Producción de biocarbón de aserrín de pino con soporte de fosfato.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 12815 (2022) Citar este artículo

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Producimos y caracterizamos biocarbón elaborado a partir de aserrín de pino caribe como materia prima. El biocarbón (BC500) se utilizó como soporte biocompatible para coinocular bacterias solubilizantes de fosfato (PSB) (BC500/PSB) en plantas de Allium cepa L., a escala de invernadero, durante cuatro meses. El estudio de los tres biomateriales incluyó análisis proximal, análisis elemental, análisis de aromaticidad, microscopía electrónica de barrido, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), estudios de adsorción a diferentes pH y estabilidad del PSB en función del tiempo. Los resultados indicaron que BC500 es adecuado como soporte orgánico o matriz sólida para mantener la viabilidad del PSB capaz de solubilizar P de la roca fosfórica (PR). El biofertilizante (BC500/PSB) permite aumentar la germinación, el crecimiento de las plántulas, la asimilación de nutrientes y el crecimiento de Allium cepa L., debido a que el PSB inmovilizado en BC500 promovió la movilización de nutrientes, particularmente P, durante el cultivo de Allium cepa L., a escala de macetas. Los dos tratamientos para evaluar el biofertilizante (BC500/PSB) mostraron las mayores concentraciones de P total con 1.25 ± 0.13 y 1.38 ± 0.14 mg bulbo-1 en A. cepa L. Este trabajo presenta los beneficios de un nuevo producto basado en bacterias de forma natural. asociado a cebolla y un material orgánico (BC500) que sirve como portador bacteriano que aumenta el área de adsorción de nutrientes altamente reactivos, reduciendo su lixiviación o precipitación con otros nutrientes y su fijación a la matriz sólida del suelo.

Colombia es un país de vocación forestal y con potencial para implementar programas comerciales de reforestación. La ubicación geoestratégica de Colombia es favorable para el comercio de productos agroforestales1. Con fines comerciales, los géneros y especies más cultivados son Pinus caribaea, Tabebuia rosea, Tectona grandis y Eucalyptus pellita2,3,4. Para su producción, las empresas forestales implementan todo el proceso productivo, incluyendo semillas o clones de alta calidad, propagación de material vegetal en viveros, plantaciones forestales y áreas de cosecha3,4,5. En la etapa de recolección se generan grandes cantidades de residuos sólidos ricos en biomasa lignocelulósica (aserrín, virutas, cortezas, hojas o tallos) que podrían representar hasta el 50% de la madera procesada6,7,8. La degradación de estos residuos es lenta ya que están compuestos por lignina, celulosa y hemicelulosa9,10. Estos polímeros son complejos, resistentes, hidrofóbicos y su transformación biológica (procesos de vertedero y compostaje) es lenta7,11,12,13; dando como resultado que un alto porcentaje de estos residuos no se utilicen adecuadamente o se utilicen crudos (sin procesar) en procesos agroindustriales como mezclas de relleno para la producción de compost11,14, material aislante para granjas avícolas, porcinas y ganaderas15,16,17 y se utilizan como sustratos de siembra para la propagación de material vegetal en viveros forestales6,7,18.

Si bien el uso de estos subproductos agroindustriales crudos o parcialmente transformados está extendido a nivel mundial, se pueden evaluar otras alternativas, como la conversión térmica o la pirólisis en condiciones reducidas o en ausencia de oxígeno. A través de este proceso físico se pueden obtener nuevos productos como biocarbón, aceites, gases y compuestos volátiles, entre otros19,20,21,22. El aserrín de pino es uno de los materiales más utilizados debido a su bajo costo, se encuentra en grandes cantidades y podría usarse para diferentes propósitos19,23,24.

En general, el biocarbón ofrece una alta superficie, porosidad, nutrientes asociados a la biomasa inicial y capacidad de retener agua y microorganismos25,26,27,28,29,30, utilizado con éxito en agricultura como enmienda orgánica o acondicionador orgánico de suelos, porque mejora la estabilidad estructural del suelo, la porosidad, la conductividad hidráulica, la aireación del suelo y la capacidad de intercambio catiónico26,31,32; generando un aumento en la disponibilidad de nutrientes, la fertilidad del suelo y por tanto un efecto beneficioso sobre los diferentes cultivos31. Además, debido a su alta porosidad, el biocarbón ofrece un nicho favorable para los microorganismos del suelo o se agrega como inoculantes biológicos llamados rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR), permitiéndoles permanecer viables y metabólicamente activos durante mucho tiempo25,33,34,35. 36. Los PGPR tienen mecanismos directos e indirectos mediante los cuales promueven el crecimiento de las plantas. El mecanismo directo incluye la actividad de los biofertilizantes, la estimulación del crecimiento de las raíces, la remediación de los rizobios y el control del estrés en las plantas25,32,36,37,38. Los mecanismos indirectos incluyen el control biológico como la antibiosis, la competencia y la inducción de resistencia sistémica en las plantas25,39,40,41.

Cuando se utiliza biocarbón como soporte orgánico biocompatible para la formulación de coinoculación de microorganismos benéficos, se agrega al suelo un biomaterial de doble propósito, incorporando una forma de carbono estable y de liberación lenta, si se compara con la incorporación de residuos vegetales frescos26, 42. Por otro lado, el biocarbón es un soporte, protegiendo a los microorganismos del efecto de las condiciones ambientales, como la temperatura, la radiación ultravioleta, la desecación, la depredación por microorganismos del suelo25,26,34. Entre los microorganismos que se han combinado con biocarbón y agregado a los suelos se encuentran las bacterias fijadoras de nitrógeno, las bacterias promotoras del crecimiento de las plantas, los microorganismos de biocontrol y las bacterias solubilizadoras de fosfato (PSB)25,33,34,37.

El PSB coinoculado en biocarbón puede solubilizar formas no disponibles de fósforo inorgánico o mineralizar fósforo orgánico no disponible, parte de la materia orgánica43. Para la solubilización, el PSB utiliza diferentes mecanismos como la producción de ácidos orgánicos, sideróforos y la liberación de protones, entre otros37,44. En relación con la mineralización, se pueden producir las enzimas fosfatasa ácida (EC 3.1.3.2) y fosfatasa alcalina (EC 3.1.3.1)25,43. Debido a estos dos mecanismos, las formas inorgánicas de fósforo disponibles se liberan en el suelo como iones ortofosfato (H2PO4−, HPO42 y PO43) para las plantas y los microorganismos del suelo37,44,45.

En la producción de hortalizas como Allium cepa L. (cebolla de bulbo), la limitación de fósforo en las diferentes etapas de producción (semillero y campo) es un factor nutricional que afecta el crecimiento, la productividad y el rendimiento de los cultivos33,37,45. Para suplir este requerimiento nutricional, las prácticas agrícolas tradicionales e intensivas aplican grandes dosis de fertilizantes químicos a base de nitrógeno, fósforo y potasio (N/P/K), que a largo plazo afectan la calidad y cantidad de materia orgánica del suelo y degradan el suelo. fertilidad25,43,44,46,47,48.

Por estos motivos, los investigadores buscan alternativas biotecnológicas sostenibles como el uso de biochar/PSB25,33,36,37. Este biomaterial podría utilizarse en mezcla con fertilizantes inorgánicos (N/P/K) u orgánicos (compost y vermicompost) en diferentes dosis y así disminuir el uso excesivo de fertilizantes químicos como única fuente de fósforo 31,33,42,45. Se convierte en una estrategia amigable con el medio ambiente, ya que integra el uso, conversión y aprovechamiento de un residuo forestal con la aplicación de microorganismos benéficos (PSB) en hortalizas como Allium cepa L.25,34,37,44,45,49.

En este artículo, BC500 sirve como soporte orgánico para coinocular un consorcio de PSB, compuesto por Pseudomonas sp., Serratia sp. y Kosakonia sp. Además, se estudió el efecto de BC500/PSB sobre el crecimiento de Allium cepa L. durante cuatro meses a escala de invernadero.

Para la producción de biocarbón se utilizó aserrín de pino caribeño (CPS) de una empresa procesadora de madera colombiana. El CPS se tamizó secuencialmente (utilizando los tamices nº 10, 12 y 20) para obtener un tamaño de partícula de aproximadamente 4–5 ± 1 mm. Se secó durante 24 h a 70 ± 2 °C en estufa eléctrica HACEB y se conservó en bolsa plástica herméticamente cerrada para controlar la humedad33.

