Burada kahve telvesi, kullanılmış şerbetçiotu, ladin ağacı ve sigara izmaritlerinden elde edilen atıklardan elde edilen biyokömürlerin toprak sağlığı üzerindeki etkilerini değerlendiriyor, mikrobiyal aktiviteyi, bitki büyümesini ve potansiyel omurgasız ekotoksisitesini değerlendiriyoruz.
Araştırma makalesi
Atıktan Türetilmiş Biyokömürlerin Toprağın Sağlığı ve Biyolojik Aktivitesi Üzerine Değerlendirilmesi
Bu makalede
Özet
Özet
Biyokömür, biyokütlenin piroliz yoluyla yüksek sıcaklıklarda ısıtılmasıyla elde edilen üründür ve su tutma, pH ve besin bulunabilirliği gibi toprak özelliklerini iyileştirme potansiyeline dayalı olarak yaygın bir toprak iyileştirme maddesi olarak ortaya çıkmıştır. Ancak bazı atık malzemelerden hazırlanan biyokömür, toprak biyotası üzerinde olumsuz ekotoksikolojik etkiler yaratabilir. Bu çalışmanın genel amacı, mikrobiyal aktiviteye, bitki büyümesine ve potansiyel ekotoksisiteye odaklanarak kahve telvesi, kullanılmış şerbetçiotu, ladin ağacı ve sigara izmaritlerinden elde edilen seçilmiş biyokömürlerin toprak sağlığı üzerindeki etkisini değerlendirmekti. Biyokömürle değiştirilmiş topraklar toplam 15 gün inkübe edildi ve dehidrojenaz aktivitesi, bakteri ölçümü, Sinapis alba tohumları kullanılarak bir fitotoksisite biyo-tahlili ve Enchytraeus albidus kullanılarak bir ekotoksisite testi dahil olmak üzere bir dizi tahlil yapıldı. Biyokömür değişiklikleri toprağın pH'ını değiştirebilir ve su tutulmasını etkileyebilir. Sigara izmariti biyokömürü, kontrol kopyalarında 1.00 × 106 CFU/mL'ye kıyasla 8.47 × 104 CFU/mL'ye ulaşan sayımlarla bakteri kolonilerinin en yüksek uyarılmasını gösterirken, kahve telvesi biyokömürü dehidrojenaz aktivitesini arttırdı (3.53 × 10-3 mU/g), bu da daha yüksek mikrobiyal metabolik kapasite anlamına gelir. Fitotoksisite testleri, bitki büyümesinin şerbetçiotu (%162.96) ve ladin ağacı biyokömürleri (%206.66) tarafından artırıldığını, sigara izmariti biyokömürünün daha yüksek uygulama oranlarının ise fide büyümesini baskıladığını (%62.36 inhibisyon) gösterdi. Enchytraeus albidus ile yapılan ekotoksisite testi, sigara izmariti biyokömürü (%33 stimülasyon) dışındaki tüm biyokömürlerin zararlı bir etkiye sahip olduğunu gösterdi. Bu çalışmanın bulguları, biyokömürün toprak sağlığı üzerindeki etkisinin kaynağa bağlı olduğunu ve toprak yönetimi açısından önemli sonuçlar doğurduğunu vurgulamaktadır. Çalışma, toprak sistemlerine yönelik potansiyel tehlikeleri en aza indirirken faydalarını en üst düzeye çıkarmak için konsantrasyon ve türe dayalı biyokömür uygulama ayarlamalarına duyulan ihtiyacı ortaya koyuyor.
Giriş
Son yıllarda biyokömür, tarımdauygulanan çok işlevli ve çevre dostu bir toprak iyileştirme yöntemi 1 ve küresel ısınmayı azaltmanın bir yolu olarakortaya çıkmıştır 2. Dünya arazi bozulması, azalan mahsul verimliliği ve artan karbon emisyonlarıyla boğuşurken, biyokömür geleneksel gübrelere3 ve karbon tutma yaklaşımlarına4 yeşil bir alternatif olarak ortaya çıktı. Sentetik gübrelerin aksine, biyokömür doğası gereği toprak verimliliğini artırır5, besin kaybınıazaltır 6 ve su tutulmasınıartırır 7, bu da onu bozulmuş veya düşük verimli topraklara sahip bölgelerde oldukça faydalı kılar. Ek olarak biyokömür, organik madde ayrışması ve besin döngüsü için önemli olan faydalı toprak mikroorganizmaları için istikrarlı bir yaşam alanı ve karbon kaynağı sağlayarak mikrobiyal işlevi geliştirir8.
Biyokömür, tarımın yanı sıra tarımsal artıklar, orman artıkları ve gıda atıkları gibi biyokütle kalıntılarını uzun vadeli karbon malzemesine dönüştürdüğü için atık bertarafı için yeşil bir çözüm olarak da hizmet vermektedir9. Bu sadece atık birikimini sınırlamakla kalmaz, aynı zamanda aksi takdirde karbondioksit (CO2 ) veya metan (CH4 ) olarak kaçacak olan karbonun yakalanması yoluyla sera gazlarını dengeler. Karbon tutma için diğer mekanizmalarla karşılaştırıldığında, biyokömür, atmosferikCO2'yi azaltan ve sağlıklı toprakların yanı sıra yüksek verimi destekleyen uzun vadeli, entegre bir toprak stratejisi sunar10.
