Artigo de investigação

Avaliação de biocarvões derivados de resíduos na saúde e atividade biológica do solo

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DOI:

10.3791/68994

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10 de outubro de 2025

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

Neste artigo

Resumo

Aqui, avaliamos os efeitos de biochars derivados de resíduos de borra de café, lúpulo gasto, madeira de abeto e pontas de cigarro na saúde do solo, avaliando a atividade microbiana, o crescimento das plantas e a potencial ecotoxicidade dos invertebrados.

Resumo

O biochar é o produto obtido pelo aquecimento da biomassa por pirólise em altas temperaturas e surgiu como um corretivo comum do solo com base em seu potencial para melhorar as propriedades do solo, como retenção de água, pH e disponibilidade de nutrientes. No entanto, o biochar preparado a partir de certos resíduos pode exercer efeitos ecotoxicológicos negativos na biota do solo. O objetivo geral deste estudo foi avaliar o impacto de biocarvões selecionados derivados de borra de café, lúpulo usado, madeira de abeto e bitucas de cigarro na saúde do solo, com foco na atividade microbiana, crescimento das plantas e potencial ecotoxicidade. Solos corrigidos com biochar foram incubados por 15 dias no total, e uma série de ensaios foram realizados, incluindo atividade de desidrogenase, quantificação bacteriana, um bioensaio de fitotoxicidade usando sementes de Sinapis alba e um teste de ecotoxicidade usando Enchytraeus albidus. As alterações do biochar podem alterar o pH do solo e afetar a retenção de água. O biochar de bituca de cigarro mostrou a maior estimulação de colônias bacterianas, com contagens atingindo até 1,00 × 106 UFC/mL em comparação com 8,47 × 104 UFC/mL entre as réplicas de controle, enquanto o biochar de borra de café aumentou a atividade da desidrogenase (3,53 × 10-3 mU/g), implicando maior capacidade metabólica microbiana. Os testes de fitotoxicidade indicaram que o crescimento das plantas foi aumentado pelo lúpulo (162,96%) e biochars de madeira de abeto (206,66%), enquanto taxas de aplicação mais altas de biochar de bituca de cigarro suprimiram o crescimento das plântulas (62,36% de inibição). O teste de ecotoxicidade com Enchytraeus albidus indicou que todos os biochars tiveram um efeito prejudicial, exceto o biochar de ponta de cigarro (33% de estimulação). Os resultados deste estudo destacam que o efeito do biochar na saúde do solo é dependente da fonte, com implicações importantes para o manejo do solo. O estudo revela a necessidade de ajustes na aplicação de biochar com base na concentração e no tipo para maximizar seus benefícios e, ao mesmo tempo, minimizar os riscos potenciais aos sistemas de solo.

Introdução

Nos últimos anos, o biochar surgiu como um corretivo de solo multifuncional e ecologicamente correto aplicado na agricultura1 e como um meio de mitigar o aquecimento global2. À medida que o mundo luta contra a degradação da terra, a redução da produtividade das culturas e o aumento das emissões de carbono, o biochar surgiu como uma alternativa verde aos fertilizantes convencionais3 e às abordagens de sequestro de carbono4. Em contraste com os fertilizantes sintéticos, o biochar aumenta inerentemente a fertilidade do solo5, reduz a perda de nutrientes6 e aumenta a retenção de água7, tornando-o altamente útil em regiões com solos degradados ou de baixa fertilidade. Além disso, o biochar melhora a função microbiana, fornecendo um habitat estável e fonte de carbono para microrganismos benéficos do solo, que são importantes para a decomposição da matéria orgânica e ciclagem de nutrientes8.

Além da agricultura, o biochar também serve como uma solução verde para o descarte de resíduos, pois converte resíduos de biomassa, como resíduos agrícolas, resíduos florestais e resíduos de alimentos, em material de carbono de longo prazo9. Isso não apenas limita o acúmulo de resíduos, mas também compensa os gases de efeito estufa por meio da captura de carbono, que de outra forma escaparia como dióxido de carbono (CO2) ou metano (CH4). Comparado com outros mecanismos de sequestro de carbono, o biochar oferece uma estratégia de solo integrada de longo prazo que mitiga o COatmosférico 2 e apoia solos saudáveis, bem como altos rendimentos10.

Apesar de seus benefícios reconhecidos - como aumento da fertilidade do solo, capacidade de retenção de água e propriedades estimulantes microbianas - existem preocupações contínuas sobre os potenciais efeitos ecotoxicológicos na biota do solo11. Embora o biochar seja geralmente positivo para a atividade e diversidade microbiana, certas matérias-primas ou condições de processamento podem produzir compostos tóxicos que prejudicam os microrganismos do solo e sua função ecológica12.

Para avaliar os riscos potenciais dos biochars, são necessárias avaliações ecotoxicológicas. Bactérias (decompositores), plantas (produtores) e invertebrados (consumidores) estão entre os grupos taxonômicos utilizados em pesquisas sobre ecotoxicidade do solo e do sedimento. Esses táxons representam ambientes terrestres e aquáticos13.

