Здесь мы оцениваем влияние биоуглей, полученных из отходов кофейной гущи, отработанного хмеля, еловой древесины и окурков, на здоровье почвы, оценивая микробную активность, рост растений и потенциальную экотоксичность беспозвоночных.
Исследовательская статья
Оценка биоуглев из отходов на здоровье и биологическую активность почвы
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Биоуголь – это продукт, получаемый путем нагревания биомассы путем пиролиза при высоких температурах и возникший в качестве распространенного удобрителя почвы на основе его способности улучшать свойства почвы, такие как удержание воды, pH и доступность питательных веществ. Однако биоуголь, приготовленный из некоторых отходов, может оказывать негативное экотоксикологическое воздействие на почвенную биоту. Общая цель этого исследования заключалась в том, чтобы оценить влияние выбранных биоуглей, полученных из кофейной гущи, отработанного хмеля, еловой древесины и окурков, на здоровье почвы, уделяя особое внимание микробной активности, росту растений и потенциальной экотоксичности. Почвы, обработанные биоуглем, инкубировали в общей сложности в течение 15 дней, и был проведен ряд анализов, включая активность дегидрогеназы, количественное определение бактерий, биоанализ фитотоксичности с использованием семян Sinapis alba и тест на экотоксичность с использованием Enchytraeus albidus. Добавки биоугля могут изменить pH почвы и повлиять на удержание воды. Биоуголь из окурка показал самую высокую стимуляцию колоний бактерий, с количеством, достигающим 1,00 × 106 КОЕ/мл по сравнению с 8,47 × 104 КОЕ/мл в контрольной группе, в то время как биоуголь кофейной гущи усиливал активность дегидрогеназы (3,53 × 10-3 мЕд/г), что подразумевает более высокую метаболическую способность микроорганизмов. Испытания на фитотоксичность показали, что рост растений усиливался за счет хмеля (162,96%) и биоугля еловой древесины (206,66%), в то время как более высокие нормы внесения биоугля подавляли рост рассады (ингибирование на 62,36%). Тест на экотоксичность с Enchytraeus albidus показал, что все биоугли оказывают вредное воздействие, за исключением биоугля из окурка (стимуляция 33%). Результаты этого исследования подчеркивают, что влияние биоугля на здоровье почвы зависит от источника, что имеет важные последствия для управления почвой. Исследование выявило необходимость корректировки применения биоугля в зависимости от концентрации и типа для максимизации его преимуществ при минимизации потенциальной опасности для почвенных систем.
Введение
В последние годы биоуголь стал многофункциональным и экологически чистым почвенным удобрителем, применяемым в сельском хозяйстве1, а также средством смягчения последствий глобального потепления2. В то время как мир борется с деградацией земель, снижением урожайности сельскохозяйственных культур и увеличением выбросов углерода, биоуголь стал «зеленой» альтернативой традиционным удобрениям3 и подходам к секвестрации углерода4. В отличие от синтетических удобрений, биоуголь по своей природе повышает плодородие почвы5, снижает потери питательных веществ6 и увеличивает удержание воды7, что делает его очень полезным в регионах с деградированными или малоплодородными почвами. Кроме того, биоуголь усиливает микробную функцию, обеспечивая стабильную среду обитания и источник углерода для полезных почвенных микроорганизмов, которые важны для разложения органического вещества и круговорота питательных веществ8.
Помимо сельского хозяйства, биоуголь также служит экологически чистым решением для утилизации отходов, поскольку он преобразует остатки биомассы, такие как сельскохозяйственные отходы, лесные отходы и пищевые отходы, вдолгосрочный углеродный материал. Это не только ограничивает накопление отходов, но и компенсирует выбросы парниковых газов за счет улавливания углерода, который в противном случае улетучивался бы в виде углекислого газа (CO2) или метана (CH4). По сравнению с другими механизмами секвестрации углерода, биоуголь предлагает долгосрочную, интегрированную почвенную стратегию, которая смягчает атмосферныйCO2 и поддерживает здоровые почвы, а также высокую урожайность.
Несмотря на его признанные преимущества, такие как повышение плодородия почвы, водоудерживающая способность и микробно-стимулирующие свойства, существуют постоянные опасения по поводу потенциального экотоксикологического воздействия на почвеннуюбиоту. В то время как биоуголь в целом положительно влияет на микробную активность и разнообразие, определенное сырье или условия обработки могут производить токсичные соединения, которые наносят вред почвенным микроорганизмам и их экологической функции12.
Для оценки потенциальных рисков, связанных с биоуглем, необходимы экотоксикологические оценки. Бактерии (редуценты), растения (продуценты) и беспозвоночные (консументы) относятся к таксономическим группам, используемым в исследованиях экотоксичности почв и отложений. Эти таксоны представляют как наземную, так и водную среду13.
Комплементарная функция энхимреид с дождевыми червями в функционировании почвенных экосистем является основой для разработки биопроб для этих организмов. В биоанализах энхитреиды служат наземными биологическими моделями для исследования воздействия химических веществ, таких как пестициды (например, диметоат, атразин, карбендазим) и микропримеси металлов (например, свинец, цинк, медь, кадмий)14.
