Трансформация биочара из растительной биомассы в серой лесной почве: оценка методом изотопной метки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Пиролиз рассматривается как один из перспективных методов переработки сельскохозяйственных отходов и получения удобрений. Эффективность получаемого биочара в качестве удобрения доказана, однако до настоящего времени остаются открытыми вопросы о преимущественных путях декомпозиции органических веществ в его составе – биотическом или абиотическом. В настоящей работе пути трансформации биочара, изготовленного из кукурузы – растения с С4-типом фотосинтеза (с повышенным содержанием 13С) – оценивали с применением твердофазного метода CP/MAS 13C ЯМР-спектроскопии. Биочар помещали в верхний слой почвенного монолита серой лесной почвы, в течение 90 сут имитировали режим осадков, характерный для средней полосы России. На полученных ЯМР-спектрах образцов почвы с биоуглем, пик в области 129 м.д., характерный для ароматических соединений, увеличивался со временем эксперимента в верхнем слое почвы, но не в других слоях. Это говорит о том, что частицы биочара не мигрируют вниз по почвенному профилю в течение одного сезона. При этом интенсивность кумулятивного микробного дыхания в присутствии биочара увеличивалась – с 85.0 г СО2/кг в контрольном образце до 201.4 г СО2/кг в образце с биоуглем (верхний слой почвы). Согласно ЯМР спектрам соли, образованной при минерализации выделившегося из почвы углекислого газа, в нем содержится меченый углерод: на спектрах имеется пик в районе 169 м.д., характерный для карбонатов. Кумулятивный объем выделившегося CO2 из почвы с биочаром был в 1.9 раз больше, чем из контрольной. Добавление микроорганизмов-деструкторов привело к дополнительному увеличению объема СО2 – в 2.4 раза относительно контроля, что свидетельствует о роли микроорганизмов в деструкции органического вещества почвы и биоугля. Однако, основываясь на стабильности содержания общего углерода в почве, можно заключить, что лишь незначительная доля компонентов биочара подвержена биотическому разложению.

Об авторах

П. Ю. Галицкая

Казанский федеральный университет

Email: drgor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5070-786X
Россия, ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008

С. Ю. Селивановская

Казанский федеральный университет

Email: drgor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6379-7166
Россия, ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008

К. О. Карамова

Казанский федеральный университет

Email: drgor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0846-251X
Россия, ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008

А. С. Гордеев

Казанский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: drgor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1918-305X
ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008

П. А. Курынцева

Казанский федеральный университет

Email: drgor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9274-7077
Россия, ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008

П. Горбаннежад

Университет имени Шахида Бехешти

Email: drgor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6146-8964
Иран, Бульвар Данешжу, 1, Тегеран, 198396