Toprak verimliliğinin arttırılması, su tutma kapasitesi ve mikrobiyal uyarıcı özellikler gibi bilinen faydalarına rağmen, toprak biyotası11 üzerindeki potansiyel ekotoksikolojik etkilerle ilgili devam eden endişeler vardır. Biyokömür genellikle mikrobiyal aktivite ve çeşitlilik açısından pozitif olsa da, belirli hammaddeler veya işleme koşulları, toprak mikroorganizmalarına ve onların ekolojik işlevlerine zarar veren toksik bileşikler üretebilir12.
Biyokömürlerin potansiyel risklerini değerlendirmek için ekotoksikolojik değerlendirmeler gereklidir. Bakteriler (ayrıştırıcılar), bitkiler (üreticiler) ve omurgasızlar (tüketiciler), toprak ve tortu ekotoksisitesi araştırmalarında kullanılan taksonomik gruplar arasındadır. Bu taksonlar hem karasal hem de sucul ortamları temsil eder13.
Enchytraeidlerin toprak ekosistemi işleyişinde solucanlarla tamamlayıcı işlevi, bu organizmalar için biyo-tahlillerin geliştirilmesinin temelidir. Biyo-tahlillerde Enchytraeids, pestisitler (örneğin dimetoat, atrazin, karbendazim) ve eser metaller (örneğin kurşun, çinko, bakır, kadmiyum) gibi kimyasalların etkilerini araştırmak için karasal biyolojik modeller olarak hizmet eder14.
Organizma bazlı analizlere ek olarak mikrobiyal enzim aktivitesi de toprak sağlığını değerlendirmenin başka bir yoludur. Toprak dehidrojenaz aktivitesi, mikrobiyal oksidatif aktiviteninbir göstergesidir 15. Toprak-biyokömür karışımlarında dehidrojenaz testi, mikrobiyal aktivitenin ve genel toprak sağlığının ölçülmesinde etkilidir. Dehidrojenaz enzimleri mikrobiyal solunumda yer aldığından, aktiviteleri toprağın biyolojik olarak ne kadar aktif olduğunu yansıtır. Bu, toprak kalitesini, verimliliğini ve biyokömürün mikroplar üzerindeki etkisini değerlendirmek için faydalıdır. Test, trifeniltetrazolyum klorürün (TTC) spektrofotometrik olarak belirlenen trifenil formaza (TPF) indirgenmesini ölçer. Daha yüksek TPF üretimi, daha yüksek mikrobiyal aktivitenin bir göstergesidir.
Farklı hammaddelerden üretilen biyokömürlerin toprak sağlığı üzerinde belirgin etkileri olmasını bekliyoruz. Bu etkiler, toprağın fizikokimyasal parametrelerini değiştirebilen, dolayısıyla mikrobiyal aktiviteyi, bitki büyümesini ve toprak organizması toksisitesini etkileyebilen kimyasal ve fiziksel özelliklerine bağlı olacaktır.
Bu çalışmada, atıktan türetilen biyokömürlerin pH, mikrobiyal aktivite, bitki büyümesi ve omurgasızların hayatta kalması dahil olmak üzere birçok toprak sağlığı ölçümü üzerindeki etkilerini değerlendiriyoruz (Şekil 1). Dört farklı atıktan türetilmiş biyokömürün üç konsantrasyonu (%1, %5, %10 w/w) bahçe toprağı ile karıştırıldı ve yukarıda belirtilen etkiler açısından değerlendirildi. Çalışmanın ekolojik uygunluğunu sağlamak için nem içeriği, pH ve test organizmalarının seçimi dikkatle kontrol edildi.
Protokol
1. Biyokömür hazırlama
NOT: Burada test malzemesi olarak kullanılan biyokömürlerle ilgili ayrıntılar için Malzeme Tablosuna bakın. Piroliz koşulları, element bileşimi ve yakın analiz verileri üreticiler tarafından sağlanmıştır (Tablo 1).
DİKKAT: Pirolizi her zaman uygun egzoz veya duman sistemi ile iyi havalandırılan bir laboratuvarda gerçekleştirin. Isıya dayanıklı eldivenler, laboratuvar önlüğü, koruyucu gözlük takın ve gerekirse yüz siperi takın.
Tablo 1: Test edilen biyokömürlerin temel özellikleri. Bu Tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
2. Biyokömürün kimyasal karakterizasyonu
- Tüm biyokömürlerin elementel bileşimini analiz edin (mikrodalga destekli ayrıştırmayı takiben konsantrasyonlara dayalı olarak endüktif olarak eşleştirilmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi (ICP OES) veya endüktif olarak eşleştirilmiş plazma kütle spektrometrisi (ICP MS) kullanılarak yapılır (Tablo 2).
3. Toprak-biyokömür karışımlarının hazırlanması
- Toprak toplama ve deney düzeneği
- Deneysel bir alandan üst toprağı toplayın.
- Yüzeydeki kalıntıları manuel olarak temizleyin. Kalıntıları gidermek için toprağı 5 mm'den küçük bir parçacık boyutuna kadar eleyin.
- 100 gr elenmiş toprağı tartın ve test kaplarına ekleyin.
- Biyokömür değişikliği ve inkübasyonu
- %1, %5 ve (a/a bazında) toprak-biyokömür değişikliği oluşturmak için 100 g toprak başına her biyokömür türünden 1 g, 5 g veya 10 g ekleyin.
- Maksimum su tutma kapasitesinin (WHC) `'ına ulaşmak için damıtılmış su ekleyin.