В дополнение к анализам, основанным на организме, активность микробных ферментов является еще одним способом оценки здоровья почвы. Активность почвенной дегидрогеназы является показателем окислительной активности микробов15. Тестирование дегидрогеназы в почвенно-биоугольных смесях эффективно для количественной оценки микробной активности и общего здоровья почвы. Поскольку ферменты дегидрогеназы участвуют в микробном дыхании, их активность отражает биологическую активность почвы. Это полезно для оценки качества почвы, плодородия и влияния биоугля на микробы. В ходе анализа измеряется восстановление трифенилтетразолия хлорида (ТТК) до трифенилформазана (ТПФ), которое определяется спектрофотометрическим путем. Более высокая продукция TPF является показателем более высокой микробной активности.
Мы ожидаем, что биоуголь, произведенный из различных видов сырья, окажет заметное воздействие на здоровье почвы. Эти эффекты будут зависеть от их химических и физических характеристик, которые могут изменять физико-химические параметры почвы, тем самым влияя на микробную активность, рост растений и токсичность почвенных организмов.
В этом исследовании мы оцениваем влияние биоугля, полученного из отходов, на несколько показателей здоровья почвы, включая pH, микробную активность, рост растений и выживаемость беспозвоночных (Рисунок 1). Три концентрации (1%, 5%, 10% по массе) четырех различных биоуглей, полученных из отходов, были смешаны с садовой почвой и оценены на предмет вышеупомянутых эффектов. Содержание влаги, pH и отбор тестируемых организмов тщательно контролировались, чтобы обеспечить экологическую значимость исследования.
Протокол
1. Приготовление биоугля
ПРИМЕЧАНИЕ: Смотрите Таблицу материалов для получения подробной информации о биоуглях, используемых здесь в качестве тестовых материалов. Условия пиролиза, элементный состав и данные экспресс-анализа были предоставлены производителями (табл. 1).
ВНИМАНИЕ: Всегда проводите пиролиз в лаборатории, которая хорошо проветривается и имеет надлежащую вытяжную или дымовую систему. Наденьте термостойкие перчатки, лабораторный халат, защитные очки, а при необходимости наденьте защитный щиток для лица.
Таблица 1: Основные характеристики испытуемых биоуглей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
2. Химическая характеристика биоугля
- Анализ элементного состава всех биоуглей (выполнен с использованием атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP OES) или масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP MS) на основе концентраций после микроволнового разложения (табл. 2).
3. Приготовление почвенно-биоугольных смесей
- Сбор грунта и постановка эксперимента
- Соберите верхний слой почвы с опытного поля.
- Удалите поверхностный мусор вручную. Просейте почву до размера частиц менее 5 мм, чтобы удалить мусор.
- Взвесьте 100 г просеянного грунта и добавьте его в тестовые емкости.
- Внесение поправок в биоуголь и инкубация
- Добавьте 1 г, 5 г или 10 г каждого типа биоугля на 100 г почвы, чтобы создать почво-биоугольную добавку 1%, 5% и 10% (по весу).
- Добавьте дистиллированную воду до достижения 60% от максимальной водоудерживающей способности (WHC).
- Тщательно перемешайте с помощью лопатки.
- Взвесьте каждую емкость и накройте парапленкой, чтобы свести к минимуму испарения.
- Выдерживайте смеси при температуре 27 °C в течение 10 дней.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта смесь будет использоваться для измерения потери воды, изменения pH, фитотоксичности и количественного определения бактерий.
Использованный грунт должен быть собран и утилизирован в соответствии с местными протоколами биотвердого вещества.
4. Измерение рН почвенно-биоугольных смесей
- Взвесьте по 10 г каждой почвенно-биоугольной смеси в конические пробирки объемом 50 мл.
- К трубочкам добавьте 25 мл дистиллированной воды.
- Встряхивайте трубки в течение 30 с вручную или используйте вихревой миксер на средних оборотах. Процедите смесь с помощью фильтровальной бумаги ватман No1 в чистую мензурку объемом 100 мл.
- Измерьте pH фильтрата при комнатной температуре (20-25 °C) с помощью калиброванного pH-метра.
5. Тест на токсичность Enchytraeus albidus
- Проведите тест в соответствии с Организацией экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) 2016 года, Тест No 22016.
- Подготовка почвы к тесту
- Для этого теста используйте искусственную почву ОЭСР.
- Измерьте pH почвы, следуя шагам, указанным в разделе 4.
- Отрегулируйте pH до pH 6,0 ± 0,5, постепенно добавляя в почву карбонат кальция аналитического качества (CaCO3) и тщательно перемешайте.
- Отрегулируйте содержание влаги до 40-60% от максимального WHC, добавив дистиллированную или деионизированную воду.
ПРИМЕЧАНИЕ: Проверьте консистенцию вручную; Почва должна быть влажной, но не комковатой.
- Акклиматизация и отбор червей
- Аккуратно промойте червей дистиллированной водой, чтобы удалить транспортный солевой раствор.
- Поместите червей в подготовленную почву ОЭСР и акклиматизируйте при температуре 20 °C в течение 24 часов в течение 16 часов свет/8 часов в темноте при температуре 6 000 люкс.
- Выберите 15 здоровых взрослых червей на одну установку с помощью стереомикроскопа на основе наличия клителлума.
- Тестовая установка и инкубация
- Смешайте в чистых емкостях 100 г подготовленного грунта ОЭСР с 5 г каждого вида биоугля.
- Приготовьте контроль, используя 100 г необработанного грунта ОЭСР.
