Herstellung von phosphathaltiger Pflanzenkohle aus Kiefernholzsägemehl

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12815 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir haben Pflanzenkohle aus karibischem Kiefernsägemehl als Rohstoff hergestellt und charakterisiert. Die Biokohle (BC500) wurde als biokompatibler Träger zur Co-Inokulation von phosphatlöslich machenden Bakterien (PSB) (BC500/PSB) auf Allium cepa L.-Pflanzen im Gewächshausmaßstab für vier Monate verwendet. Die Studie mit drei Biomaterialien umfasste Näherungsanalyse, Elementaranalyse, Aromatizitätsanalyse, Rasterelektronenmikroskopie, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Adsorptionsstudien bei unterschiedlichen pH-Werten und PSB-Stabilität als Funktion der Zeit. Die Ergebnisse zeigten, dass BC500 als organischer Träger oder feste Matrix geeignet ist, um die Lebensfähigkeit von PSB aufrechtzuerhalten, das P aus Phosphatgestein (PR) solubilisieren kann. Der Biodünger (BC500/PSB) ermöglicht eine Steigerung der Keimung, des Keimlingswachstums, der Nährstoffaufnahme und des Wachstums von Allium cepa L., da auf BC500 immobilisiertes PSB die Nährstoffmobilisierung, insbesondere P, während der Kultivierung von Allium cepa L. im Topfmaßstab fördert. Die beiden Behandlungen zur Bewertung des Biodüngers (BC500/PSB) zeigten die höchsten Konzentrationen an Gesamt-P mit 1,25 ± 0,13 und 1,38 ± 0,14 mg Zwiebel−1 in A. cepa L. Diese Arbeit stellt die Vorteile eines neuen Produkts auf natürlicher Basis von Bakterien vor verbunden mit Zwiebeln und einem organischen Material (BC500), das als bakterieller Träger dient, der die Adsorptionsfläche hochreaktiver Nährstoffe vergrößert, deren Auswaschung oder Ausfällung mit anderen Nährstoffen und die Fixierung an der festen Matrix des Bodens verringert.

Kolumbien ist ein Berufungsland für die Forstwirtschaft mit dem Potenzial für die Umsetzung kommerzieller Wiederaufforstungsprogramme. Die geostrategische Lage Kolumbiens ist günstig für den Handel mit agroforstwirtschaftlichen Produkten1. Zu kommerziellen Zwecken sind die am häufigsten kultivierten Gattungen und Arten Pinus caribaea, Tabebuia rosea, Tectona grandis und Eucalyptus pellita2,3,4. Für ihre Produktion implementieren Forstunternehmen den gesamten Produktionsprozess, einschließlich hochwertiger Samen oder Klone, Vermehrung von Pflanzenmaterial in Baumschulen, Waldplantagen und Ernteflächen3,4,5. In der Erntephase fallen große Mengen fester Abfälle an, die reich an lignozellulosehaltiger Biomasse sind (Sägemehl, Späne, Rinde, Blätter oder Stängel), die bis zu 50 % des verarbeiteten Holzes ausmachen können6,7,8. Der Abbau dieser Abfälle erfolgt langsam, da sie aus Lignin, Zellulose und Hemizellulose bestehen9,10. Diese Polymere sind komplex, resistent, hydrophob und ihre biologische Umwandlung (Deponie- und Kompostierungsprozesse) erfolgt langsam7,11,12,13; Dies führt dazu, dass ein hoher Prozentsatz dieser Abfälle nicht ordnungsgemäß verwendet wird oder roh (unverarbeitet) in agroindustriellen Prozessen als Füllstoffmischungen für die Kompostproduktion11,14, Isoliermaterial für Geflügel-, Schweine- und Viehzuchtbetriebe15,16,17 verwendet wird als Pflanzsubstrate für die Vermehrung von Pflanzenmaterial in Waldgärtnereien6,7,18.

Obwohl die Verwendung dieser rohen oder teilweise umgewandelten agroindustriellen Nebenprodukte weltweit weit verbreitet ist, können andere Alternativen geprüft werden, beispielsweise die thermische Umwandlung oder Pyrolyse unter reduzierten Bedingungen oder in Abwesenheit von Sauerstoff. Durch diesen physikalischen Prozess können unter anderem neue Produkte wie Pflanzenkohle, Öle, Gase und flüchtige Verbindungen gewonnen werden19,20,21,22. Kiefernsägemehl ist aufgrund seiner Billigkeit eines der am häufigsten verwendeten Materialien, kommt in großen Mengen vor und kann für verschiedene Zwecke verwendet werden19,23,24.

Im Allgemeinen bietet Pflanzenkohle eine große Oberfläche, Porosität, mit der ursprünglichen Biomasse verbundene Nährstoffe und die Fähigkeit, Wasser und Mikroorganismen zurückzuhalten25,26,27,28,29,30 und wird in der Landwirtschaft erfolgreich als organischer Zusatzstoff oder organischer Bodenverbesserer eingesetzt, weil es verbessert die strukturelle Stabilität des Bodens, die Porosität, die hydraulische Leitfähigkeit, die Bodenbelüftung und die Kationenaustauschkapazität26,31,32; Dies führt zu einer Erhöhung der Nährstoffverfügbarkeit und der Bodenfruchtbarkeit und wirkt sich daher positiv auf verschiedene Kulturpflanzen aus31. Darüber hinaus bietet Biokohle aufgrund ihrer hohen Porosität eine günstige Nische für Bodenmikroorganismen oder wird als biologisches Impfmittel, sogenannte pflanzenwachstumsfördernde Rhizobakterien (PGPR), zugesetzt, sodass diese über einen langen Zeitraum lebensfähig und stoffwechselaktiv bleiben25,33,34,35, 36. PGPR verfügen über direkte und indirekte Mechanismen, durch die sie das Pflanzenwachstum fördern. Zu den direkten Mechanismen gehören die Biodüngeraktivität, die Stimulierung des Wurzelwachstums, die Sanierung von Rhizobien und die Stresskontrolle in Pflanzen25,32,36,37,38. Zu den indirekten Mechanismen gehören biologische Kontrolle wie Antibiose, Konkurrenz und die Induktion systemischer Resistenz in Pflanzen25,39,40,41.

Bei der Verwendung von Pflanzenkohle als biokompatibler organischer Träger für die Formulierung zur Co-Inokulation nützlicher Mikroorganismen wird dem Boden ein Biomaterial mit doppeltem Zweck zugesetzt, das im Vergleich zur Einarbeitung von frischen Pflanzenresten eine stabile und langsam freisetzende Form von Kohlenstoff enthält26. 42. Andererseits ist Pflanzenkohle unterstützend und schützt Mikroorganismen vor Umwelteinflüssen wie Temperatur, ultravioletter Strahlung, Austrocknung und Raub durch Bodenmikroorganismen25,26,34. Zu den Mikroorganismen, die mit Pflanzenkohle kombiniert und dem Boden zugesetzt wurden, gehören stickstofffixierende Bakterien, pflanzenwachstumsfördernde Bakterien, Biokontroll-Mikroorganismen und phosphatlöslich machende Bakterien (PSB)25,33,34,37.

In Biokohle mitgeimpftes PSB kann nicht verfügbare Formen von anorganischem Phosphor lösen oder nicht verfügbaren organischen Phosphor, der Teil der organischen Substanz ist, mineralisieren43. Zur Solubilisierung nutzt PSB verschiedene Mechanismen, wie unter anderem die Produktion organischer Säuren, Siderophore und die Freisetzung von Protonen37,44. Im Zusammenhang mit der Mineralisierung können die Enzyme saure Phosphatase (EC 3.1.3.2) und alkalische Phosphatase (EC 3.1.3.1) produziert werden25,43. Aufgrund dieser beiden Mechanismen werden verfügbare anorganische Formen von Phosphor als Orthophosphationen (H2PO4−, HPO42 und PO43) für Pflanzen und Bodenmikroorganismen in den Boden freigesetzt37,44,45.

Bei der Produktion von Gemüse wie Allium cepa L. (Zwiebelzwiebel) ist die Phosphorbegrenzung in den verschiedenen Produktionsstadien (Saatbeet und Feld) ein Ernährungsfaktor, der das Pflanzenwachstum, die Produktivität und den Ertrag beeinflusst33,37,45. Um diesen Nährstoffbedarf zu decken, werden in traditionellen und intensiven landwirtschaftlichen Praktiken große Mengen chemischer Düngemittel auf der Basis von Stickstoff, Phosphor und Kalium (N/P/K) eingesetzt, die sich langfristig auf die Qualität und Quantität der organischen Bodensubstanz auswirken und den Boden degradieren Fruchtbarkeit25,43,44,46,47,48.

Aus diesen Gründen suchen Forscher nach nachhaltigen biotechnologischen Alternativen wie der Verwendung von Pflanzenkohle/PSB25,33,36,37. Dieses Biomaterial könnte in einer Mischung mit anorganischen (N/P/K) oder organischen Düngemitteln (Kompost und Wurmkompost) in unterschiedlichen Dosierungen verwendet werden und so den übermäßigen Einsatz chemischer Düngemittel als alleinige Phosphorquellen verringern 31,33,42,45. Es wird zu einer umweltfreundlichen Strategie, da es die Nutzung, Umwandlung und Nutzung von Waldrückständen mit der Anwendung nützlicher Mikroorganismen (PSB) in Gemüse wie Allium cepa L.25,34,37,44,45,49 verbindet.

In diesem Artikel dient BC500 als organische Unterstützung für die Co-Inokulation eines Konsortiums von PSB, bestehend aus Pseudomonas sp., Serratia sp. und Kosakonia sp. Darüber hinaus wurde die Wirkung von BC500/PSB auf das Wachstum von Allium cepa L. vier Monate lang im Gewächshausmaßstab untersucht.

Für die Biokohleproduktion wurde karibisches Kiefernsägemehl (CPS) eines kolumbianischen Holzverarbeitungsunternehmens verwendet. Das CPS wurde nacheinander gesiebt (mit den Sieben Nr. 10, 12 und 20), um eine Partikelgröße von etwa 4–5 ± 1 mm zu erhalten. Es wurde 24 Stunden lang bei 70 ± 2 °C in einem HACEB-Elektroofen getrocknet und in einem hermetisch verschlossenen Plastikbeutel aufbewahrt, um die Luftfeuchtigkeit zu kontrollieren33.