A função complementar dos Enchytraeids com as minhocas no funcionamento do ecossistema do solo é a base para o desenvolvimento de bioensaios para esses organismos. Em bioensaios, os enquitreídeos servem como modelos biológicos terrestres para investigar os efeitos de produtos químicos como pesticidas (por exemplo, dimetoato, atrazina, carbendazime) e metais vestigiais (por exemplo, chumbo, zinco, cobre, cádmio) 14 .

Além dos ensaios baseados em organismos, a atividade enzimática microbiana é outra maneira de avaliar a saúde do solo. A atividade da desidrogenase do solo é um indicador da atividade oxidativa microbiana15. O teste de desidrogenase em misturas de solo e biocarvão é eficaz para quantificar a atividade microbiana e a saúde geral do solo. Como as enzimas desidrogenase estão envolvidas na respiração microbiana, sua atividade reflete o quão biologicamente ativo é o solo. Isso é útil para avaliar a qualidade do solo, a fertilidade e o efeito do biochar sobre os micróbios. O ensaio mede a redução do cloreto de trifeniltetrazólio (TTC) a trifenil formazan (TPF), que é determinado espectrofotometricamente. A maior produção de TPF é um indicador de maior atividade microbiana.

Esperamos que os biochars produzidos a partir de diferentes matérias-primas tenham impactos distintos na saúde do solo. Esses efeitos dependerão de suas características químicas e físicas, que podem alterar os parâmetros físico-químicos do solo, influenciando assim a atividade microbiana, o crescimento das plantas e a toxicidade do organismo do solo.

Neste estudo, avaliamos os efeitos dos biochars derivados de resíduos em várias métricas de saúde do solo, incluindo pH, atividade microbiana, crescimento das plantas e sobrevivência de invertebrados (Figura 1). Três concentrações (1%, 5%, 10% p / p) de quatro biochars derivados de resíduos diferentes foram misturadas com solo de jardim e avaliadas quanto aos efeitos mencionados acima. O teor de umidade, o pH e a seleção dos organismos de teste foram cuidadosamente controlados para garantir a relevância ecológica do estudo.

Protocolo

1. Preparação de biochar

NOTA: Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre os biochars usados aqui como materiais de teste. As condições de pirólise, composição elementar e dados de análise centesimal foram fornecidos pelos produtores (Tabela 1).

CUIDADO: Sempre realize a pirólise em um laboratório bem ventilado com sistema de exaustão ou fumaça adequado. Use luvas resistentes ao calor, jaleco, óculos de segurança e protetor facial, se necessário.

Tabela 1: Características básicas dos biochars testados. Clique aqui para baixar esta tabela.

2. Caracterização química do biochar

  1. Analise a composição elementar de todos os biochars (feito utilizando espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) ou espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP MS), com base nas concentrações, após a decomposição assistida por micro-ondas (Tabela 2).

3. Preparação de misturas solo-biochar

  1. Coleta de solo e configuração de experimentos
    1. Colete a camada superficial do solo de um campo experimental.
    2. Remova os detritos da superfície manualmente. Peneire o solo até um tamanho de partícula inferior a 5 mm para remover os detritos.
    3. Pesar 100 g de terra peneirada e adicioná-lo aos recipientes de teste.
  2. Emenda e incubação de biochar
    1. Adicione 1 g, 5 g ou 10 g de cada tipo de biochar por 100 g de solo para criar 1%, 5% e 10% (p/p) de correção de biochar de solo.
    2. Adicione água destilada para atingir 60% da capacidade máxima de retenção de água (WHC).
    3. Misture bem com uma espátula.
    4. Pese cada recipiente e cubra com parafilme para minimizar a evaporação.
    5. Incubar as misturas a 27 °C durante 10 dias.
      NOTA: Esta mistura será usada para medição de perda de água, mudança de pH, fitotoxicidade e ensaios de quantificação bacteriana.
      O solo utilizado deve ser coletado e descartado de acordo com os protocolos locais de biossólidos.

4. Medição de pH de misturas de solo-biochar

  1. Pesar 10 g de cada mistura solo-biochar em tubos cônicos de 50 mL.
  2. Aos tubos, adicione 25 mL de água destilada.
  3. Agite os tubos por 30 s manualmente ou use um misturador de vórtice em velocidade média. Filtrar a mistura com papel de filtro Whatman n.º 1 para um copo limpo de 100 ml.
  4. Medir o pH do filtrado à temperatura ambiente (20-25 °C) utilizando um medidor de pH calibrado.