- Bir spatula kullanarak iyice karıştırın.
- Her kabı tartın ve buharlaşmayı en aza indirmek için parafilmle örtün.
- Karışımları 27 °C'de 10 gün inkübe edin.
NOT: Bu karışım su kaybı ölçümü, pH değişimi, fitotoksisite ve bakteriyel miktar tayini analizleri için kullanılacaktır.
Kullanılan toprak, yerel biyokatı protokollerine göre toplanmalı ve bertaraf edilmelidir.
4. Toprak-biyokömür karışımlarının pH Ölçümü
- Her toprak-biyokömür karışımından 10 g'ı 50 mL'lik konik tüplere tartın.
- Tüplere 25 mL damıtılmış su ekleyin.
- Tüpleri manuel olarak 30 saniye çalkalayın veya orta hızda bir vorteks karıştırıcı kullanın. Karışımı Whatman No. 1 filtre kağıdı kullanarak 100 mL'lik temiz bir behere süzün.
- Kalibre edilmiş bir pH metre kullanarak süzüntünün pH'ını oda sıcaklığında (20-25 °C) ölçün.
5. Enchytraeus albidus toksisite testi
- Testi Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü (OECD) 2016, Test No. 22016'ya göre gerçekleştirin.
- Test için toprağın hazırlanması
- Bu test için OECD yapay toprağı kullanın.
- Bölüm 4'te belirtilen adımları izleyerek toprak pH'ını ölçün.
- Analitik dereceli kalsiyum karbonatı (CaCO3 ) yavaş yavaş toprağa ekleyerek pH 6,0 ± 0,5'e ayarlayın ve iyice karıştırın.
- Damıtılmış veya deiyonize su ekleyerek nem içeriğini maksimum WHC'nin @-60'ına ayarlayın.
NOT: Tutarlılığı elle kontrol edin; Toprak nemli olmalı ancak topaklanmamalıdır.
- Solucan iklimlendirmesi ve seçimi
- Taşıma tuzlu su çözeltisini çıkarmak için solucanları damıtılmış suyla hafifçe durulayın.
- Solucanları hazırlanan OECD toprağına yerleştirin ve 6.000 lükste 16 saat aydınlık/8 saat karanlık döngüsü altında 24 saat boyunca 20 °C'de iklimlendirin.
- Klitellumun varlığına dayalı bir stereomikroskop kullanarak kurulum başına 15 sağlıklı yetişkin solucan seçin.
- Test kurulumu ve inkübasyon
- Hazırlanan 100 g OECD toprağını her biyokömür türünden 5 g ile temiz kaplarda karıştırın.
- 100 g değiştirilmemiş OECD toprağı kullanarak kontrolü hazırlayın.
- pH ve nem içeriğinin gerekli aralıkta olduğunu onaylayın (pH - 6,0 ± 0,5; nem içeriği - maksimum WHC'nin @-60'ı).
- Yumuşak uçlu forseps kullanarak her test ve kontrol kabına 15 yetişkin solucan ekleyin.
- Toprak yüzeyine besin kaynağı olarak 25 mg ince öğütülmüş yulaf ezmesi ekleyin.
- Hava değişimine izin vermek için kapları delikli alüminyum folyo ile kapatın.
- Kapları 20 °C'de 5 gün boyunca 16 saat aydınlık/8 saat karanlık döngüsü altında 6.000 lükste inkübe edin.
- Kapları günlük olarak tartın ve sabit nem içeriğini korumak için uygun miktarda damıtılmış veya deiyonize su ekleyerek ağırlık kaybını yenileyin.
- Solucan aktivitesini izleyin ve test sırasında görünür ölümleri kaydedin.
- Testin bitiminden sonra, aşağıdaki formülü kullanarak öldürücü etkiyi (%) hesaplayın:
Nerede:
Wi - testin başlangıcındaki ilk solucan sayısı
Wf - testin sonundaki son solucan sayısı
NOT: Testin geçerli olabilmesi için kontrol düzeneğindeki yetişkin mortalitesinin test sonunda 'yi geçmemesi gerekir. - Testten sonra, test toprağını etkisiz hale getirmek için 105 °C'de kurutun ve yerel biyokatı protokollerine göre atın.
6. Fitotoksisite testi
- Testi Uluslararası Standardizasyon Örgütü (ISO) 18763:201617'ye göre gerçekleştirin.
- Petri kabı kurulumu
- 20 g inkübe edilmiş toprak-biyokömür karışımlarını 9 cm'lik temiz Petri kaplarına ekleyin. Temiz bir spatula kullanarak yüzeyi nazikçe düzleştirin.
- Her biyokömür konsantrasyonu için üç kopya hazırlayın ve değiştirilmemiş iki kontrol ekleyin.
- Tohum ekimi ve kuluçka
- 10 adet Sinapis alba tohumunu toprak yüzeyindeki her tabağa eşit aralıklarla yerleştirin.
NOT: Tohumları toprağa bastırmayın; Nem ile doğal olarak sertleşmelerine izin verin. - Bulaşıkları kapaklarla kapatın ve 25 °C ± 2 °C'de 5 gün boyunca doğrudan ışık almayan bir inkübatöre koyun.
- İnkübasyondan sonra, plastik bir cetvel kullanarak tohum kenarından kökün sonuna kadar olan kök uzunluğunu ölçün. cm veya mm cinsinden bildirin. Tohum yeni çatlamışsa 0,1 cm veya 1 mm olarak belirtin.