Ein 250 g Aluminiumbehälter mit 100 ± 5 g getrocknetem CPS wurde in eine 2,5 l anaerobe Haube der Marke 3 M® gestellt, die einen 3 M Anaerogen-Beutel enthielt. Dieses System ermöglicht die Verdrängung von O2 nach 12-stündiger Inkubation bei 19 ± 2 °C. Anschließend wurde jedes Gefäß in einen 20-l-Labtech™-Kolben überführt und 1 Stunde lang bei 500 ± 5 °C mit einer Heizrate von 10 °C pro Minute wärmebehandelt. Später wurde das BC500 aus dem Kolben entfernt und wieder in anaerobe Abzüge gestellt, um zu verhindern, dass es Feuchtigkeit aufnimmt50.

Der pH-Wert und der Feuchtigkeitsanteil des gesamten karibischen Kiefernsägemehls (CPS), der Pflanzenkohle allein (BC500) und der mit PSB beimpften Pflanzenkohle (BC500/PSB) wurden nach der im kolumbianischen technischen Standard 516751,52 angegebenen Methode bestimmt. Im Rahmen der Nahanalyse wurden folgende Werte ermittelt: Prozentsatz flüchtiger Kohlenstoff (VC)53,54, Ascheanteil (Ash)53,54, fester Kohlenstoffanteil (FC)53,54, Gesamtanteil an organischem Kohlenstoff durch Zündung (TOC) 33 und Pflanzenkohlertrag30.

Die Analyse der Elemente (C, O, H, N und S) erfolgte durch vollständige und sofortige Oxidation der Probe durch Verbrennung mit reinem Sauerstoff bei 1000 ± 10 °C. Die verwendete Ausrüstung war ein Thermo Flash® 2000 mit einer Reaktortemperatur von 950 °C und He- und O2-Flussraten von 140 bzw. 250 ml min-1. Komplementäre Analysen ermöglichen die Bestimmung der C/O-, H/O- und (O + N)/C-Verhältnisse.

Die Oberflächeneigenschaften und Morphologie von CPS, BC500 und BC500/PSB wurden durch Rasterelektronenmikroskopie in Verbindung mit energiedispersivem Röntgen (SEM/EDS) mit einem JEOL-Rasterelektronenmikroskop, Modell JSM 6490-LV, mit einer Leistung zwischen 10 und 20 beobachtet kV und Vergrößerungen zwischen 150 × und 17.000 × 33,45.

Um die chemischen funktionellen Gruppen von CPS, BC500 und BC500/PSB zu identifizieren, wurde eine Fourier-Array-Infrarotspektroskopieanalyse unter Verwendung eines Shimadzu IR Prestige-21-Spektrophotometers mit einem ATR-Modul durchgeführt; Die eingestellten Parameter waren Messmodus: % Transmission, Apodisierung: Happ-Genzel, Anzahl der Scans: 40, Auflösung: 4,0, Bereich (cm−1): 600–400033.

Der pH-Effekt auf die Adsorption von PSB an BC500 wurde anhand der angegebenen Methodik55 ermittelt; Die anfängliche PSB-Konzentration betrug 1,0 × 107 ± 1,0 × 101 KBE ml−1. In 250-ml-Kolben, die 100 ml PSB mit unterschiedlichen pH-Werten (3,0, 5,0 und 7,0), eingestellt mit 0,5 M Natriumhydroxid oder 0,5 M Salzsäure, enthielten, wurden 2,0 g Biokohle zugegeben und 60 Minuten lang bei 19 ± 120 U/min geschüttelt 2 °C in einem Horizontalschüttler der Marke Heidolp. Die entnommenen Proben wurden zu Beginn und alle 10 Minuten für Dezimalverdünnungen entnommen und 0,1 ml jeder Verdünnung wurden auf Petrischalen mit Hirn-Herz-Infusions-Agar (BHI) ausgesät45. Unter Verwendung der als Logarithmus (Log10) ausgedrückten Zähldaten der an BC500 adsorbierten CFU g−1 wurde der Wert von qe (Anzahl der adsorbierten Zellen pro g BC500) unter Verwendung von Gleichung berechnet. 1.

wobei: V = Volumen der Lösung (L), Cf = endgültige Zellkonzentration (Log10 KBE g−1), Co = anfängliche Zellkonzentration in Lösung (Log10 KBE g−1), X = g BC500 in Trockengewicht.

Um den pH-Effekt (3,0, 5,0 und 7,0) auf die Orthophosphatadsorption zu bestimmen, verwenden wir 100-ml-Kolben mit 50 ml einer Standard-PO4-P-Lösung (100 mg L−1) und 1,0 g BC500 (in dreifacher Ausfertigung). Die Kolben wurden 120 Stunden lang bei 150 U/min und 25 ± 2 °C in einem Schüttler (Scientific CVP-500) geschüttelt. Die Probenentnahme erfolgte zu Studienbeginn, nach 20, 40 und 80 Minuten sowie nach 2, 24, 48 und 120 Stunden. Die kolorimetrische Molybdat-Vanadat-Technik56 ermöglicht die Bestimmung der PO4-P-Konzentration (mg·L−1). Diese Konzentrationen dienen zur Berechnung des qe-Wertes (Menge an absorbiertem PO4-P/g BC500) unter Verwendung von Gl. 1, jedoch mit geänderten Antwortvariablen bezüglich PO4-P. Mit den aus PSB und Orthophosphaten erhaltenen qe-Ergebnissen wurden die Adsorptionskonstanten durch Anwendung der Pseudo-Linearisierungsmodelle zweiter Ordnung57 und Elovich58 berechnet.

PSB (Serratia sp., Pseudomonas sp. und Kosakonia sp.), die zuvor in unserer Forschungsgruppe45 isoliert wurden, wurden nach der beschriebenen Methodik55 kultiviert. Die Qualitätskontrolle umfasst die Zählung auf MT11B-Agar, die Messung des pH-Werts und der Orthophosphatkonzentration mithilfe des Spectrocuant Phosphate Test Kit (MQuant Test Phosphates)59 von Merck. Konzentriertes PSB wurde dosiert, um eine Konzentration von 1,0 × 107 ± 1,0 × 101 KBE ml–1 bei pH 3,551,52 zu erhalten. 200 g BC500 wurden manuell mit 19 ml PSB (1,0 × 107 KBE ml-1) gemischt, bis ein hydratisiertes Material erhalten wurde. Anschließend wurden die BC500/PSB enthaltenden Gefäße 24 Stunden lang bei 30 ± 2 °C in einem Memmert-Markeninkubator gemäß der Methodik des Patents Nr. WO 2014/167,409 Al18 inkubiert.

Der in diesem Experiment verwendete Boden stammte von der San-Juan-Farm im Dorf „Punta Larga“ in der Gemeinde „Nobsa“ im Departement „Boyacá, Kolumbien“ (5º47′03,5 "N 72°58′52). ,6" W). Der Boden wurde 48 Stunden lang bei 40 °C in einem HACEB-Elektroofen getrocknet. Später wurde es mit einem Gummihammer zerkleinert und mit einem Sieb Nr. 20 gesiebt, um Partikel von etwa 4–5 ± 1 mm zu erhalten, und dreimal in einem Autoklaven für 15 Minuten, 1,2 atm und 121 °C sterilisiert, wobei Intervalle verblieben von 24 Stunden zwischen jedem Zyklus.

Die Studie wurde in 1-kg-Kunststofftöpfen durchgeführt; Enthält 850 g landwirtschaftliche Erde allein oder in Kombination mit zwei Konzentrationen BC500/PSB (2,0 oder 5,0 % w/w). Vor der Transplantation wurde eine Einzeldosis Abundagro-Düngung verabreicht. Die hinzugefügte Abundagro-Menge entsprach der Zugabe von 35 kg ha−1, die Zusammensetzung dieses organischen Mineraldüngers beträgt 2,8 g kg−1 organischen Stickstoff, 80 g kg−1 assimilierbaren Phosphor, 23 g kg−1 Kalium, 240 g kg −1 Kalzium, 11,7 g kg−1 Magnesium, 0,1 g kg−1 Bor, 0,02 g kg−1 Zink, 60 g kg−1 Eisen, 0,2 g kg−1 Silizium, 0,02 g kg−1 Kupfer, 80 g Kg-1 organisches Material, 26 g Kg-1 zusätzliche Stickstoffquelle und pH-Wert von 7,35 ± 0,2.

Allium cepa L. ist keine in Kolumbien heimische Pflanze; Es handelt sich um eine Pflanzenart, die schon oft für die kommerzielle Produktion eingeführt wurde. Daher war für den Erwerb keine Sammelerlaubnis oder Lizenz erforderlich. Samen von Allium cepa L. wurden in örtlichen Hofläden gekauft. Kolumbien ist ein großer Produzent dieses Gemüses.

Pflanzen, die aus in Torf (Impulsemillas) gesäten Samen der Standard-Granex-Sorte gewonnen wurden, wurden 20 Tage nach der Aussaat in Saatbeete verpflanzt. Es wurde ein randomisierter vollständiger Blockversuchsaufbau mit vier Blöcken, sechs Behandlungen und 40 Sämlingen pro Behandlung für insgesamt 240 Versuchseinheiten verwendet (Tabelle 1). Die Bewässerung mit Trinkwasser erfolgte jeden zweiten Tag mit der Feldkapazität (100 ml). Vor Beginn der Tests wurde die physikalische, chemische und mikrobiologische Charakterisierung für BC500, BC500/PSB, Boden mit BC500/PSB bei 5,0 % (w/w) (T1), Boden mit BC500/PSB bei 2,0 % (w/w) durchgeführt /w) (T2), Boden mit BC500 bei 2,0 % (T4) und Boden mit BC500 bei 5,0 % (w/w) (T3) (Ergänzungsmaterial S1)60.