- Подтвердите нахождение рН и влажности в необходимом диапазоне (рН - 6,0 ± 0,5; содержание влаги - 40-60% от максимального WHC).
- Введите 15 взрослых червей в каждый контейнер для тестирования и контроля с помощью щипцов с мягким наконечником.
- Добавьте 25 мг мелко измельченного овсяных хлопьев в качестве источника пищи на поверхность почвы.
- Накройте контейнеры перфорированной алюминиевой фольгой, чтобы обеспечить воздухообмен.
- Инкубируйте контейнеры при температуре 20 °C в течение 5 дней в течение 16-часового светового/8-часового темного цикла при температуре 6 000 люкс.
- Ежедневно взвешивайте емкости и восполняйте потерю веса, добавляя соответствующее количество дистиллированной или деионизированной воды для поддержания постоянного содержания влаги.
- Отслеживайте активность червей и записывайте любую видимую смертность во время теста.
- После окончания теста рассчитайте летальный эффект (%) по формуле:
Где:
Wi - начальное количество червей в начале теста
Wf - итоговое количество червячков в конце теста
ПРИМЕЧАНИЕ: Для того, чтобы тест был валидным, смертность взрослых в контрольной установке не должна превышать 20% в конце теста. - После испытания высушите тестовую почву до 105 °C, чтобы инактивировать ее, и утилизируйте в соответствии с местными протоколами биотвердого вещества.
6. Испытание на фитотоксичность
- Проведите испытание в соответствии с Международной организацией по стандартизации (ISO) 18763:201617.
- Установка чашки Петри
- Добавьте 20 г инкубированной почво-биоугольной смеси в 9 см чистых чашек Петри. Аккуратно разровняйте поверхность с помощью чистого шпателя.
- Подготовьте три репликации для каждой концентрации биоугля и включите два неизмененных контроля.
- Посадка и инкубация семян
- Поместите 10 семян Sinapis alba равномерно расположенными в каждой посуде на поверхность почвы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не вдавливайте семена в почву; Дайте им естественным образом застыть с влагой. - Накройте посуду крышками и поместите в инкубатор при температуре 25 °C ± 2 °C на 5 дней без прямого света.
- После инкубации измерьте длину корня от края семени до конца корня с помощью пластиковой линейки. Запишите его в см или мм. Если семя только что треснуло, укажите его как 0,1 см или 1 мм.
- Рассчитайте эффект торможения (%) по формуле:
Где:
RLc - средняя длина корня семян в контрольной чашке
RLt - средняя длина корня семян в тестовой чашке
ПРИМЕЧАНИЕ: Для того, чтобы тест был действительным, важно убедиться, что контролируемая всхожесть семян составляет не менее 80% (8 из 10 семян проросли).
- Поместите 10 семян Sinapis alba равномерно расположенными в каждой посуде на поверхность почвы.
7. Количественная оценка бактериальных колоний
- Суспензия и разбавление почвы
- Взвесьте по 5 г каждой инкубированной почво-биоугольной смеси в стерильные конические пробирки объемом 50 мл.
- Добавьте 25 мл стерильной дистиллированной воды и тщательно взбалтывайте в течение 30 секунд.
- Дайте суспензии гомогенизироваться при комнатной температуре в течение 2 ч.
- Процедите суспензию с помощью стерильной марли или сетки и приготовьте серийные разведения с использованием этого исходного раствора.
- Приготовьте пять пробирок каждая, содержащую 9 мл стерильной дистиллированной воды.
- Выполнять 10-кратные серийные разведения с помощью стерильных пипеток, например, переводить 1 мл из стокового раствора в первую пробирку = 10-1, затем 1 мл в следующую = 10-2 и т.д.)
- Используйте для покрытия 10-2 разведения.
- Покрытие и подсчет колоний
- Пипетку 0,2 мл разведения 10-2 на стерильные питательные агаровые планшеты.
- Равномерно распределите образец с помощью стерилизованного разбрасывателя.
- Инкубируйте планшеты в перевернутом положении при температуре 27 °C в течение 24 часов.
- Подсчитывайте колонии с помощью счетчика колоний.
- Рассчитайте колониеобразующие единицы (КОЕ) мл-1 смеси по формуле:
ПРИМЕЧАНИЕ: Работайте под шкафом биобезопасности, если таковой имеется. Стерилизуйте инструменты пламенем между образцами, чтобы избежать загрязнения.
Перед утилизацией продезинфицируйте все пластины 70% этанолом или автоклавом.
8. Определение сухого вещества (СУ)
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте термостойкие перчатки при работе с горячими мисками.
- Взвесьте 10 г грунта в жаропрочную стеклянную или фарфоровую миску.
- Поместите миску в сушильную печь, разогретую до 105 °C, и сушите в течение 2 часов.
- После сушки переложите чашу в эксикатор и дайте ей остыть в течение 10 минут, чтобы предотвратить впитывание влаги из воздуха.
- Еще раз взвесьте охлажденную чашу с помощью аналитических весов.
- Повторите процедуру как минимум для трех образцов, чтобы убедиться в точности.
- Рассчитайте содержание сухого вещества (СВ) по формуле:
Где:
DM - содержание сухого вещества (%)
Md - масса сухого образца в г
Mw - масса невысушенного (исходного) образца в г
9. Тест на активность дегидрогеназы (ДГК)
- Проведите испытание в соответствии со стандартным протоколом (ISO 23753-1:2019)18.