- Aşağıdaki formülü kullanarak inhibisyon etkisini (%) hesaplayın:
Nerede:
RLc - kontrol kabındaki tohumların ortalama kök uzunluğu
RLt - test kabındaki tohumların ortalama kök uzunluğu
- 10 adet Sinapis alba tohumunu toprak yüzeyindeki her tabağa eşit aralıklarla yerleştirin.
Sonuçlar
Kimyasal karakterizasyon
Biyokömürler element bileşiminde önemli farklılıklar gösterdi (Tablo 2). Kalsiyum (Ca) ve potasyum (K), sigara izmariti ve harcanmış şerbetçiotu biyokömürlerinde en yüksekti. Ladin ağacı biyokömürü en fazla alüminyum (Al) ve demire (Fe) sahipti. Bakır (Cu) ve magnezyum (Mg), harcanan şerbetçiotu biyokömüründe güçlü bir şekilde zenginleştirilmiştir. Kurşun (Pb), kadmiyum (Cd) ve diğer eser metaller tüm numunelerde düşük miktarlarda mevcuttu.
Tablo 2: Biyokömürlerin kimyasal bileşimi. Çalışmada kullanılan farklı biyokömürlerin ana element içerikleri. Bu Tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
İnkübasyon süresi boyunca pH'daki değişim
Tüm işlemlerde, toprak-biyokömür karışımlarının pH'ı zamanla biraz artma eğilimindeydi (Şekil 2). En yüksek pH değeri, a/a ile sigara-izmarit biyokömür içeren karışım için kaydedildi ve 15. günde 9,48'e ulaştı; Bu tedavi zaman içinde en büyük artışı gösterdi. Kahve telvesi biyokömürü de 15. günde a/a'da maksimum pH 8,94 ile kademeli bir artış sağladı. Şerbetçiotu biyokömürü pH'ı .57 artırdı ve ağırlıkça %9.20'da maksimum 10 oldu. Buna karşılık, ladin-odun biyokömür karışımı a/a'da 8,56 pH'a ulaştı. Kontrol, zaman içinde minimum değişiklikle 6,57 ile 7,66 arasında değişen en düşük pH'ı gösterdi.
Şekil 2: Toprak-biyokömür karışımlarında pH Zaman İçinde Değişiklikler. Toprak pH'ı, her biyokömür değişikliği için 0, 10 ve 15. günlerde %1, %5 ve w/w olarak ölçülmüştür. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Su tutma ve kilo kaybı
Tüm biyokömür türlerinde su tutma kapasitesi, biyokömür içermeyen kontrol toprağından daha düşüktü (Şekil 3). Kontrol, 15 gün içinde ağırlığının %3,67'sini kaybetti ve bu da en yüksek su tutma oranını gösteriyor. Biyokömürler arasında, sigara izmariti tedavisi, inkübasyonda %5,89 oranında azalarak en az su kaybına ve dolayısıyla biyokömürler arasında en büyük tutma oranına sahipti. Şerbetçiotu biyokömüründe de benzer ancak daha ılımlı bir model gözlendi (%9.22 toplam ağırlık kaybı, daha yüksek konsantrasyonlarda daha büyük kayıplar). Kahve telvesi biyokömürü en büyük ağırlık kaybını (.56'ya kadar) gösterdi ve bu da en düşük su tutma oranını gösterdi. Ladin-odun karışımı ortalama .22 oranında kayıp yaşadı.
Şekil 3: İnkübasyon sırasında toprak-biyokömür karışımlarının ağırlık kaybı. Tüm biyokömürler ve konsantrasyonlar için 15 gün boyunca su tutulmasının bir göstergesi olarak ağırlık değişimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
E. albidus toksisite ve üreme testi
E. albidus'un %5 w/w biyokömürde çoğaltılması, belirgin hammadde bağımlılığı gösterdi. OECD-toprak kontrolünde nüfus 15'ten 24'e yükseldi (` artış, Şekil 4). Ladin ağacı biyokömürü yalnızca 7 kişinin hayatta kalmasıyla sonuçlandı (S inhibisyon, Şekil 5). Şerbetçiotu ve kahve telvesi biyokömürlerinin her biri hayatta kalan 12 kişi verdi ( inhibisyon, Şekil 5). Sigara izmariti biyokömürü, yavrular da dahil olmak üzere toplam 20 solucanla üremeyi 3 oranında uyardı.
Şekil 4: Biyokömürle işlenmiş toprakta E. albidus'un net popülasyon değişimi. İlk ve son solucan 5 gün sonra sayılır. Her biyokömürün %5 a/a konsantrasyonu test edildi. Veriler ortalama ± standart sapmayı temsil eder (n = 3). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: E. albidus üzerindeki toksik veya uyarıcı etkiler.Kontrole kıyasla solucanlar üzerindeki net etki. Pozitif değerler inhibisyon gösterir; negatif değerler uyarımı gösterir. Veriler ortalama ± standart sapmayı temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Fitotoksisite
Kök uzaması S. alba 10 günlük inkübasyondan sonra %1, %5 ve w/w olarak ölçüldü (Şekil 6). Değiştirilmemiş toprakta ortalama kök uzunluğu 237 mm idi. Ağırlıkça %1 kahve telvesi biyokömürü y.16'lık bir stimülasyon üretti; Daha yüksek konsantrasyonlar, %5 a/a'da G,08'e kadar inhibisyona neden oldu. Ladin ağacı biyokömürü tüm konsantrasyonlarda büyümeyi teşvik etti ve ağırlıkça 6.66'da 'ya ulaştı. Sigara izmariti biyokömürü, %1 w/w'de A.01 stimülasyon sağladı, ancak %5 ve w/w'de büyümeyi inhibe ederek w/w'de b.36 inhibisyona ulaştı. Şerbetçiotu biyokömürü tüm oranlarda büyümeyi teşvik etti (sırasıyla %1, %5 ve a/a) 8,97, 1,75 ve 2,96).