5. Teste de toxicidade de Enchytraeus albidus

  1. Realize o teste de acordo com a Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) 2016, Teste nº 22016.
  2. Preparação do solo para o teste
    1. Utilizar solo artificial da OCDE para este ensaio.
    2. Meça o pH do solo seguindo as etapas mencionadas na seção 4.
    3. Ajuste para pH 6,0 ± 0,5 adicionando carbonato de cálcio de grau analítico (CaCO3) gradualmente ao solo e misture bem.
    4. Ajuste o teor de umidade para 40-60% do WHC máximo adicionando água destilada ou deionizada.
      NOTA: Verifique a consistência manualmente; O solo deve ser úmido, mas não grumoso.
  3. Aclimatação e seleção de vermes
    1. Enxágue as minhocas suavemente com água destilada para remover a solução salina de transporte.
    2. Coloque as minhocas no solo preparado da OCDE e aclimate a 20 ° C por 24 h sob um ciclo de 16 h de luz / 8 h de escuridão a 6.000 lux.
    3. Selecione 15 vermes adultos saudáveis por configuração, usando um estereomicroscópio baseado na presença de clitelo.
  4. Configuração e incubação de teste
    1. Misture 100 g do solo preparado da OCDE com 5 g de cada tipo de biochar em recipientes limpos.
    2. Preparar o controlo utilizando 100 g de solo OCDE não alterado.
    3. Confirme se o pH e o teor de umidade estão na faixa necessária (pH - 6,0 ± 0,5; teor de umidade - 40-60% do WHC máximo).
    4. Introduzir 15 vermes adultos em cada recipiente de teste e controlo utilizando uma pinça de ponta mole.
    5. Adicione 25 mg de aveia em flocos finamente moída como fonte de alimento na superfície do solo.
    6. Cubra os recipientes com papel alumínio perfurado para permitir a troca de ar.
    7. Incubar os recipientes a 20 °C durante 5 dias num ciclo de 16 h de luz/8 h de escuridão a 6.000 lux.
    8. Pese os recipientes diariamente e reabasteça a perda de peso com a adição de uma quantidade adequada de água destilada ou deionizada para manter o teor de umidade constante.
    9. Monitore a atividade do verme e registre qualquer mortalidade visível durante o teste.
    10. Após o final do ensaio, calcular o efeito letal (%) utilizando a fórmula:
      figure-protocol-1
      Onde:
      Wi - contagem inicial de worms no início do teste
      Wf - contagem final de worms no final do teste
      NOTA: Para que o teste seja válido, a mortalidade de adultos na configuração de controle não deve exceder 20% no final do teste.
    11. Após o teste, seque o solo de teste a 105 °C para inativá-lo e descarte de acordo com os protocolos locais de biossólidos.

6. Teste de fitotoxicidade

  1. Realize o teste de acordo com a Organização Internacional de Padronização (ISO) 18763:201617.
  2. Configuração da placa de Petri
    1. Adicione 20 g das misturas de solo e biochar incubadas em placas de Petri limpas de 9 cm. Alise a superfície suavemente usando uma espátula limpa.
    2. Preparar três réplicas para cada concentração de biochar e incluir dois controlos não alterados.
  3. Plantio e incubação de sementes
    1. Coloque 10 sementes de Sinapis alba uniformemente espaçadas em cada prato na superfície do solo.
      NOTA: Não pressione as sementes no solo; Deixe-os endurecer naturalmente com a umidade.
    2. Cubra a louça com tampas e coloque-a em uma incubadora a 25 °C ± 2 °C por 5 dias sem luz direta.
    3. Após a incubação, meça o comprimento da raiz da borda de uma semente até o final de uma raiz, usando uma régua de plástico. Relate em cm ou mm. Se a semente estiver apenas quebrada, declare-a como 0,1 cm ou 1 mm.
    4. Calcular o efeito de inibição (%) utilizando a fórmula:
      figure-protocol-2
      Onde:
      RLc - comprimento médio da raiz das sementes em prato controle
      RLt - comprimento médio da raiz das sementes na placa de teste
      NOTA: Para que o teste seja válido, é importante verificar se a germinação das sementes no controle é de pelo menos 80% (8 germinadas em 10 sementes).

7. Quantificação de colônias bacterianas

  1. Suspensão e diluição do solo
    1. Pesar 5 g de cada mistura de solo e biochar incubada em tubos cônicos estéreis de 50 mL.
    2. Adicione 25 mL de água destilada estéril e agite bem por 30 s.
    3. Deixar a suspensão homogeneizar à temperatura ambiente durante 2 h.
    4. Filtrar a suspensão com gaze ou rede esterilizada e preparar diluições seriadas utilizando esta solução-mãe.
    5. Prepare cinco tubos de ensaio, cada um contendo 9 mL de água destilada estéril.
    6. Realize diluições seriadas de 10 vezes usando pipetas estéreis, por exemplo, transfira 1 mL da solução estoque para o primeiro tubo = 10-1, depois 1 mL para o próximo = 10-2, etc.)
    7. Use diluição 10-2 para revestimento.
  2. Plaqueamento e contagem de colônias
    1. Pipete 0,2 mL de diluição 10-2 em placas de ágar nutriente estéreis.
    2. Espalhe a amostra uniformemente usando um espalhador esterilizado.
    3. Incubar as placas em posição invertida a 27 °C durante 24 h.
    4. Conte as colônias usando um contador de colônias.
    5. Calcular as unidades formadoras de colónias (UFC) mL-1 da mistura utilizando a fórmula:
      figure-protocol-3
      NOTA: Trabalhe sob um gabinete de biossegurança, se disponível. Esterilize as ferramentas entre as amostras para evitar contaminação.
      Desinfete todas as placas com etanol 70% ou autoclave antes de descartar.

8. Determinação da matéria seca (MS)

NOTA: Use luvas resistentes ao calor ao manusear tigelas quentes.