- Подготовка реагентов
- Буферный раствор TRIS (100 ммоль/л, pH 7,6).
- Растворите 12,12 г трис(гидроксиметил)аминометана (ТРИС) в 800 мл дистиллированной воды.
- Отрегулируйте pH до 7,6 с помощью 1 М соляной кислоты (HCl).
- Отрегулируйте общий объем до 1 л с помощью дистиллированной воды.
- Хранить при температуре 4 °C и использовать в течение одной недели.
- Раствор субстрата TTC (300 ммоль/л)
- Растворите 1 г TTC в 10 мл приготовленного буферного раствора Tris.
- Хранить в темноте при температуре 4 °C и использовать в течение 1 недели.
- Подготовьте стандартный раствор TPF для калибровочной кривой:
- Добавьте 100 мг TPF к 10 мл 96% этанола и перемешайте до полного растворения до получения исходного раствора TPF (33 ммоль/л).
- Разведите 0,5 мл приготовленного стокового раствора TPF с 50 мл этанола до получения рабочего раствора TPF (330 нмоль/мл).
- Приготовьте рабочие нормы 0, 0,1, 0,2, 0,5 и 1,0 мл из рабочего раствора, разбавленного этанолом до постоянного конечного объема 3 мл.
- Измерьте поглощение на длине волны 485 нм, чтобы построить калибровочную кривую.
- Буферный раствор TRIS (100 ммоль/л, pH 7,6).
- Подготовка образцов
- Добавьте по 5 г каждой почво-биоугольной смеси в конические пробирки объемом 50 мл.
- Добавьте 4 мл Трис-буфера (100 ммоль/л, pH 7,6) и 1 мл раствора TTC в тестовые установки.
- Добавьте всего 4 мл буфера Tris в настройки управления.
- Смешайте пробирки вручную с помощью мягкой инверсии и инкубируйте при температуре 25 °C в течение 6 часов в темноте.
- Экстракция формазана
- Добавьте по 25 мл этанола в каждую пробирку после инкубации.
- Поместите образцы под орбитальное перемешивание в темноте на 1 ч (250 мин-1, при 25 °C).
- После перемешивания добавьте 1 мл ТТС в контрольные трубки.
- Центрифугируйте все пробирки при 2 000 × г в течение 5 минут при 25 °C для отделения надосадочной жидкости.
- Измерение и расчет
- Перенесите надосадочную жидкость в чистые кюветы.
- Считывание поглощения на длине волны 485 нм с помощью спектрофотометра.
- Использование калибровочной кривой для определения концентрации TPF в образцах (нмоль/л).
- Рассчитайте активность дегидрогеназы по следующей формуле:
Где:
А - ферментативная активность в мЕ г-1 (или нмоль мин-1 г-1) сухой почвы
Cs - концентрация TPF в исследуемых образцах в нмоль мл-1
Cb - концентрация TPF в контрольном образце в нмоль мл-1
V - общий объем реакции (сумма объемов субстрата, буферного раствора и этанола, в мл)
RT - продолжительность реакции в минутах
М - масса почвы на тубу в г
DM - содержание сухого вещества в почве (%)
ПРИМЕЧАНИЕ: Обрабатывайте TTC и TPF в перчатках, так как они являются потенциальными мутагенами. Используйте вытяжной шкаф при приготовлении реагентов на основе этанола.
После испытания утилизируйте этанол и отходы, содержащие TTC, в специальные контейнеры для химических отходов.
Рисунок 1: Схематическое изображение экспериментального рабочего процесса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Результаты
Химическая характеристика
Биоугли показали значительные различия в элементном составе (табл. 2). Кальций (Ca) и калий (K) были самыми высокими в биоуглях из окурков и хмеля. Биоуголь из елового дерева содержал больше всего алюминия (Al) и железа (Fe). Медь (Cu) и магний (Mg) были сильно обогащены биоуглем отработанного хмеля. Свинец (Pb), кадмий (Cd) и другие следовые металлы присутствовали в небольших количествах во всех пробах.
Таблица 2: Химический состав биоуглей. Основные элементные составы различных биоуглей использовались в исследовании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Изменение рН в течение инкубационного периода
При всех обработках pH почвенно-биоугольных смесей имел тенденцию к незначительному увеличению с течением времени (Рисунок 2). Наибольшее значение рН было зарегистрировано для смеси с биоуглем окурка на уровне 10% по массе, достигнув 9,48 на 15-е сутки; Это лечение показало наибольшее увеличение с течением времени. Биоуголь из кофейной гущи также показал постепенное увеличение, с максимальным pH 8,94 при 10% по сравнению с 15 днями. Биоуголь хмеля повышает pH на 16,57%, с максимумом 9,20 при 10% w/w. Напротив, смесь биоугля ели и древесины достигла pH 8,56 при 10% по массе. Контрольная группа показала самый низкий уровень pH, колеблющийся от 6,57 до 7,66 с минимальными изменениями с течением времени.