Şekil 6: Sinapis alba üzerindeki fitotoksisite etkileri.Tüm biyokömür tedavilerinde 10 günlük büyümeden sonra kontrole göre kök büyümesinin inhibisyonu veya uyarılması. Pozitif değerler inhibisyon gösterir; negatif değerler uyarımı gösterir. Veriler ortalama ± standart sapmayı temsil eder (n = 3). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Bakteri kolonisi ölçümü
Bakteri koloni sayıları 10 gün sonra değerlendirildi (Şekil 7). Kontrol ortalaması 8.47 × 104 CFU/mL idi. Kahve biyokömürü %1 w/w'de 7.33 × 104 CFU/mL verdi ve sırasıyla %1.18 × 105 ve 1.50 × %5 w/w'de5 5 CFU/mL'ye yükseldi. Ladin ağacı biyokömürü %1.97 × 105 CFU/mL'yi ağırlıkça %1 verirken, %9.73'× 104 ve 4.93'e düştü × %5 ve %10 ağırlıkta 10 4 CFU/mL'ye düştü. Sigara izmariti biyokömürü, %1 a/a'da 5,40 ×10 4 CFU/mL ve a/a'da (1,00 × 106 CFU/mL) en yüksek stimülasyonu üretti. Şerbetçiotu biyokömürü, tüm konsantrasyonlarda hafif bir uyarım gösterdi ve %1.07 w/w'de 10× 5 5 CFU/mL'de zirve yaptı.
Şekil 7: Biyokömürle işlenmiş toprakta bakteri üremesi. Tüm tedaviler ve konsantrasyonlar için 10 günlük inkübasyondan sonra bakteriyel CFU/mL. Karşılaştırma için kontrol dahildir. Veriler ortalama ± standart sapmayı temsil eder (n = 3). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Dehidrojenaz aktivitesi
Kahve telvesi biyokömürü, konsantrasyonlar arasında en yüksek dehidrojenaz aktivitesini üretti, ağırlıkça %1'de (3.53 × 10-3 mU/g) zirve yaptı ve %5 ve a/a/w'de karşılaştırılabilir kaldı (2.38 × 10-3 ve 2.62 × 10-3 mU/g) (bkz. Şekil 8). Şerbetçiotu biyokömürü aktiviteyi ağırlıkça %1 (2.39 × 10-3 mU/g) arttırdı, ancak %5'te azaldı (6.34 × 10-4 mU/g) ve a/a (-8.30 × 10-4 mU/g) negatif oldu. Sigara izmariti biyokömürü %1 a/a'da (1.29 × 10-3 mU/g) pozitifti ve %7.26 × 10-4 ve -8.53'e düştü × %5 ve a/a'da 10-4 mU/g. Ladin ağacı biyokömürü tüm konsantrasyonlarda negatifti ( × % 5.53 ve %5.19 a/a'da 10-4 mU/g × -5 negatifti; a/a'da -3.11 × 10-4 mU/g), kontrolden daha düşük kaldı.
Şekil 8: Biyokömürle değiştirilmiş toprakta dehidrojenaz aktivitesi. Tüm biyokömür türleri ve konsantrasyonlarında mikrobiyal enzim aktivitesi. Değerler, biyokömür ilavesi olmadan toprağı kontrol etmeye göredir. Pozitif değerler kontrole göre daha yüksek enzim aktivitesini, negatif değerler ise kontrole göre daha düşük enzim aktivitesini gösterir. Veriler ortalama ± standart sapmayı temsil eder (n = 3). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Sonuçların özeti için Tablo 3 ve Tablo 4'e bakınız.
Tablo 3: Biyokömürün toprak pH'ı ve su tutma üzerindeki etkileri. İnkübasyon sırasında başlangıç ve son pH değerlerini, ΔpH'ı ve % su kaybını gösterir. Bu Tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Tablo 4: Biyolojik etkilerin ve DHA sonuçlarının özeti. Tüm tedaviler için solucan üremesi, fitotoksisite, mikrobiyal sayımlar ve enzim aktivitesi hakkında birleştirilmiş veriler. 
stimülasyonu gösterir ve 
inhibisyonu gösterir. DHA sonuçları için pozitif değerler kontrole göre daha yüksek enzim aktivitesini, negatif değerler ise kontrole göre daha düşük enzim aktivitesini gösterir. Bu Tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
VERİ KULLANILABİLİRLİĞİ:
Veriler genel depoya yüklenecektir: DOI/URL: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30128803.v1
Tartışma
Toprak ve kullanılmış kahve telvesi biyokömür karışımı, daha önce bildirilen pH 9,419 ile tutarlı olarak pH 8,94 ile yüksek alkalinite gösterdi. Biyokömür ayrıca, kontrol numunesine kıyasla ağırlık kaybında en yüksek artışı sergiledi, bu da muhtemelen düşük yüzey alanından kaynaklanan düşük nem tutma kabiliyetine işaret ederek su adsorpsiyon eğilimini sınırladı20,21. Bu fiziksel özellikler E. albidus için elverişsiz koşullar yaratarak solucanların hayatta kalmasında ve üremesinde %20'lik bir inhibisyona neden oldu.