  1. Pese 10 g de terra em uma tigela de vidro ou porcelana resistente ao calor.
  2. Coloque a tigela em um forno de secagem pré-aquecido a 105 °C e seque por 2 h.
  3. Após a secagem, transfira a tigela para um dessecador e deixe esfriar por 10 min para evitar a absorção de umidade do ar.
  4. Pesar novamente a tigela resfriada usando uma balança analítica.
  5. Repita o procedimento para pelo menos três amostras para garantir a precisão.
  6. Calcular o teor de matéria seca (MS) utilizando a fórmula:
    figure-protocol-4
    Onde:
    MS - teor de matéria seca (%)
    Md - peso da amostra seca em g
    Mw - peso da amostra não seca (original) em g

9. Teste de atividade de desidrogenase (DHA)

  1. Realize o teste de acordo com o protocolo padrão (ISO 23753-1:2019)18.
  2. Preparação de reagentes
    1. Solução tampão TRIS (100 mmol/L, pH 7,6).
      1. Dissolver 12,12 g de tris(hidroximetil)aminometano (TRIS) em 800 ml de água destilada.
      2. Ajuste o pH para 7,6 usando ácido clorídrico (HCl) 1 M.
      3. Ajuste o volume total para 1 L com água destilada.
      4. Conservar a 4 °C e utilizá-lo no prazo de uma semana.
    2. Solução de substrato TTC (300 mmol/L)
      1. Dissolver 1 g de TTC em 10 ml da solução tampão Tris preparada.
      2. Conservar à escura a 4 °C e utilizá-lo no prazo de 1 semana.
    3. Prepare a solução-padrão TPF para a curva de calibração:
      1. Adicionar 100 mg de TPF a 10 ml de etanol a 96% e agitar até dissolver completamente para obter uma solução-mãe de TPF (33 mmol/l).
      2. Diluir 0,5 ml da solução-mãe preparada de TPF com 50 ml de etanol para obter a solução de trabalho de TPF (330 nmol/ml).
      3. Preparar padrões de trabalho de 0, 0,1, 0,2, 0,5 e 1,0 mL da solução de trabalho, diluídos com etanol até um volume final constante de 3 mL.
      4. Meça a absorbância a 485 nm para gerar a curva de calibração.
  3. Preparação da amostra
    1. Adicione 5 g de cada mistura de solo-biochar em tubos cônicos de 50 mL.
    2. Adicione 4 mL de tampão Tris (100 mmol/L, pH 7,6) e 1 mL de solução TTC às configurações de teste.
    3. Adicione apenas 4 mL de tampão Tris às configurações de controle.
    4. Misturar os tubos manualmente por inversão suave e incubar a 25 °C durante 6 h na escuridão.
  4. Extração de formazan
    1. Adicione 25 mL de etanol a cada tubo após a incubação.
    2. Colocar as amostras sob agitação orbital na obscuridade durante 1 h (250 min-1, a 25 °C).
    3. Após agitação, adicione 1 mL de TTC aos tubos de controle.
    4. Centrifugue todos os tubos a 2.000 × g por 5 min a 25 °C para separar o sobrenadante.
  5. Medição e cálculo
    1. Transfira os sobrenadantes para cubetas limpas.
    2. Ler a absorvância a 485 nm com um espectrofotómetro.
    3. Utilização da curva de calibração para determinar a concentração de TPF nas amostras (nmol/L).
    4. Calcule a atividade da desidrogenase usando a seguinte fórmula:
      figure-protocol-5
      Onde:
      A - atividade enzimática em mU g-1 (ou nmol min-1 g-1) de solo seco
      Cs - concentração de TPF em amostras de teste em nmol mL-1
      Cb - concentração de TPF na amostra controle em nmol mL-1
      V - volume total da reação (soma dos volumes de substrato, solução tampão e etanol, em mL)
      RT - duração da reação em minutos
      M - massa de solo por tubo em g
      MS - teor de matéria seca do solo (%)
      NOTA: Manuseie TTC e TPF com luvas, pois são mutagênicos potenciais. Use uma capela de exaustão ao preparar reagentes à base de etanol.
      Após o teste, descarte o etanol e os resíduos contendo TTC em recipientes designados para resíduos químicos.

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Figura 1: Representação esquemática do fluxo de trabalho experimental. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

Caracterização química
Os biochars apresentaram diferenças significativas na composição elementar (Tabela 2). Cálcio (Ca) e potássio (K) foram mais altos em biochars de bituca de cigarro e lúpulo gasto. O biochar de madeira de abeto teve mais alumínio (Al) e ferro (Fe). Cobre () e magnésio (Mg) foram fortemente enriquecidos em biochar de lúpulo gasto. Chumbo (Pb), cádmio (Cd) e outros metais vestigiais estavam presentes em pequenas quantidades em todas as amostras.

Tabela 2: Composição química dos biochars. Principais conteúdos elementares dos diferentes biochars utilizados no estudo. Clique aqui para baixar esta tabela.

