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Bull. Soc. Pharm. Bordeaux, 2009, 148, 77-92
BIOACCUMULATION DE MÉTAUX LOURDSCHEZ LA TOMATE ET LA LAITUE
FERTILISÉES PAR LES BOUES D’UNESTATION D’ÉPURATION (*)
Hanan KASSAOUI (1,3), Mustapha LEBKIRI (1), Ahmed LEBKIRI (1),El Houssine RIFI (1), Alain BADOC (2), Allal DOUIRA (3)
Les boues résiduaires de la station de traitement des eauxusées de la ville de Béni Mellal (Maroc) présentent des teneursappréciables en éléments fertilisants azotés et phosphorés, uneimportante quantité de matière organique et un pH légèrementacide (6,7). Leur apport au sol sableux de la Mamora entraine unelégère augmentation de l’acidité et de la salinité, a un effet négatifsur la germination des graines, mais augmenteproportionnellement les rendements de la Laitue et de la Tomate.Cependant, ces amendements intensifient les teneurs en métauxlourds des racines, feuilles et fruits. L’accumulation du chromeapparait l’une des contraintes majeures à leur valorisation.
(*) Manuscrit reçu le 3 novembre 2007.(1) Laboratoire de Synthèse Organique et Procédés d’Extraction, Université Ibn
Tofaïl, Faculté des sciences, BP133, 14000 Kénitra, Maroc. [email protected],[email protected], [email protected], [email protected]
(2) Laboratoire de Sciences végétales, Mycologie et Biotechnologie, GESVAB – EA3675, UFR Pharmacie, Université Victor Segalen Bordeaux 2, ISVV, 210, Cheminde Leysotte, CS 50008, 33882 Villenave-d’Ornon. [email protected]
(3) Laboratoire de Botanique et de Protection des Plantes, Université Ibn Tofaïl,Faculté des Sciences, BP 133, 14000 Kénitra, Maroc. [email protected]
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INTRODUCTION
La quantité croissante de boues produites au cours du traitement deseaux usées pose le problème de leur devenir. Malgré leur apport fertilisant(N, P, K, Ca, etc.), les boues urbaines ne peuvent être épandues si ellescontiennent des métaux lourds en quantité supérieure aux normes autoriséesen agriculture (Arrêté du 8 janvier 1998 / France), qui pourraient entrainerune contamination des sols et par là de la chaine alimentaire [15] et de lasanté humaine [13].
S’il est prouvé que l’épandage des boues favorise la productivité descultures, elle s’accompagne d’une accumulation de métaux lourds (Cd, Cu,Ni, Pb et Zn) [2,12], comme chez le Ray-grass [6,8]. Ces boues doivent alorsêtre incinérées, mises en décharge ou utilisées en partie dans une filière decompostage [16].
Dans le présent travail, l’effet de la dose de boue d’une station detraitement des eaux usées incorporée au substrat de culture a été étudié surla croissance, le rendement et l’accumulation de métaux lourds chez deuxespèces maraichères.
MATÉRIEL ET MÉTHODES
Sol
Le sol de la forêt de la Mamora a été utilisé. Il est très sablonneux,de structure meuble, de pH légèrement basique (7,53). Il présente 0,7 % dematière organique avec 0,14 % de carbone organique, ce qui en fait un solriche. Ses teneurs en métaux lourds le rendent propre à une utilisation enagriculture (Tableau I). Avant les essais, le sol a été homogénéisé à l’airlibre et tamisé.
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Tableau I :Caractéristiques physicochimiques du sol de la Mamora (moyennes de
trois répétitions).