Vier Monate nach dem Umpflanzen der Pflanzen wurden das Frischgewicht der Zwiebel (BFW) (mg), der Durchmesser der Zwiebel (BD) (mm), die Höhe der Zwiebel (BH) (mm), das Frischgewicht der Wurzel (RFW) (mg) ermittelt. Die Wurzellänge (RL) (mm), das Blattfrischgewicht (LFW) (mg) und das Gesamtfrischgewicht (TFW) wurden gemessen61,62,63. Anschließend wurde das Pflanzenmaterial 15 Tage lang bei 40 ± 2 °C getrocknet64, um das Zwiebel- (BDW) (mg), Wurzel- (RDW), Blatt- (LDW) und Gesamttrockengewicht (TDW)61,62 zu bestimmen. 63.

Ein externes Referenzlabor (AGRILAB) führte die vollständige Nährwertanalyse des Pflanzenmaterials und der Böden durch; Zu diesem Zweck wurden zufällig zwei Zwiebeln von A. cepa L. aus jeder Behandlung mit ihrem jeweiligen Boden ausgewählt (8 Zwiebeln und 8 Bodenproben pro Behandlung). Die endgültige Nährstoffkonzentration im Boden wurde als Variation der Bodeneigenschaften ausgedrückt; wird berechnet, indem der am Ende der Biodüngerbewertung erhaltene Wert vom Anfangswert für jede der bewerteten Proben abgezogen wird. Negative Werte einiger Variablen deuteten auf einen Anstieg des Gehalts des Nährstoffs oder der Variablen im Boden am Ende des Experiments hin (Tabelle 5), bezogen auf den anfänglichen Gehalt vor dem Umpflanzen (Ergänzungsmaterial S1). Die statistische Analyse aller Variablen umfasst den ANOVA- und Tukey-Mehrfachvergleichstest unter Verwendung der Statistikprogramme R (StatR, R Wizard-Plattform Version 2.0) und Minitab (Minitab 18. Ink. 2018. Version 18.0).

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des CPS; Der Feuchtigkeitsgehalt betrug 7,0 ± 0,31 %, die Schüttdichte 0,22 ± 0,09 g cm-3, die Porosität 57,5 ​​± 5,8 % und die gesiebte Partikelgröße 5,0 ± 1 mm. Bezüglich der chemischen Variablen betrug der pH-Wert 3,7 ± 0,08 und die elektrische Leitfähigkeit 0,53 ± 0,02 dS cm-1. Weitere Ergebnisse im Zusammenhang mit dem Anteil an Lignin (40,9 %), Cellulose (39 %), Hemicellulose (15 %), Elementen, der Summe der Kationen und der Summe der Anionen im SCP finden Sie im Ergänzungsmaterial S2.

Bei BC500 wurde ein Material kleinerer Größe (3,0 ± 0,7 mm) als bei CPS erhalten, wobei kleine, längliche, dünne und schwarze Späne beobachtet wurden. Der Feuchtigkeitsanteil nahm beim CPS ab und betrug 3,6 ± 0,51 %. Es wurde auch ein Anstieg der Dichte, des Porositätsprozentsatzes und des pH-Werts beobachtet (0,43 ± 0,51 g cm-3, 67 ± 1 % bzw. 7,1 ± 0,6) (Tabelle 2).

Eine nähere Analyse zeigt, dass der TOC bei BC500 (50,9 ± 2,2 %) im Vergleich zu SCP (57,89 ± 0,15 %) abnahm. Der CF lag bei 26 ± 2 %, der VC bei 71,6 ± 2,4 %, der Aschegehalt bei 2,4 ± 0,9 % und der Pflanzenkohlertrag bei 19 ± 0,7 % (Tabelle 2). Die Klassifizierungsergebnisse von BC500 zeigten, dass es sich um eine Biokohle vom Typ II handelt (TOC > 30 und weniger als 60 %) 65.

Elementaranalysen von CPS und BC500 sind in Tabelle 2 aufgeführt. Bei BC500 wurde im Vergleich zu CPS ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts von etwa 71,05 % beobachtet; Der Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt sank im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt (26,9 und 1,74 %). Bezüglich der Atomverhältnisse von H/C, O/C und (O + N)/C kam es für BC500 zu einem Rückgang (0,02, 0,381 bzw. 0,383 für H/O, O/C und (O + N)/C). ) im Vergleich zu CPS (0,12, 0,95 bzw. 0,954); Dies weist auf Veränderungen der Aromatizität, Stabilität, Polarität und Funktionalität des neuen Materials hin (Tabelle 2).

Die aus der FTIR-Analyse erhaltenen Informationen zeigten, dass CPS, BC500 und BC500/PSB organische Eigenschaften aufwiesen, wobei in jeder der Proben das Vorhandensein von Schwingungsbanden beobachtet wurde, die mit organischen funktionellen Gruppen verbunden waren. Im CPS (blaue Linie) erschienen wohldefinierte Signale bei 1025 cm-1, 1585 cm-1 und 1740 cm-1, die symmetrischen CO-Einfachbindungen, C=C-Doppelbindungen und C=O-Doppelbindungen entsprachen. Darüber hinaus wurde bei etwa 3330 cm-1 ein Breitband gebildet, das mit O-H-Bindungen verbunden ist. Im BC (Redline) verschwanden die Signale einzelner C-O-Bindungen (1025 cm-1) und O-H-Bindungen (3330 cm-1) nach einer einstündigen Wärmebehandlung bei 500 °C. Außerdem trug die Wärmebehandlung dazu bei, einige Signale im CPS zu erweitern und zu definieren. Hervorzuheben sind die Banden im Zusammenhang mit C=C-Bindungen (1585 cm-1) und C=O-Doppelbindungen (1740 cm-1). Andererseits begünstigte die thermische Behandlung die Bildung neuer Banden, die im CPS nicht vorhanden sind. Zu den hervorgehobenen Signalen gehört das Signal bei 1365 cm-1, das CC-Bindungen entspricht, und das Signal bei 2960 cm-1, das sich auf CH-Bindungen bezieht (Abb. 1).

Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie (FITR) für Caribe Pine-Sägemehl (CPS), (blaue Linie), Pflanzenkohle (BC500), (Redline) und mit PSB co-impfte Pflanzenkohle (BC500/PSB), (schwarze Linie).

Nach der Co-Inokulation von PBS mit Biokohle (BC500/PSB) (Blackline) traten Veränderungen in den FTIR-Spektren auf. Die Signale bei 1025 cm-1 (CO-Bindungen) und 3330 cm-1 (OH-Bindungen) erscheinen in BC nicht und erscheinen in BC500/PSB. Die Signale bei 1365 cm-1 (C-C-Bindungen), 1740 cm-1 (C=O-Bindungen) und 2960 cm-1 (C-H-Bindungen) waren wie BC500 ohne Co-Inokulation. Schließlich verschwindet bei BC500/PSB das Signal bei 1585 cm-1 nach der PSB-Co-Inokulation. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine einstündige Wärmebehandlung bei 500 °C mehr Veränderungen in den funktionellen Gruppen auf der BC-Oberfläche hervorruft als die Co-Inokulation mit PSB (Abb. 1).

Die Beobachtung des CPS bei geringer Vergrößerung (150x) zeigte eine unregelmäßige Oberfläche und Form mit Hohlräumen unterschiedlicher Größe, die kleiner als 100 µm waren. Bei höherer Vergrößerung (17000x) wurden eine homogenere Oberfläche, Schichten und Poren beobachtet (Abb. 2A, B). Die BC500-Beobachtung (150x) zeigte polymorphe und polydisperse Fragmente mit überwiegend länglichen und dünnen Formen, im Gegensatz zur anfänglichen SCP-Beobachtung (Abb. 2C). Bei einer Wärmebehandlung bei 500 °C wurde die Oberfläche von BC500 glatter als die von CPS, mit mehr Poren unterschiedlicher Größe und definierteren Kanten (Abb. 2D), was auf die Verdrängung von Wasser, flüchtigen Verbindungen und Sauerstoff bei 500 °C zurückzuführen sein könnte C (Abb. 2D). Abbildung 2E und F entsprechen dem BC nach Co-Inokulation des PSB. Bei geringer Vergrößerung ist die Bildung eines auf der Oberfläche der Biokohle verteilten Biofilms zu beobachten, was darauf hindeutet, dass der pH-Wert des Kulturmediums die Adsorption des PSB begünstigt Bakterien auf der porösen Oberfläche (Abb. 2E). Abbildung 2D zeigt die charakteristische Morphologie eines der kurzen Bazillenteile des PSB. Darüber hinaus zeigten die Integrität der Zellwand und die Formdiffusion, dass Co-Inokulation und sekundäre Reaktivierung keinen negativen Effekt auf die Bazillen hatten.

Morphologische Eigenschaften des Materials. (A) Karibisches Kiefernsägemehl (CPS) bei SEM 150x. (B) Karibisches Kiefernsägemehl (CPS) bei SEM 17000x. (C) Pflanzenkohle (BC500) bei 500 °C/1 h, SEM 150x (D) Pflanzenkohle (BC500) bei 500 °C/1 h, SEM 17000x. (E) Biokohle, co-inokuliert mit PSB (BC500/PSB), SEM 150x. (F) Pflanzenkohle, co-inokuliert mit PSB (BC500/PSB), SEM 17000x.

Die Pyrolysetemperatur beeinflusst die chemischen Eigenschaften von BC500 im Vergleich zu CPS, das einen sauren pH-Wert (3,7 ± 0,8) hatte. BC500 hatte einen pH-Wert von 7,1 ± 0,6 und der Nullbeladungspunkt (pHzpc) lag bei 4,1 ± 0,843. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass BC500 ohne Mikroorganismen negativ geladen ist (pH 7,0 > pHzpc). Unter diesen Bedingungen könnten unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen BC500 und Adsorbaten (Bakterien und Orthophosphaten)66 auftreten.

Beim Adsorptionsexperiment mit den PSBs adsorbierten die Mikroorganismen ab den ersten Minuten des Kontakts schnell und erreichten das Adsorptions-/Desorptionsgleichgewicht innerhalb von 20 ± 10 Minuten bei pH 3,0 und 5,0. Bei einem pH-Wert von 8,0 dauert es länger, bis das Gleichgewicht erreicht ist (40–60 Minuten). Bezüglich der Auswirkung des pH-Werts wurden signifikante Unterschiede beim pH-Wert beobachtet; Bei pH-Werten von 3,0 wurde die höchste Adsorption von PSBs an BC500 verbessert und ein qe-Wert von 0,141 Log10 KBE g-1 BC500 erhalten (p < 0,0001). Bei pH 5,0 betrug der qe-Wert 0,044 Log10 KBE g-1 BC und bei pH 8,0 betrug der niedrigste Wert 0,019 KBE g-1 (Abb. 3A).

