评估城市固体废物衍生蚯蚓堆肥对菠菜的土壤改良、植物生长表现及关联健康风险的影响

《Environmental Research》：Evaluating Municipal Solid Waste-Derived Vermicompost for Soil Improvement, Plant Performance, and Associated Health Risk in Spinach

　　

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  MSW_VC 在较低剂量（20-40%）下提高土壤和生化参数。
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  较高剂量（>60%）在菠菜中引起氧化应激（LPO）。
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  在较高剂量（>60%）下镍和锌的迁移性增强。
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  儿童比成人更容易受到非致癌和致癌风险的影响。
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  MSW_VC 可以作为无机肥的替代品，但在较高剂量下需谨慎。

引言

自工业化以来，人口的快速增长和城市化大幅增加了家庭、商业和机构废弃物的产生量(Srivastava等, 2015)。统称为城市固体废物（MSW）的废弃物已成为当今时代最令人关注的环境挑战之一(Srivastava等, 2018)。全球范围内，2022年MSW产生量估计为25.6亿吨（Mt），预计到2050年将达到每年约38.6亿吨(Cook等, 2026)。2022年，包括印度、巴基斯坦、阿富汗、不丹、尼泊尔、斯里兰卡、孟加拉国和马尔代夫在内的南亚国家产生了约3.46亿吨MSW，人均日产生量为0.44千克，低于全球平均水平0.88千克。值得注意的是，产生的废物中有46%是有机废物，包括食物、花园和木材废物，而塑料、纸张、玻璃和金属总计占近36%。总体而言，产生的废物中有67%被收集，其中城市地区的收集效率为88%，农村地区为54%。在废物管理实践方面，约38%的废物被露天倾倒，6%被处置在受控垃圾填埋场，11%经过堆肥和厌氧消化，11%和3%分别被回收和焚烧(Cook等, 2026)。这种不断升级的趋势强调了发展中国家迫切需要可持续的废物管理解决方案。与此同时，全球农业生产力正面临长期的可持续性危机，原因是化学肥料和农药的滥用(Yatoo等, 2021)。尽管这些化学品最初提高了生产力，但其广泛应用导致了生态失衡、土壤退化和产量损失(Srivastava等, 2025)。全球超过60%的农业土壤表现出严重的退化和肥力丧失，而35%的土壤遭受严重压实，主要是由于农业化学品的不当和过度施用(Xing等, 2025)。因此，将MSW的有机部分转化为肥料补充剂可以减少大量废物，并通过减少无机肥料的依赖来恢复土壤健康，从而促进循环经济(Srivastava等, 2020; Yatoo等, 2021)。如今，通过蚯蚓稳定化进行的有机废物回收——一种利用蚯蚓将多种废物转化为蚯蚓堆肥的生物氧化过程——正越来越受欢迎，因为它将废物从露天垃圾填埋场转移到农田，从而闭合营养循环(Vaish等, 2022)。它确保了氮（N）、磷（P）和钾（K）等主要必需营养元素的平衡供应，以及钙（Ca）和镁（Mg）等次级大量营养元素。此外，它通过改善土壤质地、增加持水能力和促进营养元素的有效性和吸收来提高土壤的理化及生物学特性(Khosropour等, 2021; Srivastava等, 2018, 2021; Chakraborty等, 2024)。

尽管有这些益处，废物衍生堆肥和蚯蚓堆肥中重金属（HMs）的存在仍然是一个主要问题，因为它们可以被植物吸收并污染食物链，对健康构成风险(Srivastava等, 2016)。因此，评估种植在废物衍生堆肥和蚯蚓堆肥改良农田上的作物中重金属的积累至关重要，特别是在常规食用的水果和叶类蔬菜中，并评估人类面临的重金属相关健康风险的严重程度(Rahim等, 2024)。与以往主要集中在各种单个方面（如不同废物的堆肥/蚯蚓堆肥(Sharma等, 2024; Hujuri等, 2023)、其优化(Yilmaz等, 2022; Tang等, 2023)、成熟度研究(Srivastava等, 2020)、结构表征(Li等, 2021; Bhat等, 2017)、营养元素动态(Chakraborty等, 2024; Phiri等, 2025)、土壤肥力和植物生长响应(Rashtbari等, 2020; Akef Bziouech等, 2024)、重金属吸收和人类健康风险评估(Saleem等, 2018; Zhang和Zhang, 2025)的研究不同，本研究通过对土壤健康改善、植物形态和生化响应、重金属动态和积累（BCF和TF）以及在菠菜（*Spinacia oleracea* L.）中的人类健康风险进行综合评估，探索了MSW衍生蚯蚓堆肥的全面评估。据我们所知，研究植物对MSW衍生蚯蚓堆肥生长响应的研究很少(Soobhany等, 2017; Srivastava等, 2018)，将其应用于叶类蔬菜并与相关健康风险结合的研究尚未得到系统检验。在此背景下，本研究旨在阐明MSW_VC在菠菜栽培中的农艺和健康影响，方法如下：(a) 评估不同MSW_VC处理下土壤理化性质的变化以及菠菜的生化及形态响应；(b) 使用生物浓缩因子（BCF）和转移因子（TF）评估重金属从土壤到植物的吸收和转移；(c) 通过每日估计摄入量（EDI）、靶标危害商数（THQ）、危害指数（HI）和致癌风险（CR）确定潜在的人类健康风险；以及(d) 利用多元分析阐明土壤属性、植物生化特征和重金属动态之间的相互关系，为可持续废物管理和食品安全提供综合见解。