Variação do pH durante o período de incubação
Em todos os tratamentos, o pH das misturas solo-biochar tendeu a aumentar ligeiramente ao longo do tempo (Figura 2). O maior valor de pH foi registrado para a mistura com biochar de bituca de cigarro a 10% p/p, atingindo 9,48 no dia 15; Este tratamento apresentou o maior aumento ao longo do tempo. O biochar de borra de café também produziu um aumento gradual, com um pH máximo de 8,94 a 10% p/p no dia 15. O biochar de lúpulo aumentou o pH em 16,57%, com um máximo de 9,20 a 10% p/p. Em contraste, a mistura de biochar de abeto e madeira atingiu um pH de 8,56 a 10% p / p. O controle apresentou o pH mais baixo, variando de 6,57 a 7,66 com mudança mínima ao longo do tempo.

figure-results-1
Figura 2: Mudanças de pH ao longo do tempo em misturas de solo-biochar .pH do solo medido nos dias 0, 10 e 15 para cada emenda de biochar a 1%, 5% e 10% p/p. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Retenção de água e perda de peso
A capacidade de retenção de água em todos os tipos de biochar foi menor do que o solo controle sem biochar (Figura 3). O controle perdeu 3,67% do seu peso em 15 dias, indicando a maior retenção de água. Entre os biochars, o tratamento com bitucas de cigarro teve a menor perda de água, diminuindo 5,89% ao longo da incubação e, portanto, a maior retenção entre os biochars. Um padrão semelhante, mas mais moderado, foi observado com o biochar de lúpulo (9,22% de perda de peso total, com maiores perdas em concentrações mais altas). O biochar de borra de café apresentou a maior perda de peso (até 16,56%), indicando a menor retenção de água. A mistura abeto-madeira perdeu em média 10,22%.

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Figura 3: Perda de peso de misturas de solo-biochar durante a incubação. Mudança de peso como indicador de retenção de água ao longo de 15 dias para todos os biochars e concentrações. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Teste de toxicidade e reprodução de E. albidus
A reprodução de E. albidus a 5% p/p de biochar apresentou acentuada dependência de matéria-prima. No controle de solo da OCDE, a população aumentou de 15 para 24 (aumento de 60%, Figura 4). O biochar de madeira de abeto resultou em apenas 7 sobreviventes (53% de inibição, Figura 5). Os biochars de lúpulo e borra de café produziram 12 sobreviventes cada um (20% de inibição, Figura 5). O biochar de bituca de cigarro estimulou a reprodução em 33%, com um total de 20 vermes, incluindo descendentes.

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Figura 4: Mudança líquida da população de E. albidus em solo tratado com biochar. Contagens iniciais e finais de vermes após 5 dias. A concentração de 5% p/p de cada biochar foi testada. Os dados representam média ± desvio padrão (n = 3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 5: Efeitos tóxicos ou estimulantes sobre E. albidus. Efeito líquido sobre os vermes em comparação com o controle. Valores positivos mostram inibição; valores negativos mostram estimulação. Os dados representam a média ± o desvio padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Fitotoxicidade
O alongamento radicular em S. alba foi medido após uma incubação de 10 dias a 1%, 5% e 10% p/p (Figura 6). Em solo não corrigido, o comprimento médio da raiz foi de 237 mm. O biochar de borra de café a 1% p/p produziu uma estimulação de 79,16%; Concentrações mais altas causaram inibição, até 47,08% a 5% p/p. O biochar de madeira de abeto estimulou o crescimento em todas as concentrações, atingindo um pico de 206,66% a 10% p/p. O biochar de bituca de cigarro produziu 41,01% de estimulação a 1% p/p, mas inibiu o crescimento a 5% e 10% p/p, atingindo 62,36% de inibição a 10% p/p. O biochar de lúpulo estimulou o crescimento em todas as taxas (38,97%, 31,75% e 162,96% a 1%, 5% e 10% p/p, respectivamente).

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Figura 6: Efeitos da fitotoxicidade em Sinapis alba. Inibição ou estimulação do crescimento radicular em relação ao controle após 10 dias de crescimento em todos os tratamentos com biochar. Valores positivos mostram inibição; valores negativos mostram estimulação. Os dados representam média ± desvio padrão (n = 3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Quantificação de colônias bacterianas
A contagem de colônias bacterianas foi avaliada após 10 dias (Figura 7). O controle teve média de 8,47 × 104 UFC/mL. O biochar de café rendeu 7,33 × 104 UFC/mL a 1% p/p e aumentou para 1,18 × 105 e 1,50 × 105 UFC/mL a 5% e 10% p/m, respectivamente. O biochar de madeira de abeto deu 1,97 × 105 UFC/mL a 1% p/p, diminuindo para 9,73 × 104 e 4,93 × 104 UFC/mL a 5% e 10% p/mL. O biochar de bituca de cigarro produziu 5,40 × 104 UFC/mL a 1% p/p e a maior estimulação a 10% p/p (1,00 × 106 UFC/mL). O biochar de lúpulo mostrou leve estimulação em todas as concentrações, atingindo um pico de 1,07 × 105 UFC/mL a 5% p/p.

