاديمية الروسية للعلوم وجامعة الشرق الأقصى الفيدرالية دراسة تفصيلية. لقد اختبروا مادتين مختلفتين تهدفان إلى تثبيت الرصاص: معدن اصطناعي يسمى "هيدروكسي أباتيت" وفحماً يُعرف باسم "البيوتشار" (الفحم الحيوي). أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكان هاتين المادتين العمل بمفردهما، أو ما إذا كان مزجهما معاً سيخلق "مادة خارقة" قادرة على حل المشكلة بفعالية أكبر. وقد أقاموا تجربة أضافوا فيها هذه المواد إلى التربة بمستويات مختلفة من التلوث بالرصاص، وراقبوا سلوك التربة على مدار ثلاثة أشهر.

أول ما اكتشفه الفريق هو أن التربة الأصلية، بمفردها، كانت تمتلك قدرة محدودة جداً على التمسك بالرصاص. وبينما استطاعت ربط كمية صغيرة، إلا أنها فعلت ذلك من خلال عملية عكسية، مما يعني أن الرصاص يمكن أن يتحرر بسهولة إلى البيئة إذا تغيرت الظروف. ووجد الباحثون أن قدرة التربة الطبيعية على حبس الرصاص تبلغ حوالي 24 إلى 25 ملليغرام لكل غرام من التربة. وبمجرد تجاوز كمية الرصاص في التربة لهذا الحد، يظل الفائض حراً وخطراً. ثم وجه العلماء اهتمامهم إلى المادتين المضافتين، ووجدوا أن "الهيدروكسي أباتيت" الاصطناعي كان قوة ضاربة بالمقارنة؛ حيث استطاعت هذه المادة امتصاص ما يقرب من 1,100 ملليغرام من الرصاص لكل غرام، وهي سعة تزيد بنحو 45 مرة عن سعة التربة نفسها. وفي المقابل، كان أداء "البيوتشار"، المصنوع من خشب البتولا والذي يحتوي على نسبة منخفضة من الرماد المعدني، متواضعاً للغاية؛ إذ كانت قدرته على حبس الرصاص مقاربة للقدرة الطبيعية للتربة، مما قدم مجرد دفعة بسيطة ومؤقتة.

وعندما خلط الباحثون هذه المواد مع التربة الملوثة وتركوا التجربة لمدة 8 و46 و90 يوماً، اتضح الفرق في أدائهما. فقد أثبت "الهيدروكسي أباتيت" أنه حاجز مستقر وفعال بشكل ملحوظ؛ ففي التربة ذات مستويات التلوث المتوسطة إلى العالية بالرصاص، أدت إضافة هذا المعدن إلى تقليل كمية الرصاص التي يمكن أن تذوب في الماء بنسبة تتراოდ بين 18.5 و59.1 بالمئة. كما قلل أيضاً من كمية الرصاص التي يمكن استبدالها بسهولة بواسطة جذور النباتات بنسبة تتراوح بين 8.6 و46.4 بالمئة. والأهم من ذلك أن هذا التحسن لم يتلاشَ بمرور الوقت، بل على العكس، زادت فعالية "الهيدروكسي أباتيت" قليلاً مع تقدم التجربة، مما يشير إلى أن التفاعل الكيميائي الذي يحبس الرصاص في مكانه كان لا يزال مستمراً. ولعل الأهم من ذلك هو أن هذه المادة عملت دون تغيير حموضة التربة بشكل كبير؛ فغالباً ما تتضمن الطرق المستخدمة لتنظيف التربة إضافة الجير لجعل التربة أكثر قلوية، وهو ما قد يؤدي إلى آثار جانبية، إلا أن "الهيدروكسي أباتيت" قلل من حركة الرصاص مع الحفاظ على درجة حموضة التربة (pH) كما هي تقريباً، مما يجعله آمناً للاستخدام مباشرة في هذه البيئات الحامضية طبيعياً دون الحاجة إلى تعديلات كيميائية إضافية.

أما "البيوتشار"، فقد روى قصة مختلفة؛ فبينما قلل من كمية الرصاص المتحرك في المدى القصير، إلا أن تأثيره كان غير مستقر ولم يتحسن مع مرور الوقت. وبحلول نهاية فترة الـ 90 يوماً، لم تكن قدرة "البيوتشار" على حبس الرصاص قد زادت، وظل أداؤه مشابهاً لما يمكن أن تفعله التربة بمفردها. وعندما اختبر الباحثون المادتين معاً، وجدوا أن "الهيدروكسي أباتيت" كان أسرع وأقوى بكثير في الإمساك بالرصاص لدرجة أنه استحوذ على المهمة تماماً. لم يمنع "البيوتشار" "الهيدروكسي أباتيت" من العمل، لكنه لم يضف أي قوة إضافية كبيرة إلى الخليط أيضاً. لقد تم التقاط الرصاص بواسطة "الهيدروكسي أباتيت" بسرعة كبيرة لدرجة أن "البيوتشار" لم تكن لديه فرصة للمساهمة بقدرته الربط الخاصة. وقد أدى هذا بالعلماء إلى استنتاج أن المادتين لا تعملان معاً بطريقة تآزرية حيث يكون الكل أكبر من مجموع أجزائه، بل تؤدي كل منهما وظائف مختلفة.

تشير الدراسة إلى مسار واضح لتنظيف التربة البنية الملوثة بالرصاص. يعمل "الهيدروكسي أباتيت" كخط دفاع أول، وهو حاجز كيميائي طويل الأمد يحبس الرصاص بشكل دائم في شكل معدني مستقر، مما يمنعه من دخول السلسلة الغذائية. أما "البيوتشار"، ورغم عدم فعاليته في ربط الرصاص بشكل دائم في هذه التربة الحامضية تحديداً، إلا أنه لا يزال يلعب دوراً؛ إذ يمكن استخدامه لتحسين البنية الفيزيائية للتربة، مما يساعدها على الاحتفاظ بالماء والهواء بشكل أفضل، وهو أمر مفيد لنمو النباتات. ويقترح الباحثون أن أفضل نهج هو استخدام "الهيدروكسي أباتيت" أولاً لتأمين المعدن السام، ثم إضافة "البيوتشار" لاحقاً إذا لزم الأمر لتحسين قوام التربة. هذا النهج يسمح بمعالجة الأرض بأمان دون الحاجة إلى علاجات كيميائية معقدة أو خطر عودة الرصاص إلى حالة الحركة في المستقبل. وتؤكد النتائج أنه بينما توفر الطبيعة بعض الحماية، فإن هناك حاجة إلى معادن محددة ومستقرة لضمان بقاء المعادن الثقيلة السامة مدفونة بأمان في الأرض.