Adsorptionsstudien. (A) qe-Wert als Funktion der Zeit bei unterschiedlichem pH-Wert für PSB. (B) Pseudo-Modell zweiter Ordnung für PSBs. (C) qe-Wert als Funktion der Zeit bei pH 7,0 für Orthophosphat-Ionen. (D) Pseudo-Modell zweiter Ordnung für Orthophosphat-Ionen. Die Ergebnisse sind der Durchschnitt von drei Wiederholungen mit ihrer jeweiligen Abweichung.

Das Pseudo-Modell zweiter Ordnung beschrieb den Adsorptionsprozess der PSBs an BC500 am besten und ergab R2 von 0,9991, 0,9792 und 0,8587 für pH 3,0, 5,0 und 8,0 (Abb. 3B). Die berechneten qe-Werte für die drei pH-Werte entsprachen den experimentellen qe-Werten, und die Adsorptionskonstanten pseudo-zweiter Ordnung für pH 3,0 und 5,0 waren höher (0,240 und 0,256 g Log10 CFU-1 min-1) als für pH 8,0 (0,055). g Log10 CFU-1 min-1). Bei pH 8,0, dessen R2-Wert unter 0,9 lag, konnten wir davon ausgehen, dass die elektrostatische Abstoßung zwischen funktionellen Gruppen gleicher Ladung dazu führte, dass der Wert der Adsorptionskonstante um das 4,4-fache stärker abnahm als bei pH 3,0 und um 4,6-mal stärker als bei pH 5,0 (Abb. 3B, Tabelle 3).

Hohe R2-Werte ergeben sich aus dem Elovich-Modell, insbesondere für pH 3,0 und 5,0 (0,9381 und 0,9789). Das Elovich-Modell wurde verwendet, um die Adsorption durch chemische Wechselwirkungen zwischen verschiedenen als Adsorbentien verwendeten Verbindungen zu beschreiben28,66. Nach dem Elovich-Modell nimmt die Adsorptionsrate (α) mit der Zeit aufgrund der Sättigung des Materials ab, das bei pH 3,0 und 5,0 getestet wurde, und ergab Werte von 31,3 bzw. 64,1 Log10 KBE min−1. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zellen bei saurem pH-Wert schneller adsorbieren als bei alkalischem pH-Wert und dass die Geschwindigkeit abnimmt, wenn die BC500-Sättigung erreicht ist. Der Desorptionskoeffizient (β) war bei saurem pH-Wert höher als bei alkalischem pH-Wert, was zeigt, dass die PSB-Desorption einsetzt, sobald die BC500-Sättigung eintritt (Tabelle 3).

Die Adsorptionsergebnisse für Orthophosphate (Abb. 3C, D, Tabelle 3) zeigten, dass die Phosphoradsorption bei pH 7,0 gering war, jedoch bereits in den ersten Minuten des Kontakts erfolgte, wobei qe-Werte von 0,116 mg g−1 BC erzielt wurden (Abb. 3C). ). Bei pH 3,0 und 5,0 erfolgte nach 120 Stunden keine Adsorption (Daten nicht gezeigt). Bei pH 7,0 ergab sich eine Konstante pseudo-zweiter Ordnung von 0,902 g mg P−1 min−1 und ein R2 von 0,9286, und bei pH 3,0 und 5,0 waren die experimentellen qe negativ, mit − 0,797 mg g−1 BC und − jeweils 0,793 mg g-1 BC. Dies weist darauf hin, dass BC bei diesen pH-Werten keine Fähigkeit zur Adsorption von Orthophosphaten aufweist (Tabelle 3). Im Elovich-Modell, angewendet bei pH 7,0, betrug der R2-Wert 0,7700 und die α- und β-Werte betrugen 3703 mg P g Biokohle-1 min-1 bzw. 0,041 mg P-1.

Tabelle 2 zeigt die BC500/PSB-Charakterisierung; Der Feuchtigkeitsanteil ist im Vergleich zu BC500 ohne Bakterien (3,6 ± 0,51 %) erhöht (99 ± 2 %). Dichte (0,42 ± 0,1 ± 0,1 g cm-3), Porositätsprozentsatz (64,3 ± 1,1 %) und Partikelgröße änderten sich im Vergleich zu BC500 nicht wesentlich (Tabelle 2). Der pH-Wert nahm im Vergleich zu BC500 ab und erreichte einen Wert von 6,4 ± 0,5; was mit der Produktion organischer Säuren durch PSB44 zusammenhängen könnte.

Eine nähere Analyse zeigte einen Anstieg des TOC-Prozentsatzes (54 ± 3 %), der bei der Co-Inokulation von PSB im Vergleich zu dem Prozentsatz beobachtet wurde, der bei der nicht beimpften Pflanzenkohle erhalten wurde. Das obige Ergebnis könnte mit der Tatsache zusammenhängen, dass die PSBs in einem Medium gezüchtet wurden, das reich an organischem Kohlenstoff und Stickstoff ist. Die Bakterienbiomasse enthält organischen Kohlenstoff und Stickstoff. Die Summe zweier Kohlenstoffeinträge hätte zu einem Anstieg des TOC-Prozentsatzes führen können, der aufgrund ihrer organischen Natur zur Kohlenstoffkonzentration beiträgt und zu einem Rückgang des festen Kohlenstoffs um 3 % in Bezug auf BC sowie zu einem leichten Anstieg des flüchtigen Kohlenstoffs um 3,4 % führt ( Tabelle 2). Der Ascheanteil war bei BC500/PSB und BC500 ähnlich (2,0 ± 0,9 %).

In der Elementaranalyse betrug der Atomanteil von Kohlenstoff 25,12 %, der Sauerstoffanteil stieg von 26,9 auf 73,61 %, der Wasserstoffanteil lag bei BC500 (1,74 %) und der Stickstoffanteil nahm ab und erreichte einen Wert von 0,04 %. Das atomare H/C-Verhältnis betrug für BC500 und BC500/PSB (0,02 bzw. 0,05), was bedeutet, dass die Zugabe von PSB die hochkondensierte Struktur von BC500 nicht veränderte. Im Gegensatz dazu stiegen die Atomverhältnisse O/C und (O + N)/C bei gleichzeitiger Inokulation von PSB (2,930 bzw. 2,931), was darauf hindeutet, dass die Zugabe von PSB zu einer wässrigen Lösung die Anzahl der polaren Gruppen erhöht Menge an interstitiellem Wasser (Tabelle 2).

Wie in Abb. 2E, F gezeigt, wurden die PSB auf der Oberfläche von BC500 verteilt und bildeten einen Film. Die Adsorption der Bakterien erhöhte sich durch den sauren pH-Wert von BC500 (6,4 ± 0,5) und den sauren pH-Wert der PSB-Suspension, die für die Co-Inokulation von BC500 verwendet wurde (1,0 × 107 ± 1,0 × 101 KBE ml–1 bei pH 3,5). Bezüglich der Morphologie wurde nur ein Zelltyp beobachtet, der als kurzer Bazillus charakterisiert ist und Teil des PSB-Konsortiums ist (Serratia sp., Pseudomonas sp. und Kosakonia sp.), was mit früheren Ergebnissen übereinstimmt33,45 (Abb. 2F).

Es wurden signifikante Unterschiede (p < 0,05) im Gesamtfrischgewicht der Pflanzen zwischen T1 (Abundagro + 5 % Pflanzenkohle + PSB) und T5 (Abundagro + 5 % Pflanzenkohle + PSB) beobachtet. T1 und T2, T3 und T4 wiesen keine statistischen Unterschiede auf, das Pflanzengewicht von T1 (Abundagro + 5 % Pflanzenkohle + PSB) betrug 25,57 ± 1,14 g, gefolgt von T2, T4 und T3 mit 22,80 ± 1,00, 20,50 ± 1,01 und 19,57 ± 0,82 g , bzw. (Abb. 4A). In Bezug auf das Wurzelfrischgewicht (zweite Variable, bei der signifikante Unterschiede beobachtet wurden (p < 0,05)) wurden die höchsten Werte in T2 (Abundagro + 2 % Pflanzenkohle + PSB) und T1 (Abundagro + 5 % Pflanzenkohle + PSB) mit Werten beobachtet von 6,68 ± 0,31 und 6,30 ± 0,23 g. Zwischen diesen beiden Behandlungen traten keine signifikanten Unterschiede (p > 0,05) auf (Abb. 4A). Es wurden keine signifikanten Unterschiede (p > 0,05) für das Zwiebel- und Blattfrischgewicht beobachtet (Abb . 4A).

Wirkung des Biodüngers auf das Wachstum von A. cepa L. in runden Kunststofftöpfen. (A) Variablen für Frischgewichte. (B) Variablen für Trockengewichte. (C) Variablen für die Glühbirne. Die Zahlenbuchstaben stellen die heterogenen Gruppen aus dem Tukey-Test dar und weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin (p < 0,05). T1: Abundagro + 5 % Pflanzenkohle + PSB; T2: Abundagro + 2 % Pflanzenkohle + PSB; T3: Abundagro + 5 % Pflanzenkohle allein; T4: Abundagro + 2 % Pflanzenkohle allein; T5: Abundagro; T6: Wasser.

Abbildung 4B zeigt das Gesamttrockengewicht der Pflanze aus Blättern, Wurzeln und Zwiebeln. Signifikante Unterschiede wurden nur beim Wurzeltrockengewicht beobachtet (p < 0,05), wobei die höchsten Werte für T2 und T1 mit 0,54 ± 0,03 bzw. 0,50 ± 0,02 g erzielt wurden. Es traten keine signifikanten Unterschiede (p > 0,05) zwischen den Behandlungen hinsichtlich der Variablen Gesamttrockengewicht, Trockengewicht der Zwiebeln und Trockengewicht der Blätter auf (Abb. 4B).

Bei der Analyse der Merkmale in Bezug auf Zwiebelhöhe, Zwiebeldurchmesser und Wurzellänge wurden signifikante Unterschiede (p < 0,05) nur für die Wurzellänge beobachtet. Die beste Behandlung war T2 mit Werten von 193,50 ± 4,59 mm (Abb. 4C).