Рисунок 2: pH Изменяется с течением времени в почвенно-биоугольных смесях. pH почвы измерялся в дни 0, 10 и 15 для каждой добавки биоугля на уровне 1%, 5% и 10% по массе . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Задержка воды и потеря веса
Водоудерживающая способность на всех типах биоугля была ниже, чем в контрольной почве без биоугля (рис. 3). Контроль потерял 3,67% своего веса за 15 дней, что указывает на самую высокую задержку воды. Среди биоуглей обработка окурками имела наименьшую потерю воды, уменьшившись на 5,89% в течение инкубации, и, таким образом, наибольшую задержку среди биоуглей. Аналогичная, но более умеренная картина наблюдалась с биоуглем хмеля (общая потеря массы 9,22%, при более высоких концентрациях большие потери). Наибольшую потерю веса показал биоуголь на кофейной гуще (до 16,56%), что указывает на наименьшее удержание воды. Елово-древесная смесь потеряла в среднем 10,22%.
Рисунок 3: Потеря массы почвенно-биоугольных смесей в процессе инкубации. Изменение массы как показатель задержки воды в течение 15 дней для всех биоуглей и концентраций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Тест на токсичность и репродуктивную функцию E. albidus
Размножение E. albidus при 5% биоугля показало выраженную сырьевую зависимость. В рамках ОЭСР по контролю за почвами численность населения увеличилась с 15 до 24 особей (увеличение на 60%, Рисунок 4). Биоуголь из елового дерева привел только к 7 выжившим (ингибирование 53%, Рисунок 5). Хмель и биоуголь на кофейной гуще дали по 12 выживших (ингибирование 20%, рис. 5). Биоуголь окурка стимулировал размножение на 33%, всего было 20 червей, включая потомство.
Рисунок 4: Чистое изменение популяции E. albidus в почве, обработанной биоуглем. Начальный и окончательный подсчет червей происходит через 5 дней. Была проверена 5%-ная массовая концентрация каждого биоугля. Данные представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 5: Токсическое или стимулирующее воздействие на E. albidus. Суммарный эффект на червей по сравнению с контролем. Положительные значения показывают торможение; Отрицательные значения показывают стимуляцию. Данные представляют собой среднее ± стандартное отклонение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Фитотоксичность
Удлинение корней у S. alba измеряли после 10-дневной инкубации на уровне 1%, 5% и 10% по весу (рис. 6). В необработанной почве средняя длина корня составляла 237 мм. Биоуголь из кофейной гущи в концентрации 1% по маслу давал стимуляцию на 79,16%; Более высокие концентрации вызывали ингибирование, до 47,08% при 5% веса. Биоуголь из елового дерева стимулировал рост во всех концентрациях, достигнув пика в 206,66% при 10% по весу. Биоуголь из окурка давал 41,01% стимуляции при 1% веса, но подавлял рост при 5% и 10% веса, достигая 62,36% ингибирования при 10% веса. Биоуголь хмеля стимулировал рост при всех показателях (38,97%, 31,75% и 162,96% при 1%, 5% и 10% по весу соответственно).
Рисунок 6: Фитотоксичное воздействие на Sinapis alba. Ингибирование или стимуляция роста корней по сравнению с контролем после 10 дней роста при всех обработках биоуглем. Положительные значения показывают торможение; Отрицательные значения показывают стимуляцию. Данные представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Количественное определение бактериальных колоний
Количество колоний бактерий оценивали через 10 дней (Рисунок 7). Среднее значение в контроле составило 8,47 × 104 КОЕ/мл. Биоуголь кофе дал урожай 7,33 × 104 КОЕ/мл при 1% веса и увеличился до 1,18 × 105 и 1,50 × 105 КОЕ/мл при 5% и 10% веса соответственно. Биоуголь елового дерева дал 1,97 × 105 КОЕ/мл при 1% веса, снизившись до 9,73 × 104 и 4,93 × 104 КОЕ/мл при 5% и 10% веса. Биоуголь из окурка продуцировал 5,40 ×10 4 КОЕ/мл при 1% веса и наибольшую стимуляцию при 10% веса (1,00 ×10 6 КОЕ/мл). Биоуголь хмеля продемонстрировал незначительную стимуляцию во всех концентрациях, достигнув пика в 1,07 ×10 5 КОЕ/мл при 5% веса.
Рисунок 7: Рост бактерий в почве, обработанной биоуглем. Бактериальные КОЕ/мл после 10 дней инкубации для всех обработок и концентраций. Контроль включен для сравнения. Данные представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Активность дегидрогеназы
Биоуголь на кофейной гуще продуцировал самую высокую активность дегидрогеназы во всех концентрациях, достигая максимума в 1% по весу (3,53 × 10-3 мЕд/г) и оставаясь сопоставимым при 5% и 10% по весу (2,38 × 10-3 и 2,62 × 10-3 мЕд/г) (см. рис. 8). Биоуголь хмеля повышал активность при 1% вес./вес (2,39 × 10-3 мЕд/г), но снижался на 5% (6,34 × 10-4 мЕд/г) и становился отрицательным при 10% вес./вес (−8,30 × 10-4 мЕд/г). Биоуголь окурка был положительным при 1% веса (1,29 × 10-3 мЕд/г) и снижался до −7,26 × 10-4 и −8,53 × 10-4 мЕд/г при 5% и 10% веса. Биоуголь елового дерева был отрицательным во всех концентрациях (−5,53 × 10-4 и −5,19 × 10-4 мЕд/г при 1% и 5% по весу; −3,11 × 10-4 мЕд/г при 10% по весу), оставаясь ниже контроля.
