مقالة بحثية

تقييم الفحم الحيوي المشتق من النفايات على الصحة والنشاط البيولوجي للتربة

1.3K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/68994

⸱

أكتوبر 10, 2025

 ,  , 
1Department of Applied Ecology, Faculty of Environmental Sciences, Czech University of Life Sciences Prague

في هذه المقالة

ملخص

نقوم هنا بتقييم تأثيرات الفحم الحيوي المشتق من النفايات من القهوة المطحونة ، والقفزات المستهلكة ، وخشب التنوب ، وأعقاب السجائر على صحة التربة ، وتقييم النشاط الميكروبي ، ونمو النبات ، والسمية البيئية المحتملة لللافقاريات.

الملخص

الفحم الحيوي هو المنتج الذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين الكتلة الحيوية من خلال الانحلال الحراري في درجات حرارة عالية وقد ظهر كتعديل شائع للتربة بناء على قدرته على تحسين خصائص التربة مثل احتباس الماء ودرجة الحموضة وتوافر المغذيات. ومع ذلك ، يمكن أن يمارس الفحم الحيوي المحضر من بعض مواد النفايات تأثيرات سلبية على الكائنات الحية في التربة. كان الهدف العام من هذه الدراسة هو تقييم تأثير الفحم الحيوي المختار المشتق من القهوة المطحونة ، والقفزات المستهلكة ، وخشب التنوب ، وأعقاب السجائر على صحة التربة ، مع التركيز على النشاط الميكروبي ونمو النبات والسمية البيئية المحتملة. تم تحضين التربة المعدلة بالفحم الحيوي لمدة 15 يوما في المجموع ، وتم إجراء سلسلة من المقايسات ، بما في ذلك نشاط نازعة الهيدروجين ، والقياس الكمي للبكتيريا ، والمقايسة الحيوية للسمية النباتية باستخدام بذور Sinabis alba ، واختبار السمية البيئية باستخدام Enchytraeus albidus. يمكن أن تؤدي تعديلات الفحم الحيوي إلى تغيير درجة حموضة التربة وتؤثر على احتباس الماء. أظهر الفحم الحيوي لأعقاب السجائر أعلى تحفيز للمستعمرات البكتيرية ، حيث وصلت الأعداد إلى 1.00 × 106 CFU / مل مقارنة ب 8.47 × 104 CFU / مل عبر التكرارات الضابطة ، في حين أن الفحم الحيوي المطحون للقهوة عزز نشاط نازعة الهيدروجين (3.53 × 10-3 mU / g) ، مما يعني قدرة استقلابية ميكروبية أعلى. أشارت اختبارات السمية النباتية إلى أن نمو النبات قد تم تعزيزه من خلال القفزات (162.96٪) والفحم الحيوي من خشب التنوب (206.66٪) ، في حين أن معدلات الاستخدام المرتفعة للفحم الحيوي بعقب السجائر قمعت نمو الشتلات (تثبيط 62.36٪). أشار اختبار السمية البيئية مع Enchytraeus albidus إلى أن جميع الفحم الحيوي كان له تأثير ضار باستثناء الفحم الحيوي لعقب السجائر (تحفيز 33٪). تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على أن تأثير الفحم الحيوي على صحة التربة يعتمد على المصدر ، مع آثار مهمة على إدارة التربة. تكشف الدراسة عن الحاجة إلى تعديلات تطبيق الفحم الحيوي بناء على التركيز والنوع لتعظيم فوائدها مع تقليل المخاطر المحتملة على أنظمة التربة.

المقدمة

في السنوات الأخيرة ، ظهر الفحم الحيوي كتعديل تربة متعدد الوظائف وصديق للبيئة يتم تطبيقه في الزراعة1 ، وكوسيلة للتخفيف من ظاهرة الاحتباس الحراري2. بينما يكافح العالم تدهور الأراضي ، وانخفاض إنتاجية المحاصيل ، وزيادة انبعاثات الكربون ، برز الفحم الحيوي كبديل أخضر للأسمدة التقليدية3 ونهج عزل الكربون4. على عكس الأسمدة الاصطناعية ، يزيد الفحم الحيوي بطبيعته من خصوبة التربة5 ، ويقلل من فقدان المغذيات6 ، ويزيد من احتباس الماء7 ، مما يجعله مفيدا للغاية في المناطق ذات التربة المتدهورة أو منخفضة الخصوبة. بالإضافة إلى ذلك ، يعزز الفحم الحيوي الوظيفة الميكروبية من خلال توفير موطن مستقر ومصدر كربون للكائنات الحية الدقيقة المفيدة في التربة ، والتي تعتبر مهمة لتحلل المواد العضوية ودورة المغذيات8.

بصرف النظر عن الزراعة ، يعمل الفحم الحيوي أيضا كحل أخضر للتخلص من النفايات لأنه يحول بقايا الكتلة الحيوية مثل المخلفات الزراعية وبقايا الغابات ومخلفات الطعام إلى مادة كربونية طويلة الأجل9. هذا لا يحد من تراكم النفايات فحسب ، بل يعوض أيضا غازات الدفيئة من خلال احتجاز الكربون ، والذي قد يتسرب من ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون2) أو الميثان (CH4). بالمقارنة مع الآليات الأخرى لعزل الكربون ، يقدم الفحم الحيوي استراتيجية طويلة الأجل ومتكاملة للتربة تخفف من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 وتدعم التربة الصحية بالإضافة إلى الغلة العالية10.

على الرغم من فوائدها المعترف بها - مثل تعزيز خصوبة التربة ، والقدرة على الاحتفاظ بالمياه ، وخصائص تحفيز الميكروبات - هناك مخاوف مستمرة بشأن التأثيرات السمية البيئية المحتملة على الكائنات الحية في التربة11. في حين أن الفحم الحيوي إيجابي بشكل عام للنشاط الميكروبي والتنوع ، فإن بعض المواد الأولية أو ظروف المعالجة يمكن أن تنتج مركبات سامة تضر بالكائنات الحية الدقيقة في التربة ووظيفتها البيئية12.

لتقييم المخاطر المحتملة للفحم الحيوي ، من الضروري إجراء تقييمات السمية البيئية. البكتيريا (المحللات) والنباتات (المنتجون) واللافقاريات (المستهلكون) هي من بين المجموعات التصنيفية المستخدمة في البحث عن السمية البيئية للتربة والرواسب. تمثل هذه الأصناف كلا من البيئات الأرضية والمائية13.

الوظيفة التكميلية ل Enchytraeids مع ديدان الأرض في عمل النظام البيئي للتربة هي الأساس لتطوير المقايسات الحيوية لهذه الكائنات الحية. في المقايسات الحيوية ، تعمل Enchytraeids كنماذج بيولوجية أرضية للتحقيق في تأثيرات المواد الكيميائية مثل المبيدات الحشرية (مثل ثنائي الميثوات والأترازين والكاربيندازيم) والمعادن النادرة (مثل الرصاص والزنك والنحاس والكادميوم) 14.

بالإضافة إلى المقايسات القائمة على الكائنات الحية ، يعد نشاط الإنزيم الميكروبي طريقة أخرى لتقييم صحة التربة. نشاط نازعة هيدروجين التربة هو مؤشر على النشاط التأكسدي الميكروبي15. يعد اختبار نازعة الهيدروجين في مخاليط التربة والفحم الحيوي فعالا في قياس النشاط الميكروبي وصحة التربة بشكل عام. نظرا لأن إنزيمات نازعة الهيدروجين تشارك في التنفس الميكروبي ، فإن نشاطها يعكس مدى نشاط التربة بيولوجيا. هذا مفيد لتقييم جودة التربة وخصوبتها وتأثير الفحم الحيوي على الميكروبات. يقيس الفحص تقليل كلوريد ثلاثي فينيل رباعي الزوليوم (TTC) إلى ثلاثي فينيل فورمازان (TPF) ، والذي يتم تحديده طيفيا ضوئيا. يعد إنتاج TPF المرتفع مؤشرا على ارتفاع النشاط الميكروبي.