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Figura 7: Crescimento bacteriano em solo tratado com biochar. UFC/mL bacteriana após 10 dias de incubação para todos os tratamentos e concentrações. Controle incluído para comparação. Os dados representam média ± desvio padrão (n = 3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Atividade da desidrogenase
O biochar de borra de café produziu a maior atividade de desidrogenase em todas as concentrações, atingindo um pico de 1% p / p (3,53 × 10-3 mU / g) e permanecendo comparável a 5% e 10% p / p (2,38 × 10-3 e 2,62 × 10-3 mU / g) (ver Figura 8). O biochar de lúpulo aumentou a atividade a 1% p / p (2,39 × 10-3 mU / g), mas diminuiu em 5% (6,34 × 10-4 mU / g) e tornou-se negativo em 10% p / p (-8,30 × 10-4 mU / g). O biochar de bituca de cigarro foi positivo a 1% p / p (1,29 × 10-3 mU / g) e diminuiu para -7,26 × 10-4 e -8,53 × 10-4 mU / g a 5% e 10% p / p. O biochar de madeira de abeto foi negativo em todas as concentrações (−5,53 × 10-4 e −5,19 × 10-4 mU/g a 1% e 5% p/p; −3,11 × 10-4 mU/g a 10% p/p), permanecendo inferior ao controle.

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Figura 8: Atividade da desidrogenase em solo corrigido com biochar. Atividade enzimática microbiana em todos os tipos e concentrações de biochar. Os valores são relativos ao solo controle sem adição de biochar. Valores positivos indicam maior atividade enzimática em comparação com o controle, e valores negativos indicam atividade enzimática menor que o controle. Os dados representam média ± desvio padrão (n = 3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Consulte a Tabela 3 e a Tabela 4 para obter um resumo dos resultados.

Tabela 3: Efeitos do biochar no pH do solo e na retenção de água. Mostra os valores iniciais e finais de pH, ΔpH e % de perda de água durante a incubação. Clique aqui para baixar esta tabela.

Tabela 4: Resumo dos efeitos biológicos e resultados do DHA. Dados combinados sobre reprodução de vermes, fitotoxicidade, contagens microbianas e atividade enzimática para todos os tratamentos. figure-results-8 indica estimulação e figure-results-9 indica inibição. Para os resultados de DHA, valores positivos indicam maior atividade enzimática em comparação com o controle e valores negativos indicam atividade enzimática menor que o controle. Clique aqui para baixar esta tabela.

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Os dados serão carregados no repositório público: DOI/URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30128803.v1

Discussão

A mistura de solo e borra de café gasto apresentou alta alcalinidade, com pH de 8,94, compatível com pH relatado anteriormente de 9,419. O biochar também exibiu o maior aumento na perda de massa em comparação com a amostra controle, indicando baixa capacidade de retenção de umidade, o que provavelmente se deve à sua baixa área superficial, limitando a tendência de adsorção de água20,21. Essas propriedades físicas criaram condições desfavoráveis para E. albidus, causando uma inibição de 20% na sobrevivência e reprodução dos vermes.

Nos testes de fitotoxicidade, S. alba apresentou estimulação de 79,16% na concentração de 1% p/p, enquanto que em concentrações mais altas, por exemplo, 5% p/p, o biochar inibiu o alongamento radicular em 47,08%. Isso se alinha com os relatórios22 de que os efeitos fitotóxicos do biochar de borra de café em Lactuca sativa foram causados por ácidos carboxílicos. Além disso, estudos mostraram que fenólicos solúveis e ácidos carboxílicos também interrompem o transporte de auxinas, o que resulta em limiares fitotóxicos23.

A contagem de colônias bacterianas aumentou com o aumento da concentração de biochar de café (1,50 × 10-5 UFC/mL na concentração de 10% p/p), indicando que este biochar proporcionou condições favoráveis para bactérias cultiváveis. O biochar de café também apresentou a maior atividade de DHA (3,53 × 10-3 mU/g), sugerindo que estimulou populações microbianas cultiváveis e não cultiváveis. Isso foi ainda apoiado por estudos24 que observaram os impactos benéficos do biochar de café na atividade enzimática do solo.

O biochar de lúpulo causou aumento na alcalinidade do solo e perda de peso média moderada (10%). Nos testes de fitotoxicidade, o biochar foi benéfico para a estimulação do alongamento radicular, principalmente em concentrações mais altas (162,96% de estimulação). Em relação à atividade microbiana, o biochar de lúpulo não apresentou alteração marcante na contagem bacteriana (até 1,00 × 10-5 UFC/mL), o que pode ser devido a um equilíbrio em sua composição química. Embora o biochar de lúpulo contivesse a maior quantidade de cobre (), que pode ser tóxico para os micróbios, pois inibe os sistemas enzimáticos bacterianos25, ele também continha níveis mais altos de elementos como potássio (K) e fósforo (P), que devem apoiar o crescimento microbiano melhorando a síntese de clorofila em mudas26. A atividade do DHA também refletiu esse efeito neutro, indicando uma resposta estável com impacto biológico limitado.