Se colocó un recipiente de aluminio de 250 g con 100 ± 5 g de CPS seco dentro de una campana anaeróbica marca 3 M® de 2,5 L, que contenía una bolsita de 3 M Anaerogen. Este sistema permite desplazar el O2 después de una incubación de 12 h a 19 ± 2 °C. Posteriormente, cada recipiente se transfirió a un matraz Labtech™ de 20 L y se trató térmicamente a 500 ± 5 °C durante 1 h utilizando una velocidad de calentamiento de 10 °C min-1. Posteriormente se sacó el BC500 del matraz y se volvió a colocar en campanas anaeróbicas para evitar que adquiriera humedad50.

Se determinó el pH y un porcentaje de humedad de todos, el aserrín de pino caribe (CPS), el biocarbón solo (BC500) y el biocarbón coinoculado con PSB (BC500/PSB), siguiendo la metodología reportada en la Norma Técnica Colombiana 516751,52. Como parte del análisis proximal se determinó lo siguiente: porcentaje de carbono volátil (VC)53,54, porcentaje de cenizas (Ash)53,54, porcentaje de carbono fijo (FC)53,54, porcentaje de carbono orgánico total por ignición (TOC) 33 y rendimiento de biocarbón 30.

El análisis de los elementos (C, O, H, N y S) se realizó mediante la oxidación completa e instantánea de la muestra mediante combustión con oxígeno puro a 1000 ± 10 °C. El equipo utilizado fue un Thermo Flash® 2000, con una temperatura del reactor de 950 °C con caudales de He y O2 de 140 y 250 mL min-1, respectivamente. Análisis complementarios permiten determinar las relaciones C/O, H/O y (O + N)/C.

Las características de la superficie y la morfología de CPS, BC500 y BC500/PSB se observaron mediante microscopía electrónica de barrido acoplada a rayos X de energía dispersiva (SEM/EDS), con un microscopio electrónico de barrido JEOL, modelo JSM 6490-LV con potencia entre 10-20 kV y aumentos entre 150× y 17.000×33,45.

Para identificar los grupos funcionales químicos de CPS, BC500 y BC500/PSB, se llevó a cabo un análisis de espectroscopía infrarroja de matriz de Fourier utilizando un espectrofotómetro Shimadzu IR Prestige-21 con un módulo ATR; los parámetros configurados fueron Modo de medición: % de transmitancia, Apodización: Happ-Genzel, Número de escaneos: 40, Resolución: 4,0, Rango (cm-1): 600–400033.

El efecto del pH en la adsorción de PSB a BC500 se realizó siguiendo la metodología reportada55; la concentración inicial de PSB fue 1,0 × 107 ± 1,0 × 101 UFC mL-1. En matraces de 250 mL que contenían 100 mL de PSB a diferentes pH (3,0, 5,0 y 7,0) ajustados con hidróxido de sodio 0,5 M o ácido clorhídrico 0,5 M, se les añadió 2,0 g de biocarbón y se agitaron a 120 rpm durante 60 min a 19 ± 2 °C en un agitador horizontal marca Heidolp. Las muestras tomadas fueron al inicio y cada 10 minutos para diluciones decimales y se sembraron 0,1 ml de cada dilución en placas de Petri que contenían agar de infusión de cerebro y corazón (BHI)45. Utilizando los datos del recuento expresados ​​como logaritmo (Log10) de UFC g-1 adsorbidas en BC500, se calculó el valor de qe (número de células adsorbidas por g de BC500) utilizando la ecuación. 1.

donde: V = volumen de solución (L), Cf = concentración celular final (Log10 UFC g-1), Co = concentración celular inicial en solución (Log10 UFC g-1), X = g de BC500 en peso seco.

Para determinar el efecto del pH (3,0, 5,0 y 7,0) sobre la adsorción de ortofosfato, utilizamos matraces de 100 ml que contienen 50 ml de una solución estándar de PO4-P (100 mg L-1) y 1,0 g de BC500 (por triplicado). Los matraces se agitaron a 150 rpm y 25 ± 2 °C durante 120 h en un agitador (Scientific CVP-500). Las muestras tomadas fueron basales, a los 20, 40 y 80 min, también a las 2, 24, 48 y 120 h. La técnica colorimétrica de molibdato-vanadato56 permite determinar la concentración de PO4-P (mg L-1). Estas concentraciones sirven para calcular el valor qe (cantidad de PO4-P absorbida/g BC500) utilizando la Ec. 1, pero con variables de respuesta modificadas respecto a PO4-P. Con los resultados de qe obtenidos de PSB y ortofosfatos, se calcularon las constantes de adsorción aplicando los modelos de linealización de pseudo segundo orden57 y Elovich58.

Las PSB (Serratia sp., Pseudomonas sp. y Kosakonia sp.) previamente aisladas en nuestro grupo de investigación45 se cultivaron siguiendo la metodología reportada55. El control de calidad implica contar con agar MT11B, medir el pH y la concentración de ortofosfato mediante el uso del kit de prueba de fosfato Spectrocuant de Merck (MQuant Test Phosphates)59. Se dosificaron PSB concentrados para obtener una concentración de 1,0 × 107 ± 1,0 × 101 UFC mL-1 a pH 3.551,52. Se mezclaron manualmente 200 g de BC500 con 19 mL de PSB (1,0 × 107 UFC mL-1) hasta obtener un material hidratado. A continuación, los recipientes que contenían BC500/PSB se incubaron durante 24 h a 30 ± 2 °C en una incubadora marca Memmert, siguiendo la metodología de la patente # WO 2014/167,409 Al18.

El suelo utilizado en este experimento provino de la finca San Juan ubicada en el corregimiento de “Punta Larga” del municipio de “Nobsa” en el Departamento de “Boyacá, Colombia” (5º47′03,5"N 72°58′52 ,6 "W). El suelo se secó a 40 ºC durante 48 h en una estufa eléctrica HACEB. Posteriormente se desagregó con un mazo de goma y se tamizó con un tamiz No. 20 para obtener partículas de aproximadamente 4-5 ± 1 mm, y se esterilizó tres veces en autoclave durante 15 min, 1,2 atm. y 121 °C, dejando intervalos de 24 h entre cada ciclo.

El estudio se realizó en macetas plásticas de 1 kg; que contiene 850 g de suelo agrícola solo o combinado con dos concentraciones de BC500/PSB (2,0 o 5,0 % p/p). Previo al trasplante se aplicó una dosis única de fertilización Abundagro. La cantidad de Abundagro agregada fue el equivalente a agregar 35 kg ha-1, la composición de este fertilizante orgánico mineral es 2,8 g Kg-1 de nitrógeno orgánico, 80 g Kg-1 de fósforo asimilable, 23 g Kg-1 de potasio, 240 g Kg-1 de −1 calcio, 11,7 g Kg−1 magnesio, 0,1 g Kg−1 boro, 0,02 g Kg−1 zinc, 60 g Kg−1 hierro, 0,2 g Kg−1 silicio, 0,02 g Kg−1 cobre, 80 g Kg−1 de materia orgánica, 26 g Kg−1 de fuente adicional de nitrógeno y pH de 7,35 ± 0,2.

Allium cepa L., no es una planta originaria de Colombia; Es una especie de planta introducida muchas veces antes para la producción comercial. Por lo tanto, no se requirió ningún permiso o licencia de recolección para adquirirlos. Se compraron semillas de Allium cepa L. en tiendas agrícolas locales. Colombia es un gran productor de esta hortaliza.

Las plantas obtenidas de semillas de la variedad estándar Granex sembradas en turba (Impulsemillas) se trasplantaron 20 días después de la siembra en semilleros. Se utilizó un diseño experimental de bloques completos al azar, con cuatro bloques, seis tratamientos y 40 plántulas por tratamiento, para un total de 240 unidades experimentales (Cuadro 1). El riego con agua potable se realizó en días alternos a capacidad de campo (100 mL). Antes de iniciar los ensayos, se realizó la caracterización física, química y microbiológica, para BC500, BC500/PSB, suelo con BC500/PSB al 5,0% (p/p) (T1), suelo con BC500/PSB al 2,0% (p /w) (T2), suelo con BC500 al 2.0% (T4), y suelo con BC500 al 5.0% (p/p) (T3) (Material Suplementario S1)60.

Cuatro meses después del trasplante de plantas, el peso fresco del bulbo (BFW) (mg), el diámetro del bulbo (BD) (mm), la altura del bulbo (BH), (mm), el peso fresco de la raíz (RFW) (mg), se midieron la longitud de la raíz (RL) (mm), el peso fresco de la hoja (PFW) (mg) y el peso fresco total (PTF)61,62,63. Posteriormente, el material vegetal se secó a 40 ± 2 °C durante 15 días64, para determinar el peso del bulbo (BDW) (mg), de la raíz (RDW), de la hoja (LDW) y del peso seco total (TDW)61,62. 63.

