Ecotoxicological assessment of coffee waste as a component of organic fertilizers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

About 6 million tons of coffee waste are generated annually in the world, which in most cases are not recycled, accumulate and have a negative impact on the environment due to the content of caffeine, tannin, polyphenols and other toxic substances. The use of coffee waste as organic fertilizer is limited by the presence of the same toxic compounds. A possible approach to reduce the negative impact of coffee waste on soil biota could be their composting, including vermicomposting. In this study, ecotoxicological assessment of coffee wastes before and after vermicomposting using earthworms Eisenia andrei was carried out. The initial waste showed high toxicity: coffee grounds were classified as hazard class II, coffee chaff − as hazard class III. After vermicomposting, toxicity decreased: samples with 25−50% waste content became low hazardous (class IV), and with 100% − moderately hazardous (class III). The study confirmed that vermicomposting is an effective method of coffee waste detoxification, allowing to obtain safe organic fertilizers. Dosages of no more than 50% of waste in compost were recommended for practical application.

About the authors

S. M. Fortova

Lomonosov Moscow State University

Email: fortova.sofia@yandex.ru
Moscow, 119991 Russia

L. P. Voronina

Lomonosov Moscow State University; Centre for Strategic Planning of FMBA of Russia

Moscow, 119991 Russia; Moscow, 119121 Russia

E. Y. Smolskiy

Lomonosov Moscow State University

Moscow, 119991 Russia

V. A. Romanenkov

Lomonosov Moscow State University

Moscow, 119991 Russia

P. V. Krasilnikov

Lomonosov Moscow State University

Moscow, 119991 Russia

References

  1. Воробьева Л.А. Лопухина О.В., Салпагарова И.А., Расторова О.Г., Андреев Д.П., Ладонин Д.В, Федорова Н.Н., Касаткина Г.А., Глебова Г.И., Рудакова Т.А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  2. Квиткина А.К., Журавлева А.И., Дударева Д.М., Быховец С.С. Влияние соотношения углерода к азоту (С/N) на минерализацию и трансформацию лигнина: модельный подход // Экология урбанизированных территорий. 2020. № 2. С. 30–40.
  3. Кузнецов А.М., Фесюн А.П., Самохвалов С.Г., Махонька Э.П. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М., 1992. 62 с.
  4. Семенов В.М. Функции углерода в минерализационно-иммобилизационном обороте азота в почве // Агрохимия. 2020. № 6. С. 78–96. Semenov V.M. “Functions of Carbon in the Mineralization-immobilization Turnover of Nitrogen in Soil” Agrochem. 6. P. 78–96. https://doi.org/10.31857/S0002188120060101
  5. Скрынникова И.Н. Методы определения окислительно-восстановительных условий в почве // Методы стационарного изучения почв. M.: Наука, 1997. 296 с.
  6. Al-Yousef H.M., Amina M. Essential oil of Coffee arabica L. husks: a brilliant source of antimicrobial and antioxidant agents // Biomed Res. Allied Academies. 2018. V. 29. P. 174–180. https://doi.org/10.4066/biomedicalresearch.29-17-867
  7. Blinová L., Sirotiak M., Bartošová A., Soldán M. Review: utilization of waste from coffee production // Research Papers Faculty of Materials Science and Technology Slovak University of Technology. 2017. V. 25. P. 91–101.
  8. Campos-Vega R. Loarca-Piña G., Vergara-Castañeda H.A., Oomah B.D. Spent coffee grounds: A review on current research and future prospects // Trends Food Sci Technol. 2015. V. 45. P. 24–36. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2015.04.012
  9. Cervera-Mata A., Fernández-Arteaga A., Navarro-Alarcón M., Hinojosa D., Pastoriza S., Delgado G., Rufián-Henares J.A. Spent coffee grounds as a source of smart biochelates to increase Fe and Zn levels in lettuces // J. Clean Prod. 2021. V. 328. P. 129548. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129548
  10. Cervera-Mata A., Fernández-Arteaga A., Fornasier F., Mondini C. Spent coffee grounds by-products and their influence on soil C–N dynamics // J. Environ. Manage. 2022. V. 302. P. 114075. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114075
