Integrative tools to assess effects of biochar to soil biota

Abstract

Biochar application to soil as an agricultural amendment, as well as a carbon sink, is a focus of increasing interest, despite the underlying factors determining its behaviour, toxicity and fate in soil remaining poorly understood. The main aim of this study was to integratively evaluate the ecotoxicological potential of a wood chip biochar in soil at representative application rates, through combining the responses of multiple soil organisms, and structural and functional parameters, at relevant spatial and temporal scales. To achieve this, the specific objectives were defined and addressed within four experimental chapters. The effects on soil biota of biochar alone and a biochar-compost mixture from a commercial vineyard in Central Portugal, were monitored with laboratory bioassays. Both fresh and field-aged biochar and biochar-compost were tested by evaluating the endpoints survival and reproduction of the collembolan Folsomia candida and food consumption and biomass change of terrestrial isopod Porcellionides pruinosus. Freshly-amended soil did not induce significant changes on organisms’ performance, while the organisms’ fitness was reduced when exposed to the field-aged soil and amended-soil, which was subjected to various climatic factors and conventional pesticides. The results suggested that bioavailability of potentially toxic compounds, like pesticides, might not decrease over time by the presence of biochar and biochar-compost in vineyards that receive conventional plant protection products. Subsequently, research was conducted on the potential inherent toxicity of biochar on biota, as influenced by particle size and application rates, where the experimental design was based on a preliminary earthworm (Eisenia andrei) avoidance behaviour assay. The main experiment was conducted over 28 days in greenhouse microcosms in which survival, weight losses and vertical distribution of E. andrei and bait-lamina consumption were assessed, and combined the evaluation of leachates toxicity looking into endpoints luminescence inhibition of bacterium Vibrio fischeri and immobilisation of the cladoceran Daphnia magna. In addition, a laboratory feeding experiment was performed to address the weight change and the possible link with polyaromatic hydrocarbons (PAH)-type metabolites in the earthworms’ tissues. The results showed that smaller particles (<0.5 mm) of woodchip biochar might pose sub-lethal toxicity to soil biota, suggesting that there is a connection in behavioural (avoidance), individual (weight changes, naphthalene-type metabolites in earthworms’ tissue) and functional (bait-lamina consumption) endpoints. Next, the link was explored between the interaction of soil invertebrates from different functional groups, such as earthworms (E. andrei) and isopods (P. pruinosus), and activity of soil microbial enzymes in biochar-amended soil, alongside the main mechanisms of earthworm’ responses. The latter was investigated with biomarkers of effect. Microbial response was sampling time-, invertebrate presence-, and enzyme-dependent. Reproduction of E. andrei was not affected by the exposure to the woodchip biochar. Biomarkers responded as early warning tools, by showing an increase in lipid peroxidation and cellular energy allocation decrease in exposed earthworms. At last, higher tier testing was conducted in indoor small-scale terrestrial ecosystem models over 42 days, by assessing the effects of biochar, biochar-compost and inorganic fertilizer (NPK) and their combinations, on the earthworm E. andrei survival and weight loss, bait-lamina consumption and a morphological and production traits of rapid cycling plant Brassica rapa, as well as of their leachates on growth inhibition of aquatic macrophyte Lemna minor. The results revealed low-to-no effect on earthworms, and slight stimulations in production parameters in plants, namely in the treatment of combined biochar-compost with mineral fertilizer. L. minor growth was a sensitive endpoint. The study indicated that possibility of nutrients leaching stimulation might not be excluded, which could pose a hazard to aquatic systems. Together, the results demonstrate that biological responses to woodchip biochar varied from sub-lethal to neutral and/or stimulatory, depending on the test organism and endpoint, biochar treatment and application rate. Further, they highlight that for a comprehensive understanding of biochar effects on biota and associated mechanisms, it is paramount to evaluate various indicator species and endpoints, that include different exposure routes and levels of biological organisation and interactions, under representative exposure scenarios