Fitotoksisite testlerinde, S. alba %1 a/a konsantrasyonda %79,16 stimülasyon gösterirken, daha yüksek konsantrasyonlarda, örneğin %5 a/a'da, biyokömür kök uzamasını %47,08 oranında inhibe etti. Bu, kahve telvesi biyokömürünün Lactuca sativa üzerindeki fitotoksik etkilerinin karboksilik asitlerden kaynaklandığına dair rapor22 ile uyumludur. Ayrıca çalışmalar, çözünür fenoliklerin ve karboksilik asitlerin oksin taşınmasını da bozduğunu ve bunun da fitotoksik eşiklere yol açtığınıgöstermiştir 23.
Artan kahve biyokömür konsantrasyonuyla bakteri kolonisi sayıları arttı (%1.50 a/a konsantrasyonunda 10 × 5-10 CFU/mL), bu biyokömürün ekilebilir bakteriler için uygun koşullar sağladığını gösteriyor. Kahve biyokömürü aynı zamanda en yüksek DHA aktivitesini (3.53 × 10-3 mU/g) gösterdi, bu da onun hem ekilebilir hem de ekilemeyen mikrobiyal popülasyonları uyardığını gösteriyor. Bu, kahve biyokömürünün toprak enzimatik aktivitesi üzerindeki yararlı etkilerini gözlemleyençalışmalar 24 ile daha da desteklenmiştir.
Şerbetçiotu biyokömürü toprak alkalinitesinde artışa ve orta düzeyde ortalama ağırlık kaybına (%10) neden oldu. Fitotoksisite testlerinde biyokömür, özellikle yüksek konsantrasyonlarda (%162.96 stimülasyon) kök uzamasının uyarılması için faydalıydı. Mikrobiyal aktivite ile ilgili olarak, şerbetçiotu biyokömürü, kimyasal bileşimindeki dengeden kaynaklanabilecek bakteri sayısında (1.00 × 10-5 CFU/mL'ye kadar) kayda değer bir değişiklik göstermedi. Şerbetçiotu biyokömürü, bakteriyel enzim sistemlerini25 inhibe ettiği için mikroplar için toksik olabilen en yüksek miktarda bakır (Cu) içerirken, aynı zamanda fidelerde klorofil sentezini iyileştirerek mikrobiyal büyümeyi desteklemesi gereken potasyum (K) ve fosfor (P) gibi daha yüksek seviyelerde elementler içeriyordu26. DHA aktivitesi de bu nötr etkiyi yansıtarak sınırlı biyolojik etkiye sahip stabil bir tepkiye işaret ediyordu.
Sigara izmaritlerinin biyokömürü zamanla toprak alkalinitesinin artmasına neden oldu (pH 9.48'e kadar). Daha yüksek bir piroliz sıcaklığında (700 °C) üretildi, bu da bakteri üremesini destekleyen daha alkali bir biyokömürle sonuçlandı. Bu gözlem, biyokömürün toprak pH'ını iyileştirdiğini ve böylece habitat koşullarını iyileştirdiğini bildiren önceki çalışmalar27 ile tutarlıdır. Tüm tedaviler arasında, sigara izmaritlerinin biyokömürü en yüksek nem içeriğini (%94'e kadar) korudu, bu da E. albidus'un hayatta kalması ve üremesi üzerindeki uyarıcı etkiyi açıklayabilir. Yüksek nem tutma, 700 °C'deki mikroyapısal değişikliklerle ilişkilendirilebilir ve su filmlerini yakalayan mikro gözenekler üretir28. Uyarıcı etkinin bir başka nedeni, solucanların hayatta kalması ve üremesi için faydalı elementler olan sigara izmaritlerinin biyokömüründeki yüksek kalsiyum (Ca), P ve K içeriğinden kaynaklanabilir.
Mikrobiyal değerlendirmelerde, sigara izmaritlerinin biyokömürü, aynı düzeyde artış göstermeyen DHA aktivitesinin aksine, yaklaşık 1.00 × 10-6 CFU/mL'ye ulaşan daha yüksek konsantrasyonlarda en yüksek bakteriyel uyarımı sergiledi. Bu bulgu, tüm mikrobiyal topluluktan ziyade ekilebilir bakterilerin seçici olarak uyarıldığını göstermektedir.
Toprak ve ladin ağacı biyokömür karışımı, kozalaklı ağaçtan türetilen biyokömür için pH'ın7,87 olduğunu bildiren 29 numaralı çalışmalarda da belirtildiği gibi, pH'ta yalnızca hafif bir artışa neden oldu. Üretim sıcaklığı, bu çalışmada kullanılan tüm biyokömürler arasında en düşük (600 °C) idi. Biyokömürün su tutma kapasitesi, aşırı kilo kaybı göstermediği için diğer biyokömür türlerine kıyasla orta düzeydeydi.