نتوقع أن يكون للفحم الحيوي المنتج من مواد أولية مختلفة تأثيرات مميزة على صحة التربة. ستعتمد هذه التأثيرات على خصائصها الكيميائية والفيزيائية ، والتي قد تغير المعلمات الفيزيائية والكيميائية للتربة ، وبالتالي تؤثر على النشاط الميكروبي ونمو النبات وسمية الكائنات الحية في التربة.

في هذه الدراسة ، نقوم بتقييم تأثيرات الفحم الحيوي المشتق من النفايات على مقاييس صحة التربة المتعددة ، بما في ذلك الأس الهيدروجيني والنشاط الميكروبي ونمو النبات وبقاء اللافقاريات (الشكل 1). تم خلط ثلاثة تركيزات (1٪ ، 5٪ ، 10٪ وزن / وزن) من أربعة فحم حيوي مختلف مشتق من النفايات مع تربة الحديقة وتقييمها للتأثيرات المذكورة أعلاه. تم التحكم بعناية في محتوى الرطوبة ودرجة الحموضة واختيار كائنات الاختبار لضمان الأهمية البيئية للدراسة.

البروتوكول

1. تحضير الفحم الحيوي

ملاحظة: راجع جدول المواد للحصول على تفاصيل حول الفحم الحيوي المستخدم هنا كمواد اختبار. تم توفير ظروف الانحلال الحراري وتكوين العناصر وبيانات التحليل القريب من قبل المنتجين (الجدول 1).

تنبيه: قم دائما بإجراء الانحلال الحراري في مختبر جيد التهوية مع نظام عادم أو دخان مناسب. ارتد قفازات مقاومة للحرارة ومعطف مختبر ونظارات واقية واقية وارتد واقي للوجه إذا لزم الأمر.

الجدول 1: الخصائص الأساسية للفحم الحيوي المختبر. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

2. التوصيف الكيميائي للفحم الحيوي

  1. تحليل التركيب الأولي لجميع الفحم الحيوي (يتم إجراؤه باستخدام التحليل الطيفي للانبعاث الذري للبلازما المقترن بالحث (ICP OES) أو مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP MS) ، بناء على التركيزات ، بعد التحلل بمساعدة الميكروويف (الجدول 2).

3. تحضير مخاليط التربة والفحم الحيوي

  1. جمع التربة وإعداد التجربة
    1. اجمع التربة السطحية من حقل تجريبي.
    2. قم بإزالة الحطام السطحي يدويا. غربلة التربة إلى حجم جسيمات أقل من 5 مم لإزالة الحطام.
    3. تزن 100 غرام من التربة المنخلة وأضفها إلى حاويات الاختبار.
  2. تعديل وحضانة الفحم الحيوي
    1. أضف 1 جم أو 5 جم أو 10 جم من كل نوع من أنواع الفحم الحيوي لكل 100 غرام من التربة لإنشاء تعديل 1٪ و 5٪ و 10٪ (وزن / وزن) للتربة.
    2. أضف الماء المقطر للوصول إلى 60٪ من الحد الأقصى للسعة التخزينية للمياه (WHC).
    3. تخلط جيدا باستخدام ملعقة.
    4. قم بوزن كل حاوية وقم بتغطيتها بالبارافيلم لتقليل التبخر.
    5. احتضن الخلطات على حرارة 27 درجة مئوية لمدة 10 أيام.
      ملاحظة: سيتم استخدام هذا الخليط لقياس فقد الماء ، وتغيير الأس الهيدروجيني ، والسمية النباتية ، ومقايسات القياس الكمي البكتيري.
      يجب جمع التربة المستخدمة والتخلص منها وفقا لبروتوكولات الصلبة الحيوية المحلية.

4. قياس الأس الهيدروجيني لمخاليط التربة والفحم الحيوي

  1. تزن 10 جم من كل خليط من خليط التربة والفحم الحيوي في أنابيب مخروطية سعة 50 مل.
  2. أضف إلى الأنابيب 25 مل من الماء المقطر.
  3. رج الأنابيب لمدة 30 ثانية يدويا أو استخدم خلاط دوامة بسرعة متوسطة. قم بتصفية الخليط باستخدام ورق ترشيح Whatman رقم 1 في دورق نظيف سعة 100 مل.
  4. قم بقياس الرقم الهيدروجيني للمرشح في درجة حرارة الغرفة (20-25 درجة مئوية) باستخدام مقياس الأس الهيدروجيني المعاير.

5. اختبار سمية Enchytraeus albidus

  1. إجراء الاختبار وفقا لمنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية (OECD) 2016 ، اختبار رقم 22016.
  2. تحضير التربة للاختبار
    1. استخدم التربة الاصطناعية لمنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية لهذا الاختبار.
    2. قم بقياس درجة حموضة التربة باتباع الخطوات المذكورة في القسم 4.
    3. اضبط على درجة الحموضة 6.0 ± 0.5 عن طريق إضافة كربونات الكالسيوم التحليلية (CaCO3) تدريجيا إلى التربة واخلطها جيدا.
    4. اضبط محتوى الرطوبة على 40-60٪ من الحد الأقصى لWHC عن طريق إضافة الماء المقطر أو منزوع الأيونات.
      ملاحظة: تحقق من الاتساق يدويا. يجب أن تكون التربة رطبة ولكن ليست متكتلة.
  3. تأقلم الدودة واختيارها
    1. اشطف الديدان برفق بالماء المقطر لإزالة محلول المحلول الملحي للنقل.
    2. ضع الديدان في تربة منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية المحضرة وتتأقلم عند 20 درجة مئوية لمدة 24 ساعة تحت دورة مظلمة 16 ساعة / 8 ساعات عند 6,000 لوكس.
    3. حدد 15 دودة بالغة سليمة لكل إعداد ، باستخدام مجهر مجسم يعتمد على وجود البظر.
  4. إعداد الاختبار واحتضانه
    1. امزج 100 غرام من تربة منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية المحضرة مع 5 جم من كل نوع من أنواع الفحم الحيوي في حاويات نظيفة.
    2. قم بإعداد التحكم باستخدام 100 غرام من تربة منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية غير المعدلة.
    3. تأكد من أن الرقم الهيدروجيني ومحتوى الرطوبة في النطاق المطلوب (الرقم الهيدروجيني - 6.0 ± 0.5 ؛ محتوى الرطوبة - 40-60٪ من الحد الأقصى لWHC).
    4. أدخل 15 دودة بالغة إلى كل حاوية اختبار وتحكم باستخدام ملقط ذو رؤوس ناعمة.
    5. أضف 25 مجم من الشوفان المطحون ناعما كمصدر للغذاء على سطح التربة.
    6. قم بتغطية الحاويات بورق الألمنيوم المثقب للسماح بتبادل الهواء.
    7. احتضان الحاويات عند 20 درجة مئوية لمدة 5 أيام تحت دورة مظلمة لمدة 16 ساعة / 8 ساعات عند 6,000 لوكس.
    8. قم بوزن الحاويات يوميا وتجديد فقدان الوزن عن طريق إضافة كمية مناسبة من الماء المقطر أو منزوع الأيونات للحفاظ على محتوى رطوبة ثابت.
    9. راقب نشاط الدودة وسجل أي وفيات مرئية أثناء الاختبار.
    10. بعد انتهاء الاختبار ، احسب التأثير المميت (٪) باستخدام الصيغة:
      figure-protocol-1
      أين:
      Wi - عدد الديدان الأولي في بداية الاختبار
      Wf - العدد النهائي للديدان في نهاية الاختبار
      ملاحظة: لكي يكون الاختبار صالحا ، يجب ألا تتجاوز وفيات البالغين في إعداد التحكم 20٪ في نهاية الاختبار.
    11. بعد الاختبار ، جفف تربة الاختبار عند 105 درجة مئوية لتعطيلها ، وتخلص منها وفقا لبروتوكولات الصلبة الحيوية المحلية.