Un laboratorio externo de referencia (AGRILAB) realizó el análisis nutricional completo del material vegetal y suelos; para ello se seleccionaron al azar 2 bulbos de A. cepa L., de cada tratamiento con su respectivo suelo (8 bulbos y 8 muestras de suelo por tratamiento). La concentración final de nutrientes del suelo se expresó como la variación de las características del suelo; se calcula restando el valor obtenido al final de la evaluación del biofertilizante al valor inicial para cada una de las muestras evaluadas. Valores negativos de algunas variables indicaron un aumento en el contenido del nutriente o variable en el suelo al final del experimento (Cuadro 5), respecto del contenido inicial antes del trasplante (Material Suplementario S1). El análisis estadístico de todas las variables involucra el ANOVA y la prueba de comparaciones múltiples de Tukey, utilizando los programas estadísticos R (StatR, plataforma R Wizard versión 2.0) y Minitab (Minitab 18. Ink. 2018. versión 18.0).

La Tabla 2 muestra los resultados de la CPS; el contenido de humedad fue de 7,0 ± 0,31%, con una densidad aparente de 0,22 ± 0,09 g cm-3, la porosidad de 57,5 ​​± 5,8% y un tamaño de partícula tamizada de 5,0 ± 1 mm. En cuanto a las variables químicas, el pH fue de 3,7 ± 0,08 y la conductividad eléctrica de 0,53 ± 0,02 dS cm-1. Otros resultados relacionados con el porcentaje de lignina (40,9%), celulosa (39%), hemicelulosa (15%), elementos, la suma de cationes y la suma de aniones en el SCP aparecen en el Material Suplementario S2.

Respecto al BC500, se obtuvo un material de menor tamaño (3,0 ± 0,7 mm) que el CPS, observándose astillas pequeñas, alargadas, delgadas y de color negro. El porcentaje de humedad disminuyó para el CPS obteniendo 3,6 ± 0,51%. También se observó un aumento en la densidad, el porcentaje de porosidad y el pH (0,43 ± 0,51 g cm-3, 67 ± 1 % y 7,1 ± 0,6 respectivamente) (Cuadro 2).

El análisis aproximado muestra que el TOC disminuyó en BC500 (50,9 ± 2,2 %), en comparación con SCP (57,89 ± 0,15 %). El CF fue de 26 ± 2 %, el VC de 71,6 ± 2,4 %, el contenido de cenizas de 2,4 ± 0,9 % y el rendimiento de biocarbón fue de 19 ± 0,7 % (Cuadro 2). Los resultados de clasificación de BC500 indicaron que es un biocarbón tipo II (TOC > 30 e inferior al 60%) 65.

Los análisis elementales de CPS y BC500 se encuentran en la Tabla 2. Se observó un aumento en el contenido de carbono de aproximadamente el 71,05 % para BC500 en comparación con CPS; El contenido de oxígeno e hidrógeno disminuyó en comparación con el contenido de carbono (26,9 y 1,74%). En cuanto a las relaciones atómicas de H/C, O/C y (O + N)/C, se produjo una disminución para BC500 (0,02, 0,381 y 0,383 para H/O, O/C y (O + N)/C, respectivamente ) en comparación con CPS (0,12, 0,95 y 0,954, respectivamente); indicando cambios en la aromaticidad, estabilidad, polaridad y funcionalidad del nuevo material (Tabla 2).

La información obtenida del análisis FTIR indicó que CPS, BC500 y BC500/PSB presentaron características orgánicas, observándose en cada una de las muestras la presencia de bandas de vibración asociadas a grupos funcionales orgánicos. En el CPS (línea azul), aparecieron señales bien definidas en 1025 cm-1, 1585 cm-1 y 1740 cm-1, correspondientes a enlaces simples C – O simétricos, dobles enlaces C = C y dobles enlaces C = O. Además, en aproximadamente 3330 cm-1 se formó una banda ancha asociada con enlaces O – H. En el BC (Redline), las señales de los enlaces simples C – O (1025 cm-1) y O – H (3330 cm-1) desaparecieron después del tratamiento térmico a 500 ºC durante una h. Además, el tratamiento térmico ayudó a ampliar y definir algunas señales que se encontraban en el CPS. Destacan las bandas relacionadas con enlaces C=C (1585 cm-1) y dobles enlaces C=O (1740 cm-1). Por otro lado, el tratamiento térmico favoreció la formación de nuevas bandas que no están presentes en el CPS. Entre las resaltadas se encuentra la señal en 1365 cm-1 que corresponde a los enlaces C-C y la señal en 2960 cm-1 relacionada con los enlaces CH (Fig. 1).

Espectroscopía infrarroja transformada de Fourier (FITR) para aserrín de Pino Caribe (CPS), (Línea azul), biocarbón (BC500), (Redline) y biocarbón coinoculado con PSB (BC500/PSB), (Blackline).

Después de la coinoculación de PBS con biocarbón (BC500/PSB) (Blackline), aparecieron cambios en los espectros FTIR. Las señales en 1025 cm-1 (enlaces C – O) y 3330 cm-1 (enlaces O – H) no aparecen en BC y aparecieron en BC500/PSB. Las señales en 1365 cm-1 (enlaces C – C), 1740 cm-1 (enlaces C = O) y 2960 cm-1 (enlaces C – H) eran como BC500 sin coinoculación. Finalmente, en BC500/PSB, la señal a 1585 cm-1 desaparece tras la coinoculación de PSB. Estos resultados sugieren que el tratamiento térmico a 500 °C durante 1 h genera más cambios en los grupos funcionales en la superficie de BC que la coinoculación con PSB (Fig. 1).

La observación del CPS a bajo aumento (150x) mostró una superficie y forma irregular, con cavidades de diferentes tamaños, menores a 100 µm. A mayor aumento (17000x), se observó una superficie más homogénea, en capas y porosa (Figs. 2A, B). La observación BC500 (150x) mostró fragmentos polimórficos y polidispersos, con formas predominantemente alargadas y delgadas, en contraste con la observación inicial de SCP (Fig. 2C). Tras el tratamiento térmico a 500 °C, la superficie del BC500 se volvió más lisa que la del CPS, con más poros de diferentes tamaños y bordes más definidos (Fig. 2D), lo que podría resultar del desplazamiento de agua, compuestos volátiles y oxígeno a 500 °C. C (Figura 2D). Las Figuras 2E y F, corresponden al BC luego de la coinoculación del PSB, a bajo aumento, se observa la formación de una biopelícula distribuida en la superficie del biochar, lo que sugiere que el pH del medio de cultivo favoreció la adsorción del bacterias a la superficie porosa (Fig. 2E). La Figura 2D muestra la morfología característica de una de las partes de bacilos cortos del PSB. Además, la integridad de la pared celular y la difusión de la forma demostraron que la coinoculación y la reactivación secundaria no ejercieron un efecto negativo sobre los bacilos.

Características morfológicas del material. (A) Aserrín de pino caribeño (CPS) a SEM 150x. (B) Aserrín de pino caribeño (CPS) a SEM 17000x. (C) Biocarbón (BC500) a 500 °C/1 h, SEM 150x (D) Biocarbón (BC500) a 500 °C/1 h, SEM 17000x. (E) Biocarbón coinoculado con PSB (BC500/PSB), SEM 150x. (F) Biocarbón coinoculado con PSB (BC500/PSB), SEM 17000x.

La temperatura de pirólisis afecta las propiedades químicas del BC500 en comparación con el CPS, que tenía un pH ácido (3,7 ± 0,8). BC500 tenía un pH de 7,1 ± 0,6 y el punto de carga cero (pHzpc) fue de 4,1 ± 0,843. Estos resultados indican que BC500 sin microorganismos tiene carga negativa (pH 7,0 > pHzpc). En estas condiciones, podrían ocurrir diferentes interacciones entre BC500 y adsorbatos (bacterias y ortofosfatos)66.

Para el experimento de adsorción con los PSB, los microorganismos se adsorbieron rápidamente desde los primeros minutos de contacto y alcanzaron el equilibrio de adsorción/desorción en 20 ± 10 min, para pH 3,0 y 5,0. A pH 8,0, se necesita un tiempo de contacto más largo para alcanzar el equilibrio (40 a 60 min). En cuanto al efecto del pH, se observaron diferencias significativas para el pH; a valores de pH de 3.0 se mejoró la mayor adsorción de PSBs a BC500, obteniendo un valor de qe igual a 0.141 Log10 UFC g-1 BC500 (p < 0.0001). A pH 5,0 el valor de qe fue 0,044 Log10 UFC g-1 BC y a pH 8,0 el valor más bajo fue 0,019 UFC g-1 (Fig. 3A).