Paramètres Résultats
Argile (%)
Limon fin (%)
Limon grossier (%)
Sable fin (%)
Sable grossier (%)
Calcaire total (%)
Carbone organique (%)
Matière organique (%)
Azote total (%)
pH-eau
salinité (mg/l)
Phosphore total (‰)
Phosphore assimilable (Olsen)
Calcium (mEq /100 g)
Magnesium (mEq /100 g)
Sodium (mEq /100 g)
Potassium (mEq /100 g)
Capacité d’échange cationiqueCadmium (ppm)
Zinc (ppm)
Cuivre (ppm)
Plomb (ppm)
Nickel (ppm)
Chrome (ppm)
Manganèse (ppm)
4,8
2,7
0,8
66,6
24,5
0,8
0,14
0,7
0,05
7,53
0,1
1,39
0,048
6,3
0,2
0,3
0,15
7,0
non détecté
279
25
34
44
73
626
Boue
La boue provient d’une station d’épuration (STPE) des eauxrésiduaires de la ville de Beni-Mellal au Maroc, construite en 1984 et situéeà 6 km au nord de la ville entre Bazzaza et Sidi Jaber. La station comprenddes ouvrages destinés au prétraitement biologique des eaux et des bouesavec une aération prolongée.
Sept échantillons ont été prélevés à différents endroits soit un totalde 500 kg de boue en mai 2005. Ils ont été séchés à l’air libre, broyés, puispassés sur un tamis avec une maille de 2 mm.
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Son pH légèrement acide, de 6,57 (Tableau II), correspond auxnouvelles recommandations du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique deFrance (CSHPF), qui demande un pH < 6 pour servir d’amendement. Ellessont riches en matière organique (22 % du poids de matière sèche) avec desteneurs élevées en composés azotés (2,1 %) et phosphorés (1,2 %). Lerapport C/N, compris entre 9 et 11, indique une bonne minéralisation de lamatière organique. Les teneurs en zinc, cuivre, plomb et nickel et leursomme sont au dessous des normes de la CEE.
Cependant, la conductivité électrique élevée, de l’ordre de 6 ms/cm,pourrait nuire aux cultures sensibles aux sels et les teneurs en chrome(1971 ppm) sont supérieures aux valeurs limites de la CEE (1000-1750 ppm).
Tableau II :Caractéristiques physicochimiques d’un échantillon de boue (moyennes
de trois répétitions).
Paramètres Résultats Normes CEE [5]pH-eauCarbone organique (%)Matière organique (%)Azote total (%)N/CPhosphore total (‰)Phosphore assimilable (Olsen) (‰)CE (ns/kg)Cadmium (ppm)Zinc (ppm)Cuivre (ppm)Plomb (ppm)Nickel (ppm)Chrome (ppm)Manganèse (ppm)Zn + Cu + Ni + Cr
6,5720,5622,42,119,741,161,665,8
limite de détection77513415535
1971237
2915
2030001000800200
10001000-1750
Matériel végétal
Deux plantes, une Laitue, Lactuca sativa var. longifolia et uneTomate, Solanum lycopersicum ‘Campbell 33’, ont été retenues commeindicatrices de la valeur fertilisante et des risques de toxicité par les métauxlourds par accumulation dans les feuilles ou les fruits destinés à laconsommation humaine.
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Test de germination
Les semences de Laitue et de Tomate sont désinfectées par trempagequinze minutes dans l’eau de Javel à 10 %, puis séchées sur papier buvard etplacées par vingt dans des pots remplis de mélanges sol de la Mamora et deboue résiduaire, avec des volumes secs de boue de 0, 25, 50, 75 et 100 %.Le pourcentage de germination est calculé après quinze jours d’incubationpour la Tomate et 12 pour la Laitue dans une étuve à 25°C à l’obscurité. Letest est répété trois fois.
Conditions de culture
Des semences de Laitue et de Tomate, désinfectées commeprécédemment puis séchées sur papier buvard, ont été mises à germer enpépinière dans des cuvettes remplies de tourbe.
Les plantules âgées de trois semaines (présentant alors environquatre feuilles) ont été repiquées dans des pots de 400 cm2 préalablementdésinfectés par trempage 30 min dans l’eau de Javel à 10 % et percées à leurbase pour permettre une percolation en cas d’excès d’arrosage sur unmélange de sol de la Mamora additionné avec des volumes secs de boue de0, 30, 50, 70 et 100 %. Les essais à raison de cinq pots contenant quatreplantes ont été conduits dans une serre de culture avec un arrosagejournalier à l’eau de robinet, sans répétition.