6. اختبار السمية النباتية

  1. قم بإجراء الاختبار وفقا للمنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) 18763: 201617.
  2. إعداد طبق بتري
    1. أضف 20 جم من خليط التربة والفحم الحيوي المحتضن إلى أطباق بتري نظيفة مقاس 9 سم. افرد السطح برفق باستخدام ملعقة نظيفة.
    2. قم بإعداد ثلاث نسخ مكررة لكل تركيز من الفحم الحيوي وقم بتضمين عنصري تحكم غير معدلين.
  3. زراعة البذور وحضانها
    1. ضع 10 بذور Sinapis alba متباعدة بشكل متساو في كل طبق على سطح التربة.
      ملاحظة: لا تضغط على البذور في التربة ؛ اسمح لهم بالتماسك بشكل طبيعي مع الرطوبة.
    2. غطي الأطباق بأغطية وضعيها في حاضنة على حرارة 25 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية لمدة 5 أيام بدون ضوء مباشر.
    3. بعد الحضانة ، قم بقياس طول الجذر من حافة البذرة إلى نهاية الجذر باستخدام مسطرة بلاستيكية. أبلغ عنه بالسنتيمتر أو مم. إذا كانت البذرة متشققة للتو ، فقم بذكرها على أنها 0.1 سم أو 1 مم.
    4. احسب تأثير التثبيط (٪) باستخدام الصيغة:
      figure-protocol-2
      أين:
      RLc - متوسط طول جذر البذور في طبق التحكم
      RLt - متوسط طول جذر البذور في طبق الاختبار
      ملاحظة: لكي يكون الاختبار صالحا ، من المهم التحقق من أن إنبات البذور في السيطرة لا يقل عن 80٪ (8 نبتت من أصل 10 بذور).

7. القياس الكمي للمستعمرة البكتيرية

  1. تعليق التربة وتخفيفها
    1. تزن 5 جم من كل خليط محتضن من التربة والفحم الحيوي إلى أنابيب مخروطية معقمة سعة 50 مل.
    2. أضف 25 مل من الماء المقطر المعقم ورجه جيدا لمدة 30 ثانية.
    3. اترك التعليق يتجانس في درجة حرارة الغرفة لمدة 2 ساعة.
    4. قم بتصفية التعليق باستخدام شاش أو شبكة معقمة وقم بإعداد التخفيفات التسلسلية باستخدام محلول المخزون هذا.
    5. قم بإعداد خمسة أنابيب اختبار تحتوي كل منها على 9 مل من الماء المقطر المعقم.
    6. قم بإجراء تخفيفات تسلسلية بمقدار 10 أضعاف باستخدام ماصات معقمة ، على سبيل المثال ، نقل 1 مل من محلول المخزون إلى الأنبوب الأول = 10-1 ، ثم 1 مل إلى التالي = 10-2 ، إلخ.)
    7. استخدم 10-2 تخفيف للطلاء.
  2. طلاء وعد المستعمرات
    1. ماصة 0.2 مل من 10-2 تخفيف على ألواح أجار مغذية معقمة.
    2. انشر العينة بالتساوي باستخدام موزعة معقمة.
    3. احتضان الألواح في وضع مقلوب عند 27 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
    4. عد المستعمرات باستخدام عداد المستعمرات.
    5. احسب وحدات تشكيل المستعمرة (CFU) مل -1 من الخليط باستخدام الصيغة:
      figure-protocol-3
      ملاحظة: اعمل تحت خزانة السلامة الحيوية إن وجدت. أدوات التعقيم باللهب بين العينات لتجنب التلوث.
      تطهير جميع الألواح بنسبة 70٪ إيثانول أو الأوتوكلاف قبل التخلص منها.

8. تحديد المادة الجافة (DM)

ملاحظة: استخدم قفازات مقاومة للحرارة عند التعامل مع الأوعية الساخنة.

  1. تزن 10 جم من التربة في وعاء زجاجي أو خزفي مقاوم للحرارة.
  2. ضع الوعاء في فرن تجفيف مسخن مسبقا إلى 105 درجة مئوية وجففه لمدة ساعتين.
  3. بعد التجفيف ، انقل الوعاء إلى مجفف واتركه يبرد لمدة 10 دقائق لمنع امتصاص الرطوبة من الهواء.
  4. قم بوزن الوعاء المبرد مرة أخرى باستخدام ميزان تحليلي.
  5. كرر الإجراء لثلاث عينات على الأقل لضمان الدقة.
  6. احسب محتوى المادة الجافة (DM) باستخدام الصيغة:
    figure-protocol-4
    أين:
    DM - محتوى المادة الجافة (٪)
    Md - وزن العينة الجافة بالجرام
    ميغاواط - وزن العينة غير المجفف (الأصلي) بالجرام

9. اختبار نشاط نازعة الهيدروجين (DHA)