Список литературы

  1. Ермолаев О.П. Ландшафты Республики Татарстан. Региональный ланшафтно-экологический анализ. Казань: Слово, 2007. 411 c.
  2. Ameloot N., Graber E.R., Verheijen F.G.A., De Neve S. Interactions between biochar stability and soil organisms: review and research needs // Eur. J Soil Sci. 2013. V. 4(64). P. 379–390.
  3. Ascough P.L., Bird M.I., Wormald P., Snape C.E., Apperley D. Influence of production variables and starting material on charcoal stable isotopic and molecular characteristics // GCA. 2008. V. 72(24). P. 6090–6102.
  4. Banfield C.C., Dippold M.A., Pausch J., Hoang D.T.T., Kuzyakov Y. Biopore history determines the microbial community composition in subsoil hotspots // Biol. Fert. Soils. 2017. V. 5(53). P. 573–588.
  5. Blume E., Bischoff M., Reichert J.M., Moorman T., Konopka A., Turco R.F. Surface and subsurface microbial biomass, community structure and metabolic activity as a function of soil depth and season // Appl. Soil. Ecol. 2002. V. 3(20). P. 171–181.
  6. Bogusz A., Oleszczuk P., Dobrowolski R. Adsorption and desorption of heavy metals by the sewage sludge and biochar-amended soil // Environ. Geochem. Health. 2019. V. 41. P. 1663–1674.
  7. Cimò G., Kucerik J., Berns A.E., Schaumann G.E., Alonzo G., Conte P. Effect of heating time and temperature on the chemical characteristics of biochar from poultry manure // J. Agric. Food Chem. 2014. V. 62(8), P. 1912–1918.
  8. Clough T., Condron L.M., Kammann C, Müller C. A Review of Biochar and Soil Nitrogen Dynamics // Agron. 2013. V. 2(3). P. 275–293.
  9. Czimczik C.I., Preston C.M., Schmidt M.W.I., Werner R.A., Schulze E-D. Effects of charring on mass, organic carbon, and stable carbon isotope composition of wood // Org. Geochem. 2002. V. 11(33). P. 1207–1223.
  10. Ding Y., Liu Y., Liu S., Huang X., Li Z., Tan X., Zeng G., Zhou L. Potential benefits of biochar in agricultural soils: a review // Pedosphere. 2017. V. 4(27). P. 645–661.
  11. Dong X., Li G., Lin Q., Zhao X. Quantity and quality changes of biochar aged for 5 years in soil under field conditions // Catena. 2017. V. 159. P. 136–143.
  12. Farrell M., Kuhn T.K., Macdonald L.M., Maddern T.M., Murphy D.V., Hall P.A., Singh B.P., Baumann K., Krull E.S., Baldock J.A. Microbial utilisation of biochar-derived carbon // Sci. Total Environ. 2013. V. 465. P. 288–297.
  13. Freitas J.C.C., Bonagamba T.J., Emmerich F.G. 13 C High-Resolution Solid-State NMR Study of Peat Carbonization // Energ Fuel. 1999. V. 1(13). P. 53–59.
  14. Geisseler D., Horwath W.R. Relationship between carbon and nitrogen availability and extracellular enzyme activities in soil // Pedobiologia. 2009. V. 1(53). P. 87–98.
  15. Glaser B. Compound-specific stable-isotope(δ13C) analysis in soil science // J Plant. Nutr. Soil Sci. 2005. V. 168(5). P. 633–648.
  16. Gougoulias C., Clark J.M., Shaw L.J. The role of soil microbes in the global carbon cycle: tracking the below-ground microbial processing of plant-derived carbon for manipulating carbon dynamics in agricultural systems // J Sci. Food Agric. 2014. V. 12(94). P. 2362–2371.
  17. Hagemann N., Subdiaga E., Orsetti S., de la Rosa J.M., Knicker H., Schmidt H-P., Kappler A., Behrens S. Effect of biochar amendment on compost organic matter composition following aerobic compositing of manure // Sci Total Environ. 2018. V. 613-614. P. 20–29.
  18. Hui D., Yu C-L., Deng Q., Saini P., Collins K., De Koff J. Weak Effects of Biochar and Nitrogen Fertilization on Switchgrass Photosynthesis, Biomass, and Soil Respiration // Agriculture. 2018. V. 9(8). P. 143.
  19. Jaafar N.M., Clode P.L., Abbott L.K. Biochar-Soil Interactions in Four Agricultural Soils // Pedosphere. 2015. V. 5(25). P. 729–736.
  20. Jagadamma S. Mayes M.A., Steinweg J. M., Schaeffer S. M. Substrate quality alters the microbial mineralization of added substrate and soil organic carbon // Biogeosciences. 2014. V. 17(11). P. 4665–4678.
  21. Jeguirim M., Limousy L. Biomass Chars: Elaboration, Characterization and Applications II // Energies. 2019. V. 3(12). P. 384.
  22. Kida M., Kondo M., Tomotsune M., Kinjo K., Ohtsuka T., Fujitake N. Molecular composition and decomposition stages of organic matter in a mangrove mineral soil with time // Estuar. Coast. Shelf Sci. 2019. V. 231, P. 106478.
  23. Kirk G.J.D., Yu T.R., Choudhury F.A. Phosphorus chemistry in relation to water regime. // Phosphorus requirements for sustainable agriculture in Asia and Oceania. Proceedings of a symposium, 6–10 March 1989. 1990. P. 211–223.
  24. Knicker H. Pyrogenic organic matter in soil: Its origin and occurrence, its chemistry and survival in soil environments // Quat. Int. 2011. V. 2(243). P. 251–263.
  25. Kochanek J., Soo R.M., Martinez C., Dakuidreketi A., Mudge A.M. Biochar for intensification of plant-related industries to meet productivity, sustainability and economic goals: A review // Resour. Conserv. Recycl. 2022. V. 179. P. 106109.
  26. Kuzyakov Y., Subbotina I., Chen H., Bogomolova I., Xu X. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 2(41). P. 210–219.
  27. Kuzyakov Y., Blagodatskaya E. Microbial hotspots and hot moments in soil: Concept review // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 83. P. 184–199.
  28. Kuzyakov Y., Bogomolova I., Glaser B. Biochar stability in soil: Decomposition during eight years and transformation as assessed by compound-specific 14C analysis // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 70. P. 229–236.
  29. Lawrinenko M., Laird D.A., Johnson R.L., Jing D. Accelerated aging of biochars: Impact on anion exchange capacity // Carbon. 2016. V. 1 03. P. 217–227.
  30. Li X., Wang T., Chang S.X., Jiang X., Song Y. Biochar increases soil microbial biomass but has variable effects on microbial diversity: A meta-analysis // Sci.Total Environ. 2020. V. 749. P. 141593.
