Biochar application in soil: behavior and toxicity

Abstract

The biochar is a by-product produced from the pyrolyzing an organic feedstock, mainly biomass, through a thermochemical process with limited or without the presence of oxygen. The application of biochar goes back to approximately 2000 years ago knowing that it was practiced mainly in ancient Amazonia. In order to determine the growth of the science in the area of the biochar application as a soil additive, a scientometric study was performed in the Web of Science core collection with the advance search of some specific keywords and the total number of 2123 English documents were retrieved published from 2000 to 2018. These bibliographic records were then analyzed regarding some scientometric criteria such as publication type, publication year, contributing country, keyword analysis, author analysis, cited authors, cited journals, categories, and cited documents. The obtained results in this regard demonstrated that despite many research performed in this field, the need regarding more collaboration among the researchers globally and overcoming matters regarding the proper feedstock, pyrolysis condition, and toxic behavior of the biochar is still greatly felt in order to commercialize the biochar application as a soil amendment. Moreover, as a case study, one type of biochar was pyrolyzed from the secondary sludge of the wastewater treatment of pulp and paper mill industry. Further, the produced biochar was analyzed regarding its chemical and physical characteristics. The performed analysis revealed that the biochar was porous and possesses an irregular microstructure. Also, it was in high pH and electric conductivity. Further on, an incubation test was conducted on the soil incubated with biochar as the additive. To provide a comparison, a liming agent was also applied in different soil samples. The amended soil samples with the liming agent were also kept in the incubation. Thereafter the incubation period, which was 21 days, it was observed that the biochar has the capacity to alter the pH, electrical conductivity, and the water holding capacity of the soil while with the liming agent only the pH increased significantly and no considerable modifications were observed in the other measured parameters. Furthermore, a phytotoxicity analysis regarding the germination of the seeds and their growth was conducted via the application of Lepidium sativum seeds (for germination test) and Lolium perenne seeds (for growth test). The obtained results in this regard demonstrated the non-toxic effect of the biochar addition on the seed germination. Also, thereafter the conduction of the growth test, it was observed that the biochar with the corresponding dose of 2.5% w/w enhanced the crop yield significantly in comparison to the collected soil via providing the crops with more dry-weight and height. While the crop obtained from the amended soil with the biochar higher doses had a negative effect on the crop yield. The liming agent did not significantly increase the crop yield as well. However, more research regarding the potentially toxic elements uptake by plants grown in the amended soil with biochar is considered to be crucial for a safe application of such an amendment.

O biochar é um subproduto produzido a partir da pirólise de um substrato orgânico, principalmente biomassa, através de um processo termoquímico com presença limitada ou sem a presença de oxigénio. A aplicação do biochar remonta a aproximadamente 2000 anos atrás, sabendo-se que era praticado principalmente na antiga Amazónia. No sentido de poder contribuir para o conhecimento científico na área da aplicação do biochar como aditivo para o solo, foi realizado um estudo cientométricos na colecção central da Web of Science com a pesquisa prévia de algumas palavras-chave específicas e foi recuperado o número total de 2123 documentos em inglês, publicados entre 2000 e 2018. Esses registros bibliográficos foram analisados em relação a alguns critérios cientométricos, como tipo de publicação, ano de publicação, país contribuinte, análise de palavras-chave, análise de autores, autores citados, periódicos citados, categorias e documentos citados.Os resultados obtidos a este respeito demonstraram que, apesar de muitas investigações realizadas neste domínio, a necessidade de uma maior colaboração entre os investigadores a nível mundial e a superação das questões relativas à matéria-prima adequada, às condições de pirólise e ao comportamento tóxico do biochar, é ainda muito necessário, a fim de se chegar a comercializar a aplicação do biochar, como aditivo para o solo. Como estudo de caso, um tipo de biochar foi produzido a partir da pirólise de lamas biológicas do tratamento das águas residuais da indústria da pasta e do papel. O biochar produzido foi analisado quanto às suas características químicas e físicas. A análise realizada revelou que o biochar era poroso e possuía uma microestrutura irregular. Também apresentou pH e condutividade eléctrica elevados. Seguidamente, foi realizado um teste de incubação do solo incubado com o biochar como aditivo. Para proporcionar uma comparação, foi também aplicado um agente comercial de calagem em diferentes amostras de solo. As amostras de solo aditivadas com o agente de calagem também foram mantidas na incubação. Posteriormente, no período de incubação, que foi de 21 dias, observou-se que o biochar tem a capacidade de alterar o pH, a condutividade eléctrica e a capacidade de retenção de água do solo, enquanto com o agente comercial de calagem, apenas o pH aumentou significativamente, não tendo sido observadas alterações consideráveis nos outros parâmetros medidos. Foi efectuada um ensaio de fitotoxicidade com germinação de sementes e o seu crescimento através da aplicação de sementes de Lepidium sativum (para o teste de germinação) e de sementes de Lolium perenne (para o teste de crescimento). Os resultados obtidos a este respeito demonstraram o efeito não tóxico da adição de biochar na germinação das sementes. Pela realização do ensaio de crescimento, observou-se que o biochar com a dose correspondente de 2,5% p/p aumentou significativamente o rendimento da cultura, em comparação com o solo tal qual recebido, permitindo obter plantas com maior altura foliar e maior peso seco. Embora a cultura obtida a partir do solo aditivado com as doses mais elevadas do biochar tenha tido um efeito negativo sobre o rendimento da cultura. O agente comercial de calagem também não aumentou significativamente o rendimento da cultura. No entanto, é considerado crucial para uma aplicação segura, uma investigação mais aprofundada sobre a absorção de elementos potencialmente tóxicos pelas plantas cultivadas em solo aditivado com o biochar.