  1. قم بإجراء الاختبار وفقا للبروتوكول القياسي (ISO 23753-1: 2019) 18.
  2. تحضير الكاشف
    1. محلول عازلة TRIS (100 مليمول / لتر ، درجة الحموضة 7.6).
      1. قم بإذابة 12.12 جم من تريس (هيدروكسي ميثيل) أمينوميثان (TRIS) في 800 مل من الماء المقطر.
      2. اضبط الرقم الهيدروجيني على 7.6 باستخدام حمض الهيدروكلوريك 1 M (حمض الهيدروكلوريك).
      3. اضبط الحجم الإجمالي على 1 لتر بالماء المقطر.
      4. يحفظ في درجة حرارة 4 درجات مئوية ويستخدم في غضون أسبوع واحد.
    2. محلول ركيزة TTC (300 مليمول / لتر)
      1. قم بإذابة 1 جم من TTC في 10 مل من محلول Tris العازلة المحضر.
      2. يحفظ في الظلام عند 4 درجات مئوية ويستخدمه في غضون 1 أسبوع.
    3. قم بإعداد حل TPF القياسي لمنحنى المعايرة:
      1. أضف 100 مجم من TPF إلى 10 مل من 96٪ إيثانول وقلبي حتى يذوب تماما للحصول على محلول مخزون TPF (33 مليمول / لتر).
      2. قم بتخفيف 0.5 مل من محلول مخزون TPF المحضر مع 50 مل من الإيثانول للحصول على محلول عمل TPF (330 نانومول / مل).
      3. قم بإعداد معايير العمل 0 و 0.1 و 0.2 و 0.5 و 1.0 مل من محلول العمل المخفف بالإيثانول إلى حجم نهائي ثابت يبلغ 3 مل.
      4. قم بقياس الامتصاص عند 485 نانومتر لتوليد منحنى المعايرة.
  3. تحضير العينة
    1. أضف 5 جم من كل خليط من خليط التربة والفحم الحيوي إلى أنابيب مخروطية سعة 50 مل.
    2. أضف 4 مل من المخزن المؤقت Tris (100 مليمول / لتر ، الرقم الهيدروجيني 7.6) و 1 مل من محلول TTC إلى إعدادات الاختبار.
    3. أضف 4 مل فقط من المخزن المؤقت Tris إلى إعدادات التحكم.
    4. امزج الأنابيب يدويا عن طريق الانعكاس اللطيف واحتضان عند 25 درجة مئوية لمدة 6 ساعات في الظلام.
  4. استخراج الفورمازان
    1. أضف 25 مل من الإيثانول إلى كل أنبوب بعد الحضانة.
    2. ضع العينات تحت التحريض المداري في الظلام لمدة ساعة واحدة (250 دقيقة -1 ، عند 25 درجة مئوية).
    3. بعد التحريض ، أضف 1 مل من TTC لأنابيب التحكم.
    4. قم بالطرد المركزي لجميع الأنابيب عند 2,000 × جم لمدة 5 دقائق عند 25 درجة مئوية لفصل المادة الطافية.
  5. القياس والحساب
    1. انقل المواد الطافية لتنظيف الكوفيت.
    2. اقرأ الامتصاص عند 485 نانومتر باستخدام مقياس الطيف الضوئي.
    3. استخدام منحنى المعايرة لتحديد تركيز TPF في العينات (نانومول / لتر).
    4. احسب نشاط نازعة الهيدروجين باستخدام الصيغة التالية:
      figure-protocol-5
      أين:
      أ - النشاط الأنزيمي في mU g-1 (أو نانومول دقيقة -1 جم -1) من التربة الجافة
      Cs - تركيز TPF في عينات الاختبار في نانومول مل -1
      Cb - تركيز TPF في عينة التحكم في نانومول مل -1
      V - إجمالي حجم التفاعل (مجموع الركيزة ، محلول المخزن المؤقت ، وأحجام الإيثانول ، بالمل)
      RT - مدة رد الفعل بالدقائق
      M - كتلة التربة لكل أنبوب بالجم
      DM - محتوى المادة الجافة في التربة (٪)
      ملاحظة: تعامل مع TTC و TPF بالقفازات لأنها مطفرة محتملة. استخدم غطاء الدخان عند تحضير الكواشف القائمة على الإيثانول.
      بعد الاختبار ، تخلص من النفايات المحتوية على الإيثانول و TTC في حاويات نفايات كيميائية مخصصة.

figure-protocol-6
الشكل 1: التمثيل التخطيطي لسير العمل التجريبي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

النتائج

التوصيف الكيميائي
أظهرت الفحم الحيوي اختلافات ذات دلالة إحصائية في تكوين العناصر (الجدول 2). كان الكالسيوم (Ca) والبوتاسيوم (K) أعلى في الفحم الحيوي لأعقاب السجائر والقفزات. يحتوي الفحم الحيوي من خشب التنوب على أكبر قدر من الألومنيوم (Al) والحديد (Fe). تم إثراء النحاس (Cu) والمغنيسيوم (Mg) بقوة في الفحم الحيوي للقفزات. كان الرصاص (Pb) والكادميوم (Cd) والمعادن النزرة الأخرى موجودة بكميات منخفضة في جميع العينات.

الجدول 2: التركيب الكيميائي للفحم الحيوي. المحتويات الأولية الرئيسية للفحم الحيوي المختلفة المستخدمة في الدراسة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

التباين في الرقم الهيدروجيني خلال فترة الحضانة
عبر جميع العلاجات ، يميل الرقم الهيدروجيني لمخاليط التربة والفحم الحيوي إلى الزيادة قليلا بمرور الوقت (الشكل 2). تم تسجيل أعلى قيمة لدرجة الحموضة للخليط مع الفحم الحيوي لعقب السجائر عند 10٪ وزن / وزن ، ووصلت إلى 9.48 في اليوم 15. أظهر هذا العلاج أكبر زيادة بمرور الوقت. أنتج الفحم الحيوي المطحون للقهوة أيضا زيادة تدريجية ، بحد أقصى لدرجة الحموضة 8.94 عند 10٪ وزن / وزن في اليوم 15. زاد الفحم الحيوي للقفزات درجة الحموضة بنسبة 16.57٪ ، بحد أقصى 9.20 عند 10٪ وزن / وزن. في المقابل ، وصل خليط الفحم الحيوي من خشب التنوب إلى درجة حموضة 8.56 عند 10٪ وزن / وزن. أظهر عنصر التحكم أدنى درجة حموضة ، تراوحت من 6.57 إلى 7.66 مع الحد الأدنى من التغيير بمرور الوقت.

figure-results-1
الشكل 2: يتغير الرقم الهيدروجيني بمرور الوقت في مخاليط التربة والفحم الحيوي. تم قياس درجة حموضة التربة في اليوم 0 و 10 و 15 لكل تعديل للفحم الحيوي بنسبة 1٪ و 5٪ و 10٪ وزن / وزن. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

احتباس الماء وفقدان الوزن
كانت قدرة الاحتفاظ بالماء عبر جميع أنواع الفحم الحيوي أقل من التربة الضابطة بدون الفحم الحيوي (الشكل 3). فقد عنصر التحكم 3.67٪ من وزنه على مدى 15 يوما ، مما يشير إلى أعلى احتباس للماء. من بين الفحم الحيوي ، كان لمعالجة عقب السجائر أقل فقد للماء ، حيث انخفضت بنسبة 5.89٪ خلال فترة الحضانة ، وبالتالي أكبر احتفاظ بين الفحم الحيوي. لوحظ نمط مماثل ولكن أكثر اعتدالا مع الفحم الحيوي للقفزات (9.22٪ فقدان الوزن الكلي ، مع خسائر أكبر بتركيزات أعلى). أظهر الفحم الحيوي المطحون للقهوة أكبر فقدان للوزن (حتى 16.56٪) ، مما يشير إلى أقل احتباس للماء. فقد خليط خشب التنوب ما معدله 10.22٪.

figure-results-2
الشكل 3: فقدان الوزن لمخاليط التربة والفحم الحيوي أثناء الحضانة. تغير الوزن كمؤشر على احتباس الماء على مدى 15 يوما لجميع الفحم الحيوي والتركيزات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

اختبار سمية ألبيدوس والتكاثر
أظهر تكاثر بكتريا ألبيدوس بنسبة 5٪ وزنا / وزن الفحم الحيوي اعتمادا ملحوظا على المواد الأولية. في مراقبة التربة في منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية ، زاد عدد السكان من 15 إلى 24 (زيادة بنسبة 60٪ ، الشكل 4). نتج عن الفحم الحيوي المصنوع من خشب التنوب 7 ناجين فقط (تثبيط 53٪ ، الشكل 5). أنتج كل من القفزات والفحم الحيوي المطحون للقهوة 12 ناجا (تثبيط 20٪ ، الشكل 5). حفز الفحم الحيوي لعقب السجائر التكاثر بنسبة 33٪ ، بإجمالي 20 ديدان ، بما في ذلك النسل.

figure-results-3
الشكل 4: صافي التغير السكاني ل E. albidus في التربة المعالجة بالفحم الحيوي. يتم احتساب الدودة الأولية والنهائية بعد 5 أيام. تم اختبار تركيز 5٪ وزن / وزن لكل فحم حيوي. تمثل البيانات متوسط ± الانحراف المعياري (ن = 3). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 5: التأثيرات السامة أو التحفيزية على الإشريكية ألبيدوس. التأثير الصافي على الديدان مقارنة بالسيطرة. تظهر القيم الإيجابية تثبطا. تظهر القيم السالبة التحفيز. تمثل البيانات متوسط ± الانحراف المعياري. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

