Bioinoculants and biochar for sunflower growth promotion in a minig soil

Abstract

Soil contamination is a present-day worldwide concern due to the contribution of numerous anthropogenic activities, such as mining activities. The disposal of mine tailings along with deterioration of soil properties can generate several environmental and health problems, thus leading to metal contamination of extensive areas. Borralha mine was one of the biggest producers of tungsten in the past century, until its deactivation. Energy crops, such as sunflower can grant added value to this area since it integrates soils with high levels of metals. Therefore, PhytoSUDOE project intends to restore these contaminated sites, through the implementation of phytoremediation techniques, in order to stimulate ecosystem functionality. Microbial inoculants such as Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) and Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) can enhance phytoremediation efficiency through enhanced plant growth, when exposed to stress conditions (e.g. metal contamination). On the other hand, the application of organic soil amendments, like biochar (BC) can influence soil pH, water retention, and nutrient maintenance. Through its adsorption capacity towards metals, it can also reduce the levels of these contaminants and consequent bioavailability in contaminated soil. The main objective of this work was to evaluate the potential of BC amendment and application of microbial inoculants to perform as phytoremediation assistants, for plant growth promotion, specifically for sunflower plants grown in a mining metal-contaminated soil. Sunflower seedlings were inoculated with the bacteria Pseudomonas reactans (B), a commercial AMF (F) and with a mixture of P. reactans and AMF (Mix) grown in a mine soil amended with four percentages of BC (0, 2.5, 5 e 10% (w/w)). Increasing BC levels induced a generic reduction of plant biometric parameters, although inoculation (particularly F and mixed inoculation) had a positive influence on these parameters, since they increased significantly biomass production and balanced nutrient uptake, thus reducing the harmful effects of metals on sunflower growth. Cu accumulation in plant tissues was generally higher in roots than in shoots. BC addition at 2.5 and 5% induced average increases of 28 and 29% respectively, when in comparison to Cu content in roots. However, higher levels of Zn were recorded on sunflower shoots than on roots, as well as N and P contents. The bacterial communities present in rhizospheric samples was analyzed by amplifying 16S rRNA gene fragments, which were separated by DGGE (Denaturing gradient gel electrophoresis). In general, the bacterial communities varied in accordance with the microbial inoculant, where the AMF inoculation appeared to have a higher influence on the bacterial soil communities. This work demonstrates the potential of combining BC and bioinoculants in order to promote sunflower growth in metal contaminated soils and their potential for implementing different phytomanagement strategies.

A contaminação dos solos é uma preocupação global dos tempos atuais, devido à contribuição de numerosas atividades antropogénicas como a exploração mineira. A remoção de resíduos mineiros e a consequente deterioração das propriedades do solo, pode causar vários problemas ambientais e de saúde, levando à contaminação de extensas áreas com metais. A mina da Borralha até a sua desativação no século passado foi um dos maiores produtores de volfrâmio. Plantas com valor energético, como o girassol podem conferir um valor acrescentado a esta área, uma vez que os solos deste local possuem altos níveis de metais. Assim, o projeto PhytoSUDOE pretende restaurar estes locais contaminados através da implementação de técnicas de fitorremediação, de forma a estimular a funcionalidade do ecossistema. Inóculos microbianos como rizobactérias promotoras do crescimento de plantas (sigla inglesa PGPR) e fungos micorrízicos arbusculares (sigla inglesa AMF) podem melhorar a eficiência da fitorremediação, através da promoção do crescimento de plantas quando expostas a condições adversas (e.g. contaminação com metais). Por outro lado, a aplicação de fertilizantes orgânicos como o biochar (BC) pode influenciar o pH do solo, a retenção de água e a manutenção de nutrientes. Pela sua capacidade adsortiva em relação aos metais, podem ainda reduzir os níveis destes contaminantes e a consequente biodisponibilidade nos solos. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial do BC e dos inoculantes microbianos para atuarem como auxiliadores da fitorremediação, para a promoção do crescimento de girassol num solo mineiro contaminado com metais. As sementes de girassol foram inoculadas com a bactéria Pseudomonas reactans (B), o AMF comercial (F) e com uma mistura de P. reactans e AMF (Mix) e semeadas num solo mineiro suplementado com quatro percentagens de BC (0, 2.5, 5 e 10% (m/m)). O aumento da concentração de BC induziu uma redução generalizada nos parâmetros biométricos da planta, contudo a inoculação teve uma influência positiva nestes parâmetros, particularmente a inoculação com F e Mix, uma vez que aumentaram significativamente a produção de biomassa e absorção equilibrada dos nutrientes, reduzindo desta forma os efeitos nocivos dos metais no crescimento de girassol. A acumulação de Cu nos tecidos vegetais foi, em geral, mais alta nas raízes do que na parte aérea. A adição de BC a 2.5 e 5% resultou em aumentos médios de 28 e 29% respetivamente, para o conteúdo em Cu nas raízes do girassol. Contudo, os níveis de acumulação de Zn foram maiores na parte aérea do que na raiz desta planta. O conteúdo em azoto e fósforo nos tecidos vegetais foi geralmente maior na parte aérea do que nas raízes. As comunidades bacterianas presentes nas amostras rizosféricas foram analisadas pela amplificação do gene 16S rRNA e separação dos fragmentos por DGGE (Eletroforese em gel de gradiente desnaturante). Em geral, a comunidade bacteriana variou de acordo com o inoculante microbiano aplicado, onde a inoculação com AMF aparentou ter uma maior influência na comunidade microbiana do solo. Este trabalho demonstrou o potencial da combinação do BC e dos inóculos microbianos de formar a promover o crescimento do girassol em solos contaminados com metais e o seu potencial para a implementação de diferentes estratégias de fitogestão.