Obwohl es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Behandlungen gab (p > 0,05), ist der Gehalt an P, N, K, Ca und S in Pflanzen von T2 (Abundagro + 2 % Pflanzenkohle + PSB) bemerkenswert (Tabelle 4). Bei den Mikronährstoffen waren die Unterschiede für Fe und Cu signifikant (p < 0,05), für Fe lag die höchste Konzentration in T2 (0,1217 ± 0,0243 mg Bulb-1), gefolgt von T1 (0,0710 ± 0,0204 mg Bulb-1) und T6 (0,0690 ± 0,0137 mg Bulb-1), während der höchste Cu-Gehalt in T1 (0,0016 ± 0,0006 mg Bulb-1) gefunden wurde, gefolgt von T2, T3 und T4 (Tabelle 4). Für Na, Mn und Zn wurden keine signifikanten Unterschiede (p > 0,05) beobachtet. Die Werte für T2-Pflanzen betrugen 1,6455 ± 0,2156, 0,0262 ± 0,0038 bzw. 0,0202 ± 0,0024 mg Zwiebel−1. Der B-Gehalt lag bei allen Behandlungen zwischen 0,0194 ± 0,0023 und 0,0333 ± 0,0032 mg Bulb−1 (Tabelle 4).

Bei der Analyse der Variation der Bodenfruchtbarkeit vor und nach der Aussaat (Ergänzungsmaterial S1) ergeben sich für die meisten Variablen signifikante Unterschiede (Tabelle 5, Ergänzungsmaterial S3).

Der pH-Wert von T1 und T3 stieg im Vergleich zum anfänglichen pH-Wert (7,69 ± 0,04 und 7,70 ± 0,05) um 0,25 ± 0,01 bzw. 0,29 ± 0,02 Einheiten. Diese beiden Behandlungen enthielten 5 % (Gew./Gew.) BC, aber T1 war der Biodünger mit organischer Säure produzierendem PSB, was zu einer leichten Versauerung des Bodens führte, was bei dem im Vergleich zu T2 weniger alkalischen pH-Wert von T1 beobachtet wurde.

Bei allen Behandlungen sank der EC-Wert am Ende des Versuchs (Ergänzungsmaterial S3), die Variation war in T1 und T6 höher (Tabelle 5). Der endgültige EC-Wert für die sechs Behandlungen lag zwischen 29,1 ± 1,46 und 30,2 ± 1,39 meq 100 g−1, wobei die geringere Variation in T1 auftrat (− 0,58 ± 0,47 meq 100 g−1), was auf eine höhere Konzentration an Austauschkomplexbasen in hindeutet Die Bodenlösung bestand hauptsächlich aus Ca, Mg, Na und K. Es traten geringe Schwankungen der Ca-, Mg- und Na-Konzentrationen auf, was auf eine stärkere Nährstoffassimilation der Pflanzen unter Bedingungen hinweist, bei denen bei keiner der Behandlungen eine Nährstoffauswaschung auftrat (Tabelle 5).

Die Werte des Ca/Mg-Verhältnisses lagen zwischen 24,7 und 27,7, was auf einen Mg-Mangel hindeutet und darauf hindeutet, dass in T2 Variationen mit Unterschieden zwischen den Behandlungen auftraten. Das Mg/K-Verhältnis lag zwischen 0,7 und 0,8, was auf einen Mg-Mangel und eine bemerkenswerte Variation von T3 hinweist (Tabelle 5).

Der Unterschied im Gesamt-P-Gehalt (TP) im Boden war in T1, T2 und T6 geringer, was auf eine hohe Mobilisierung dieses Elements in diesen drei Behandlungen hinweist. Bemerkenswert war außerdem die in T1, T2, T3 und T4 erreichte Gesamt-P-Konzentration (1464 ± 127, 1523 ± 126, 1469 ± 179 und 1445 ± 167 mg kg-1), die mit dem BC-Gehalt in Zusammenhang stand. Der lösliche P-Gehalt von kürzlich produziertem BC betrug 46,3 mg L-1, wie in der vollständigen Nährwertanalyse angegeben, und/oder PSB, das in MT11B-Medium kultiviert wurde, dessen Formulierung Phosphatgestein (PR) als P-Quelle enthält. Der PS-Gehalt im Biodünger betrug 21,9 mg L−1 (Tabelle 5).

Extrahierbarer P im Boden ist mit Ca und Mg verbunden, wenn der pH-Wert des Bodens alkalisch ist, wie es in dieser Studie der Fall war. Die geringe Variation in der Konzentration von extrahierbarem P im Boden trat in T1, T2 und T3 auf (Variationen: 57,80 ± 4,95, 67,60 ± 3,26 bzw. 60,03 ± 2,38 mg Kg−1) mit Endkonzentrationen von 101,2 ± 12,1, 93,4 ± 8,0 und 88,0 ± 5,8 mg kg−1 für T1, T2 bzw. T3. Die Behandlungen T4, T5 und T6 zeigten im Vergleich zu den Behandlungen T1, T2 und T3 die größte Variation in der Endkonzentration an extrahierbarem P. In T1 und T2 wurde dies auf das Vorhandensein von PSB und die Selbstfreisetzung organischer Säuren zurückgeführt, die in der Lage sind, P aus der extrahierbaren P-Fraktion zu solubilisieren (Tabelle 5 und S3).

Was den bodenlöslichen P betrifft, so war die Konzentration von T1 im Boden eine der niedrigsten (6,43 ± 0,45 mg Kg−1) im Vergleich zu den anderen Behandlungen und steht im Zusammenhang mit dem P-Gehalt in den Zwiebeln der gleichen Behandlung (T1). wobei einer der höchsten P-Gehalte in den Zwiebelknollen mit 1,25 ± 0,13 mg Zwiebel−1 gefunden wurde (Tabelle 4). Das Gesamtfrischgewicht (25,57 ± 1,14 g) und das Gesamttrockengewicht (2,00 ± 0,08 g) der Zwiebeln waren die höchsten aller Behandlungen in T1 mit signifikanten Unterschieden im TFW (p < 0,05) (Abb. 4).

Lösliches P zeigte die höchste Variabilität bei der Kontrolle, aber eine geringere Assimilation in A. cepa L., Zwiebel, aufgrund einer möglichen Ausfällung mit Ca oder Mg. T4 mit BC 2 % zeigte einen hohen Ca-Gehalt und einen hohen Gesamt-P-Gehalt, einen hohen verfügbaren P-Gehalt und einen hohen P-Gehalt in der Lösung, aber der P-Gehalt in der Zwiebel war aufgrund einer möglichen Ausfällung mit Ca niedriger als bei den anderen Behandlungen.

Die Behandlungen mit den großen Schwankungen in der Feuchtigkeitssättigung waren darauf zurückzuführen, dass der Boden die geringste Menge an Wasser zurückhielt, was bei den meisten Behandlungen der Fall war, mit Ausnahme von T1, wo die Feuchtigkeitssättigung die geringeren Schwankungen aufwies, was darauf hindeutet, dass dieser Boden die beste Wasserrückhaltung aufwies Eigenschaften aufgrund der Konzentration des zur Formulierung verwendeten Biodüngers (Tabelle 5).

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in dieser Studie verwendeten SCP entsprachen denen anderer Autoren, die Pflanzenkohle aus Kiefernsägemehl hergestellt haben, und stimmen mit den hohen Gehalten an Strukturpolymeren überein (Ergänzungsmaterial S3)9,20,21. Das hohe C/N-Verhältnis hängt von den höheren Mengen an langsam abbaubarem Kohlenstoff und niedrigen Stickstoffgehalten ab. Ein Teil dieses Kohlenstoffs stammt von den Phenylpropanmonomeren, aus denen das Ligninpolymer besteht (p-Cumarylalkohol, Coniferylalkohol und Sinapylalkohol)67. Diese Monomere sind über Ether-, C-C- und Aryl-C-Bindungen miteinander verbunden und verfügen über verschiedene funktionelle Gruppen wie Methoxy, Hydroxy und Carbonyl22. Diese Eigenschaften verleihen Lignin einen hohen Grad an Aromatizität und hydrophoben Eigenschaften, die für die endgültige Struktur der Pflanzenkohle entscheidend sind9. Andererseits tragen auch die kristalline Struktur und die in Cellulose vorhandenen Wasserstoffbrückenbindungen zur Erhöhung der Stabilität von SCP20,67 bei. Aus diesen Gründen gilt SCP als hervorragender Rohstoff für die Biokohleproduktion und ist eine alternative Nutzung von Lignozellulose-Biomasse, die in der Forstwirtschaft weltweit produziert wird9,49.

Bei der Pyrolyse laufen drei Phasen ab. Die erste war die Dehydrierung des SCP, die bei Temperaturen zwischen 50 und 300 °C auftrat27. In der zweiten Stufe erfolgte die Verbrennung unter reduzierten Sauerstoffbedingungen, wodurch sich die labilen Fraktionen von C, N und S verflüchtigten (ca. 250 und 350 °C). Ebenso unterliegen Hemizellulose und Zellulose thermischen Abbauprozessen und es beginnt sich Graphenkerne zu bilden27,28,49. Andererseits beginnt die Zersetzung und Reorganisation von Lignin-Nebenprodukten bei höheren Temperaturen (350 und 450 °C)22. Die am häufigsten genannten sind p-Hydroxyphenyl-, Guaiacyl- und Syringyl-Derivate9. Man geht davon aus, dass diese Zwischenprodukte dazu beitragen, dass der Kohlenstoffanteil in kondensierte Pflanzenkohlestrukturen umgewandelt wird9,21. Schließlich werden in der dritten Stufe Karbonisierungs- und Kondensationsprozesse durchgeführt, um die stabilste BC-Fraktion zu erzeugen, die bei Temperaturen von 400 °C beginnt und 500 °C erreicht19,22,28.