السمية النباتية
استطالة الجذر في S. ألبا تم قياسه بعد حضانة لمدة 10 أيام عند 1٪ و 5٪ و 10٪ وزن / وزن (الشكل 6). في التربة غير المعدلة ، كان متوسط طول الجذر 237 ملم. أنتج الفحم الحيوي المطحون للقهوة عند 1٪ وزن / وزن تحفيزا بنسبة 79.16٪. تسببت التركيزات المرتفعة في تثبيط ، حتى 47.08٪ عند 5٪ وزن / وزن. حفز الفحم الحيوي من خشب التنوب النمو في جميع التركيزات ، وبلغ ذروته عند 206.66٪ عند 10٪ وزن / وزن. أنتج الفحم الحيوي لأعقاب السجائر 41.01٪ تحفيز عند 1٪ وزن / وزن ولكنه منع النمو عند 5٪ و 10٪ وزن / وزن ، ووصل إلى 62.36٪ تثبيط عند 10٪ وزن / وزن. حفز الفحم الحيوي للقفزات النمو بجميع المعدلات (38.97٪ و 31.75٪ و 162.96٪ بنسبة 1٪ و 5٪ و 10٪ وزن / وزن على التوالي).

figure-results-5
الشكل 6: تأثيرات السمية النباتية على Sinapis alba. تثبيط نمو الجذور أو تحفيزها بالنسبة للتحكم بعد 10 أيام من النمو في جميع علاجات الفحم الحيوي. تظهر القيم الإيجابية تثبطا. تظهر القيم السالبة التحفيز. تمثل البيانات متوسط ± الانحراف المعياري (ن = 3). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

القياس الكمي للمستعمرة البكتيرية
تم تقييم عدد المستعمرات البكتيرية بعد 10 أيام (الشكل 7). بلغ متوسط التحكم 8.47 × 104 CFU / مل. أنتج الفحم الحيوي للقهوة 7.33 × 104 CFU / مل عند 1٪ وزن / وزن وزاد إلى 1.18 × 105 و 1.50 × 105 CFU / مل عند 5٪ و 10٪ وزن / وزن ، على التوالي. أعطى الفحم الحيوي المصنوع من خشب التنوب 1.97 × 105 CFU / مل عند 1٪ وزن / وزن ، متناقصا إلى 9.73 × 104 و 4.93 × 104 CFU / مل عند 5٪ و 10٪ وزن / وزن. أنتج الفحم الحيوي لعقب السجائر 5.40 × 104 CFU / مل عند 1٪ وزن / وزن وأعلى تحفيز عند 10٪ وزن / وزن (1.00 ×10 6 CFU / مل). أظهر الفحم الحيوي للقفزات تحفيزا طفيفا عبر جميع التركيزات ، وبلغ ذروته عند 1.07 × 105 CFU / مل عند 5٪ وزن / وزن.

figure-results-6
الشكل 7: نمو البكتيريا في التربة المعالجة بالفحم الحيوي. CFU / مل البكتيري بعد 10 أيام من الحضانة لجميع العلاجات والتركيزات. تم تضمين المراقبة للمقارنة. تمثل البيانات متوسط ± الانحراف المعياري (ن = 3). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نشاط نازعة الهيدروجين
أنتج الفحم الحيوي المطحون للقهوة أعلى نشاط نازعة الهيدروجين عبر التركيزات ، حيث بلغ ذروته عند 1٪ وزن / وزن (3.53 × 10-3 مللي أمو / جم) وظل قابلا للمقارنة عند 5٪ و 10٪ وزن / وزن (2.38 × 10-3 و 2.62 × 10-3 مللي واحد / جم) (انظر الشكل 8). عزز الفحم الحيوي للقفزات نشاطا عند 1٪ وزن / وزن (2.39 × 10-3 مللي واحد / جم) ولكنه انخفض عند 5٪ (6.34 × 10-4 مللي واحد / جم) وأصبح سالبا عند 10٪ وزن / وزن (-8.30 × 10-4 مللي واحد / جم). كان الفحم الحيوي لعقب السجائر إيجابيا عند 1٪ وزن / وزن (1.29 × 10-3 مللي واحد / جم) وانخفض إلى -7.26 × 10-4 و -8.53 × 10-4 مللي واحد / جم عند 5٪ و 10٪ وزن / وزن. كان الفحم الحيوي من خشب التنوب سالبا في جميع التركيزات (-5.53 × 10-4 و -5.19 × 10-4 مللي واحد / جم عند 1٪ و 5٪ وزن / وزن ؛ -3.11 × 10-4 مللي واحد / جم عند 10٪ وزن / وزن) ، وظل أقل من عنصر التحكم.

figure-results-7
الشكل 8: نشاط نازعة الهيدروجين في التربة المعدلة بالفحم الحيوي. نشاط الإنزيم الميكروبي عبر جميع أنواع الفحم الحيوي وتركيزاته. القيم مرتبطة بالتحكم في التربة دون إضافة الفحم الحيوي. تشير القيم الموجبة إلى نشاط إنزيم أعلى مقارنة بعنصر التحكم ، وتشير القيم السالبة إلى نشاط إنزيم أقل من عنصر التحكم. تمثل البيانات متوسط ± الانحراف المعياري (ن = 3). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

انظر الجدولين 3 و 4 للحصول على موجز للنتائج.

الجدول 3: تأثيرات الفحم الحيوي على درجة حموضة التربة واحتباس الماء. يوضح قيم الأس الهيدروجيني الأولية والنهائية، وΔpH، ونسبة فقدان الماء أثناء الحضانة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 4: ملخص التأثيرات البيولوجية ونتائج DHA. بيانات مجمعة عن تكاثر الديدان ، والسمية النباتية ، وعدد الميكروبات ، ونشاط الإنزيم لجميع العلاجات. figure-results-8 يشير إلى التحفيز ويشير figure-results-9 إلى التثبيط. بالنسبة لنتائج DHA ، تشير القيم الإيجابية إلى نشاط إنزيم أعلى مقارنة بالتحكم وتشير القيم السالبة إلى نشاط الإنزيم أقل من السيطرة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

توافر البيانات:
سيتم تحميل البيانات إلى المستودع العام: DOI/URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30128803.v1

المناقشة

أظهر خليط التربة والفحم الحيوي المطحون للبن المستهلك قلوية عالية ، مع درجة حموضة 8.94 ، بما يتفق مع الرقم الهيدروجيني المبلغ عنه سابقا البالغ 9.419. أظهر الفحم الحيوي أيضا أعلى زيادة في فقدان الوزن مقارنة بعينة التحكم ، مما يشير إلى قدرة منخفضة على الاحتفاظ بالرطوبة ، والتي من المحتمل أن تكون بسبب مساحة سطحها المنخفضة ، مما يحد من ميل امتصاص الماء20،21. خلقت هذه الخصائص الفيزيائية ظروفا غير مواتية ل E. albidus ، مما تسبب في تثبيط 20٪ من بقاء الديدان وتكاثرها.

في اختبارات السمية النباتية ، أظهر S. alba تحفيزا بنسبة 79.16٪ عند تركيز 1٪ وزن / وزن ، بينما عند التركيزات الأعلى ، على سبيل المثال ، 5٪ وزن / وزن ، منع الفحم الحيوي استطالة الجذر بنسبة 47.08٪. يتماشى هذا مع التقارير22 التي تفيد بأن التأثيرات السامة للنباتات للفحم الحيوي المطحون للقهوة على Lactuca sativa كانت ناتجة عن الأحماض الكربوكسيلية. علاوة على ذلك ، أظهرت الدراسات أن الفينولات القابلة للذوبان والأحماض الكربوكسيلية تعطل أيضا نقل الأوكسين ، مما يؤدي إلى عتبات السميةالنباتية 23.