Paramètres mesurés
Les plantes ont été récoltées après trois mois de culture, soit à lamaturité des fruits pour la Tomate et avant la floraison pour la Laitue. Cinqparamètres ont été déterminés : hauteur des parties aériennes, nombre defeuilles par pied, nombre de feuilles présentant une coloration jaunâtre et,dans le cas de la Tomate, nombre de fruits et poids des fruits. Juste après larécolte, les parties souterraines et aériennes (tiges + feuilles + fleurs) ont étépesées et leur poids de matière sèche a été estimé après séchage 72 h àl’étuve à 70°C.
Les paramètres physicochimiques du sol (pH, carbone organique,azote total, phosphore organique, phosphore assimilable, conductivitéélectrique, granulométrie, capacité d’échange cationique, dosage du CaCO3)ont été obtenus selon la méthode d’analyse des sols [1].
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La minéralisation du sol et de la boue a été réalisée selon la norme
AFNOR N°31-151. Ainsi, 1 g d’échantillon de sol ou de boue fine a été mis
dans une capsule en porcelaine et calciné à 450°C dans un four à moufle de
type Nabertherm pendant deux heures. L'échantillon a été repris par 10 ml
d'acide fluorhydrique à 50 % et séché à nouveau dans un bécher en téflon
sur un bain de sable. La dissolution du résidu obtenu se fait addition de
7,5 ml d'acide chlorhydrique et 2,5 ml d’acide nitrique purs. Le bécher est
recouvert d’un verre de montre puis mis à sec sur plaque chauffante jusqu’à
disparition des vapeurs rousses synonyme d’une minéralisation complète.
La solution obtenue est complétée à 10 ml par de l'eau distillée. Des blancs
de minéralisation ont été menés conjointement.
La méthode de Tauzin et Juste [17] a été utilisée pour la Tomate et la
Laitue. Elle consiste à calciner 1 à 2 g de tiges, feuilles, fruits ou racines
broyés dans un four à moufle à 450°C pendant quatre heures. Les cendres
obtenues sont minéralisées par l’eau régale (25 % HNO3 et 75 % HCl), puis
ramenées à sec jusqu'à décoloration du minéralisat sur un bain de sable. Le
résidu est redissout dans 10 ml d’HCl 5 %, puis filtré sur papier Wattman
0,45 µm, complété à 20 ml avec HCl 5 %.
Les métaux lourds ont été ensuite dosés par spectrométrie d’émission
atomique de plasma d’argon à couplage inductif (ICP-AES) au laboratoire
de l’Office national des hydrocarbures et des mines de Rabat. L’appareil
utilisé est un spectromètre JY-38 et permet le dosage de fortes comme de
faibles concentrations.
Analyses statistiques
L’analyse de la variance et le test LSD pour la comparaison multiple
de moyennes à 5 % ont été effectués à l’aide du logiciel Statistica.
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RÉSULTATS
Effet de l’incorporation de boue sur le sol de la Mamora
Le pH du substrat diminue progressivement avec l’augmentation de
la dose de boue par rapport au témoin (Figure 1). Il passe de 7,25 à 30 % à
6,94, 6,78 et 6,6 pour 50, 70 et 100 %, respectivement.
Fig. 1 : Effet de l’apport de boue sur le pH du sol de la Mamora.
La comparaison de l’effet des différents traitements sur la
conductivité du sol est illustrée dans la Figure 2. Les concentrations testées
entrainent une augmentation de la salinité du sol par rapport au témoin. À
30 % de concentration, on constate une légère augmentation de la salinité.
Les valeurs maximales 252, 259 et 289 µs/cm ont été obtenues à 50, 70 et
100 % respectivement.
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Fig. 2 : Effet de l’apport de boue sur la salinité du sol de la Mamora.
Test de germination
La Laitue germe plus rapidement que la Tomate. La germination des
deux espèces est maximale avec la tourbe (Tableau III). L’apport de boues
diminue relativement peu la germination de la Laitue contrairement à celle
de la Tomate ‘Campbell 33’.
Tableau III :Influence de l’apport de boue au sol de la Mamora sur le taux de
germination (%) des semences de Tomate ‘Campbell 33’ après quinzejours, et de Laitue après douze jours.