O biochar das bitucas de cigarro resultou no aumento da alcalinidade do solo ao longo do tempo (até pH 9,48). Foi produzido a uma temperatura de pirólise mais alta (700 ° C), o que resultou em um biochar mais alcalino que suportou o crescimento bacteriano. Essa observação é consistente com estudos anteriores27, que relataram que o biochar melhora o pH do solo, melhorando assim as condições do habitat. Dentre todos os tratamentos, o biochar das bitucas de cigarro reteve o maior teor de umidade (até 94%), o que também poderia explicar o efeito estimulatório na sobrevivência e reprodução de E. albidus . A alta retenção de umidade pode estar ligada a mudanças microestruturais a 700 °C, produzindo microporos que retêm filmes de água28. Outra causa do efeito estimulador pode ser devido ao alto teor de cálcio (Ca), P e K no biochar das bitucas de cigarro, que são elementos benéficos para a sobrevivência e reprodução dos vermes.

Nas avaliações microbianas, o biochar das bitucas de cigarro exibiu a maior estimulação bacteriana em concentrações mais altas, atingindo aproximadamente 1,00 × 10-6 UFC/mL, ao contrário da atividade do DHA, que não apresentou o mesmo nível de aumento. Essa descoberta sugere estimulação seletiva de bactérias cultiváveis, em vez de toda a comunidade microbiana.

A mistura de biochar de solo e madeira de abeto causou apenas um ligeiro aumento no pH, também observado por estudos29, que relataram um pH de 7,87 para o biochar derivado de coníferas. Sua temperatura de produção foi a mais baixa (600 °C) de todos os biochars utilizados neste estudo. A capacidade do biochar de reter água foi moderada em comparação com outros tipos de biochar, pois não apresentou perda de peso extrema.

No entanto, no caso da sobrevivência e reprodução de Eisenia foetida , o biochar de madeira de abeto apresentou a maior toxicidade (53% de efeito letal). Uma das causas prováveis pode ser níveis elevados de elementos como alumínio (Al), ferro (Fe) e manganês (Mn), que são conhecidos por serem tóxicos para as minhocas, pois interferem na regulação do pH intestinal e causam estresse oxidativo30. Achados semelhantes foram relatados em estudos em que Eisenia foetida sofreu um declínio considerável na biomassa devido à toxicidade de metais pesados no solo devido ao uso excessivo de agroquímicos31.

O biochar de madeira de abeto causou a maior estimulação do alongamento radicular no ensaio de fitotoxicidade (até 206% de estimulação). Isso sugere que, ao contrário da sensibilidade a vermes, altas concentrações de metais podem servir como micronutrientes essenciais para espécies de plantas como S. alba. Baixas concentrações desse biochar estimularam colônias bacterianas; no entanto, a contagem de colônias diminuiu com o aumento da concentração. Este efeito indica sensibilidade bacteriana a baixos níveis de K e P e alto teor de elementos tóxicos (Al, Fe, Mn). Essa observação é consistente com a atividade de DHA medida, que foi menor do que o solo controle, possivelmente devido a uma baixa relação hidrogênio-carbono (H/C), tornando o carbono indisponível32. Essas descobertas sugerem que o biochar de madeira de abeto não suporta o crescimento microbiano devido ao baixo teor de nutrientes ou compostos inibitórios.

Os biochars foram obtidos como materiais de teste de laboratórios externos e produzidos sob as condições aplicadas rotineiramente por cada fornecedor, que incluíam diferentes temperaturas de pirólise. Nosso objetivo era avaliar biochars derivados de resíduos representativos conforme fornecidos, em vez de isolar o efeito da temperatura entre as matérias-primas; portanto, os efeitos da temperatura não podem ser totalmente dissociados dos efeitos da matéria-prima neste estudo. Parâmetros de produção detalhados, como taxa de aquecimento, atmosfera de gás e tempo de residência, não estavam disponíveis nos fornecedores; apenas as temperaturas fornecidas e as características elementares foram relatadas (ver Tabela 1 e Tabela 2).

Considerando os resultados deste estudo, pode-se concluir que o biochar de lúpulo teve um efeito geral equilibrado com efeitos colaterais ambientais moderados. Apoiou o crescimento de plantas em todas as concentrações, mostrou mudança moderada de pH e capacidade de retenção de água e, além disso, não teve um efeito drástico sobre os micróbios e vermes do solo em comparação com outros biochars testados.

Esses resultados demonstram como é crucial selecionar o tipo de biochar apropriado, juntamente com suas concentrações adequadas para correções do solo, para garantir a melhoria real da qualidade do solo e do crescimento das plantas, sem causar efeitos colaterais negativos.

Várias etapas do protocolo, incluindo a temperatura de pirólise e a taxa de aplicação do biochar, tiveram um impacto perceptível nos resultados deste estudo. Temperaturas mais altas de pirólise resultaram em maior alcalinidade do biochar e influenciaram a estimulação na reprodução do verme e no crescimento bacteriano, como visto para o biochar da bituca de cigarro. Em contraste, temperaturas de pirólise mais baixas resultaram em menos biochar alcalino e foram associadas à maior toxicidade do verme e à atividade microbiana reduzida, como no caso do biochar de madeira de abeto. O efeito da dose de aplicação foi dependente do tipo de biochar e do organismo testado. Concentrações mais baixas de biochar de borra de café levaram a um efeito estimulatório no alongamento radicular e alta atividade de DHA, enquanto altas concentrações de biochar de bitucas de cigarro resultaram no maior crescimento bacteriano cultivável.