  31. Liu X., Liao J., Song H., Yang Y., Guan C., Zhang Z. A biochar-based route for environmentally friendly controlled release of nitrogen: urea-loaded biochar and bentonite composite // Scientific Reports. 2019. V. 9. P. 9548.
  32. Lu N., Lu X-R., Du Z., Wang Y-D. Effect of biochar on soil respiration in the maize growing season after 5 years of consecutive application // Soil Res. 2014. V. 5(52). C. 505.
  33. Marcińczyk M., Oleszczuk P. Biochar and engineered biochar as slow- and controlled-release fertilizers // J Clean. Prod. 2022. V. 339. P. 130685.
  34. McBeath A.V., Smernik R.J. Variation in the degree of aromatic condensation of chars // Org. Geochem. 2009. V. 12(40). P. 1161–1168.
  35. Mierzwa-Hersztek M., Gondek K., Kopeс M., Ukalska–Jaruga M. Biochar changes in soil based on quantitative and qualitative humus compounds parameters // Soil ukalska-jaruga science annual. 2018. V. 69 (4). P. 234–242.
  36. Nocentini C., Guenet B., Mattia E.D. Certini G., Bardoux G., Rumpel C. Charcoal mineralisation potential of microbial inocula from burned and unburned forest soil with and without substrate addition // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 9(42). P. 1472–1478.
  37. Orlova N., Abakumov E.V., Orlova E., Yakkonen K. Soil organic matter alteration under biochar amendment: study in the incubation experiment on the Podzol soils of the Leningrad region (Russia) // J. Soil Sediment. 2019. V. 6(19). P. 2708–2716.
  38. Orlova N., Orlova E., Abakumov E., Smirnova K., Chukov S. Humic Acids Formation during Compositing of Plant Remnants in Presence of Calcium Carbonate and Biochar // Agronomy. 2022. V. 10(12). P. 2275.
  39. Osman A.I., Fawzy S., Farghali M., El-Azazy M., Elgarahy A.M., Fahim R.A., Maksoud M.I.A.A. Ajlan A.A., Yousry M., Saleem Y., Rooney D.W. Biochar for agronomy, animal farming, anaerobic digestion, composting, water treatment, soil remediation, construction, energy storage, and carbon sequestration: a review // Environ. Chem. Lett. 2022. V. 4(20). P. 2385–2485.
  40. Qambrani N.A., Rahman M.M., Won S., Shim S., Ra C. Biochar properties and eco-friendly applications for climate change mitigation, waste management, and wastewater treatment: A review // Renew. Sustain. Energy Rev. 2017. V. 79. P. 255–273.
  41. Rangabhashiyam S., dos Santos Lins P.V., de Magalhaes Oliveira L.M.T., Sepulveda P., Ighalo J.O., Rajapaksha A.U., Meili L. Sewage sludge-derived biochar for the adsorptive removal of wastewater pollutants: A critical review. // Environmental Pollution. 2022. V. 293. P. 118581.
  42. Rosa J.M. de la, Rosado M., Paneque M., Knicker H. Effects of aging under field conditions on biochar structure and composition: Implications for biochar stability in soils // Sci. Total Environ. 2018. V. 613–614. P. 969–976.
  43. Rutgers M., Wouterse M., Drost S.M., Breure A.M., Mulder C., Stone D., Creamer R.E., Winding A., Bloem J. Monitoring soil bacteria with community-level physiological profiles using BiologTM ECO-plates in the Netherlands and Europe // Appl. Soil Ecol. 2016. V. 97. P. 23–35.
  44. Ryzak M., Bieganowski A. Methodological aspects of determining soil particle-size distribution using the laser diffraction method // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2011. V. 4(174). P. 624–633.
  45. Sarkhot D.V., Berhe A. A., Ghezzehei T.A. Impact of Biochar Enriched with Dairy Manure Effluent on Carbon and Nitrogen Dynamics // J. Environ. Qual. 2012. V. 4(41). P. 1107–1114.
  46. Sevelsted T.F., Herfort D., Skibsted J. 13C chemical shift anisotropies for carbonate ions in cement minerals and the use of 13C, 27Al and 29Si MAS NMR in studies of Portland cement including limestone additions // Cement Concrete Res. 2013. V. 52. P. 100–111.
  47. Soong J.L., Reuss, D., Pinney C., Boyack T., Haddix M.L., Stewart, C.E., Cotrufo M.F. Design and operation of a continuous 13C and 15N labeling chamber for uniform or differential, metabolic and structural, plant Isotope Labeling // J. Vis. Exp. V. 83. P. 51117.
  48. Sousa J.R. de, Correia J.A.C., de Almeida J.G.L, Rodrigues S., Pessoa O.D.L., Melo V.M.M., Gonçalves L.R.B. Evaluation of a co-product of biodiesel production as carbon source in the production of biosurfactant by P. aeruginosa MSIC02 // Process Biochem. 2011. V. 9(46). P. 1831–1839.
  49. Su P., Brookes P.C., He Y., Wu J., Xu J. An evaluation of a microbial inoculum in promoting organic C decomposition in a paddy soil following straw incorporation // J. Soil Sediment. 2016. V. 6(16). P. 1776–1786.
  50. Tan Ch., Zeyu Zh., Rong H., Ruihong M., Hongtao W., Wenjing L. Adsorption of cadmium by biochar derived from municipal sewage sludge: Impact factors and adsorption mechanism // Chemosphere. 2015. V. 134. P. 286–293.
  51. Tauqeer H.M., Turan V., Farhad M, Iqbal M. Sustainable agriculture and plant production by virtue of biochar in the era of Climate Change/Hasanuzzaman G.J., Ahammed K. Nahar, Singapore: Springer Nature, 2022. P. 21–42.
  52. Wang J., Xiong Z., Kuzyakov Y. Biochar stability in soil: Meta-analysis of decomposition and priming effects // GCB Bioenergy. 2016. V. 8. № 3. P. 512–523.
  53. Zeng Q., Brown P.H. Soil potassium mobility and uptake by corn under differential soil moisture regimes // Plant Soil. 2000. V. 2(221). P. 121–134.
  54. Zhang J., Shao J., Jin Q., Lia Z., Zhang X., Chen Y., Zhang S., Chen H. Sludge-based biochar activation to enhance Pb(II) adsorption // Fuel. 2019. V. 252. P. 101–108.
  55. Zhang Q. Duan P., Gunina A., Xi Z. Mitigation of carbon dioxide by accelerated sequestration from long-term biochar amended paddy soil // Soil Till. Res. 2021. V. 209. P. 104955.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Дополнительные материалы
Скачать (383KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Спектры CP/MAS 13C ЯМР образцов биочара, полученного из куриного помета (1), и биочара, полученного из кукурузы (2): при температуре пиролиза 400ºС и длительности удерживания 2 ч.