% de boues Témointourbe
0 25 50 75 100
Tomate 85,0 70,2 65,4 71,7 64,8 65,5
Laitue 93,0 77,8 35,2 23,6 21,6 15,0
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Effet de l’apport de boue sur la croissance de la Tomate
L’incorporation de boue dans le substrat de culture influencefavorablement la croissance. La hauteur des pieds, le nombre de feuillescroissent significativement (Tableau IV), alors que le nombre de feuillesjaunâtres n’augmente significativement qu’avec 100 % de boue.
Tableau IV :Effet de l’apport de boue au sol de la Mamora sur la croissance de la
Tomate ‘Campbell 33’.
% de boues 0 30 50 70 100
Hauteur (cm) 35,2c 51,1b 51,7b 66,7a 69,1a
Nombre de feuilles 9,8c 12,95b 12,95b 13,35b 20,5a
Nombre de feuilles jaunâtres 4,1b 4,3b 4,85b 4,45b 6,5a
Poids de matière fraiche destiges, feuilles et fleurs (g)
18,83d 35,63c 38,90c 54,48b 86,42a
Poids de matière sèche destiges, feuilles et fleurs (g)
3,32c 7,21b 8,13b 8,60a 20,39a
Nombre de fruits 0,95c 1,55bc 1,95b 2,1b 2,85a
Poids de matière fraiche desfruits (g)
8,96c 30,62b 39,35b 41,98b 70,45a
Pour un même paramètre, deux résultats accompagnés d’une même lettre ne diffèrent pas
significativement au seuil de 5 %.
L’addition de boues améliore les poids de matière fraiche et sèchedes pieds de Tomate (tiges et feuilles). L’amélioration est six fois supérieureavec 100 % de boues et 2 à 2,5 fois pour les autres traitements.
L’apport de boue augmente significativement le nombre et le poidsdes fruits. Avec 100 % de boues, on obtient trois fois plus de fruits avec huitfois plus de poids de matière fraiche.
Bioaccumulation de métaux lourds chez la Tomate
L’apport de boues entraine une augmentation significative de laconcentration en cuivre par rapport au témoin (Tableau V). La concentrationest supérieure au seuil de toxicité de 15 ppm (OMS) dans les fruits dès unapport de 50 % de boues.
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Tableau V :Influence de l’apport de boue au sol de la Mamora sur l’accumulation
de cinq métaux lourds (ppm) chez la Tomate ‘Campbell 33’.
% de boues 0 30 50 70 100
Cufeuille
racine
tige
fruits
4,6
11,7
10,1
12,0
8,1
18,5
17,8
12,8
9,2
29,9
17,3
15,7
9,2
33,0
17,1
15,2
9,3
44,7
17,7
20,1
Cdfeuille
racine
tige
fruits
nd
nd
nd
nd
nd
0,9
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
nd
Crfeuille
racine
tige
fruits
3,3
8,5
1,7
0,3
5,8
200,6
4,6
1,5
8,9
281,9
3,2
2,5
14,9
386,9
2,1
3,2
14,1
260,1
4,8
2,6
Nifeuille
racine
tige
fruits
4,2
5,8
2,6
6,3
1,4
6,3
4,1
6,9
1,4
6,9
1,9
7,8
6,4
7,6
3,5
7,9
7,4
6,5
5,4
7,9
Mnfeuille
racine
tige
fruits
92,5
122,6
34,5
4,6
78,4
75,6
40,1
3,4
76,5
96,2
49,3
2,7
74,7
75,1
35,5
2,3
38,3
40,8
26,0
1,0
nd : non détecté
La teneur en cadmium n’a été détectée qu’une fois dans les racines.Le chrome s’accumule d’une manière significative au niveau des racines etde manière moindre dans les feuilles. Sa bioaccumulation apparait faibledans les fruits. Pour le nickel, on note au contraire une concentration nonnégligeable dans les fruits.
La bioaccumulation du manganèse concerne surtout les racines,suivies des feuilles et des tiges. Les teneurs sont élevées dans le témoin solde la Mamora.