Wie in Tabelle 2 gezeigt, verringerte sich der Feuchtigkeitsgehalt von BC500 (3,6 ± 0,51 %) aufgrund des Dehydrierungsprozesses des CPS (7,0 ± 0,31 %). Der Anstieg der Dichte (0,42 ± 0,1 ± 0,1 g cm-3) und des Porositätsprozentsatzes (64,3 ± 1,1 %) erfolgte durch die Karbonisierungs- und Kondensationsprozesse des BC bei 500 °C. Andererseits führte die Umlagerung des kondensierten Kohlenstoffs in der BC500-Matrix zu einer Verringerung der Partikelgröße (3,0 ± 0,7 mm) (Tabelle 2, Abb. 2C, D). Ein ähnliches Ergebnis im Zusammenhang mit Änderungen der Porosität, Partikelgröße und Oberfläche wurde bereits veröffentlicht49. Einige Autoren haben herausgefunden, dass bei steigender Temperatur aufgrund der Entfernung flüchtiger Stoffe auch die Porosität zunimmt, was bei der Verwendung von Kiefernsägemehl zu einer Vergrößerung der Oberfläche führt49. Andererseits bilden sich bei Temperaturen zwischen 300 und 400 °C Teere, die bei der Verflüchtigung bei Temperaturen von 500 °C unregelmäßige porenartige Hohlräume hinterlassen 23.

Bezüglich des pH-Wertes kam es im Vergleich zur Temperatur und der anfänglichen CPS-Zusammensetzung zu einem Anstieg von 3,7 ± 0,08 (CPS) auf 7,1 ± 0,6 (BC500). Wie im Zusatzmaterial S2 dargestellt, enthält das CPS mehrere Elemente, wie unter anderem Kalzium, Natrium, Kalium, Mangan und Aluminium. Durch die Wärmebehandlung entstand Asche, die die alkalischen Mineralien konzentrierte und den Verlust durch Verflüchtigung saurer funktioneller Gruppen (Phenolgruppen und Carbonsäuren) begünstigte12,19,24.

Eine nähere Analyse für das CPS zeigt, dass es als einzigartiges Material, das einem Trocknungsprozess unterzogen wurde, möglicherweise niedrige CF-Gehalte aufweist, während der höchste Kohlenstoffanteil mit der flüchtigen Fraktion verbunden ist (Tabelle 2). Chang et al.9 und De Bhowmick et al.27 (2018) beobachteten, dass rohes Kiefernsägemehl tendenziell einen höheren VC-Anteil aufweist, unabhängig von der verwendeten Kiefernart; was mit unseren Ergebnissen übereinstimmt, da karibisches Kiefernsägemehl verwendet wurde9,27.

In der Näherungsanalyse für BC kam es im Vergleich zu CPS (14,15 ± 0,21 %) zu einem Anstieg des CF um 11,85 % (26 ± 2 %) und zu einem Rückgang des CV (71,6 ± 2,4 %). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Herstellung eines BC500 mit kondensiertem Kohlenstoff möglich ist und dass die Verflüchtigungsverluste von H2O, CO2, CO, CH4, H2 und S bei der Herstellung unter Bedingungen mit reduziertem Sauerstoffgehalt abnahmen68,69.

Ein weiterer Faktor, der zum CF-Anstieg beitrug, war der hohe CPS-Ligningehalt (40,9 %), da Lignin bei Temperaturen zwischen 450 und 500 °C karbonisiert, reorganisiert und kondensiert, um der Pflanzenkohle Struktur zu verleihen21. Ähnliche Ergebnisse wurden von Chang et al.9 kommentiert; Kan et al.20, Igalavithana et al.23 und Lehmann et al.70 stellten in ihren Studien Pflanzenkohle aus Kiefernsägemehl her und beobachteten, dass bei Temperaturen zwischen 500 und 600 °C der gebundene Kohlenstoff auf Kosten des Ligningehalts zunimmt9,20,23, 70.

Weitere Ergebnisse, die zur erfolgreichen Produktion von BC500 beitrugen, stammten aus der Elementaranalyse und den Atomverhältnissen. Tabelle 2 zeigt, dass die Kohlenstoffkonzentration zunahm (71,04 %), während Sauerstoff und Wasserstoff im Vergleich zu Kohlenstoff abnahmen (26,9 und 1,74 %). Diese Anteile veränderten sich aufgrund der Depolymerisation von Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Andererseits veränderten sich auch die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffanteile aufgrund der entstehenden amorphen Kohlenstoffmatrix und der möglichen Bildung von polyaromatischem Graphen24. Darüber hinaus war N in BC500 (0,32 %) stärker konzentriert als in CPS (0,08 %), was mit anorganischen Formen von Stickstoff wie NO3 und NO2 zusammenhängen könnte, die durch thermische Oxidation eines Teils des gesamten Stickstoffs und Ammoniums entstehen können49. Haddad et al.19 berichteten, dass in Kiefernholz-Sägemehl-Biokohle, die mit anorganischen Salzen imprägniert ist, der Gehalt an elementarem Stickstoff auf bis zu 0,3 % erhöht werden kann19.

Bezüglich der Atomverhältnisse hängt die Abnahme mit der Auswirkung der einstündigen Wärmebehandlung bei 500 °C zusammen, die von verschiedenen Autoren kommentiert wurde, die mit Holznebenprodukten gearbeitet haben9,22,33,71. Wie diese Autoren in dieser Arbeit war der Rückgang von H/C von 0,12 (CPS) auf 0,02 (BC) auf die Entfernung von Wasser, OH und H durch Dehydratisierungs- und Dehydrierungsprozesse zurückzuführen27,28. Der erhaltene Wert deutete auf eine Zunahme der Aromatizität von BC500 hin und weist möglicherweise Graphitstrukturen auf, da er unter 0,168 lag. Der Rückgang des O/C-Verhältnisses von 0,95 (CPS) auf 0,38 (BC500) deutet darauf hin, dass BC500 aufgrund des Verlusts von OH-Gruppen und aliphatischen Gruppen ausgereift, stabil und weniger polar ist72,73. Änderungen des (O + N)/C-Verhältnisses von 0,954 bei CPS auf 0,383 bei BC500 deuteten auf eine Abnahme der Menge an sauerstoff- und wasserstofftragenden funktionellen Gruppen hin, die mit weniger polarer Pflanzenkohle verbunden sind (Tabelle 2). Die Ergebnisse der atomaren O/C- und H/C-Verhältnisse lagen unter 0,45 bzw. 0,6, was darauf hindeutet, dass das in dieser Studie hergestellte BC500 aufgrund seiner hohen Stabilität in der Landwirtschaft eingesetzt werden könnte und zur Verbesserung der physikalischen, chemischen, und biologische Eigenschaften des Bodens12,19,33.

Das Vorhandensein symmetrischer C-O-Einfachbindungen (1025 cm-1), C=C-Doppelbindungen (1585 cm-1) und C=O-Doppelbindungen (1740 cm-1) ist charakteristisch für Sägenebenprodukte, die Cellulose und Hemicellulose enthalten und Lignin9. Das Vorhandensein von O-H-Strecken zwischen 3200 und 3500 cm−1 war nicht eindeutig. Nur eine erwartete kleine Bande scheint bei 3330 cm-1 auffälliger zu sein, da sie mit der Häufigkeit wasserstoffgebundener OH-Gruppen zusammenhängt; interstitielles Wasser zwischen Zellulose und Hemizellulose49. Seine geringe Intensität könnte mit dem Vortrocknungsprozess des SCP vor der Herstellung von BC500 zusammenhängen (Abb. 1). In BC500 verschwanden die mit den labilsten Kohlenstoff- (C–O) und Hydroxylgruppen (O–H) verbundenen Signale; Dies bewies die Entfernung von Wasser, aliphatischen und polaren Gruppen bei 500 °C. Ein ähnliches Ergebnis wurde von Lou et al.49 berichtet; In ihrer Studie produzierten sie Biokohle bei unterschiedlichen Temperaturen unter Verwendung von Sägemehl als Rohmaterial und beobachteten, dass Biokohle, die bei 500 °C hergestellt wurde, mehr O-H und aliphatische funktionelle Gruppen verlor als die, die bei 300 °C erhalten wurde49.

Andererseits waren die stabilsten Bindungen wie C=C (1585 cm-1), C=O-Doppelbindungen (1740 cm-1) und C-C-Bindungen (1365 cm-1) bei BC500 konzentriert und möglicherweise dafür verantwortlich zur Verringerung der Polarität (Abb. 1). Diese Ergebnisse wurden mit dem H/C- und O/C-Aromatizitätsindex in Beziehung gesetzt und ergaben Werte unter 0,3. Diese Ergebnisse ähneln denen mehrerer Autoren19,22,28,49.

Die Bakterienwand besteht aus Polysacchariden, Proteinen und Lipiden mit Amino-, Carboxyl-, Phosphat- und Sulfatgruppen, die als Polyelektrolyte fungieren können45. Die PSB-Adsorption an BC500 hängt vom pH-Wert der Lösung und der anfänglichen PSB-Konzentration ab25,26,74. Bei einem sauren pH-Wert (3,5), der niedriger als pHzpc (4,1) ist, wird BC500 positiv geladen, was die Anziehung von Bakterien mit negativ geladenen funktionellen Gruppen begünstigt33. Weitere Faktoren, die die Adsorption von PSBs ermöglichten, waren die Porosität von BC500, die Kontaktoberfläche und die Produktion von Exopolysacchariden, die ebenfalls negativ geladen sind25.

Im Gegensatz dazu ändert der BC500 bei pH 5,0 und 8,0 seine Oberflächenladung und erhöht die negativen Ladungen (pH > pHzp), was zu einer elektrostatischen Abstoßung zwischen dem PSB und dem BC500 führt. Diese elektrostatische Abstoßung war bei pH 8,0 deutlicher als bei pH 5,0, was darauf hindeutet, dass bei pH 5,0 sowohl positiv als auch negativ geladene funktionelle Gruppen gleichzeitig vorhanden sind25.

Den Ergebnissen der Adsorptionsstudien zufolge weist BC500 eine geringe Adsorptionskapazität für Orthophosphate auf (Abb. 3, Tabelle 3). Bei pH 7,0 wird nur eine geringe Menge an Orthophosphaten (0,116 mg g-1) adsorbiert. Es ist möglich, dass bei pH 7,0 und 5,0 ein Teil der BC500-Oberfläche negativ geladen wird (pH > pHzp) und eine elektrostatische Abstoßung mit den ebenfalls negativ geladenen Orthophosphat-Ionen erzeugt49. Ein ähnliches Ergebnis berichteten Lou et al.49, die in ihrer Arbeit Biokohle bei 300 und 600 °C produzierten, wobei sie beobachteten, dass die Phosphorentfernung bei einem pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt gering war49. Andererseits können die während des Pyrolyseprozesses gebildeten Graphenschichten auch bei einem pH-Wert über pHzpc eine negative Ladung annehmen, was zu einer Verringerung der Adsorption negativ geladener Ionen beiträgt75.