Certos ajustes foram feitos no método de estudo para resolver problemas comuns, como contagens de colônias inconsistentes. Isso inclui permitir a homogeneização de 2 h das suspensões de solo e usar a diluição serial de 10-2 para obter contagens de colônias ótimas e comparáveis. Além disso, a diretriz da OCDE, teste nº 220, foi projetada para avaliar o efeito dos produtos químicos em estudo nos vermes enquitreídeos. Sugere o cálculo da concentração letal 50 (CL50) derivada de uma gama de concentrações químicas testadas no teste de determinação da faixa. Neste estudo, o objetivo foi avaliar o efeito tóxico geral dos biochars derivados de resíduos na sobrevivência e reprodução dos vermes; portanto, o efeito letal foi determinado pela variação percentual no número de vermes do início ao fim do teste e relatado como % de efeito letal.

Este protocolo é reprodutível em condições de laboratório e em pequena escala (por exemplo, amostras de 100 g). No entanto, o aumento de escala para volumes maiores de solo pode causar diferenças nos resultados. Isso pode ser controlado pela mistura mecânica adequada do solo e do biochar usado, juntamente com um sistema de irrigação controlado para manter os níveis de umidade constantes. Além disso, os efeitos do biochar variaram fortemente com o tipo de matéria-prima e a temperatura de pirólise, sugerindo pesquisas futuras para caracterizar cada material individualmente antes da aplicação.

O protocolo difere de outras técnicas de avaliação da saúde do solo, pois oferece uma combinação de parâmetros físico-químicos, como pH e retenção de umidade, e respostas biológicas à correção do solo com diferentes tipos de biochars. A inclusão da análise da atividade enzimática junto com as contagens tradicionais de colônias microbianas fornece informações sobre a função microbiana não cultivável. Além disso, o estudo foi baseado em diferentes matérias-primas de biochar em múltiplas concentrações, o que adiciona relevância prática para estratégias de correção do solo do mundo real.

Pesquisas futuras podem envolver o teste de matérias-primas adicionais, como esterco, casca de arroz ou lodo de esgoto, para comparar seus efeitos nos ecossistemas do solo. Testes de campo de longo prazo também podem ser adaptados para avaliar os efeitos sazonais e os resultados do rendimento das culturas. Este estudo mostra os efeitos dependentes da matéria-prima e da concentração de biochars derivados de resíduos na saúde do solo. Certos biochars estimularam a atividade microbiana e o crescimento das plantas, enquanto outros produziram respostas inibitórias ou tóxicas nos organismos do solo. A seleção de tipos de biochar e taxas de aplicação apropriados é essencial para maximizar os benefícios e minimizar os riscos no manejo do solo.

Divulgações

Os autores declaram não ter conflitos de interesse.

Agradecimentos

O trabalho apresentado foi financiado pelo projeto BIOCIRKL (reg. nº. TN02000044), apoiado pelo Plano de Recuperação da República Checa e pela Agência de Tecnologia da República Checa no âmbito do Programa dos Centros Nacionais de Competências no período de 2023-2028.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
1,3,5- Trifeniltetrazólium formazanSigma-Aldrich, República Tcheca93145
2,3,5- cloreto de trifeniltetrazólio  Sigma-Aldrich, República TchecaT8877
autoclave CertoClav ClassicCertoClav, Áustria8510174
Carbonato de Cálcio  Sigma-Aldrich, República Tcheca239216
centrífuga MPW-251MPW Med. Instrument, Polônia10251
Bitucas de cigarro biocharUniversidade de Hohenheim, AlemanhaProduzido a 700 e graus; C 
Contador de colônia CC-200Cole-Parmer14212-04
Enchytraeus albidus  INVITAL aqua s.r.o.
Etanol Penta, República Tcheca70390-11003
Biochar de biomassa de lúpuloLaboratório da Academia de Ciências da República TchecaProduzido a 650 & deg; C 
Célula Q incubadoraPol-Lab, Polônia
Forno de microondasAnton Paar, Multiwave PRO
Notebook PC DELL Latitude 3510Dell Products, Irlanda
Nutritivo Agar media OXOID, República TchecaCM0003B
Solo da OCDE  Microbiotest, Bélgica
Medidor de pH WTW inoLab pH 7110 Xylem Analytics, Alemanha1AA112
Sementes de Sinapis alba  Microbiotest, Bélgica
Espectrofotômetro M4 Espectrofômetro UV-VisívelVWR76520-716
Biochar borrado de café gastoLaboratório da Academia de Ciências da República TchecaProduzido a 650 & deg; C 
Biochar de madeira de abetoOlesnice, República TchecaProduzido a 600 e graus; C 
Estereoscópio MSZ5000-T-IL-TLA.Kruss Optronic, AlemanhaMSZ5000-T-IL-TL
Tris Base Sigma-Aldrich, República Tcheca252859
ocular de vídeo VOPC93 USB 2.0A.Kruss Optronic, Alemanha  VOPC93
Balança KERN EMB KERN, Alemanha

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