Рисунок 8: Активность дегидрогеназы в почве, обработанной биоуглем. Активность микробных ферментов при всех типах и концентрациях биоугля. Значения относятся к контрольной почве без добавления биоугля. Положительные значения указывают на более высокую активность фермента по сравнению с контролем, а отрицательные значения указывают на более низкую активность фермента, чем в контроле. Данные представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Сводка результатов приведена в Таблице 3 и Таблице 4 .
Таблица 3: Влияние биоугля на pH почвы и удержание воды. Показывает начальные и конечные значения pH, ΔpH и % потери воды во время инкубации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 4: Сводка биологических эффектов и результатов ДГК. Объединенные данные о размножении червей, фитотоксичности, микробном количестве и активности ферментов для всех видов лечения. 
Указывает на стимуляцию и 
указывает на торможение. Для результатов ДГК положительные значения указывают на более высокую активность фермента по сравнению с контролем, а отрицательные значения указывают на более низкую активность фермента по сравнению с контролем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:
Данные будут загружены в публичный репозиторий: DOI/URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30128803.v1
Обсуждение
Смесь почвы и отработанной кофейной гущи биоугля показала высокую щелочность, с pH 8,94, что соответствует ранее зарегистрированному pH 9,419. Биоуголь также продемонстрировал наибольшее увеличение потери массы по сравнению с контрольным образцом, что указывает на низкую способность удерживать влагу, что, вероятно, связано с его малой площадью поверхности, ограничивающей тенденцию к адсорбции воды20,21. Эти физические свойства создавали неблагоприятные условия для E. albidus, вызывая 20% ингибирование выживаемости и размножения червей.
В тестах на фитотоксичность S. alba показала стимуляцию на уровне 79,16% при концентрации 1% по весу, в то время как при более высоких концентрациях, например, 5% по весу, биоуголь ингибировал удлинение корней на 47,08%. Это согласуется с сообщениями22 о том, что фитотоксическое воздействие биоугля кофейной гущи на Lactuca sativa было вызвано карбоновыми кислотами. Более того, исследования показали, что растворимые фенольные и карбоновые кислоты также нарушают транспорт ауксина, что приводит к фитотоксическим порогам23.
Количество колоний бактерий увеличивалось с увеличением концентрации биоугля кофе (1,50 × 10-5 КОЕ/мл при концентрации 10% по весу), что указывает на то, что этот биоуголь обеспечивал благоприятные условия для культивируемых бактерий. Биоуголь кофе также показал самую высокую активность ДГК (3,53 × 10-3 ме/г), что позволяет предположить, что он стимулирует как культивируемые, так и некультивируемые микробные популяции. Это было также подтверждено исследованиями24 , в которых наблюдалось благотворное влияние биоугля кофе на ферментативную активность почвы.
Биоуголь хмеля вызвал повышение щелочности почвы и умеренную среднюю потерю массы (10%). В тестах на фитотоксичность биоуголь был полезен для стимуляции удлинения корня, особенно при более высоких концентрациях (стимуляция 162,96%). Что касается микробной активности, то биоуголь хмеля не показал заметных изменений в количестве бактерий (до 1,00 × 10-5 КОЕ/мл), что может быть связано с балансом его химического состава. В то время как биоуголь хмеля содержит наибольшее количество меди (Cu), которая может быть токсичной для микробов, поскольку она ингибирует бактериальные ферментные системы25, он также содержит более высокие уровни таких элементов, как калий (K) и фосфор (P), которые должны поддерживать рост микроорганизмов за счет улучшения синтеза хлорофилла впроростках. Активность ДГК также отражала этот нейтральный эффект, указывая на стабильную реакцию с ограниченным биологическим воздействием.
Биоуголь окурков со временем приводил к повышению щелочности почвы (до pH 9,48). Он был произведен при более высокой температуре пиролиза (700 °C), что привело к получению более щелочного биоугля, который поддерживал рост бактерий. Это наблюдение согласуется с предыдущими исследованиями27, в которых сообщалось, что биоуголь улучшает pH почвы, тем самым улучшая условия среды обитания. Среди всех обработок биоуголь окурков сохранял самое высокое содержание влаги (до 94%), что также может объяснить стимулирующее действие на выживаемость и размножение E. albidus . Высокое удержание влаги может быть связано с микроструктурными изменениями при 700 °C, образующими микропоры, которые захватывают водные пленки28. Еще одна причина стимулирующего эффекта может быть связана с высоким содержанием кальция (Ca), P и K в биоугле окурков, которые являются полезными элементами для выживания и размножения червей.
В микробных оценках биоуголь окурков демонстрировал самую высокую бактериальную стимуляцию при более высоких концентрациях, достигая примерно 1,00 × 10-6 КОЕ/мл, в отличие от активности ДГК, которая не показала такого же уровня увеличения. Это открытие предполагает избирательную стимуляцию культивируемых бактерий, а не всего микробного сообщества.
Смесь почвы и биоугля елового дерева вызвала лишь незначительное повышение pH, также отмеченное в исследованиях29, в которых сообщалось о pH 7,87 для биоугля, полученного из хвойных деревьев. Его производственная температура была самой низкой (600 °C) среди всех биоуглей, использованных в этом исследовании. Способность биоугля удерживать воду была умеренной по сравнению с другими типами биоугля, так как он не показал экстремальной потери веса.