  11. Cervera-Mata A., Martin-Garcia J.M., Delgado R., Sancez-Maranon M., Delgado G. Short-term effects of spent coffee grounds on the physical properties of two Mediterranean agricultural soils // Int. Agrophys. Bohdan Dobrzański Institute of Agrophysics Polish Academy of Sciences. 2019. V. 33. P. 205–216. https://doi.org/10.31545/intagr/109412
  12. Cervera-Mata A., Navarro-Alarcon M., Rufián-Henares J.A., Pastoriza S., Montilla-Gomez J., Delgado G. Phytotoxicity and chelating capacity of spent coffee grounds: Two contrasting faces in its use as soil organic amendment // Sci. Total Environ. 2020. V. 717. P. 137247. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137247
  13. Corrêa P.C., Oliveira G., Oliveira A., Vargas-Elías G., Santos F., Baptestini F. Preservation of roasted and ground coffee during storage Part 1: Moisture content and repose angle // Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental Unidade Acadêmica de Engenharia Agrícola. 2016. V. 20. P. 581–587. https://doi.org/10.1590/1807-1929/agriambi.v20n6p581-587
  14. Cruz R., Baptista P., Cunha S., Pereira J.A., Casal S. Carotenoids of Lettuce (Lactuca sativa L.) Grown on soil enriched with spent coffee grounds // Molecules. 2012. V. 17. P. 1535–1547. https://doi.org/10.3390/molecules17021535
  15. Domínguez J., Gómez-Brandón M. Vermicomposting: composting with earthworms to recycle organic wastes // Manage Org Waste. IntechOpen. 2012. P. 2–39. http://dx.doi.org/10.5772/33874
  16. Dzung N., Dzung T.T., Thi V., Khanh P. Evaluation of coffee husk compost for improving soil fertility and sustainable coffee production in rural central highland of Vietnam // Resources Environ. 2013. V. 3. P. 77–82. https://doi.org/10.5923/j.re.2013.0304.03
  17. Echeverria M.C., Nuti M. Valorisation of the residues of coffee agro-industry: Perspectives and limitations // Open Waste Manage J. 2017. V. 10. P. 13–22. http://dx.doi.org/10.2174/1876400201710010013
  18. Edward C.A. Earthworm Ecology. Boca Raton: CRC Press LLC, 2004. 456 p. https://doi.org/10.1201/9781420039719
  19. Fernandes A.S., Mello F.V.C., Filho S.T., Carpes R.M., Honorio J.G., Marques M.R.C., Felzenszwalb I., Ferrax E.R.A. Impacts of discarded coffee waste on human and environmental health // Ecotoxicol Environ Saf. 2017. V. 141. P. 30–36. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.03.011
  20. Gomes T., Pereira J.A., Ramalhosa E., Casal S., Baptista P. Effect of fresh and composted spent coffee grounds on lettuce growth, photosynthetic pigments and mineral composition // VII Congreso Ibérico de Agroingenieria y Ciencias Horticolas, Madrid, 26–29 August 2013, P. 1372-1376.
  21. González-Moreno M.A., Gracianteparaluceta G.B., Sadaba S.M., Urdin J.Z., Dominguez E.R., Ezcurdia M.A.P., Meneses A.S. Feasibility of vermicomposting of spent coffee grounds and silverskin from coffee industries: a laboratory study // Agronomy. 2020. V. 10. P. 1125. https://doi.org/10.3390/agronomy10081125
  22. Hardgrove S.J., Livesley S.J. Applying spent coffee grounds directly to urban agriculture soils greatly reduces plant growth // Urb Forest Urb Green. 2016. V. 18. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.ufug.2016.02.015
  23. Hechmi S., Guizani M., Kallel A., Zoghlami R., Ben Zrig E. Impact of raw and pre-treated spent coffee grounds on soil properties and plant growth: a mini-review // Clean Techn Environ Policy. 2023. Vol. 25. P. 2831–2843. https://doi.org/10.1007/s10098-023-02544-w
  24. Hoseini M., Cocco S., Casucci C., Cardelli V., Corti G. Coffee by-products derived resources. A review // Biomass Bioen. 2021. V. 148. P. 106009. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106009
  25. Jiménez-Zamora A., Pastoriza S., Rufián-Henares J.A. Revalorization of coffee by-products. Prebiotic, antimicrobial and antioxidant properties // LWT − Food Science Technol. 2015. V. 61. P. 12–18. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2014.11.031
  26. Kaur T. Vermicomposting: An Effective Option for Recycling Organic Wastes // Org Agricult. IntechOpen. 2020. https://doi.org/10.5772/intechopen.91892