Estudios de adsorción. (A) Valor qe en función del tiempo a diferente pH para PSB. (B) Modelo de pseudosegundo orden para PSB. (C) Valor qe en función del tiempo a pH 7,0 para iones ortofosfato. (D) Modelo de pseudosegundo orden para iones ortofosfato. Los resultados son el promedio de tres réplicas con su respectiva desviación.

El modelo de pseudosegundo orden describió mejor el proceso de adsorción de los PSB a BC500, obteniendo R2 de 0,9991, 0,9792 y 0,8587, para pH 3,0, 5,0 y 8,0 (Fig. 3B). Los valores de qe calculados para los tres pH fueron similares a los valores de qe experimentales, y las constantes de adsorción de pseudosegundo orden para pH 3,0 y 5,0 fueron mayores (0,240 y 0,256 g Log10 UFC-1 min-1) que para pH 8,0 (0,055 g Log10 UFC-1 min-1). Para el pH 8,0, cuyo valor de R2 fue inferior a 0,9, podríamos suponer que la repulsión electrostática entre grupos funcionales de la misma carga determinó que el valor de la constante de adsorción disminuyera 4,4 veces más que para el pH 3,0 y 4,6 veces más que para el pH 5,0. (Figura 3B, Tabla 3).

Los valores altos de R2 resultan del modelo de Elovich, especialmente para pH 3,0 y 5,0 (0,9381 y 0,9789). El modelo de Elovich se ha utilizado para describir la adsorción por interacciones químicas entre diferentes compuestos utilizados como adsorbentes28,66. Según el modelo de Elovich, la tasa de adsorción (α) disminuye con el tiempo debido a la saturación del material, el cual se ensayó a pH 3,0 y 5,0, obteniendo valores iguales a 31,3 y 64,1 Log10 UFC min-1 respectivamente. Los resultados mostraron que las células se adsorben más rápido a pH ácido que a pH alcalino y también que cuando la saturación del BC500 alcanza la velocidad disminuye. El coeficiente de desorción (β) fue mayor a pH ácido que a pH alcalino, lo que muestra que una vez que ocurre la saturación de BC500, comienza la desorción de PSB (Tabla 3).

Los resultados de adsorción para ortofosfatos (Fig. 3C, D, Tabla 3), mostraron que a pH 7.0, la adsorción de fósforo fue baja pero ocurrió desde los primeros minutos de contacto, obteniéndose valores de qe iguales a 0.116 mg g−1 BC (Fig. 3C ). A pH 3,0 y 5,0, no se produjo adsorción después de 120 h (datos no mostrados). A pH 7,0 se obtuvo una constante de pseudosegundo orden de 0,902 g mg P−1 min−1 y un R2 de 0,9286, y a pH 3,0 y 5,0, los qe experimentales fueron negativos, con − 0,797 mg g−1 BC y − 0,793 mg g-1 BC, respectivamente. Lo que indica que, a estos valores de pH, BC no tiene capacidad de adsorción de ortofosfatos (Tabla 3). En el modelo de Elovich aplicado a pH 7,0, el valor R2 fue 0,7700 y los valores α y β fueron 3703 mg P g biochar−1 min-1 y 0,041 mg P−1, respectivamente.

La Tabla 2 muestra la caracterización del BC500/PSB; El porcentaje de humedad aumentó (99 ± 2%) en comparación con BC500 sin bacterias (3,6 ± 0,51%). La densidad (0,42 ± 0,1 ± 0,1 g cm-3), el porcentaje de porosidad (64,3 ± 1,1%) y el tamaño de partícula no cambiaron sustancialmente con respecto al BC500 (Cuadro 2). El pH disminuyó con respecto a BC500, obteniendo un valor de 6,4 ± 0,5; lo cual podría estar relacionado con la producción de ácidos orgánicos por parte del PSB44.

El análisis aproximado mostró un aumento en el porcentaje de TOC (54 ± 3%) observado en la coinoculación de PSB en comparación con el porcentaje obtenido en el biocarbón no inoculado. El resultado anterior podría estar relacionado con el hecho de que los PSB se cultivaron en un medio rico en carbono orgánico y nitrógeno. La biomasa bacteriana contiene carbono y nitrógeno orgánicos. La suma de dos aportes de carbono podría haber provocado el aumento del porcentaje de TOC contribuyendo a la concentración de carbono por su naturaleza orgánica y provocando una disminución del carbono fijo del 3% con respecto al BC y provocando también un ligero aumento del carbono volátil del 3,4% ( Tabla 2). El porcentaje de cenizas fue similar en BC500/PSB y BC500 (2,0 ± 0,9%).

En el análisis elemental el porcentaje atómico de carbono fue de 25.12%, el oxígeno aumentó de 26.9 a 73.61%, el porcentaje de hidrógeno fue como BC500 (1.74%) y el nitrógeno disminuyó obteniendo un valor de 0.04%. La relación atómica H/C fue para BC500 y BC500/PSB (0,02 y 0,05, respectivamente), lo que significa que la adición de PSB no cambió la estructura altamente condensada de BC500. Por el contrario, las relaciones atómicas O/C y (O + N)/C aumentaron cuando se coinoculado PSB (2.930 y 2.931, respectivamente), lo que sugiere que la adición de PSB en una solución acuosa aumenta el número de grupos polares y la cantidad de agua intersticial (Tabla 2).

Como se muestra en la Fig. 2E, F, los PSB se distribuyeron sobre la superficie de BC500 y formaron una película. La adsorción de las bacterias aumentó con el pH ácido de BC500 (6,4 ± 0,5) y el pH ácido de la suspensión de PSB utilizada para la coinoculación de BC500 (1,0 × 107 ± 1,0 × 101 UFC ml-1 a ​​pH 3,5). En cuanto a la morfología, solo se observó un tipo de célula, caracterizada como bacilo corto, parte del consorcio PSB (Serratia sp., Pseudomonas sp. y Kosakonia sp.), lo que concordó con resultados previos33,45 (Fig. 2F).

Se observaron diferencias significativas (p < 0.05) en el peso fresco total de las plantas entre T1 (Abundagro + 5% Biochar + PSB) y T5 (Abundagro + 5% Biochar + PSB). T1 y T2, T3 y T4 no tuvieron diferencias estadísticas, el peso de la planta de T1 (Abundagro + 5% Biochar + PSB) fue de 25.57 ± 1.14 g, seguido de T2, T4 y T3 con 22.80 ± 1.00, 20.50 ± 1.01 y 19.57 ± 0.82 g. , respectivamente (Fig. 4A). En relación al peso fresco de raíz (segunda variable en la que se observaron diferencias significativas (p < 0.05), los valores más altos se observaron en el T2 (Abundagro + 2% Biochar + PSB) y T1 (Abundagro + 5% Biochar + PSB) con valores de 6.68 ± 0.31 y 6.30 ± 0.23 g, no aparecieron diferencias significativas (p > 0.05) entre estos dos tratamientos (Fig. 4A), no se observaron diferencias significativas (p > 0.05) para el peso fresco de bulbo y de hoja fresca (Fig. .4A).

Efecto del biofertilizante sobre el crecimiento de A. cepa L., en macetas plásticas redondas. (A) Variables para pesos frescos. (B) Variables para pesos secos. (C) Variables para la bombilla. Las letras de las cifras representan los grupos heterogéneos de la prueba de Tukey e indican diferencias significativas entre tratamientos (p < 0,05). T1: Abundagro + 5% Biochar + PSB; T2: Abundagro + 2% Biochar + PSB; T3: Abundagro + 5% Biochar solo; T4: Abundagro + 2% Biochar solo; T5: Abundagro; T6: Agua.

La Figura 4B muestra el peso seco total de hojas, raíces y bulbos de la planta. Se observaron diferencias significativas únicamente para el peso seco de raíz (p < 0.05), obteniéndose los valores más altos para T2 y T1 con 0.54 ± 0.03 y 0.50 ± 0.02 g, respectivamente. No aparecieron diferencias significativas (p > 0.05) entre tratamientos con respecto a las variables de peso seco total, peso seco de bulbos y peso seco de hojas (Fig. 4B).