Скачать (165KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Содержание общего углерода (a) и азота (b) в контрольных и опытных колонках (с изотопномеченным биочаром).

Скачать (545KB)
Метаданные
5. Рис. 3. 13C CPMAS ЯМР-спектры образца почвы: (a) – слоя BT1а на 3 сут (1) и 7 сут (2) из колонок с биочаром и на 3 сут из контрольной колонки KT1а (3), (b) – слоя BT1a отобранных из колонок с биочаром на 3 сут (1), 7 сут (2), 30 сут (3), 60 сут (4), и 90 сут (5), (c) – слоев BT1a (1), BT1b (2), BT2a (3), BT2b (4), отобранных из колонок с биочаром на 30 сут эксперимента.

Скачать (572KB)
Метаданные
6. Рис. 4. (a) – Кумулятивная респирация почвы верхнего слоя контрольных почвенных колонок (КT1a) (1), колонок с биочаром (ВT1a) (2), колонок с биочаром и внесенными микроорганизмами деструкторами (DT1a) (3); (b) – 13C ЯМР-спектры уловленного щелочью СО2, выделившегося из верхнего почвы слоя, контрольных почвенных колонок КT1a (1), колонок ВT1a с биочаром (2), колонок DT1a с биочаром и внесенными микроорганизмами деструкторами в течение 3 сут (3).

Скачать (360KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Метаболическая активность почвенных микроорганизмов в контрольных образцах почвы и образцах из монолитов с биочаром, отобранных на 3, 7, 30, 60 и 90 сут эксперимента.

Скачать (125KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Индекс Шеннона, рассчитанный для 120 ч инкубирования в контрольных образцах почвы и образцах с биочаром, отобранных на 3, 7, 30, 60 и 90 сут эксперимента.

Скачать (132KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024