A aplicação de biochar no solo como aditivo agrícola, bem como fonte de carbono, é um foco de crescente interesse, apesar de vários fatores subjacentes determinarem o seu comportamento, toxicidade e destino no solo, apesar de pouco compreendidos. O principal objetivo deste estudo foi avaliar de forma integrada o potencial ecotoxicológico de aplicações representativas de um biochar produzido de raspas e resíduos de madeira no solo, combinando respostas de vários organismos edáficos e parâmetros estruturais e funcionais, em escalas espaciais e temporais relevantes. Para isso, os objetivos específicos foram definidos e abordados em quatro capítulos experimentais. Os efeitos sobre a biota do solo deste biochar e de uma mistura de biochar com compostagem (biochar-composto) em vinhas com fins comerciais no centro de Portugal foram monitorizados em bioensaios de laboratório. O biochar e o biochar-composto foram testados através da avaliação da sobrevivência e reprodução do colêmbolo Folsomia candida e do consumo de alimento e biomassa do isópode terrestre Porcellionides pruinosus. O solo imediatamente modificado com a adição do biochar e biochar-composto não induziu mudanças significativas no desempenho dos organismos, enquanto a aptidão dos organismos foi reduzida quando expostos ao esse solo envelhecido em campo e ao solo retificado, que foi submetido a vários fatores climáticos e pesticidas convencionais. Os resultados sugerem que a biodisponibilidade de compostos potencialmente tóxicos, como pesticidas, pode não diminuir em termos temporais pela presença de biochar e biochar-composto em vinhas que recebem este tipo de produtos fitofarmacêuticos convencionais. Posteriormente, a toxicidade inerente do biochar foi avaliada na biota, tendo em conta a influência do tamanho das partículas e taxas de aplicação, onde o delineamento experimental foi baseado num ensaio preliminar de comportamento (evitamento) no lumbricídeo Eisenia andrei. A experiência principal foi conduzida durante 28 dias em microcosmos de estufas onde foram avaliadas a sobrevivência, perda de peso e distribuição vertical de E. andrei e o consumo de "bait-lamina", combinando a avaliação datoxicidade dos lixiviados com o objetivo de determinar a inibição de luminescência da bactéria Vibrio fischeri e a imobilização do cladócero Daphnia magna. Além disso, foi realizada uma experiência de alimentação em laboratório para abordar a alteração de peso e a possível ligação com m etabólitos de hidrocarbonetos poliaromáticos (HPAs) nos tecidos do s lumbricídeos. Os resultados mostraram que partículas pequenas (< 0.5 mm) de biochar de madeira podem causar toxicidade sub-letal no biota do solo, sugerindo que há uma relação com o comportamento (evitamento), ao nível individual (alterações de peso, metabólitos tipo naftaleno em tecido de lumbricídeos) e parâmetros funcionais (consumo de "bait-lamina"). Em seguida, explorou-se a interação entre invertebrados de solo de diferentes grupos funcionais, os lumbricídeos (E. andrei) e os isópodes (P pruinosus), e a sua relação com a atividade enzimática do solo, em solo biologicamente alterado, juntamente com os principais mecanismos de respostas dos lumbricídeos. Este último foi avaliado com biomarcadores de efeito. A resposta microbiana mostrou ser dependente do tempo de amostragem, da presença de invertebrados e da enzima em causa. A reprodução de E. andrei não foi afetada pela exposição ao biochar de madeira. Os biomarcadores responderam como ferramentas de alerta precoce, mostrando um aumento na peroxidação lipídica e diminuição da alocação de energia celular em lumbricídeos expostas. Finalmente, testes de complexidade mais elevada foram conduzidos em modelos de ecossistemas terrestres de pequena escala em 42 dias, avaliando os efeitos de biochar, biochar-composto e fertilizante inorgânico (NPK) e as suas combinações, na sobrevivência e perda de peso de E. andrei, consumo de "bait-lamina", assim como a componente morfológica e de produção da planta Brassica rapa (de ciclo de vida rápido), bem como a inibição do crescimento da macrófita aquática Lemna minor exposta aos respetivos lixiviados. Os resultados revelaram poucos ou nenhuns efeitos nos lumbricídeos e pequenas estimulações nos parâmetros de produção nas plantas, nomeadamente no tratamento de biochar-composto combinado com fertilizante mineral. O crescimento de L. minor foi um dos parâmetros sensível. O estudo indicou que a possibilidade de estímulo de lixiviação de nutrientes pode não ser excluída, o que pode representar um risco para os sistemas aquáticos. Assim sendo, os resultados demonstram que as respostas biológicas ao biochar de resíduos de madeira variaram de efeitos subletais a neutros e / ou de estímulo, dependendo do organismo e parâmetro do teste, do tratamento com biochar e da taxa de aplicação. Além disso, é de destacar que, para uma compreensão abrangente dos efeitos de biochar na biota e nos mecanismos associados, é fundamental avaliar várias espécies e parâmetros indicadores, que incluam diferentes vias de exposição e níveis de organização biológica e interações, sob cenários de exposição representativos