Однако в случае выживания и размножения Eisenia foetida биоуголь елового дерева показал наибольшую токсичность (53% летального эффекта). Одной из вероятных причин может быть повышенный уровень таких элементов, как алюминий (Al), железо (Fe) и марганец (Mn), которые, как известно, токсичны для дождевых червей, поскольку они мешают их регуляции pH в кишечнике и вызывают окислительныйстресс. Аналогичные результаты были получены в исследованиях, в которых биомасса Eisenia foetida значительно снизилась из-за токсичности тяжелых металлов в почве из-за чрезмерного использования агрохимикатов.
Биоуголь елового дерева вызвал наибольшее удлинение корней в анализе фитотоксичности (до 206% стимуляции). Это говорит о том, что, в отличие от чувствительности к червям, высокие концентрации металлов могут служить незаменимыми микроэлементами для таких видов растений, как S. alba. Низкие концентрации этого биоугля стимулировали колонии бактерий; Тем не менее, количество колоний уменьшалось с увеличением концентрации. Этот эффект свидетельствует о чувствительности бактерий к низким уровням K и P и высокому содержанию токсичных элементов (Al, Fe, Mn). Это наблюдение согласуется с измеренной активностью ДГК, которая была ниже, чем в контрольной почве, возможно, из-за низкого соотношения водорода к углероду (H/C), что делает углерод недоступным32. Эти результаты свидетельствуют о том, что биоуголь елового дерева не поддерживает рост микроорганизмов из-за плохого содержания питательных веществ или ингибирующих соединений.
Биоуголь был получен в качестве тестового материала из внешних лабораторий и произведен в условиях, обычно применяемых каждым поставщиком, которые включали различные температуры пиролиза. Наша цель состояла в том, чтобы оценить репрезентативные биоугли, полученные из отходов, в том виде, в котором они поставляются, а не изолировать влияние температуры на сырье; Таким образом, в данном исследовании температурные эффекты не могут быть полностью отделены от эффектов исходного сырья. Подробные производственные параметры, такие как скорость нагрева, газовая атмосфера и время пребывания, не были доступны у поставщиков; были представлены только указанные температуры и характеристики элементов (см. Таблицу 1 и Таблицу 2).
Рассматривая результаты этого исследования, можно сделать вывод, что биоуголь хмеля имел общий сбалансированный эффект с умеренными побочными эффектами окружающей среды. Он поддерживал рост растений при всех концентрациях, показал умеренное изменение pH и водоудерживающую способность, а кроме того, не оказывал резкого влияния на почвенные микробы и червей по сравнению с другими испытанными биоуглями.
Эти результаты демонстрируют, насколько важно выбрать подходящий тип биоугля вместе с его подходящими концентрациями для внесения удобрений в почву, чтобы обеспечить реальное улучшение качества почвы и роста растений, не вызывая негативных побочных эффектов.
Несколько этапов протокола, включая температуру пиролиза и норму внесения биоугля, оказали заметное влияние на результаты этого исследования. Более высокие температуры пиролиза приводили к более высокой щелочности биоугля и влияли на стимуляцию размножения червей и роста бактерий, как это видно на примере биоугля окурка. Напротив, более низкие температуры пиролиза приводили к меньшему количеству щелочного биоугля и были связаны с самой высокой токсичностью червей и снижением микробной активности, как в случае с биоуглем елового дерева. Влияние нормы внесения зависело от типа биоугля и тестируемого организма. Более низкие концентрации биоугля кофейной гущи приводили к стимулирующему эффекту на удлинение корней и высокую активность ДГК, в то время как высокие концентрации биоугля окурков приводили к самому высокому культивируемому бактериальному росту.
В метод исследования были внесены определенные коррективы для решения общих проблем, таких как непоследовательное количество колоний. Это включает в себя гомогенизацию почвенных суспензий в течение 2 ч и использование серийного разведения 10-2 для получения оптимального и сопоставимого количества колоний. Кроме того, рекомендация ОЭСР, тест No 220, предназначен для оценки воздействия исследуемых химических веществ на энхимреидных червей. Он предлагает расчет смертельной концентрации 50 (LC50), полученный из диапазона химических концентраций, испытанных в ходе теста на определение дальности. В этом исследовании целью было оценить общее токсическое воздействие биоуглей, полученных из отходов, на выживание и размножение червей; Таким образом, летальный эффект определялся процентным изменением количества червей от начала до конца теста и выражался как процент летального эффекта.
Этот протокол можно воспроизвести в лабораторных условиях и в небольших масштабах (например, на образцах массой 100 г). Однако масштабирование для больших объемов почвы может привести к различиям в результатах. Это можно контролировать путем правильного механического перемешивания почвы и используемого биоугля, а также с помощью контролируемой системы орошения для поддержания постоянного уровня влажности. Кроме того, эффекты биоугля сильно варьировались в зависимости от типа сырья и температуры пиролиза, что предполагает будущие исследования для индивидуальной характеристики каждого материала перед применением.
Протокол отличается от других методов оценки состояния почвы тем, что он предлагает комбинацию физико-химических параметров, таких как pH и удержание влаги, а также биологические реакции на внесение в почву различных типов биоуглей. Включение анализа активности ферментов наряду с традиционным подсчетом микробных колоний дает представление о некультивируемых микробных функциях. Кроме того, исследование было основано на различных видах сырья для биоугля в различных концентрациях, что добавляет практическую значимость для реальных стратегий улучшения почвы.