Al analizar las características relacionadas con la altura del bulbo, diámetro del bulbo y longitud de la raíz, se observaron diferencias significativas (p < 0.05) solo para la longitud de la raíz, el mejor tratamiento fue el T2 con valores de 193.50 ± 4.59 mm (Fig. 4C).

Si bien no hubo diferencias significativas entre tratamientos (p > 0.05), es destacable el contenido de P, N, K, Ca y S en plantas del T2 (Abundagro + 2% Biochar + PSB) (Cuadro 4). En cuanto a los micronutrientes, las diferencias fueron significativas (p < 0,05) para Fe y Cu, para Fe la mayor concentración fue en el T2 (0,1217 ± 0,0243 mg bulbo-1), seguido del T1 (0,0710 ± 0,0204 mg bulbo-1) y el T6. (0.0690 ± 0.0137 mg bulbo-1), mientras que el mayor contenido de Cu se encontró en el T1 (0.0016 ± 0.0006 mg bulbo-1), seguido del T2, T3 y T4 (Cuadro 4). No se observaron diferencias significativas (p > 0,05) para Na, Mn y Zn. Los valores para las plantas T2 fueron 1.6455 ± 0.2156, 0.0262 ± 0.0038 y 0.0202 ± 0.0024 mg bulbo-1, respectivamente. El contenido de B osciló entre 0,0194 ± 0,0023 y 0,0333 ± 0,0032 mg bulbo-1 en todos los tratamientos (Tabla 4).

Al analizar la variación en la fertilidad del suelo antes y después de la siembra (Material Suplementario S1), se obtienen diferencias significativas para la mayoría de las variables (Cuadro 5, Material Suplementario S3).

El pH de T1 y T3 aumentó en 0,25 ± 0,01 y 0,29 ± 0,02 unidades respecto al pH inicial (7,69 ± 0,04 y 7,70 ± 0,05). Estos dos tratamientos contenían 5% (p/p) de BC, pero T1 fue el biofertilizante que contenía PSB productor de ácido orgánico generando una ligera acidificación del suelo, lo que se observó en el pH menos alcalino de T1 en comparación con T2.

En todos los tratamientos el valor de CE disminuyó al final del ensayo (Material Suplementario S3), la variación fue mayor en T1 y T6 (Cuadro 5). La CE final para los seis tratamientos osciló entre 29,1 ± 1,46 y 30,2 ± 1,39 meq 100 g-1, ocurriendo la menor variación en T1 (- 0,58 ± 0,47 meq 100 g-1), lo que sugiere una mayor concentración de bases del complejo de intercambio en la solución del suelo, principalmente Ca, Mg, Na y K. Se produjeron bajas variaciones en las concentraciones de Ca, Mg y Na, lo que indica una mayor asimilación de nutrientes de las plantas en condiciones donde la lixiviación de nutrientes estuvo ausente para cualquiera de los tratamientos (Cuadro 5).

Los valores de la relación Ca/Mg oscilaron entre 24,7 y 27,7, lo que indica deficiencia de Mg y esa variación se presentó en el T2 con diferencias entre tratamientos. La relación Mg/K osciló entre 0,7 y 0,8, lo que indica deficiencia de Mg y una variación notable en T3 (Tabla 5).

La diferencia en el contenido de P total (TP) en el suelo fue menor en T1, T2 y T6, indicando una alta movilización de este elemento en estos tres tratamientos. Además, fue destacable la concentración de P total alcanzada en T1, T2, T3 y T4 (1464 ± 127, 1523 ± 126, 1469 ± 179 y 1445 ± 167 mg Kg-1), lo que se asoció con el contenido de BC. El contenido de P soluble de las BC recientemente producidas fue de 46.3 mg L-1 reportado en el análisis nutricional completo y/o PSB cultivado en medio MT11B cuya formulación tiene roca fosfórica (PR) como fuente de P. El contenido de PS en el biofertilizante fue de 21,9 mg L-1 (Cuadro 5).

El P extraíble en el suelo se asocia con Ca y Mg cuando el pH del suelo es alcalino, como fue el caso en este estudio. La baja variación en la concentración de P extraíble en suelo se presentó en T1, T2 y T3 (variaciones: 57.80 ± 4.95, 67.60 ± 3.26 y 60.03 ± 2.38 mg Kg−1 respectivamente) con concentraciones finales de 101.2 ± 12.1, 93.4 ± 8.0 y 88,0 ± 5,8 mg Kg−1 para T1, T2 y T3 respectivamente. Los tratamientos T4, T5 y T6 mostraron la mayor variación en la concentración final de P extraíble en comparación con los tratamientos T1, T2 y T3. En T1 y T2, se atribuyó a la presencia de PSB y a la autoliberación de ácidos orgánicos capaces de solubilizar P de la fracción de P extraíble (Tabla 5 y S3).

En cuanto al P soluble en el suelo, la concentración en el suelo del T1 fue una de las más bajas (6.43 ± 0.45 mg Kg−1) en comparación con los demás tratamientos y está relacionada con el contenido de P en los bulbos del mismo tratamiento (T1), donde uno de los contenidos de P más altos se encontró en los bulbos de cebolla con 1.25 ± 0.13 mg bulbo-1 (Cuadro 4). El peso fresco total (25,57 ± 1,14 g) y el peso seco total (2,00 ± 0,08 g) de las cebollas fueron los más altos de todos los tratamientos en T1 con diferencias significativas en TFW (p < 0,05) (Fig. 4).

El P soluble mostró la mayor variabilidad en el control, pero menor asimilación en A. cepa L., bulbo debido a posible precipitación con Ca o Mg. T4 con BC 2% mostró alto contenido de Ca y alto P total, alto P disponible y alto P en solución, pero el contenido de P en el bulbo fue menor que en los otros tratamientos debido a una posible precipitación con Ca.

Los tratamientos que tuvieron la mayor variación en la saturación de humedad se debieron a que el suelo retuvo la menor cantidad de agua, lo cual ocurrió en la mayoría de los tratamientos excepto en el T1, donde la saturación de humedad tuvo la menor variación, lo que indica que este suelo tuvo la mejor retención de agua. propiedades debido a la concentración de biofertilizante utilizado para la formulación (Tabla 5).

Las características físicas y químicas de los SCP utilizados en este estudio fueron similares a las reportadas por otros autores que han producido biocarbón a partir de aserrín de pino y son consistentes con los altos contenidos de polímeros estructurales (Material Suplementario S3)9,20,21. La alta relación C/N depende de las mayores cantidades de carbono que se degrada lentamente y de los bajos contenidos de nitrógeno. Parte de este carbono proviene de los monómeros de fenilpropano que constituyen el polímero de lignina (alcohol p-cumarílico, alcohol coniferílico y alcohol sinapílico)67. Estos monómeros se unen mediante enlaces éter, C-C, aril-C y tienen diferentes grupos funcionales como metoxi, hidroxi y carbonilo22. Estas características confieren a la lignina un alto grado de aromaticidad y características hidrofóbicas, que son decisivas en la estructura final del biocarbón9. Por otro lado, la estructura cristalina y los enlaces de hidrógeno presentes en la celulosa también contribuyen a aumentar la estabilidad de SCP20,67. Esas son las razones por las que el CPS se considera una excelente materia prima para la producción de biocarbón y es un uso alternativo de la biomasa lignocelulósica producida por el sector forestal en todo el mundo9,49.

Durante la pirólisis, ocurren tres etapas. El primero fue la deshidratación del SCP que ocurrió a temperaturas entre 50 y 300 °C27. En la segunda etapa, la combustión se produjo en condiciones de oxígeno reducido, lo que provocó que las fracciones lábiles de C, N y S se volatilizaran (aproximadamente 250 y 350 °C). Asimismo, la hemicelulosa y la celulosa sufren procesos de degradación térmica y comienzan a formarse núcleos de grafeno27,28,49. Por otro lado, la descomposición y reorganización de los subproductos de la lignina comienza a temperaturas más altas (350 y 450 °C)22. Los más reportados son los derivados de p-hidroxifenilo, guaiacilo y siringilo9. Estos intermediarios se consideran responsables de contribuir a la fracción de carbono que se transforma en estructuras de biocarbón condensado9,21. Finalmente, en la tercera etapa se llevan a cabo procesos de carbonización y condensación para generar la fracción más estable de BC, que comienza a temperaturas de 400 °C y alcanza los 500 °C19,22,28.