87
Effet de l’apport de boue sur la croissance de la Laitue
L’apport de boue au sol de la Mamora favorise la croissance de laLaitue (Tableau VI). La taille des pieds tout comme les poids de matièresfraiche et sèche des parties aériennes augmentent significativement avec lepourcentage de boue. Le nombre de feuilles n’est pas significativementaugmenté au delà de 50 % de boue. Aucune feuille jaunissante n’a étéobservée sur les plants de Laitue.
Tableau VI :Effet de l’apport de boues sur la croissance de la Laitue.
% de boues 0 30 50 70 100
Hauteur (cm) 14,7d 20,5c 24,7b 26,9ab 27,2a
Nombre de feuilles 16,9c 20,4b 22,4a 22,8a 24,1a
Poids de matière fraichedes parties aériennes (g)
17,40d 33,33bc 53,13c 60,76ab 94,90a
Poids de matière sèchedes parties aériennes (g)
1,19d 2,49c 3,03bc 3,79ab 4,02a
Pour un même paramètre, deux résultats accompagnés d’une même lettre, ne diffèrent passignificativement au seuil de 5 %.
Bioaccumulation de métaux lourds chez la Laitue
L’accumulation du cuivre se fait préférentiellement au niveau de lapartie souterraine (Tableau VII). Les teneurs maximales sont atteintes à50 % de boues. Les teneurs en cadmium ne sont détectables que pour lesparties souterraines et sont maximales pour 50 et 70 % de boues. Le chromeest bioaccumulé préférentiellement dans les parties racinaires. La teneur estmaximale avec 50 % de boues pour les parties racinaires et 70 % pour lesparties aériennes. Le taux le plus élevé de nikel (6,4 ppm) est enregistrépour la partie aérienne en présence de 70 % de boues et est deux foissupérieur à la valeur obtenue chez les pieds témoins ; les autres conditionsne sont pas significativement différentes du témoin. Le manganèse estaccumulé dans les parties aériennes comme souterraines avec un maximumavec 30 et 50 % de boues.
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Tableau VII :Influence de l’apport de boues sur la teneur en cinq métaux lourds
(ppm) des parties aériennes avant floraison et souterraines de Laitue.
0 30 50 70 100
Cu
Parties aériennes 5,1 11,8 12,4 10,8 12,0Parties souterraines 14,6 32,5 38,8 34,8 24,9
Cd
Parties aériennes nd nd nd nd ndParties souterraines nd 0,9 1,4 1,0 0,9
Cr
Parties aériennes 2,6 19,8 15,9 31,9 17,7Parties souterraines 4,4 170,2 264,7 185,6 156,8
Ni
Parties aériennes 3,5 3,7 3,3 6,4 4,4Parties souterraines 4,4 4,6 5,7 5,5 5,3
Mn
Parties aériennes 35,0 56,5 56,5 42,2 47,5Parties souterraines 46,3 56,0 56,0 48,2 47,5
nd : non détecté
DISCUSSION ET CONCLUSION
Les teneurs en métaux du sol de la Mamora et des boues de la stationd’épuration de Béni-Mellal sont en conformité avec les normesinternationales à l’exception du chrome qui présente une forte teneur(1971 ppm) dans les boues.
Ces boues présentent des quantités appréciables en élémentsfertilisants azotés et phosphorés, une importante quantité de matièreorganique et un pH légèrement acide (6,7) qui permettent de prévoir uneamélioration du sol de la Mamora. Néanmoins, la présence du chrome engrande quantité est une contrainte à cette valorisation.
L’apport au sol de la Mamora de ces boues acides et riches en selsminéraux entraine une diminution du pH et une augmentation de la salinitéen mélange. La conductivité électrique croît avec l’augmentation del’incorporation de boue.
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La tourbe donne une meilleure germination des semences de Tomate‘Campbell 33’ et de Laitue que le sol de la Mamora. La laitue germe plusrapidement. L’apport de boues a un effet négatif sur la germination, quidiminue plus fortement pour la Laitue. Ce phénomène s’explique parl’augmentation de la salinité et par une tolérance à la salinité plus faible dela Laitue. La salinité retarde le processus de germination par diminution dela disponibilité en eau, ce qui inhibe le gonflement de la graine et entrainedes changements enzymatiques.