Будущие исследования могут включать в себя тестирование дополнительного сырья, такого как навоз, рисовая шелуха или осадок сточных вод, чтобы сравнить их воздействие на почвенные экосистемы. Долгосрочные полевые испытания также могут быть адаптированы для оценки сезонных эффектов и результатов урожайности. Это исследование показывает влияние биоугля, полученного из отходов, на здоровье почвы в зависимости от сырья и концентрации. Некоторые биоугли стимулировали микробную активность и рост растений, в то время как другие вызывали ингибирующие или токсические реакции в почвенных организмах. Выбор подходящих типов биоугля и норм внесения имеет важное значение для максимизации выгод при минимизации рисков при управлении почвой.
Раскрытие информации
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Благодарности
Представленная работа была профинансирована в рамках проекта BIOCIRKL (рег. No. TN02000044), при поддержке Чешского плана восстановления и Технологического агентства Чешской Республики в рамках Программы национальных центров компетенции на 2023-2028 годы.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 1,3,5- Трифенилтетразолий формазан | Сигма-Олдрих, Чехия | 93145 | |
| 2,3,5- Трифенилтетразолий хлорид | Сигма-Олдрих, Чехия | T8877 | |
| автоклав CertoClav Classic | ЧертоКлав, Австрия | 8510174 | |
| карбонат кальция | Сигма-Олдрих, Чехия | 239216 | |
| центрифуга MPW-251 | MPW Med. Instrument, Польша | 10251 | |
| Биоуголь из окурков | Университет Хоэнхайма, Германия | Производится при 700 градусах; C | |
| Колониальный счётчик CC-200 | Коул-Пармер | 14212-04 | |
| Enchytraeus albidus | INVITAL aqua s.r.o. | ||
| Этанол | Пента, Чехия | 70390-11003 | |
| Биоуголь биомассы хмеля | Лаборатория Академии наук Чешской Республики | Производится при 650 градусах; C | |
| Q-ячейка инкубатора | Pol-Lab, Польша | ||
| Микроволновая печь | Антон Паар, Multiwave PRO | ||
| Ноутбук DELL Latitude 3510 | Dell Products, Ирландия | ||
| Питательный агар media | OXOID, Чехия | CM0003B | |
| ОЭСР почва и нбс; | Microbiotest, Бельгия | ||
| pH-метр WTW inoLab pH 7110 | Xylem Analytics, Германия | 1AA112 | |
| Семена Sinapis alba | Microbiotest, Бельгия | ||
| Спектрофотометр M4 — УФ-видимый спектрофометр | VWR | 76520-716 | |
| Отработанный кофейный биоуголь | Лаборатория Академии наук Чешской Республики | Производится при 650 градусах; C | |
| Биоуголь из ели | Олеснице, Чехия | Производство при 600 градусах; C | |
| Стереомикроскоп MSZ5000-T-IL-TL | A.Kruss Optronic, Германия | MSZ5000-T-IL-TL | |
| Tris Base | Сигма-Олдрих, Чехия | 252859 | |
| видеоокуляр VOPC93 USB 2.0 | A.Kruss Optronic, Германия | VOPC93 | |
| Весы KERN EMB | КЕРН, Германия |
Ссылки
- 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).
- 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).
- 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).
- Smith, P. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. Glob Change Biol. 22 (3), 1315-1324 (2016).
- 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).
- 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).
- Blanco-Canqui, H. Biochar and soil physical properties. Soil Sci Soc Am J. 81 (4), 687-711 (2017).
- Geng, N., et al. Biochar mitigation of soil acidification and carbon sequestration is influenced by materials and temperature. Ecotoxicol Environ Saf. 232, 113241(2022).
- 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).
- 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).
- Oleszczuk, P., Jośko, I., Kuśmierz, M. Biochar properties regarding to contaminants content and ecotoxicological assessment. J Hazard Mater. 260, 375-382 (2013).
- Bolan, S., et al. Biochar modulating soil biological health: A review. Sci Total Environ. 914, 169585(2024).
- Baran, A., Tarnawski, M. Phytotoxkit/Phytotestkit and Microtox® as tools for toxicity assessment of sediments. Ecotoxicol Environ Saf. 98, 19-27 (2013).
- 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).
- 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).
- Organisation for Economic Co-operation and Development. Test No. 220: Enchytraeid reproduction test. , (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- de Souza, L. Z. M., et al. Ecotoxicological effects of biochar obtained from spent coffee grounds. Mater Res. 25, e20220013(2022).
- 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).
- 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).
- Giachino, A., Waldron, K. J. Copper tolerance in bacteria requires the activation of multiple accessory pathways. Mol Microbiol. 114 (3), 377-390 (2020).
- Sardans, J., Peñuelas, J. Potassium control of plant functions: Ecological and agricultural implications. Plants. 10 (2), 419(2021).
- Sorrenti, G., Masiello, C. A., Toselli, M. Biochar interferes with kiwifruit Fe-nutrition in calcareous soil. Geoderma. 272, 10-19 (2016).
- 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).
- Gezahegn, S., Sain, M., Thomas, S. C. Variation in feedstock wood chemistry strongly influences biochar liming potential. Soil Syst. 3 (2), 26(2019).
- Yadav, R., et al. Heavy metal toxicity in earthworms and its environmental implications: A review. Environ Adv. 12, 100374(2023).
- 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).
- Lehmann, J., et al. Biochar in climate change mitigation. Nat Geosci. 14 (12), 883-892 (2021).
Перепечатки и разрешения