زاد عدد المستعمرات البكتيرية مع زيادة تركيز الفحم الحيوي للقهوة (1.50 × 10-5 CFU / مل عند تركيز 10٪ وزن / وزن) ، مما يشير إلى أن هذا الفحم الحيوي يوفر ظروفا مواتية للبكتيريا القابلة للزراعة. أظهر الفحم الحيوي للقهوة أيضا أعلى نشاط DHA (3.53 × 10-3 mU / g) ، مما يشير إلى أنه حفز كل من التجمعات الميكروبية القابلة للزراعة وغير القابلة للزراعة. تم دعم ذلك بشكل أكبر من خلال الدراسات24 التي لاحظت الآثار المفيدة للفحم الحيوي للقهوة على النشاط الأنزيمي للتربة.

تسبب الفحم الحيوي للقفزات في زيادة قلوية التربة ومتوسط فقدان الوزن المعتدل (10٪). في اختبارات السمية النباتية ، كان الفحم الحيوي مفيدا لتحفيز استطالة الجذور ، خاصة عند التركيزات الأعلى (162.96٪ تحفيز). فيما يتعلق بالنشاط الميكروبي ، لم يظهر الفحم الحيوي للقفزات أي تغيير ملحوظ في عدد البكتيريا (حتى 1.00 × 10-5 CFU / مل) ، والذي قد يكون بسبب التوازن في تركيبته الكيميائية. في حين أن الفحم الحيوي للقفزات يحتوي على أعلى كمية من النحاس (Cu) ، والذي يمكن أن يكون ساما للميكروبات لأنه يثبط أنظمة الإنزيم البكتيرية25 ، فإنه يحتوي أيضا على مستويات أعلى من العناصر مثل البوتاسيوم (K) والفوسفور (P) ، والتي يجب أن تدعم نمو الميكروبات عن طريق تحسين تخليق الكلوروفيل في الشتلات26. يعكس نشاط DHA أيضا هذا التأثير المحايد ، مما يشير إلى استجابة مستقرة ذات تأثير بيولوجي محدود.

أدى الفحم الحيوي لأعقاب السجائر إلى زيادة قلوية التربة بمرور الوقت (حتى درجة الحموضة 9.48). تم إنتاجه عند درجة حرارة انحلال حراري أعلى (700 درجة مئوية) ، مما أدى إلى فحم حيوي أكثر قلوية يدعم نمو البكتيريا. تتوافق هذه الملاحظة مع الدراساتالسابقة 27 ، والتي أفادت أن الفحم الحيوي يحسن درجة حموضة التربة ، وبالتالي تحسين ظروف الموائل. من بين جميع العلاجات ، احتفظ الفحم الحيوي لأعقاب السجائر بأعلى محتوى رطوبة (يصل إلى 94٪) ، مما قد يفسر أيضا التأثير التحفيزي على بقاء بكتريا ألبيدوس وتكاثره. يمكن ربط الاحتفاظ العالي بالرطوبة بالتغيرات المجهرية عند 700 درجة مئوية ، مما ينتج عنه مسام دقيقة تحبس أغشية الماء28. يمكن أن يكون سبب آخر للتأثير التنشيجي هو المحتوى العالي من الكالسيوم (Ca) و P و K في الفحم الحيوي لأعقاب السجائر ، وهي عناصر مفيدة لبقاء الديدان وتكاثرها.

في التقييمات الميكروبية ، أظهر الفحم الحيوي لأعقاب السجائر أعلى تحفيز بكتيري بتركيزات أعلى تصل إلى حوالي 1.00 × 10-6 CFU / مل ، على عكس نشاط DHA الذي لم يظهر نفس مستوى الزيادة. تشير هذه النتيجة إلى التحفيز الانتقائي للبكتيريا القابلة للزراعة بدلا من المجتمع الميكروبي بأكمله.

تسبب خليط التربة والفحم الحيوي من خشب التنوب في زيادة طفيفة فقط في درجة الحموضة ، كما لاحظت الدراسات29 ، والتي أبلغت عن درجة حموضة 7.87 للفحم الحيوي المشتق من الصنوبريات. كانت درجة حرارة إنتاجه هي الأدنى (600 درجة مئوية) من بين جميع الفحم الحيوي المستخدم في هذه الدراسة. كانت قدرة الفحم الحيوي على الاحتفاظ بالمياه معتدلة مقارنة بأنواع الفحم الحيوي الأخرى ، حيث لم تظهر فقدانا شديدا في الوزن.

ومع ذلك ، في حالة بقاء Eisenia foetida والتكاثر ، أظهر الفحم الحيوي لخشب التنوب أعلى سمية (53٪ تأثير مميت). يمكن أن يكون أحد الأسباب المحتملة هو ارتفاع مستويات عناصر مثل الألومنيوم (Al) والحديد (Fe) والمنغنيز (Mn) ، والتي من المعروف أنها سامة لديدان الأرض لأنها تتداخل مع تنظيم الأس الهيدروجيني في الأمعاء وتسبب الإجهاد التأكسدي30. تم الإبلاغ عن نتائج مماثلة في الدراسات التي عانت فيها Eisenia foetida من انخفاض كبير في الكتلة الحيوية بسبب سمية المعادن الثقيلة في التربة من الاستخدام المفرط للكيماويات الزراعية31.

تسبب الفحم الحيوي المصنوع من خشب التنوب في أكبر تحفيز لاستطالة الجذور في مقايسة السمية النباتية (حتى 206٪ تحفيز). يشير هذا إلى أنه ، على عكس الحساسية للديدان ، يمكن أن تكون التركيزات العالية من المعادن بمثابة مغذيات دقيقة أساسية للأنواع النباتية مثل S. alba. تركيزات منخفضة من هذه المستعمرات البكتيرية تحفز الفحم الحيوي. ومع ذلك ، انخفض عدد المستعمرات مع زيادة التركيز. يشير هذا التأثير إلى حساسية البكتيريا لمستويات منخفضة من K و P ومحتوى عالي من العناصر السامة (Al ، Fe ، Mn). تتوافق هذه الملاحظة مع نشاط DHA المقاس ، والذي كان أقل من تربة التحكم ، ربما بسبب انخفاض نسبة الهيدروجين إلى الكربون (H / C) ، مما يجعل الكربون غير متاح32. تشير هذه النتائج إلى أن الفحم الحيوي لخشب التنوب لا يدعم نمو الميكروبات بسبب ضعف المحتوى الغذائي أو المركبات المثبطة.

تم الحصول على الفحم الحيوي كمواد اختبار من مختبرات خارجية وتم إنتاجها في ظل الظروف التي يطبقها كل مزود بشكل روتيني ، والتي تضمنت درجات حرارة مختلفة للانحلال الحراري. كان هدفنا هو تقييم الفحم الحيوي المشتق من النفايات التمثيلية كما هو موفر ، بدلا من عزل تأثير درجة الحرارة عبر المواد الأولية. لذلك ، لا يمكن فصل تأثيرات درجة الحرارة تماما عن تأثيرات المواد الأولية في هذه الدراسة. لم تكن معلمات الإنتاج التفصيلية مثل معدل التدفئة وجو الغاز ووقت الإقامة متاحة من الموردين. تم الإبلاغ عن درجات الحرارة والخصائص الأولية المقدمة فقط (انظر الجدول 1 والجدول 2).