L’apport de boues améliore tous les paramètres de croissance et lerendement des deux cultures, à mettre en rapport avec le pouvoir fertilisantdes boues (N, K, P, etc.). Cependant, le nombre de feuilles jaunissantes chezla Tomate qui augmente avec l’apport de boues traduit un déficit enmanganèse.
Les teneurs en Cu, Cr et Ni des organes de la Tomate et de la Laitueaugmentent avec l’apport des boues. Les maxima ont été obtenus pour 50,70, 100 % d’apport.
Les teneurs en Cu chez la Tomate dépassent 15 ppm, seuil de débutde toxicité fixé par l’OMS. Cette augmentation est due à l’abondance ducuivre dans la boue de l’ordre de 134 ppm. La diminution du cuivre à 70 et100% de boues est probablement due à la forte adsorption des ions Cu2+ surles surfaces organiques et minérales chez la Tomate. Ceci confirme lesrésultats notés par Echab [6]. D’après Hooda et Alloway [9], les bouesrésiduaires peuvent jouer le rôle de source des métaux et de matriceadsorbante.
La teneur du cadmium est souvent inférieure à la limite de détectionde l’appareil en raison de la quasi-absence de ce métal dans le sol de laMamora et dans les boues. La détection dans les seules parties souterrainesde cadmium chez la Laitue contredit les résultats de Davies et White [4] quiont observé un transport du cadmium vers les parties aériennes. La facilitéde transfert du Cd est liée entre autre à sa grande mobilité dans le sol parrapport aux autres métaux [9]. Sa biodisponibilité et sa mobilité sont liées àsa solubilité et à sa forme géochimique [11].
La concentration en chrome bioaccumulé chez la Tomate peut êtreexpliquée par l’existence d’une forte teneur en chrome dans la boue. Cesvaleurs dépassent les teneurs naturelles trouvés chez les végétaux (0-3 ppm).
Les teneurs en nikel rencontrées dans les différents organes de laTomate restent inférieures aux valeurs extrêmes (8 mg/kg), rencontrées chezles végétaux [7]. Les teneurs du Ni rencontrées dans les pieds de Laitue sont
90
inférieures à la dose minimale toxique fixée par l’OMS (8 mg/kg). Malgréles concentrations de Ni plus ou moins élevées dans le sol (35 ppm) et laboue (44 ppm), on peut dire que la Laitue est une culture qui ne tolère pas lenickel.
De même, on a constaté une diminution de l’absorption dumanganèse par les plantes, due probablement à la présence d’une quantitéimportante de matière organique dans le substrat étudié, ce qui influence ladisponibilité en manganèse. Les teneurs en manganèse de la Tomatedemeurent inférieures à 50-150 mg/kg, teneurs rencontrées chez lesvégétaux [3]. Ce déficit en Mn se manifeste par une coloration jaunâtre desfeuilles. En effet, le manganèse intervient dans l’activation de certainesenzymes, la synthèse de la chlorophylle, la photosynthèse, la réduction desnitrates, la synthèse des acides aminés et des protéines [10]. Les feuilles sontnormalement les parties les plus riches en manganèse [14].
RÉFÉRENCES
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ABSTRACT
Bioaccumulation of heavy metals in tomato and lettuce fertilised withsludge from a wastewater treatment plant
The sludge present in the waste waters of a treatment plant in BeniMellal, Morocco, showed significant quantities of fertilizing nitrogenisedand phosphated elements, a large quantity of organic matter and a slightlyacidic pH (6.7). Their addition to the sandy soil of the Mamora gave a slightincrease in acidity and salinity of the substratum. It had a negative effect onthe germination rate but proportionally increased lettuce and tomato yields.However, these amendments increased the heavy metal levels of roots,leaves and fruits. This was especially true for chromium, which representsone of the major pitfalls to their use.
Key-words: heavy metal, Lactuca sativa, lettuce, Solanum lycopersicum,tomato, waste sludge.
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