Zur Co-Inokulation von PSB auf festen Trägern dienten verschiedenste Materialien; Diese müssen das Überleben der Mikroorganismen und ihre biologische Aktivität gewährleisten und sie vor biotischen und abiotischen Belastungen schützen25. Ein geeigneter Träger sollte kostengünstig, einfach zu verwenden und leicht zu beschaffen sein, einen Gasaustausch ermöglichen und die Feuchtigkeit aufrechterhalten. Andererseits muss es für Mikroorganismen und Pflanzen biokompatibel sein26,34,42.

Bei BC500/PSB traten einige Veränderungen in den chemischen Eigenschaften des Materials auf, wobei der Anstieg von VC (75 ± 3 %), dem Elementargehalt von Sauerstoff (73,61 %), Wasserstoff (1,23 %) und dem Atomverhältnis H am auffälligsten war /C (0,05) und O/C (2,93) (Tabelle 2). Diese standen im Zusammenhang mit der Hydratation von BC500 bei Co-Inokulation mit einer PSB-Suspension, die Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff und andere Elemente enthält, die durch das zur Kultivierung von PSB verwendete Kulturmedium bereitgestellt werden. Unter den experimentellen Bedingungen könnten während der Co-Inokulation zwei Phasen ablaufen. Im ersten Fall adsorbiert das PSB an der Oberfläche von BC500, was durch den pH-Wert der PSB-Suspension (3,5) begünstigt wird. Dieser pH-Wert liegt unter dem Nullladungspunkt von BC500 und es wurde festgestellt, dass die Oberfläche eine positive Ladung erhält, was dem PSB ermöglicht durch chemische Wechselwirkungen adsorbieren (Tabelle 2, Abb. 3). Anschließend konnten die PSB durch die Produktion von Exopolysacchariden einen Biofilm bilden und die Haftung an BC500 war stabiler. Schließlich war die räumliche Verteilung des PSB nicht nur oberflächlich, sondern auch in und um die Poren verteilt (Abb. 4)33.

Die Düngung von Zwiebelkulturen erfolgt ohne vorherige umfassende Bodendiagnose, basierend auf einer empirischen Anwendung fester Düngemittel anorganischen Ursprungs76. Álvarez-Hernández et al.76 und Blanco & Lagos77 berichteten, dass die P-Entnahme pro Produktionszyklus 35 ± 5 kg ha beträgt−176,77. Wenn Phosphatdünger in übermäßigen Mengen vorhanden sind, verursachen sie eine P-Fixierung, die durch das Vorhandensein hoher P-Konzentrationen in Form von sekundären Phosphatmineralien gekennzeichnet ist78. Daher sollte die Düngung mit einer umfassenden und ausgewogenen Anwendung der von der Pflanze benötigten Elemente verbunden sein79. Der Boden zur Bewertung der Wirkung des Biodüngers auf runde Plastiktöpfe wurde, wie bereits erwähnt, anhand des extrahierbaren P-Gehalts (168 mg kg-1) und des pH-Werts (7,73) ausgewählt, die in der Nährwertanalyse vor der Aussaat angegeben wurden (Ergänzungsmaterial S1). .

Die in dieser Studie bewerteten Biodünger- und BC-Konzentrationen stammen aus einer früheren Studie33, in der drei Konzentrationen eines BC-basierten Bioprodukts, das karibisches Kiefernsägemehl und PSB (Pseudomonas sp., Serratia sp. und Kosakonia sp.) enthielt, auf das Wachstum von A . cepa L., in Konzentrationen von 1, 2 und 5 % des Bioprodukts. In dieser Studie unterschieden sich das Trockengewicht (mg) und die Höhe (cm) der Zwiebeln signifikant (p < 0,05), wenn das 2- und 5-prozentige Bioprodukt verwendet wurde33. Die BC-Eigenschaften als mikrobieller Träger werden durch die hohen PSB-Populationen, die Biofilmanordnung der Mikroorganismen im Bioprodukt und die Rückgewinnung von Bakterien aus dem zum Pflanzen verwendeten Substrat bei all diesen Behandlungen, die die Wirkung des Bioprodukts untersuchten, gestützt. Aus all diesen Gründen haben wir zwei Biodüngerkonzentrationen (2 und 5 %) auf das Wachstum von A. cepa L. in runden Plastiktöpfen untersucht.

In den letzten Jahren ist der Einsatz von Bioimpfmitteln zur Verbesserung der Ernteerträge und der Nährstoffaufnahmeeffizienz von entscheidender Bedeutung für die Erzielung von Feldwirksamkeit und kommerziellem Erfolg geworden. Daher muss die vom Markt geforderte Produktqualität und Stabilität erreicht werden. Zwei Hauptaspekte für die Entwicklung erfolgreicher Impfmittel auf Kulturpflanzenebene in Feldparzellen sind die Auswahl des Stammes oder der Stammmischung und eine geeignete Formulierung, einschließlich des Trägers der Bakterien78,80,81,82. Die vorliegende Studie befasst sich mit den beiden genannten Aspekten, indem sie den Biodünger auf das Wachstum von A. cepa L. in runden Plastiktöpfen unter Verwendung landwirtschaftlicher Erde aus dem Departement Boyacá, wo diese Pflanzenart angebaut wird, bewertet.

Die Zwiebelpflanzen wurden vier Monate nach dem Umpflanzen geerntet. Tabelle 4 zeigt die Konzentration von Stickstoff, Phosphor und Kalium in den Zwiebeln (mg Glühbirne-1) am Ende des Experiments. Die Anwendung von PSB auf die mit Abundagro und Pflanzenkohle behandelten Pflanzen begünstigte die Aufnahme dieser Nährstoffe in den Versuchspflanzen. Es wurde berichtet, dass PSBs wechselseitig symbiotische Mikroorganismen sind, die die Wurzeln der meisten Nutzpflanzen besiedeln und die Nährstoffmobilität und -aufnahme auf Pflanzenebene verbessern können78,83,84. Rafique et al.37 berichten, dass die Häufigkeit von Mikroorganismen in Böden mit BC-Änderung aufgrund der porösen Struktur des Materials, das ein potenzieller Lebensraum für Bakterien sein kann, zunehmen kann, wodurch die Oberfläche für die Nährstoffaufnahme vergrößert wird37. Einige Studien haben positive Auswirkungen der BC-Zugabe auf das Pflanzenwachstum gezeigt; Die Reaktionen der Pflanzen variieren jedoch je nach Boden. Auf Böden mit hohem Nährstoffgehalt ergeben sich möglicherweise keine nennenswerten Vorteile hinsichtlich der Pflanzenbiomasse, die in einer einzigen Vegetationsperiode gewonnen wird35,74,85.

Die Bodenimpfung mit PSB-haltigen Biodüngern fördert das Pflanzenwachstum34. In der vorliegenden Studie zeigte sich dieser Effekt im Gesamttrockengewicht (TDW) (g), Frischgewicht und Wurzellänge der Pflanzen, die den Biodünger erhielten (Abb. 4). Dies kann auf die Zunahme der Verfügbarkeit von Nährstoffen wie N und P zurückgeführt werden, eine Folge der Veränderung des Vorhandenseins und der Konzentration organischer Verbindungen in der Rhizosphäre, die zusammen mit der Vergrößerung der Wurzelfläche als Reaktion auf das Vorhandensein von verursacht wurde Pflanzenwachstumsregulatoren wie Indolessigsäure (IAA) begünstigen die Aufnahme verfügbarer Formen dieser Elemente34,78,86.

Balemi et al.87 berichteten über einen signifikanten Anstieg des Nährstoffanteils in der Knolle von A. cepa L., insbesondere N, als Folge der Inokulation mit Azotobacter sp., einem Bakterienstamm, der Wachstumsregulatoren produziert, die die Wurzelentwicklung förderten, was zu … erhöhte Nährstoffaufnahme87. In der vorliegenden Studie begünstigte die PSB-Inokulation den N-Gehalt der Zwiebeln in Pflanzen, die mit Abundagro und Biochar 2 % (w/w) behandelt wurden, wobei die Behandlung die höchsten Werte für die Wurzellänge aufwies.

In der vorliegenden Studie begünstigte die PSB-Inokulation den N-Gehalt der Zwiebeln in Pflanzen, die mit Abundagro und Biochar 2 % (w/w) behandelt wurden, wobei die Behandlung die höchsten Werte für die Wurzellänge aufwies. Balemi et al.87 berichteten auch über einen signifikanten Anstieg des Anteils dieses Nährstoffs in der Zwiebel von A. cepa L., der auf die Inokulation mit Azotobacter sp. zurückzuführen ist, einem Bakterienstamm, der Wachstumsregulatoren produziert, die die Wurzelentwicklung förderten und zu einer erhöhten Nährstoffaufnahme führten . Trotz dieser Schwankung von Ammonium und Nitraten kann die Verwendung chemischer Düngemittel, die in Fruchtwechselkulturen eingesetzt werden, mit den niedrigen und mittleren Gehalten an K und B verbunden sein, die für das Wachstum von A. cepa L. erforderlich sind, wobei die Wurzeln der erste Kontaktpunkt sind zwischen den BC-Partikeln und den wachsenden Pflanzen89 begünstigen die Aufnahme der in diesem organischen Material verfügbaren Nährstoffe.

Neben der Wurzellänge waren auch das Wurzelgewicht und das Gesamtfrischgewicht der Pflanzen bei den Behandlungen mit Biodünger höher (Abb. 4), wie von Rafique et al.34 berichtet, was zeigte, dass die Impfung mit PSB das Wachstum von Wurzeln und Maispflanzensprossen verbesserte34. In der vorliegenden Arbeit begünstigte die Zugabe von BC und die Anwendung von PSB den beschriebenen Effekt durch eine Erhöhung der Biomasse (T1) und Wurzellänge (T2) der inokulierten Pflanzen (Abb. 4).