بالنظر إلى نتائج هذه الدراسة ، يمكن استنتاج أن الفحم الحيوي للقفزات كان له تأثير متوازن بشكل عام مع آثار جانبية بيئية معتدلة. لقد دعم نمو النباتات بجميع التركيزات ، وأظهر تغيرا معتدلا في الأس الهيدروجيني وقدرة على الاحتفاظ بالماء ، علاوة على ذلك ، لم يكن له تأثير كبير على ميكروبات التربة والديدان مقارنة بالفحم الحيوي الآخر الذي تم اختباره.

توضح هذه النتائج مدى أهمية اختيار نوع الفحم الحيوي المناسب جنبا إلى جنب مع تركيزاته المناسبة لتعديلات التربة لضمان التحسين الفعلي لجودة التربة ونمو النبات ، دون التسبب في آثار جانبية سلبية.

كان لعدة خطوات في البروتوكول ، بما في ذلك درجة حرارة الانحلال الحراري ومعدل تطبيق الفحم الحيوي ، تأثير ملحوظ على نتائج هذه الدراسة. أدت درجات حرارة الانحلال الحراري المرتفعة إلى زيادة قلوية الفحم الحيوي وأثرت على التحفيز في تكاثر الديدان ونمو البكتيريا ، كما هو موضح في الفحم الحيوي لعقب السجائر. في المقابل ، أدى انخفاض درجات حرارة الانحلال الحراري إلى تقليل الفحم الحيوي القلوي وارتبطت بأعلى سمية للديدان وانخفاض النشاط الميكروبي ، كما في حالة الفحم الحيوي لخشب التنوب. كان تأثير معدل التطبيق يعتمد على نوع الفحم الحيوي والكائن الحي الذي تم اختباره. أدت التركيزات المنخفضة من الفحم الحيوي المطحون للقهوة إلى تأثير محفز على استطالة الجذور ونشاط DHA العالي ، بينما أدت التركيزات العالية من الفحم الحيوي لأعقاب السجائر إلى أعلى نمو بكتيري قابل للزراعة.

تم إجراء بعض التعديلات في طريقة الدراسة لحل المشكلات الشائعة مثل عدد المستعمرات غير المتسقة. يتضمن ذلك السماح بتجانس معلقات التربة لمدة ساعتين واستخدام التخفيف التسلسلي 10-2 للحصول على عدد مستعمرات مثالي وقابل للمقارنة. بالإضافة إلى ذلك ، تم تصميم الدليل التوجيهي لمنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية ، الاختبار رقم 220 لتقييم تأثير المواد الكيميائية للاختبار على الديدان الانتشيترايدية. يقترح حساب التركيز المميت 50 (LC50) المشتق من مجموعة من التركيزات الكيميائية التي تم اختبارها في اختبار تحديد النطاق. في هذه الدراسة ، كان الهدف هو تقييم التأثير السام العام للفحم الحيوي المشتق من النفايات على بقاء الديدان وتكاثرها. لذلك ، تم تحديد التأثير المميت من خلال النسبة المئوية للتغير في عدد الديدان من بداية الاختبار إلى نهايته وتم الإبلاغ عنه على أنه تأثير مميت.

هذا البروتوكول قابل للتكرار في ظل ظروف المختبر وعلى نطاق صغير (على سبيل المثال ، عينات 100 غرام). ومع ذلك ، فإن توسيع نطاق أحجام التربة الأكبر قد يتسبب في اختلافات في النتائج. يمكن التحكم في ذلك عن طريق الخلط الميكانيكي المناسب للتربة والفحم الحيوي المستخدم ، جنبا إلى جنب مع نظام الري المتحكم فيه للحفاظ على مستويات رطوبة ثابتة. بالإضافة إلى ذلك ، اختلفت تأثيرات الفحم الحيوي بشدة مع نوع المواد الأولية ودرجة حرارة الانحلال الحراري ، مما يشير إلى إجراء أبحاث مستقبلية لتوصيف كل مادة على حدة قبل التطبيق.

يختلف البروتوكول عن تقنيات تقييم صحة التربة الأخرى من حيث أنه يوفر مزيجا من المعلمات الفيزيائية والكيميائية مثل الأس الهيدروجيني والاحتفاظ بالرطوبة ، والاستجابات البيولوجية لتعديل التربة بأنواع مختلفة من الفحم الحيوي. يوفر إدراج تحليل نشاط الإنزيم جنبا إلى جنب مع عدد المستعمرات الميكروبية التقليدية نظرة ثاقبة للوظيفة الميكروبية غير القابلة للزراعة. علاوة على ذلك ، استندت الدراسة إلى مواد أولية مختلفة من الفحم الحيوي بتركيزات متعددة ، مما يضيف أهمية عملية لاستراتيجيات تعديل التربة في العالم الحقيقي.

قد تتضمن الأبحاث المستقبلية اختبار المواد الأولية الإضافية ، مثل السماد الطبيعي أو قشر الأرز أو حمأة الصرف الصحي ، لمقارنة آثارها على النظم البيئية للتربة. يمكن أيضا تكييف التجارب الميدانية طويلة الأجل لتقييم التأثيرات الموسمية ونتائج غلة المحاصيل. تظهر هذه الدراسة التأثيرات المعتمدة على المواد الأولية والتركيز للفحم الحيوي المشتق من النفايات على صحة التربة. حفزت بعض الفحم الحيوي النشاط الميكروبي ونمو النبات ، بينما أنتج البعض الآخر استجابات مثبطة أو سامة في الكائنات الحية في التربة. يعد اختيار أنواع الفحم الحيوي المناسبة ومعدلات التطبيق أمرا ضروريا لتعظيم الفوائد مع تقليل المخاطر في إدارة التربة.

الإفصاحات

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

تم تمويل العمل المقدم من قبل مشروع BIOCIRKL (رقم التسجيل TN02000044) ، بدعم من خطة التعافي التشيكية ووكالة التكنولوجيا في جمهورية التشيك ضمن برنامج مراكز الكفاءة الوطنية في السنوات 2023-2028.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1,3,5- تريفينيل تيترازوليوم فورمازانسيغما-ألدريتش، جمهورية التشيك93145
2,3,5- كلوريد ثلاثي الفينيل ترازوليوم  سيغما-ألدريتش، جمهورية التشيكT8877
أوتوكلاف سيرتو كلاف كلاسيكسيرتو كلاف، النمسا8510174
كربونات الكالسيوم سيغما-ألدريتش، جمهورية التشيك239216
الطرد المركزي MPW-251MPW Med. Instrument، بولندا10251
فوچار أعقاب السجائرجامعة هوهنهايم، ألمانياتم إنتاجه بسعر 700 ودرجة مئوية؛ C 
عداد المستعمرة CC-200كول-بارمر14212-04
Enchytraeus albidus  INVITAL أكوا s.r.o.
الإيثانول  بينتا، جمهورية التشيك70390-11003
الفحم الحيوي للجنجلمختبر أكاديمية العلوم في جمهورية التشيكتم إنتاجه عند 650 ودرجة مئوية؛ C 
خلية Q الحاضنةبول-لاب، بولندا
فرن الميكروويفأنتون بار، Multiwave PRO
كمبيوتر محمول DELL Latitude 3510منتجات ديل، أيرلندا
مغذيات Agar media أوكسويد، جمهورية التشيكCM0003B
تربة منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية  اختبار الميكروبيولوجيا، بلجيكا
مقياس الرقم الهيدروجيني WTW inoLab pH 7110 زيلم أناليتكس، ألمانيا1AA112
بذور Sinapis alba اختبار الميكروبيولوجيا، بلجيكا
مطياف الفوتومتر M4 مطياف الأشعة فوق البنفسجية المرئيةVWR76520-716
بقايا القهوة المستهلكة الحيويمختبر أكاديمية العلوم في جمهورية التشيكتم إنتاجه عند 650 ودرجة مئوية؛ C 
الفحم الحيوي من خشب التنوبأوليسنيسه، جمهورية التشيكتنتج عند 600 ودرجة مئوية؛ C 
المجهر المجسم MSZ5000-T-IL-TLأ. كروس أوبترونيك، ألمانياMSZ5000-T-IL-TL
قاعدة تريس سيغما-ألدريتش، جمهورية التشيك252859
عدسة فيديو VOPC93 USB 2.0أ. كروس أوبترونيك، ألمانيا  VOPC93
ميزان الوزن KERN EMB كيرن، ألمانيا