Como se muestra en la Tabla 2, el contenido de humedad del BC500 disminuyó (3.6 ± 0.51%) debido al proceso de deshidratación del CPS (7.0 ± 0.31%). Los aumentos en la densidad (0,42 ± 0,1 ± 0,1 g cm-3) y el porcentaje de porosidad (64,3 ± 1,1%) ocurrieron por los procesos de carbonización y condensación del BC a 500 ºC. Por otro lado, el reordenamiento del carbón condensado en la matriz BC500 generó una disminución en el tamaño de partícula (3.0 ± 0.7 mm) (Tabla 2, Fig. 2C, D). Anteriormente se publicó un resultado similar asociado con cambios en la porosidad, el tamaño de las partículas y el área de superficie49. Algunos autores han encontrado que al aumentar la temperatura, la porosidad también aumenta debido a la eliminación de materia volátil, lo que lleva a un aumento de la superficie cuando se utiliza aserrín de pino49. Por otro lado, a temperaturas que oscilan entre 300 y 400 °C se forman alquitranes que al volatilizarse a temperaturas de 500 °C dejan espacios irregulares a modo de poros 23.

En cuanto al pH, se produjo un aumento de 3,7 ± 0,08 (CPS) a 7,1 ± 0,6 (BC500), en comparación con la temperatura y la composición inicial de CPS. Como se presenta en el Material complementario S2, el CPS tiene varios elementos, como calcio, sodio, potasio, manganeso, aluminio, entre otros. El tratamiento térmico produjo cenizas que concentraron los minerales alcalinos y favorecieron la pérdida por volatilización de grupos funcionales ácidos (grupos fenólicos y ácidos carboxílicos)12,19,24.

El análisis aproximado para el CPS muestra que al ser el único material que pasó por un proceso de secado, es factible que tenga bajos contenidos de CF mientras que la mayor proporción de carbono esté asociada a la fracción volátil (Tabla 2). Chang et al.9 y De Bhowmick et al.27 (2018) observaron que el aserrín de pino crudo tiende a tener un mayor porcentaje de VC independientemente de la especie de pino utilizada; lo cual concuerda con nuestros resultados ya que se utilizó aserrín de pino caribe9,27.

En el análisis próximo para el BC, se produjo un aumento del 11,85% en CF (26 ± 2%) en comparación con CPS (14,15 ± 0,21%) y una disminución en CV (71,6 ± 2,4%). Estos resultados sugieren la factibilidad de producir un BC500 con carbono condensado, y las pérdidas por volatilización de H2O, CO2, CO, CH4, H2 y S disminuyeron cuando se produjeron en condiciones de oxígeno reducido68,69.

Otro factor que ayudó al aumento de la FC fue el alto contenido de lignina CPS (40,9%) porque la lignina se carboniza, se reorganiza y se condensa a temperaturas entre 450 y 500 °C para darle estructura al biocarbón21. Resultados similares han sido comentados por Chang et al.9; Kan et al.20, Igalavithana et al.23 y Lehmann et al.70 en sus estudios produjeron biocarbón a partir de aserrín de pino y observaron que a temperaturas entre 500 y 600 °C el carbono fijo aumenta a expensas del contenido de lignina9,20,23, 70.

Otros resultados que ayudaron a respaldar la producción exitosa de BC500 fueron los obtenidos del análisis elemental y las proporciones atómicas. En la Tabla 2 se observa que la concentración de carbono aumentó (71,04%), mientras que el oxígeno y el hidrógeno disminuyeron respecto al carbono (26,9 y 1,74%). Estas proporciones cambiaron debido a la despolimerización de la celulosa, la hemicelulosa y la lignina. Por otro lado, las proporciones de carbono, hidrógeno y oxígeno también cambiaron debido a la matriz de carbono amorfo producida y la posible formación de grafeno poliaromático24. Además, el N estuvo más concentrado en BC500 (0,32%) en comparación con CPS (0,08%), lo que podría estar relacionado con formas inorgánicas de nitrógeno como NO3 y NO2, que pueden resultar de la oxidación térmica de parte del nitrógeno total y del amonio49. Haddad et al.19 informaron que en biocarbón de aserrín de pino e impregnado con sales inorgánicas, el contenido de nitrógeno elemental se puede incrementar hasta un 0,3%19.

En cuanto a las relaciones atómicas, la disminución se relaciona con el efecto del tratamiento térmico de 500 °C durante una hora, lo cual ha sido comentado por diferentes autores que han trabajado con subproductos maderables de los árboles9,22,33,71. Al igual que estos autores en este trabajo, la disminución de H/C de 0,12 (CPS) a 0,02 (BC) se debió a la eliminación de agua, OH y H mediante procesos de deshidratación y deshidrogenación27,28. El valor obtenido indicó un aumento en la aromaticidad del BC500 y posiblemente tenga estructuras de grafito porque fue inferior a 0,168. La disminución en la relación O/C de 0,95 (CPS) a 0,38 (BC500) sugiere que BC500 es maduro, estable y menos polar, debido a la pérdida de grupos OH y grupos alifáticos72,73. Los cambios en la relación (O + N)/C de 0,954 en CPS a 0,383 en BC500 sugirieron una disminución en la cantidad de grupos funcionales que contienen oxígeno e hidrógeno asociados con un biocarbón menos polar (Tabla 2). Los resultados de las relaciones atómicas O/C y H/C fueron inferiores a 0,45 y 0,6, respectivamente, lo que indica que el BC500 producido en este estudio podría usarse en agricultura debido a su alta estabilidad y ayudaría a mejorar las propiedades físicas, químicas, y propiedades biológicas del suelo12,19,33.

La presencia de enlaces simples C-O simétricos (1025 cm-1), dobles enlaces C=C (1585 cm-1) y dobles enlaces C=O (1740 cm-1) son característicos de los subproductos del aserradero que contienen celulosa, hemicelulosa y y lignina9. La presencia de tramos O-H entre 3200 y 3500 cm-1 no fue distinta. Sólo una pequeña banda esperada aparece a 3330 cm-1 y es más notable ya que está relacionada con la abundancia de grupos OH unidos por enlaces de hidrógeno; agua intersticial situada entre celulosa y hemicelulosa49. Su baja intensidad podría estar relacionada con el proceso de presecado realizado al SCP antes de producir BC500 (Fig. 1). En BC500, las señales asociadas con el carbono más lábil (C – O) y los grupos hidroxilo (O – H) desaparecieron; esto demostró la eliminación de agua, grupos alifáticos y polares a 500 ºC. Lou et al.49 informaron un resultado similar; en su estudio, produjeron biocarbón a diferentes temperaturas utilizando aserrín como materia prima y observaron que el biocarbón realizado a 500 °C perdió más grupos funcionales O-H y alifáticos que los obtenidos a 300 °C49.

Por otro lado, los enlaces más estables como C=C (1585 cm-1), dobles enlaces C=O (1740 cm-1) y enlaces C-C (1365 cm-1) se concentraron en BC500 y posiblemente fueron responsables para disminuir la polaridad (Fig. 1). Estos resultados estuvieron relacionados con el índice de aromaticidad H/C y O/C, obteniendo valores inferiores a 0,3. Estos resultados son similares a los obtenidos por varios autores19,22,28,49.

La pared bacteriana está formada por polisacáridos, proteínas y lípidos que contienen grupos amino, carboxilo, fosfato y sulfato que pueden actuar como polielectrolitos45. La adsorción de PSB a BC500 depende del pH de la solución y de la concentración inicial de PSB25,26,74. A un pH ácido (3,5) inferior a pHzpc (4,1), BC500 se carga positivamente, favoreciendo la atracción de bacterias que tienen grupos funcionales cargados negativamente33. Otros factores que permitieron la adsorción de PSB fueron la porosidad del BC500, la superficie de contacto y la producción de exopolisacáridos, que también están cargados negativamente25.

Por el contrario, a pH 5,0 y 8,0, el BC500 cambia su carga superficial y aumenta las cargas negativas (pH > pHzp), provocando una repulsión electrostática entre el PSB y el BC500. Esta repulsión electrostática fue más evidente a pH 8,0 que a pH 5,0, lo que indica que a pH 5,0 coexisten grupos funcionales con carga positiva y negativa25.

Según los resultados de los estudios de adsorción, BC500 tiene una baja capacidad de adsorción de ortofosfatos (Fig. 3, Tabla 3). Sólo una pequeña cantidad de ortofosfatos (0,116 mg g-1) se adsorbió a pH 7,0. Es posible que a pH 7,0 y 5,0, parte de la superficie del BC500 se cargue negativamente (pH > pHzp) y genere una repulsión electrostática con los iones ortofosfato, que también están cargados negativamente49. Un resultado similar reportado por Lou et al.49, en su trabajo produjo biocarbón a 300 y 600 °C, observando que la eliminación de fósforo era baja a pH bajo el punto isoeléctrico49. Por otro lado, las capas de grafeno formadas durante el proceso de pirólisis también pueden adquirir una carga negativa a pH superiores a pHzpc, contribuyendo a una disminución en la adsorción de iones con carga negativa75.