Bununla birlikte, Eisenia foetida'nın hayatta kalması ve üremesi durumunda, ladin ağacı biyokömürü en yüksek toksisiteyi (%53 öldürücü etki) gösterdi. Muhtemel nedenlerden biri, bağırsak pH regülasyonuna müdahale ettikleri ve oksidatif strese neden oldukları için solucanlar için toksik olduğu bilinen alüminyum (Al), demir (Fe) ve manganez (Mn) gibi elementlerin yüksek seviyeleri olabilir30. Benzer bulgular, Eisenia foetida'nın aşırı zirai kimyasallar kullanımından kaynaklanan topraktaki ağır metal toksisitesi nedeniyle biyokütlede önemli bir düşüş yaşadığı çalışmalarda da bildirilmiştir31.
Ladin ağacı biyokömürü, fitotoksisite tahlilinde en büyük kök uzama uyarımına neden oldu (%206'ya kadar uyarım). Bu, solucanlara karşı hassasiyetin aksine, yüksek metal konsantrasyonlarının S. alba gibi bitki türleri için temel mikro besinler olarak hizmet edebileceğini göstermektedir. Bu biyokömürün düşük konsantrasyonları bakteri kolonilerini uyardı; ancak koloni sayıları artan konsantrasyonla azaldı. Bu etki, düşük K ve P seviyelerine ve yüksek toksik element içeriğine (Al, Fe, Mn) karşı bakteri duyarlılığını gösterir. Bu gözlem, muhtemelen düşük hidrojen-karbon (H/C) oranı nedeniyle kontrol toprağından daha düşük olan ve karbonu kullanılamaz hale getiren ölçülen DHA aktivitesi ile tutarlıdır32. Bu bulgular, ladin ağacı biyokömürünün, zayıf besin içeriği veya inhibitör bileşikler nedeniyle mikrobiyal büyümeyi desteklemediğini göstermektedir.
Biyokömürler, harici laboratuvarlardan test malzemeleri olarak elde edildi ve farklı piroliz sıcaklıklarını içeren her sağlayıcı tarafından rutin olarak uygulanan koşullar altında üretildi. Amacımız, sıcaklığın hammadde üzerindeki etkisini izole etmek yerine, temsili atıktan türetilmiş biyokömürleri tedarik edildiği şekliyle değerlendirmekti; bu nedenle, bu çalışmada sıcaklık etkileri hammadde etkilerinden tam olarak ayrılamaz. Isıtma hızı, gaz atmosferi ve kalma süresi gibi ayrıntılı üretim parametreleri tedarikçilerden temin edilememiştir; sadece sağlanan sıcaklıklar ve element özellikleri rapor edilmiştir (bakınız Tablo 1 ve Tablo 2).
Bu çalışmadan elde edilen bulgular göz önüne alındığında, şerbetçiotu biyokömürünün orta derecede çevresel yan etkilerle birlikte genel olarak dengeli bir etkiye sahip olduğu sonucuna varılabilir. Tüm konsantrasyonlarda bitkilerin büyümesini destekledi, orta düzeyde pH değişimi ve su tutma kapasitesi gösterdi ve ayrıca test edilen diğer biyokömürlerle karşılaştırıldığında toprak mikropları ve solucanlar üzerinde ciddi bir etkisi olmadı.
Bu sonuçlar, olumsuz yan etkilere neden olmadan toprak kalitesinin ve bitki büyümesinin fiili olarak iyileştirilmesini sağlamak için toprak iyileştirmeleri için uygun biyokömür türünün yanı sıra uygun konsantrasyonlarının seçilmesinin ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.
Piroliz sıcaklığı ve biyokömür uygulama oranı da dahil olmak üzere protokoldeki çeşitli adımların bu çalışmanın sonuçları üzerinde gözle görülür bir etkisi oldu. Daha yüksek piroliz sıcaklıkları, biyokömürün daha yüksek alkalinitesine neden oldu ve sigara izmaritinin biyokömüründe görüldüğü gibi solucan üremesi ve bakteri üremesindeki uyarımı etkiledi. Buna karşılık, daha düşük piroliz sıcaklıkları daha az alkali biyokömürle sonuçlandı ve ladin ağacı biyokömüründe olduğu gibi en yüksek solucan toksisitesi ve azalan mikrobiyal aktivite ile ilişkilendirildi. Uygulama oranının etkisi, biyokömür tipine ve test edilen organizmaya bağlıydı. Kahve telvesi biyokömürünün daha düşük konsantrasyonları, kök uzaması ve yüksek DHA aktivitesi üzerinde uyarıcı bir etkiye yol açarken, sigara izmaritlerinin biyokömürünün yüksek konsantrasyonları, ekilebilir en yüksek bakteri üremesiyle sonuçlandı.
Tutarsız koloni sayıları gibi yaygın sorunları çözmek için çalışma yönteminde bazı ayarlamalar yapıldı. Bu, toprak süspansiyonlarının 2 saat homojenizasyonuna izin verilmesini ve optimum ve karşılaştırılabilir koloni sayıları elde etmek için 10-2 seri seyreltmenin kullanılmasını içerir. Ek olarak, OECD kılavuzu, test no. 220, test kimyasallarının Enchytraeid solucanları üzerindeki etkisini değerlendirmek için tasarlanmıştır. Mesafe bulma testinde test edilen bir dizi kimyasal konsantrasyondan türetilen öldürücü konsantrasyonun 50 (LC50) hesaplanmasını önerir. Bu çalışmada amaç, atıktan türetilen biyokömürlerin solucanların hayatta kalması ve üremesi üzerindeki genel toksik etkisini değerlendirmek; bu nedenle öldürücü etki, testin başından sonuna kadar solucan sayısındaki yüzde değişim ile belirlenmiş ve Öldürücü Etki % olarak rapor edilmiştir.
