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Poultry-manure biochar and phosphorus availability: influence of magnesium enrichment and bacterial solubilization
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Universidade Federal de Lavras
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Departamento de Ciência do Solo
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-graduação em Ciência do Solo
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
O biocarvão é um subproduto da pirólise e suas aplicações estão relacionadas principalmente ao condicionamento do solo. Produzir biocarvão a partir de um resíduo orgânico como o esterco de frango é uma alternativa para aumentar o valor fertilizante da biomassa, favorecer a reciclagem e evitar perdas. A baixa disponibilidade de nutrientes em água é importante para aumentar a eficiência do uso do fósforo (P), principalmente em solos tropicais devido à sua alta afinidade com a fração argila (óxidos e hidróxidos de Fe e Al). No entanto, o teor de Ca no esterco de aves é relativamente alto (~10%) e, com a pirólise, a disponibilidade de P diminui. Além disso, é necessário desenvolver métodos para aumentar a disponibilidade de P sem aumentar a solubilidade de P em água. Por exemplo, modificações químicas pela adição de magnésio (Mg) e/ou inoculação com bactérias solubilizadoras de fosfato podem melhorar a capacidade do biocarvão de fornecer P. Assim, os objetivos deste estudo foram: (1) Determinar como a temperatura de pirólise e o aumento da razão Mg/Ca afetam a solubilidade do P; (2) Avaliar como mudanças nas espécies de P e sua cristalinidade afetam a extensão em que as bactérias solubilizadoras de fosfato (BSF) aumentam a solubilização de P; (3) Avaliar como o crescimento de plantas de milho e a absorção de P na parte aérea são afetados com fertilização de P usando biocarvão e biocarvão enriquecido com Mg produzidos em temperaturas de pirólise crescentes e inoculação bacteriana. Para isso, biocarvões modificados com Mg foram produzidos em uma taxa de aquecimento de 10 oC por min até a temperatura alvo e um período de espera de 30 min. Após a produção, o biocarvão foi completamente caracterizado, e a disponibilidade de P (ácido fórmico e cítrico 2%) e a especiação de P por espectroscopia de XANES foram estudadas. Experimentos in vitro e in vivo foram realizados, determinando-se a solubilização de P, o crescimento de plantas de milho e a absorção de P. Com a adição de Mg, a disponibilidade de P aumentou até uma temperatura de pirólise de 600 °C em comparação com o biochar puro. A adição de Mg à também impediu ou diminuiu a formação de minerais mais cristalinos, como hidroxiapatita e pirofosfato. Já para a inoculação com BFS, a fonte de P influenciou a produção de ácidos orgânicos específicos, mas não necessariamente com aumento da solubilização de P. A estirpe Pseudomonas sp. liberou maiores quantidades de P do biocarvão com Mg a 350 °C (condição in vitro). Da mesma forma, o biocarvão enriquecido com Mg (350 °C) e a inoculação de BSF aumentaram a absorção e o acúmulo de P do milho. Assim, a adição de Mg antes da pirólise do esterco de frango é uma alternativa atraente para aumentar seu valor fertilizante para crescimento das plantas. Estudos futuros devem se concentrar em compreender as transformações de P em biocarvão produzido em temperaturas mais altas (>350 °C) e como aumentar o potencial de enriquecimento de Mg e inoculação de PSB na disponibilidade de P.
Abstract
Biochar is a stable and recalcitrant byproduct of pyrolysis, and its applications are related primarily to soil conditioning. Producing biochar from an organic residue such as poultry manure is an alternative to increase the fertilizer value, increase nutrient recycling, and prevent nutrient losses by decreasing nutrient availability in water. A low water availability is important specially to enhance phosphorus (P) use efficiency in soils, especially in tropical soils due to their high affinity to clay mineral fraction (Fe and Al oxides and hydroxides). However, Ca content in poultry manure is relatively high (~10%), and with pyrolysis, P availability decreases due to thermal transformation. Moreover, is it necessary to develop methods to increase P availability from poultry manure biochar without increasing P availability in water. For instance, chemical modifications by introducing additives such as magnesium (Mg) in the feedstock and/or inoculation with phosphate- solubilizing bacteria may improve the biochar's ability to supply P in soil. Thus, the objectives of this study were: (1) To determine how pyrolysis temperature and increasing the ratio of Mg/Ca affects P solubility; (2) To evaluate how changes in P species and their crystallinity affect the extent to which phosphate-solubilizing bacteria (PSB) increase P solubilization; (3) To evaluate how maize plants growth and P uptake in shoots are affected with P fertilization using biochar and Mg- enriched biochar at increasing pyrolysis temperature and bacterial inoculation. For this, Mg modified-biochars were produced in a laboratory-scale pyrolysis system, performed with a heating rate of 10 oC/min to their target temperature and a holding period of 30 min. After the production, biochar was completely characterized, and P availability (formic and citric acid 2%) and P speciation by using XANES spectroscopy were studied. In vitro and in vivo experiments were performed, and P solubilization, maize plant growth, and P uptake in plant shoots were determined. With Mg addition, P availability increased up to a pyrolysis temperature of 600 °C compared to the pristine biochar. Adding Mg to poultry manure biomass prevented or decreased the formation of more crystalline minerals, such as hydroxyapatite and pyrophosphate. As for PSB, the P source influenced specific organic acid production, but not necessarily with increased P solubilization. The strain Pseudomonas sp. released higher amounts of P from Mg-biochar at 350 °C (in vitro condition). Similarly, Mg-enriched biochar (350 °C) and PSB inoculation increased P uptake and accumulation in maize shoot tissues. Thus, adding Mg prior to the pyrolysis of poultry manure is an attractive alternative to increase its fertilizer value for further plant growth. Future studies should focus on comprising the P transformations in biochar produced at higher pyrolysis temperatures (>350 °C) and how to enhance the potential of Mg enrichment and PSB inoculation on P availability in soil.
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Citação
LEITE, A. do A. Poultry-manure biochar and phosphorus availability: influence of magnesium enrichment and bacterial solubilization. 2023. 94 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.