Para la coinoculación de PSB sobre soportes sólidos se utilizó una amplia variedad de materiales; estos deben garantizar la supervivencia de los microorganismos, su actividad biológica y protegerlos de estreses bióticos y abióticos25. Un vehículo apropiado debe ser económico, fácil de usar, fácil de adquirir, permitir el intercambio de gases y mantener la humedad. Por otro lado, debe ser biocompatible para microorganismos y plantas26,34,42.

En BC500/PSB ocurrieron algunos cambios en las características químicas del material, siendo los más notorios el aumento de VC (75 ± 3%), el contenido elemental de oxígeno (73,61%), hidrógeno (1,23%), relación atómica H. /C (0,05) y O/C (2,93), (Tabla 2). Estos estaban relacionados con la hidratación de BC500 cuando se coinoculado con una suspensión de PSB que contenía agua, carbono, nitrógeno y otros elementos proporcionados por el medio de cultivo utilizado para cultivar PSB. En las condiciones experimentales, podrían ocurrir dos etapas durante la coinoculación. En el primero, el PSB se adsorbe a la superficie del BC500, favorecido por el pH de la suspensión del PSB (3.5), este valor de pH está por debajo de cero del punto de carga del BC500 y se determinó que la superficie adquiere una carga positiva, permitiendo que el PSB se adsorba a la superficie del BC500. se adsorben a través de interacciones químicas (Tabla 2, Fig. 3). Posteriormente, los PSB pudieron formar una biopelícula mediante la producción de exopolisacáridos y la adhesión al BC500 fue más estable. Finalmente, la distribución espacial del PSB no solo fue superficial sino que también se distribuyó dentro y alrededor de los poros (Fig. 4)33.

La fertilización de los cultivos de cebolla se realiza sin un diagnóstico previo integral del suelo, basado en una aplicación empírica de fertilizantes sólidos de origen inorgánico76. Álvarez-Hernández et al.76 y Blanco & Lagos77, reportaron que la extracción de P por ciclo productivo es de 35 ± 5 kg ha−176,77. Cuando los fertilizantes fosfatados se encuentran en cantidades excesivas, provocan la fijación de P, caracterizada por la presencia de altas concentraciones de P en forma de minerales fosfatados secundarios78. Por tanto, la fertilización debe ir asociada a una aplicación integral y equilibrada de los elementos que necesita la planta79. El suelo para evaluar el efecto del biofertilizante en macetas plásticas redondas se seleccionó, como se mencionó anteriormente, de acuerdo al contenido de P extraíble (168 mg Kg-1) y pH (7,73) reportados en el análisis nutricional previo a la siembra (Material suplementario S1). .

Las concentraciones de biofertilizante y BC evaluadas en este estudio provienen de un estudio previo33, donde se evaluaron tres concentraciones de un bioproducto a base de BC que contiene aserrín de pino caribe y PSB (Pseudomonas sp., Serratia sp. y Kosakonia sp.) sobre el crecimiento de A. .cepa L., en concentraciones de 1, 2 y 5% del bioproducto. En este estudio, los pesos secos (mg) y las alturas (cm) de las cebollas fueron significativamente diferentes (p < 0,05) cuando se empleó el bioproducto al 2 y al 5%33. Las propiedades de BC como portador microbiano están respaldadas por las altas poblaciones de PSB, la disposición de la biopelícula de los microorganismos en el bioproducto y la recuperación de bacterias del sustrato utilizado para la siembra en todos estos tratamientos que evaluaron el efecto del bioproducto. Por todo ello, estudiamos dos concentraciones de biofertilizante (2 y 5%) sobre el crecimiento de A. cepa L., en macetas plásticas redondas.

Durante los últimos años, el uso de bioinoculantes para mejorar el rendimiento de los cultivos y la eficiencia de la absorción de nutrientes se ha vuelto crucial para lograr la eficacia en el campo y el éxito comercial. Por lo tanto, se debe alcanzar la calidad y estabilidad del producto requerida por el mercado. Dos aspectos principales para el desarrollo de inoculantes exitosos a nivel de cultivo en parcelas de campo son la selección de la cepa o mezcla de cepas y una formulación adecuada, incluyendo el portador de la bacteria78,80,81,82. El presente estudio aborda los dos aspectos mencionados evaluando el biofertilizante sobre el crecimiento de A. cepa L., en macetas plásticas redondas, utilizando suelo agrícola del Departamento de Boyacá donde se cultiva esta especie vegetal.

Las plantas de cebolla se cosecharon cuatro meses después del trasplante. En la Tabla 4, se muestra la concentración de nitrógeno, fósforo y potasio en los bulbos (mg bulbo-1) al final del experimento. La aplicación de PSB a las plantas tratadas con Abundagro y Biochar favoreció la absorción de estos nutrientes en las plantas de prueba. Se ha informado que los PSB son microorganismos simbióticos mutualistas, que colonizan las raíces de la mayoría de las plantas de cultivo y pueden mejorar la movilidad y la absorción de nutrientes a nivel de la planta78,83,84. Rafique et al.37 informan que la abundancia de microorganismos puede aumentar en suelos modificados en BC debido a la estructura porosa del material, que puede ser un hábitat potencial para las bacterias, aumentando la superficie para la absorción de nutrientes37. Algunos estudios han demostrado efectos positivos de la adición de BC sobre el crecimiento de las plantas; sin embargo, las respuestas de las plantas varían según el suelo. En suelos con alto contenido de nutrientes, es posible que no haya beneficios significativos en términos de biomasa vegetal obtenida en una sola temporada de crecimiento35,74,85.

La inoculación del suelo con biofertilizantes que contienen PSB promueve el crecimiento de las plantas34. En el presente estudio, este efecto fue evidente en el peso seco total (PTS) (g), peso fresco y longitud de raíces de las plantas que recibieron el biofertilizante (Fig. 4). Esto puede atribuirse al aumento en la disponibilidad de nutrientes como N y P, consecuencia de la modificación de la presencia y concentración de compuestos orgánicos en la rizosfera, que unido al aumento del área radicular producido en respuesta a la presencia de Los reguladores del crecimiento vegetal como el ácido indol acético (AIA), favorecen la absorción de las formas disponibles de estos elementos34,78,86.

Balemi et al.87 reportaron un aumento significativo en el porcentaje de nutrientes en el bulbo de A. cepa L., especialmente N, como resultado de la inoculación con Azotobacter sp., una cepa bacteriana productora de reguladores del crecimiento que mejoraron el desarrollo de las raíces, lo que llevó a aumento de la absorción de nutrientes87. En el presente estudio, la inoculación de PSB favoreció el contenido de N en el bulbo en las plantas tratadas con Abundagro y Biochar 2% (p/p), tratamiento con los valores más altos de longitud de raíz.

En el presente estudio, la inoculación de PSB favoreció el contenido de N en el bulbo en las plantas tratadas con Abundagro y Biochar 2% (p/p), tratamiento con los valores más altos de longitud de raíz. Balemi et al.87 también reportaron un aumento significativo en el porcentaje de este nutriente en el bulbo de A. cepa L., como resultado de la inoculación con Azotobacter sp., una cepa bacteriana que produce reguladores del crecimiento que mejoran el desarrollo de las raíces, lo que lleva a una mayor absorción de nutrientes. . A pesar de que la variación de amonio y nitratos puede estar asociada al uso de fertilizantes químicos que se rotan en los cultivos88, los bajos y medios contenidos de K y B requeridos para el crecimiento de A. cepa L., las raíces como primer punto de contacto entre las partículas de BC y las plantas en crecimiento89 favorecen la absorción de los nutrientes disponibles en este material orgánico.

Además de la longitud de las raíces, el peso de las raíces y el peso fresco total de las plantas fueron mayores en los tratamientos con biofertilizante (Fig. 4) como lo reportan Rafique et al.34, quienes demostraron que la inoculación con PSB mejoró el crecimiento de las raíces y de los brotes de las plantas de maíz34. En el presente trabajo, la adición de BC y la aplicación de PSB favorecieron el efecto descrito al aumentar la biomasa (T1) y la longitud de las raíces (T2) de las plantas inoculadas (Fig. 4).