Bu protokol laboratuvar koşullarında ve küçük ölçekte (örn. 100 g numuneler) tekrarlanabilir. Ancak daha büyük toprak hacimleri için ölçeğin büyütülmesi sonuçlarda farklılıklara neden olabilir. Bu, sabit nem seviyelerini korumak için kontrollü bir sulama sisteminin yanı sıra toprağın ve kullanılan biyokömürün uygun şekilde mekanik olarak karıştırılmasıyla kontrol edilebilir. Ek olarak, biyokömür etkileri, hammadde türü ve piroliz sıcaklığına göre büyük farklılıklar gösteriyordu ve bu da uygulamadan önce her malzemeyi ayrı ayrı karakterize etmek için gelecekteki araştırmaları öneriyordu.
Protokol, pH ve nem tutma gibi fiziko-kimyasal parametrelerin ve toprağın farklı biyokömür türleriyle değiştirilmesine yönelik biyolojik tepkilerin bir kombinasyonunu sunması bakımından diğer toprak sağlığı değerlendirme tekniklerinden farklıdır. Geleneksel mikrobiyal koloni sayımları ile birlikte enzim aktivite analizinin dahil edilmesi, ekilemeyen mikrobiyal fonksiyon hakkında fikir verir. Ayrıca çalışma, birden fazla konsantrasyondaki farklı biyokömür hammaddelerine dayanıyordu ve bu da gerçek dünyadaki toprak iyileştirme stratejilerine pratik açıdan önem katıyor.
Gelecekteki araştırmalar, toprak ekosistemleri üzerindeki etkilerini karşılaştırmak için gübre, pirinç kabuğu veya kanalizasyon çamuru gibi ek hammaddelerin test edilmesini içerebilir. Uzun vadeli saha denemeleri aynı zamanda mevsimsel etkileri ve mahsul verimi sonuçlarını değerlendirmek için de uyarlanabilir. Bu çalışma, atıktan türetilen biyokömürlerin toprak sağlığı üzerindeki hammadde ve konsantrasyona bağlı etkilerini göstermektedir. Bazı biyokömürler mikrobiyal aktiviteyi ve bitki büyümesini uyarırken, diğerleri toprak organizmalarında inhibitör veya toksik tepkiler üretti. Toprak yönetiminde riskleri en aza indirirken faydaları en üst düzeye çıkarmak için uygun biyokömür türlerinin ve uygulama oranlarının seçilmesi önemlidir.
Açıklamalar
Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Teşekkürler
Sunulan çalışma BIOCIRKL projesi tarafından finanse edildi (kayıt no. TN02000044), 2023-2028 yıllarında Ulusal Yetkinlik Merkezleri Programı kapsamında Çek Kurtarma Planı ve Çek Cumhuriyeti Teknoloji Ajansı tarafından desteklenmektedir.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| 1,3,5- Trifeniltetrazolyum formazan | Sigma-Aldrich, Çek Cumhuriyeti | 93145 | |
| 2,3,5- Trifeniltetrazolyum klorür | Sigma-Aldrich, Çek Cumhuriyeti | T8877 | |
| otoklav CertoClav Classic | CertoClav, Avusturya | 8510174 | |
| Kalsiyum Karbonat | Sigma-Aldrich, Çek Cumhuriyeti | 239216 | |
| santrifüj MPW-251 | MPW Med. Instrument, Polonya | 10251 | |
| Sigara izmaritleri biyokömür | Hohenheim Üniversitesi, Almanya | 700 derece ve derecede üretildi; C | |
| Koloni karşı CC-200 | Cole-Parmer | 14212-04 | |
| Enchytraeus albidus | INVITAL aqua s.r.o. | ||
| Etanol | Penta, Çekya | 70390-11003 | |
| Şerbetçiotu biyokömürü biyokömürü | Çekya Bilimler Akademisi Laboratuvarı | 650 derece ve derecede üretilmiştir; C | |
| Kuluçka Makinesi Q-hücresi | Pol-Lab, Polonya | ||
| Mikrodalga fırın | Anton Paar, Multiwave PRO | ||
| Notebook PC DELL Latitude 3510 | Dell Products, İrlanda | ||
| Beslenme Agar medyası | OXOID, Çek Cumhuriyeti | CM0003B | |
| OECD toprak | Mikrobiyotest, Belçika | ||
| pH ölçer WTW inoLab pH 7110 | Xylem Analytics, Almanya | 1AA112 | |
| Sinapis alba tohumları | Mikrobiyotest, Belçika | ||
| Spektrofotometre M4 UV-Görünür spektrofometer | VWR | 76520-716 | |
| Kullanılmış kahve telvesi biyochar | Çekya Bilimler Akademisi Laboratuvarı | 650 derece ve derecede üretilmiştir; C | |
| Ladin ağacı biyokömürü | Olesnice, Çek Cumhuriyeti | 600 derece ve derecede üretildi; C | |
| Stereomikroskop MSZ5000-T-IL-TL | A.Kruss Optronic, Almanya | MSZ5000-T-IL-TL | |
| Tris Base | Sigma-Aldrich, Çek Cumhuriyeti | 252859 | |
| video okul VOPC93 USB 2.0 | A.Kruss Optronic, Almanya | VOPC93 | |
| Tartı KERN EMB | KERN, Almanya |
Kaynaklar
- 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).
Yeniden basım ve izinler