Die Verwendung der Biodünger in T1 (5 % Biodünger) erhöhte die Kationenaustauschkapazität (CEC) (29,6 ± 1,14) und den pH-Wert (7,6 ± 0,04) (Tabelle 5 und S3). Diese können auf die Ansammlung von Asche zurückzuführen sein, die im Allgemeinen aus Alkalimetallcarbonaten (–Na, –K) und Erdalkalimetallcarbonaten (–Mg, –Ca), Phosphaten und geringen Mengen organischer und anorganischer Verbindungen besteht90. Wenn der pH-Wert Werte nahe der Neutralität aufweist, verringert die positive Ladung der Fe- und Al-Oxide somit die Affinität für P. Darüber hinaus kann ein steigender pH-Wert des Bodens aufgrund eines Anstiegs der Alkalimetalloxide (Ca, Mg und K) die Löslichkeit von reaktivem Al verringern und somit die P-Immobilisierung reduzieren91 und das Zwiebelwachstum bei einem pH-Wert nahe der Neutralität verbessern, wie von Tekeste et al.92 berichtet.

Hardie et al.93 legen nahe, dass Veränderungen in der P-Verfügbarkeit und -Auswaschung nach BC-Ausbringung in den Boden auf eine Kombination physikalisch-chemischer Mechanismen zurückzuführen sind, wie z. B. eine Änderung des pH-Werts des Bodens, die Bildung von Metallphosphatkomplexen, die Förderung der mikrobiellen Aktivität und eine erhöhte Mineralisierung von Phosphat93.

Bei anderen Makronährstoffen wie N und K wurde ein Anstieg der Endkonzentration im Boden beobachtet, was durch das negative Vorzeichen in der Variation der in Tabelle 5 angegebenen Konzentrationen belegt wird. Rehman et al.94 zeigten, dass im Boden extrahierbares P3 und andere Makronährstoffe vorher anstiegen und nach der Weizenernte mit BC-Anwendung und dass die Reaktion vom Bodentyp, der Anbauzeit und der Konzentration der im Boden formulierten Pflanzenkohle abhängt94.

Eine Bodenanalyse nach der Ernte zeigte die Wirkung der Behandlungen auf den pH-Wert. Sowohl bei der Biodünger- als auch bei der BC-Behandlung kam es zu stärkeren pH-Schwankungen mit einer Tendenz zur Alkalität. Rehman et al.94 zeigten, wie in der vorliegenden Studie, dass BC den pH-Wert des Bodens leicht verändert, mit einer Tendenz zur Alkalität94. Borno et al.91 erwähnten, dass die Basensättigung positiv mit dem pH-Wert des Bodens zusammenhängt, da ein hoher Basensättigungswert darauf hinweisen würde, dass die Austauschstellen eines Bodenpartikels mit nicht sauren Ionen gekoppelt sind91. Ähnliche Ergebnisse haben wir in dieser Studie erhalten. Tabelle 5 zeigt negative Mg- und Ca-Sättigungswerte bei allen Behandlungen, was auf einen Anstieg dieser Elemente am Ende der Biodünger-Bewertung in runden Kunststofftöpfen hinweist. Bei Na und Ca kam es hingegen zu keinem Anstieg dieser Basen im Boden, der nach der Ernte analysiert wurde. Mukhtar et al.81 dokumentierten außerdem, dass die kombinierte Verwendung von anorganischem Phosphat, Bakterienstämmen und einigen Trägermaterialien durch eine erhöhte Wurzelproliferation zur Verbesserung des pH-Werts des Bodens und der Wurzeloberfläche beiträgt81.

Die Auswirkungen des Biodüngers standen im Zusammenhang mit erhöhter Keimung, Keimlingswachstum, Nährstoffassimilation und Pflanzenwachstum, da in BC immobilisiertes PSB die Mobilisierung von Nährstoffen, insbesondere P, während der Kultivierung von Allium cepa L förderte. Das Obige wurde in T1 und T2 nachgewiesen , bei dem das Bioinokulans (BC500/PSB) Gesamt-P-Konzentrationen von 1,25 ± 0,13 bzw. 1,38 ± 0,14 mg Bulb–1 begünstigte. Dies sind die höchsten Gehalte im Vergleich zu den anderen bewerteten Behandlungen.

Diese Ergebnisse im Gewächshausmaßstab sollten im Feld validiert werden, indem die Ernte bis zur Ernte genutzt wird, um die Wirkung des Produkts und die Effizienz der Nährstoffnutzung im Rahmen der Entwicklung biologischer Inputs für den Agrarsektor zu überprüfen. Dies wird relevant, wenn man bedenkt, dass Böden mit Zwiebelkulturen über lange Zeit mineralische Düngemittel erhalten haben und daher einen hohen Gesamtphosphorgehalt, aber mäßige oder niedrige Konzentrationen der verfügbaren Formen des Nährstoffs aufweisen.

Das in dieser Studie aus Pflanzenkohle in Kombination mit einheimischem PSB gewonnene Bioimpfmittel ist eine wirksame Strategie, um den Nährstoff aus diesen nicht verfügbaren Formen freizusetzen und den Gehalt an P ext und P sol zu erhöhen. Unser Bioimpfmittel kann nach mehreren Kulturzyklen in Böden (mit hohen Nährstoffmengen) die Verfügbarkeit der Nährstoffe verbessern, was es ermöglicht, künftige Dosen von Phosphat-Mineraldüngern zu verringern und sich positiv auf die Phosphatausbeutung auszuwirken Felsen, aus denen sie stammen.

Diese Arbeit stellt die Vorteile eines neuen Produkts vor, das auf Bakterien basiert, die natürlicherweise mit Zwiebeln assoziiert sind, und einem organischen Material (BC500), das nicht nur als bakterieller Träger dient, sondern auch die Adsorptionsfläche hochreaktiver Nährstoffe vergrößert und deren Auswaschung verringert Niederschlag mit anderen Nährstoffen und Fixierung in der festen Matrix des Bodens.

Die wichtigsten Datensätze, die während der aktuellen Studie generiert und analysiert wurden, sind im [Figshare]-Repository verfügbar, [https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20060213.v1]. Außerdem sind Teile der während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Die Autoren danken der „Fakultät für Umwelt- und Ländliche Studien“ der Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, DC., Kolumbien, für den physischen Raum zur Durchführung der Experimente im Topfmaßstab.

Diese Arbeit wurde von der Regierung von Boyacá und der Verwaltungsabteilung für Wissenschaft, Technologie und Innovation sowie KOLCIENCIAS, Grant No., finanziert. 733 von 2015: Hochrangige Humankapitalbildung für das Departement Boyacá“ und von Pontificia Universidad Javeriana Bogota, DC Kolumbien Grant ID Grant ID 00007681 mit dem Projekt „Kombinierte Nutzung von ligninolytischen Pilzen und Pyrolyse zur Gewinnung modifizierter Biokohle unter Verwendung eines Bioraffineriemodells“, und Kooperationsvereinbarung Nr. 04861–18 zwischen Pontificia Universidad Javeriana (Bogotá, DC), Kolumbien und dem Universidad Anahuac North Campus. Huixquilucan, Bundesstaat Mexiko., Mexiko“.

Labor für Umwelt- und Bodenmikrobiologie, Agrarforschungseinheit (UNIDIA), Abteilung für Mikrobiologie. Fakultät für Naturwissenschaften, Pontificia Universidad Javeriana, Carrera 7ma Nr. 43-82, Edifício 50 Lab. 106, 110-23, Bogotá DC, Kolumbien

Andrea Blanco-Vargas, Maria A. Chacon-Buitrago, Maria C. Quintero-Duque und Aura M. Pedroza-Rodriguez

Labor für Molekulare Biotechnologie, Environmental and Industrial Biotechnology Group (GBAI), Abteilung für Mikrobiologie. Naturwissenschaftliche Fakultät. Päpstlich, Universität Javeriana, Bogotá, DC, Kolumbien

Andrea White-Vargas und Raul A. Poutou-Piñales

Labor für Boden-, Pflanzen- und Mikroorganismenverbände (LAMIC). Forschungsgruppe für ökologischen Landbau, Abteilung Biologie. Naturwissenschaftliche Fakultät. Päpstlich, Universität Javeriana, Bogotá, DC, Kolumbien

Andrea Blanco-Vargas, Lucía A. Díaz-Ariza und Wilmar Olaya-González

Fakultät für Umwelt- und Ländliche Studien, Abteilung für Ökologie und Territorium. Päpstlich, Universität Javeriana, Bogotá, DC, Kolumbien

Carlos A. Devia-Castillo

Fakultät für Gesundheitswissenschaften, Universidad Anáhuac North Campus, México, DF, Mexiko

Laura C. Castillo-Carvajal und Daniel Toledo-Aranda

Abteilung für Agrar- und Naturwissenschaften, Staatliche Universität Minas Gerais, Ituiutaba, Minas Gerais, Brasilien

Christiano da Conceição de Matos

National Polytechnic Institute, National School of Biological Sciences, Carpium Extension und Ayala Plan S/N, Col. St. Thomas, 11340, Mexiko CDMX, Mexiko

Oswaldo Ramos-Monroy

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AB-V.: Konzeptualisierung, Untersuchung, formale Analyse, Methodik, Verfassen des Originalentwurfs. MAC-B., MCQ-D.: Untersuchung, formale Analyse und Methodik. RAP-P., LAD-A., CAD-C., LCC-C., DT-A., Ch. da C de M., WO-G., OR-M.: Formale Analyse, Methodologie und Schreiben. AMP-R: Konzeptualisierung, Methodik, Projektverwaltung, Supervision, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Aura M. Pedroza-Rodríguez.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Blanco-Vargas, A., Chacón-Buitrago, MA, Quintero-Duque, MC et al. Produktion von Kiefernsägemehl-Biokohle, die phosphatlösende Bakterien als alternatives Bioimpfmittel in Allium cepa L.-Kultur unterstützt. Sci Rep 12, 12815 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17106-1

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Eingegangen: 09. Februar 2022

Angenommen: 20. Juli 2022

Veröffentlicht: 27. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17106-1

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Aktuelle Mikrobiologie (2023)

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