Interactions between different types of biochar and soil microbial activity: the effects on the dynamics of labile organic matter and the behaviour of some pesticides

Abstract

El biochar, el carbón especial obtenido a través del proceso de pirólisis de la biomasa, se ha propuesto como un medio de captura de carbono a través del suelo. También se ha considerado útil para mejorar algunas de las propiedades pertinentes del suelo y para reducir los efectos adversos de los contaminantes. Pero el uso de biochar debe garantizar, además de su conservación, que no genere efectos adversos en los organismos vivos, en las funciones ecosistémicas del suelo, o sobre los sistemas naturales adyacentes. Esta tesis pretende contribuir al conocimiento en este sentido, mediante el estudio de: -La capacidad del biochar para proteger la materia orgánica más lábil del suelo; -Los efectos adversos causados por el biochar una vez incorporado en el suelo, en función del tipo de proceso de pirólisis y las dosis aplicadas; y -La modulación de los efectos secundarios tóxicos de algunos pesticidas cuando se incorporan a los suelos que han recibido un aporte de biochar Para alcanzar estos objetivos, se utilizaron tres tipos de biochar producidos a partir de la misma biomasa (astillas de madera de pino) como enmienda del suelo: biochar producido por pirólisis lenta (PL), el obtenido por pirólisis rápida (PR) y el obtenido a través de la gasificación de la biomasa (PG). La adición de biochar genera cambios en la estructura y la biología del suelo, sea por la modificación positiva o negativa de su equilibrio físico y biológico. Considerando que la comunidad microbiana juega un importante papel regulador en el suelo, condicionando las reacciones bióticas más importantes, la biomasa microbiana y su actividad respiratoria se utilizaron como indicadores de los efectos producidos por la adición de biochar. Se han usado modelos de adsorción que se han utilizado para evaluar la capacidad del biochar para adsorber y proteger la materia orgánica más lábil del suelo. Se disenó un experimento factorial completo para comprobar los efectos de tres factores individuales (biochar, nutrientes y adición de glucosa) y su relación con la mineralización de la materia orgánica del suelo. Los resultados de este trabajo indicaron que cada tipo de biocarbón estableció diferentes interacciones con el suelo. El ensayo ecotoxicológico sugirió que el biochar de pirólisis rápida (PR) es el menos recomendado si se utiliza en dosis superiores a la ED50 calculada. No se obtuvo evidencia de interacciones de protección de materia orgánica lábil, como la glucosa, por nuestros resultados. Aunque la glucosa fue absorbida con eficacia en el suelo tratado con biochar, la absorción no actuó como un mecanismo de protección a largo plazo contra la mineralización. El biochar producido por la pirólisis lenta o por gasificación, PL y PG, resultaron los más recomendables desde el punto de vista de la respuesta de la biomasa microbiana. Sobre la base de estos resultados, PL fue el biochar elegido para evaluar si la aplicación de tres plaguicidas podía tener efectos adversos detectables sobre la actividad microbiana del suelo, y para evaluar si la adición de biochar modifica la toxicidad o los efectos adversos de estas sustancias químicas en el suelo. La modulación de los efectos producidos por estas sustancias químicas ha quedado demostrada. Estos resultados remarcan cómo diferentes biochars ejercen diferentes interacciones con el suelo, en función de sus características físico-químicas intrínsecas. En esta tesis se hace hincapié en la importancia de futuros trabajos centrados en la formulación de directrices para la aplicación de biochar en el suelo.

Biochar, the particular charcoal obtained through the process of pyrolysis of biomass, has been proposed as a mean of carbon sequestration through soil. It has been also considered useful to improve some relevant properties of the soil fertility and to reduce adverse effects of pollutants. But the use of biochar must ensure, in addition to its conservation, that it does not generate adverse effects on living organisms, on the soil ecosistemic functions, or on the adjacent natural systems. This thesis attempts to contribute to knowledge in this regard, by studying: - The biochar's ability to protect the most labile soil organic matter; - The hypothetic adverse effects caused by biochar once incorporated into the soil, depending on the type of pyrolysis process and doses applied ; and - The modulation of the toxic side effects of some pesticides when incorporated into soils that have received a provision of biochar. To achieve these goals three types of biochars produced from the same starting biomass (pine wood chips) were used to amend soil: biochar produced by slow pyrolysis (PL), biochar obtained from fast pyrolysis (PR) and biochar obtained through the gasification of biomass (PG). The addition of biochar results in changes of the structure and biology of the soil, then in positive or negative modification of its physical and biological balance. Considering that microbial community plays a major regulatory role in the soil, conditioning the most important biotic reactions, microbial biomass and soil respiration were used as indicators of the effects produced by the addition of biochar into the soil. Sorption models were used to assess the ability of biochar to adsorb and protect the most labile soil organic matter. A fully factorial experiment was designed to check the effects of three single factors (biochar, nutrients and glucose addition) and their relationship with the whole SOM mineralization. The results of this work demonstrated that each kind of biochar established different interactions with the soil.