El uso de los biofertilizantes en T1 (5% de biofertilizante) aumentó la capacidad de intercambio catiónico (CIC) (29,6 ± 1,14) y el pH (7,6 ± 0,04) (Tabla 5 y S3). Estos pueden deberse a la acumulación de cenizas, que generalmente están compuestas por carbonatos de metales alcalinos (–Na, –K) y alcalinotérreos (–Mg, –Ca), fosfatos y pequeñas cantidades de compuestos orgánicos e inorgánicos90. Cuando el pH presenta valores cercanos a la neutralidad, la carga positiva de los óxidos de Fe y Al disminuye la afinidad por el P. Además, el aumento del pH del suelo debido al aumento de los óxidos de metales alcalinos (Ca, Mg y K) puede disminuir la solubilidad del Al reactivo. y así reducir la inmovilización de P91 mejorando el crecimiento de la cebolla a un pH cercano a la neutralidad como informaron Tekeste et al.92.

Hardie et al.93 sugieren que los cambios en la disponibilidad de P y la lixiviación después de la aplicación de BC al suelo son el resultado de una combinación de mecanismos fisicoquímicos, como la modificación del pH del suelo, la formación de complejos de fosfato metálico, la promoción de la actividad microbiana y el aumento de la mineralización del fosfato93.

Con respecto a otros macronutrientes como N y K, se observó un aumento en la concentración final del suelo, evidenciado por el signo negativo en la variación de las concentraciones reportadas en el Cuadro 5. Rehman et al.94 demostraron que el P3 extraíble en el suelo y otros macronutrientes aumentaron antes. y después de la cosecha de trigo con aplicación de BC y que la respuesta depende del tipo de suelo, tiempo de cultivo y la concentración de biocarbón formulado en el suelo94.

Los análisis de suelo poscosecha mostraron el efecto de los tratamientos sobre el pH. Se produjo una mayor variación del pH con tendencia hacia la alcalinidad tanto en el tratamiento con biofertilizantes como en el de BC. Rehman et al.94 demostraron, como en el presente estudio, que el BC cambia ligeramente el pH del suelo con tendencia a la alcalinidad94. Borno et al.91 mencionaron que la saturación de bases está relacionada positivamente con el pH del suelo porque un valor alto de saturación de bases indicaría que los sitios de intercambio de una partícula del suelo están acoplados con iones no ácidos91. Resultados similares obtuvimos en este estudio. En la Tabla 5 se muestran valores negativos de saturación de Mg y Ca en todos los tratamientos, lo que indica un aumento de estos elementos al final de la evaluación del biofertilizante en macetas plásticas redondas. Mientras que para Na y Ca no hubo incremento de estas bases en el suelo analizado después de la cosecha. Mukhtar et al.81 también documentaron que el uso combinado de fosfato inorgánico, cepas bacterianas y algunos materiales portadores es beneficioso para mejorar el pH del suelo y la superficie de las raíces mediante una mayor proliferación de las raíces81.

Los efectos del biofertilizante se relacionaron con un aumento de la germinación, crecimiento de plántulas, asimilación de nutrientes y crecimiento de las plantas debido a que el PSB inmovilizado en BC promovió la movilización de nutrientes, particularmente P, durante el cultivo de Allium cepa L. Lo anterior se demostró en T1 y T2. , en el que el bioinoculante (BC500/PSB) favoreció concentraciones de P total de 1,25 ± 0,13 y 1,38 ± 0,14 mg bulb-1, respectivamente. Estos son los contenidos más altos en comparación con los demás tratamientos evaluados.

Estos resultados a escala de invernadero deberán ser validados en campo, llevando el cultivo al momento de cosecha para verificar el efecto del producto y la eficiencia en el uso de nutrientes como parte del desarrollo de insumos biológicos para el sector agrícola. Esto cobra relevancia si consideramos que los suelos con cultivos de cebolla han recibido fertilizantes minerales durante mucho tiempo y por lo tanto tienen un alto contenido de fósforo total pero concentraciones moderadas o bajas de formas disponibles del nutriente.

El bioinoculante obtenido en este estudio a partir de biocarbón combinado con PSB autóctono es una estrategia eficaz para liberar el nutriente de estas formas no disponibles y aumentar los contenidos de P ext y P sol. Nuestro bioinoculante tras los distintos ciclos de cultivo en suelos (con altas cantidades de nutrientes) puede mejorar la disponibilidad de los nutrientes, lo que permitirá disminuir futuras dosis de fertilizantes minerales fosfatados y repercutir positivamente en el aprovechamiento del fosfato. rocas de las que son.

Este trabajo presenta los beneficios de un nuevo producto a base de bacterias asociadas naturalmente a la cebolla y un material orgánico (BC500) que además de servir como portador bacteriano, tiene efectos en aumentar el área de adsorción de nutrientes altamente reactivos, reduciendo su lixiviación o precipitación con otros nutrientes y fijación a la matriz sólida del suelo.

Los principales conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles en el repositorio [Figshare], [https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20060213.v1]. Además, parte de los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

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Authors thank to “Facultad de Estudios Ambientales y Rurales, de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, DC., Colombia, for the physical space to carry out the experiments at the scale of a pot.

Este trabajo fue financiado por el Gobierno de Boyacá, el Departamento Administrativo de Ciencia y Tecnología e Innovación y KOLCIENCIAS, Beca No. 733 de 2015: Formación de capital humano de alto nivel para el departamento de Boyacá” y por la Pontificia Universidad Javeriana Bogotá, DC Colombia ID de donación ID de donación 00007681 con el proyecto titulado Uso combinado de hongos ligninolíticos y pirólisis para la obtención de biocarbón modificado utilizando un modelo de biorrefinería, y Convenio de Cooperación No. 04861–18 entre la Pontificia Universidad Javeriana (Bogotá, DC), Colombia y la Universidad Anáhuac Campus Norte. Huixquilucan, Estado de México., México”.

Laboratorio de Microbiología Ambiental y de Suelos, Unidad de Investigaciones Agropecuarias (UNIDIA), Departamento de Microbiología. Facultad de Ciencias, Pontificia Universidad Javeriana, Carrera 7ma No 43-82, Edifício 50 Lab. 106, 110-23, Bogotá D.C., Colombia

Andrea Blanco-Vargas, María A. Chacón-Buitrago, María C. Quintero-Duque & Aura M. Pedroza-Rodríguez

Laboratorio de Biotecnología Molecular, Grupo de Biotecnología Ambiental e Industrial (GBAI), Departamento de Microbiología. Facultad de Ciencias. Pontificia, Universidad Javeriana, Bogotá, D.C., Colombia

Andrea White-Vargas & Raúl A. Poutou-Piñales

Laboratorio Asociaciones Suelo, Planta, Microorganismo (LAMIC). Grupo de Investigación en Agricultura Biológica, Departamento de Biología. Facultad de Ciencias. Pontificia, Universidad Javeriana, Bogotá, D.C., Colombia

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

Facultad de Estudios Ambientales y Rurales, Departamento de Ecología y Territorio. Pontificia, Universidad Javeriana, Bogotá, D.C., Colombia

Carlos A. Devia-Castillo

Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad Anáhuac Campus Norte, México, D.F., Mexico

Laura C. Castillo-Carvajal & Daniel Toledo-Aranda

Departamento de Ciencias Agrícolas y Naturales, Universidad Estatal de Minas Gerais, Ituiutaba, Minas Gerais, Brasil

Christiano da Conceição de Matos

Instituto Politécnico Nacional, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Ampliación Carpium y Plan Ayala S/N, Col. Santo Tomás, 11340, México CDMX, México

Oswaldo Ramos-Monroy

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AB-V.: Conceptualización, Investigación, Análisis formal, Metodología, Redacción del borrador original. MAC-B., MCQ-D.: Investigación, Análisis formal y Metodología. RAP-P., LAD-A., CAD-C., LCC-C., DT-A., Cap. da C de M., WO-G., OR-M.: Análisis formal, Metodología y Escritura. AMP-R: Conceptualización, Metodología, Administración de proyectos, Supervisión, revisión de redacción y edición.

Correspondence to Aura M. Pedroza-Rodríguez.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Blanco-Vargas, A., Chacón-Buitrago, MA, Quintero-Duque, MC et al. Producción de biocarbón de aserrín de pino que apoya a las bacterias solubilizadoras de fosfato como bioinoculante alternativo en Allium cepa L., cultivo. Informe científico 12, 12815 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17106-1

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Recibido: 09 de febrero de 2022

Aceptado: 20 de julio de 2022

Publicado: 27 de julio de 2022

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

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