المراجع

  1. Pradhan, S., Parthasarathy, P., Mackey, H. R., Al-Ansari, T., McKay, G. Food waste biochar: A sustainable solution for agriculture application and soil-water remediation. Carbon Res. 3 (1), 41(2024).
  2. D'Hose, T., Debode, J., De Tender, C., Ruysschaert, G., Vandecasteele, B. Has compost with biochar applied during the process added value over biochar or compost for increasing soil quality in an arable cropping system. Appl Soil Ecol. 156, 103706(2020).
  3. Wang, S., et al. Biochar improves soil quality and wheat yield in saline-alkali soils beyond organic fertilizer in a 3-year field trial. Environ Sci Pollut Res. 30 (7), 19097-19110 (2023).
  4. Smith, P. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. Glob Change Biol. 22 (3), 1315-1324 (2016).
  5. Jin, X., et al. Review on the effects of biochar amendment on soil microorganisms and enzyme activity. J Soils Sediments. 24 (7), 2599-2612 (2024).
  6. Melo, L. C. A., Lehmann, J., Carneiro, J. S. daS., Camps-Arbestain, M. Biochar-based fertilizer effects on crop productivity: A meta-analysis. Plant Soil. 472 (1), 45-58 (2022).
  7. Blanco-Canqui, H. Biochar and soil physical properties. Soil Sci Soc Am J. 81 (4), 687-711 (2017).
  8. Geng, N., et al. Biochar mitigation of soil acidification and carbon sequestration is influenced by materials and temperature. Ecotoxicol Environ Saf. 232, 113241(2022).
  9. Ippolito, J. A., et al. Feedstock choice, pyrolysis temperature and type influence biochar characteristics: A comprehensive meta-data analysis review. Biochar. 2 (4), 421-438 (2020).
  10. Wei, S., et al. Influence of pyrolysis temperature and feedstock on carbon fractions of biochar produced from pyrolysis of rice straw, pine wood, pig manure and sewage sludge. Chemosphere. 218, 624-631 (2019).
  11. Oleszczuk, P., Jośko, I., Kuśmierz, M. Biochar properties regarding to contaminants content and ecotoxicological assessment. J Hazard Mater. 260, 375-382 (2013).
  12. Bolan, S., et al. Biochar modulating soil biological health: A review. Sci Total Environ. 914, 169585(2024).
  13. Baran, A., Tarnawski, M. Phytotoxkit/Phytotestkit and Microtox® as tools for toxicity assessment of sediments. Ecotoxicol Environ Saf. 98, 19-27 (2013).
  14. Novais, S. C., Gomes, N. C., Soares, A. M. V. M., Amorim, M. J. B. Antioxidant and neurotoxicity markers in the model organism Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Mechanisms of response to atrazine, dimethoate and carbendazim. Ecotoxicology. 23 (7), 1220-1233 (2014).
  15. Kaczyńska, G., Borowik, A., Wyszkowska, J. Soil dehydrogenases as an indicator of contamination of the environment with petroleum products. Water Air Soil Pollut. 226 (11), 372(2015).
  16. Organisation for Economic Co-operation and Development. Test No. 220: Enchytraeid reproduction test. , (2016).
  17. ISO 18763:2016 - Soil quality - Determination of the toxic effects of pollutants on germination and early growth of higher plants. , International Organization for Standardization. https://www.iso.org/standard/63317.html (2016).
  18. ISO 23753-1:2019 - Soil quality - Determination of dehydrogenase activity in soils - Part 1: Method using triphenyltetrazolium chloride (TTC). , International Organization for Standardization. https://www.iso.org/standard/70145.html (2019).
  19. Carnier, R., Coscione, A. R., Delaqua, D., de Abreu, C. A. Coffee industry waste-derived biochar: Characterization and agricultural use evaluation according to Brazilian legislation. Bragantia. 80, e5721(2021).
  20. Jin, Z., et al. High-performance spent coffee grounds-based 3D microporous biochar for the efficient capture of Cd2+ via a multi-pathway mechanism. Chem Eng J. 485, 149537(2024).
  21. Batista, E. M. C. C., et al. Effect of surface and porosity of biochar on water holding capacity aiming indirectly at preservation of the Amazon biome. Sci Rep. 8 (1), 10677(2018).
  22. de Souza, L. Z. M., et al. Ecotoxicological effects of biochar obtained from spent coffee grounds. Mater Res. 25, e20220013(2022).
  23. Ahmad, A., Liu, Y., Ge, Q. Assessing environmental thresholds in relation to plant structure and nutritional value for improved maize calendar ensuring food security. Sci Total Environ. 834, 155120(2022).
  24. Martins Filho, A. P., et al. Impact of coffee biochar on carbon, microbial biomass and enzyme activities of a sandy soil cultivated with bean. An Acad Bras Cienc. 93, e20200096(2021).
  25. Giachino, A., Waldron, K. J. Copper tolerance in bacteria requires the activation of multiple accessory pathways. Mol Microbiol. 114 (3), 377-390 (2020).
  26. Sardans, J., Peñuelas, J. Potassium control of plant functions: Ecological and agricultural implications. Plants. 10 (2), 419(2021).
  27. Sorrenti, G., Masiello, C. A., Toselli, M. Biochar interferes with kiwifruit Fe-nutrition in calcareous soil. Geoderma. 272, 10-19 (2016).
  28. Jin, L., et al. Investigations of the effect of the amount of biochar on soil porosity and aggregation and crop yields on fertilized black soil in northern China. PLoS One. 15 (11), e0238883(2020).
  29. Gezahegn, S., Sain, M., Thomas, S. C. Variation in feedstock wood chemistry strongly influences biochar liming potential. Soil Syst. 3 (2), 26(2019).
  30. Yadav, R., et al. Heavy metal toxicity in earthworms and its environmental implications: A review. Environ Adv. 12, 100374(2023).
  31. Dzul-Caamal, R., Vega-López, A., Osten, J. R. Distribution of heavy metals in crop soils from an agricultural region of the Yucatan Peninsula and biochemical changes in earthworm Eisenia foetida exposed experimentally. Environ Monit Assess. 192 (6), 338(2020).
  32. Lehmann, J., et al. Biochar in climate change mitigation. Nat Geosci. 14 (12), 883-892 (2021).

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تعديل بالفحم الحيويصحة التربةالنشاط الميكروبينشاط نزع الهيدروجينمقايسة السمية النباتية الحيويةالرقم الهيدروجيني للتربةالاحتفاظ بالمياهالتقدير الكمي للبكتيريااختبار السمية البيئيةنمو النبات
تقييم الفحم الحيوي المشتق من النفايات على الصحة والنشاط البيولوجي للتربة
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.