总体而言，本研究证明了MSW_VC作为可持续废物管理策略和肥料替代品的双重作用，同时强调了较高剂量相关的潜在健康风险。此外，研究结果提供了关于在叶类作物中平衡MSW衍生蚯蚓堆肥的农艺优势和食品安全问题的新见解。

章节片段

研究区域

本研究在印度瓦拉纳西贝拿勒斯印度教大学（BHU）的环境与可持续发展研究所（IESD）进行（25°14′N, 82°3′E；海拔76.19米）。在本研究期间，平均月最高温度在23.64至30.73 °C之间，平均月最低温度在11.32至18.20 °C之间。

实验设计

实验在装有10千克土壤的陶土盆（高30厘米，直径30厘米）中进行。MSW的有机部分使用

加施MSW_VC土壤的理化分析

表1列出了在不同处理下土壤的pH、EC、TOC、TKN、速效P以及0和45天后不同MSW_VC添加剂的交换态（Ex.）Na、K和Ca水平。表S2列出了本研究使用的MSW_VC的理化性质和重金属含量。各种理化参数，即pH（7.25）、EC（2.79 dS cm^-1）、TOC（364.8 g kg^-1）、NPK（分别为16.84、14.44和16.17 g kg^-1），均在推荐范围内

结论

本研究调查了MSW_VC在改善土壤性质和生化参数方面的应用，并评估了食用种植在MSW_VC中的菠菜相关的人类健康风险。结果表明土壤养分状况（NPK）有显著改善，20-40%的添加量显著增加了叶绿素、类胡萝卜素和蛋白质含量。相反，MSW_VC（>40%）表现出脂质过氧化和脯氨酸积累的显著增加。非致癌风险

CRediT作者贡献声明

Vaibhav Srivastava: 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Jyoti Singh: 撰写——审阅与编辑，验证，数据整理。Meenakshi Srivastava: 撰写——审阅与编辑，可视化，验证，软件，数据整理。Rajeev Pratap Singh: 撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，方法论，资金获取，数据

未引用参考文献

Allen等, 1974; Cook, 2026; Fernández‐Bayo等, 2009; Hafeez, 2013; H?nsch和Mendel, 2009; Hemadri Reddy等, 2024; ICMR-National Institute of Nutrition Expert Committee, 2024; Joint, F. A. O., WHO Expert Committee on Food Additives, & World Health Organization, 1993; Keller和Schwager, 1977; Khosropour等, 2022; Kumar和Radziemska, 2022; Pan和Huang, 2024; Ramakrishnaiah和Somashekar, 2002; Sharma等, 2024; Singh和Sinha, 2004; Srivastava等, 2020; US EPA, 2011

参与同意和发表同意

作者同意内容，并且所有作者均有明确同意提交。

生成式AI在科学写作中的声明

在撰写手稿时，作者使用了Grammarly来改进他们的语言和语法。使用该工具后，作者按要求审阅和编辑了内容，并使用turnitin检查了其AI生成内容的抄袭情况。作者对出版物的内容承担全部责任。

未引用参考文献

Y?lmaz等, 2022

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者（Rajeev Pratap Singh和Vaibhav Srivastava）感谢贝拿勒斯印度教大学环境与可持续发展研究所环境与可持续发展系主任。此外，Vaibhav Srivastava和Vaishali Mishra衷心感谢阿拉哈巴德大学生物系主任，感谢其机构支持。

Rajeev Pratap Singh|Vaishali Mishra|Meenakshi Srivastava|Jyoti Singh|Vaibhav Srivastava