  27. Kovalcik A., Obruca S., Marova I. Valorization of spent coffee grounds: A review // Food Bioproducts Process. 2018. V. 110. P. 104–119. https://doi.org/10.1016/j.fbp. 2018.05.002
  28. McNutt J., He Q. (Sophia). Spent coffee grounds: A review on current utilization // J Ind Eng Chem. 2019. V. 71. P. 78–88. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.11.054
  29. Moore M.T., Greenway S.L., Farris J.L., Guerra B. Assessing caffeine as an emerging environmental concern using conventional approaches // Arch Environ. Contam. Toxicol. 2008. V. 54. P. 31–35. https://doi.org/10.1007/s00244-007-9059-4
  30. Moreira A.S.P., Nunes F.M., Domingues M.R., Coimbra M.A. Coffee melanoidins: structures, mechanisms of formation and potential health impacts // Food Funct. Royal Soc. Chem. 2012. V. 3. P. 903–915.https://doi.org/10.1039/C2FO30048F
  31. Morikawa C.K., Saigusa M. Recycling coffee and tea wastes to increase plant available Fe in alkaline soils // Plant Soil. 2008. V. 304. P. 249–255. https://doi.org/10.1007/s11104-008-9544-
  32. Munirwan R.P., Mohd Taib A., Taha M.R., Abd Rahman R., Munirwansyah M. Utilization of coffee husk ash for soil stabilization: A systematic review // Phys Chem Earth. Parts A/B/C. 2022. V. 128. P. 103252. https://doi.org/10.1016/j.pce.2022.103252
  33. Murthy P., Naidu M. Sustainable management of coffee industry by-products and value addition—A review // Resources Conservation Recycling. 2012. Т. 66. P. 45–58. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2012.06.005
  34. Mussatto S.I., Machado E., Martins S., Teixeira J. Production, composition, and application of coffee and its industrial residues // Food Bioprocess Technol. 2011. V. 4. P. 661–672. https://doi.org/10.1007/s11947-011-0565-z
  35. Pérez-Burillo S., Cervera-Mata A., Fernández-Arteaga A., Pastoriza S., Rufián-Henares J.A., Delgado G. Why Should we be concerned with the use of spent coffee grounds as an organic amendment of soils? A narrative review: 11 // Agronomy. 2022. V. 12. P. 2771. https://doi.org/10.3390/agronomy12112771
  36. Pigozzi M.T., Passos F.R., Mendes F.Q. Quality of Commercial Coffees: Heavy Metal and Ash Contents // J. Food Quality. 2018. 5908463. https://doi.org/10.1155/2018/5908463
  37. Ribeiro J.P., Vicente E.D., Gomes A.P., Nunes M.I., Alves C., Tarelhoet L.A.C. Effect of industrial and domestic ash from biomass combustion, and spent coffee grounds, on soil fertility and plant growth: experiments at field conditions // Environ. Sci. Poll. Res. 2017. V. 24. P. 15270–15277. https://doi.org/10.1007/s11356-017-9134-y
  38. Rufián-Henares J.A., de la Cueva S.P. Antimicrobial activity of coffee melanoidins—a study of their metal-chelating properties // J. Agric. Food Chem. Am. Chem. Soc. 2009. V. 57. P. 432–438. https://doi.org/10.1021/jf8027842
  39. Sanchez-Hernandez J.C., Domínguez J. Chapter 12 – Vermicompost derived from spent coffee grounds: assessing the potential for enzymatic bioremediation // Handbook of Coffee Processing By-Products / Ed. Galanakis C.M. Academic Press, 2017. P. 369–398. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811290-8.00012-8
  40. Santos C., Fonseca J., Aires A., Coutinho J., Trindade H. Effect of different rates of spent coffee grounds (SCG) on composting process, gaseous emissions and quality of end-product // Waste Manage. 2017. V. 59. P. 37–47. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.10.020
  41. Santos dos J S., dos Santos M.L.P., Conti M.M., dos Santos S.N., de Oliveira E. Evaluation of some metals in Brazilian coffees cultivated during the process of conversion from conventional to organic agriculture // Food Chem. 2009. V. 115. P. 1405–1410.
  42. Silva S.A., Mendes F.Q., Reis M.R., Passos F.R., Carvalho A.M., Rocha K.R., Pinto F.G. Determination of heavy metals in the roasted and ground coffee beans and brew // AJAR. Academic J. 2017. V. 12. P. 221–228. https://doi.org/10.5897/AJAR2016.11832

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».