Physicochemical assessment and toxicological risk evaluation in amending agrarian soils with biochar generated from woody residues in the state of Aguascalientes, Mexico =

Abstract

Resumen (español) Investigaciones recientes, han revelado los múltiples impactos positivos del biocarbón o sustrato con cierto contenido de biocarbón aplicado en suelos: a) el potencial secuestro de emisiones de CO2 asociado para mitigar el cambio climático y b) la gran oportunidad que supone el biocarbón para contribuir hacia una bio‐economía regenerativa. En la última década, se ha incrementado la proporción de investigaciones relacionadas con el biocarbón, donde predomina la ejecución de experimentos con cultivos específicos. Estas investigaciones muestran que la aplicación de bio‐carbón ofrece oportunidades prometedoras para incrementar sustancialmente la eficiencia del suelo en numerosos campos de aplicación ya que se crean mejoras cualitativas tanto a nivel microbiológico como físico, y se logra cerrar el ciclo de los materiales. El biocarbón obtenido por conversión termodinámica de biomasa bajo condiciones anaeróbicas, desencadena propiedades particulares cuando es aplicado en el suelo, tales como: a) reducción de gases de efecto invernadero, b) mejoramiento de las propiedades microbiológicas y fisicoquímicas y c) absorción de sustancias perniciosas. El uso de biocarbón en Aguascalientes, un estado con clima semidesértico en México que sufre de escasez crónica de agua, podría incrementar la capacidad hídrica del suelo, incrementar la disponibilidad de agua para las plantas, así como reducir la sobreexplotación de los acuíferos. El biocarbón puede ser generado a partir de una gran variedad de materias primas de biomasa, debido a que Aguascalientes posee cantidades sustanciales de ésta como un potencial inexplotado. Se realizó un análisis cuantitativo de materias primas adecuadas; el cual contenía 11 especies diferentes de biomasa leñosa y se produjeron 4 tipos diferentes de biocarbón, mediante un horno cortina de llama Kon‐Tiki en el estado de Aguascalientes, México. Las características fisicoquímicas de los biocarbones se compararon contra criterios establecidos por el Certificado Europeo de Biocarbón (European Biochar Certificate, EBC por sus siglas en inglés) para evaluar la calidad y garantizar que su aplicación no supone ninguna amenaza. Todos los biocarbones producidos cumplieron con los requisitos básicos de calidad, tres calificaron con calidad premium. La capacidad de retención de agua varía en un rango de 149 a 254% masa de materia seca con superficie específica (BET) de 54 a 305 g m‐2, lo que se relaciona con los valores prestablecidos por la literatura y corrobora la probabilidad de incrementar las capacidades hídricas del suelo. Para evaluar la magnitud del incremento de la capacidad de retención de agua en suelos agrícolas, tres suelos diferentes presentes en Aguascalientes: calcisol, phaeozem y cambisol, se mezclaron en diferentes proporciones con los cuatro tipos de biocarbón producidos localmente bajo condiciones replicables y así la capacidad hídrica máxima (WCmax.) fue determinada. Pequeñas cantidades de biocarbón (proporción de biocarbón : suelo 1 : 100 [g/g] = 13 tBC ha‐1) incrementaron la capacidad hídrica máxima en el rango de 1.4 a 8.1 %, a diferencia del control dónde cantidades superiores a 80 tBC ha‐1 (= ratio 1:15) obtuvieron un incremento en la capacidad hídrica máxima en el rango de 6.6 a 11.8 %. Una evaluación micro‐económica de estos datos indica que es benéfico aplicar biocarbón como una estrategia para mejorar el suelo en Aguascalientes. A pesar de la alta calidad (certificada por el EBC), y la pruebas prometedoras sobre la capacidad hídrica, los biocarbones contienen cantidades significativas de sustancias peligrosas, como hidrocarbonos aromáticos policíclicos, dibenzeno‐pdioxinas y dibencenofuranos policíclicos, bifenilos policlorados y metales pesados, que pueden inducir efectos adversos si es aplicado incorrectamente en el suelo. Comparado con los niveles máximos permitidos de EBC, el contenido de metales pesados indica que la materia prima no es crítica, con valores muy por debajo de los límites. Los compuestos tóxicos más relevantes en el biocarbón se considera que son PAH‐16, ya que se sabe que son carcinógenos si entran en la cadena alimenticia y pueden afectar el crecimiento de la planta (negativamente). Valores agregados de PAH‐16 detectados en cada tipo de biocarbón producido variaron entre 0.7 y 5.3 mg kg‐1, un rango no crítico que se encuentra dentro de los valores permitidos. De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (WHO por sus sigals en inglés), las concentraciones agregadas en factor de equivalencia tanto para PCDD/Fs (< 0.35 mg kg‐1) y PCBs (< 0.4 μg kg‐1 88%DM) están por debajo de los valores de EBC permitidos. Sin embargo, contienen sustancias que pueden afectar organismos vivos. Pruebas de toxicidad en las cuales organismos vivos, como los invertebrados acuáticos, son expuestos a contaminantes bajo condiciones de laboratorio, se ha vuelto una herramienta poderosa en los últimos años. El propósito de estas pruebas de toxicidad es obtener una visión apropiada, que pueda informar/concientizar a los que toman decisiones y a quienes las ejecutan sobre los niveles de toxicidad y el riesgo asociado creado por actividades antropogénicas en los ecosistemas. Por lo tanto, dichas pruebas eco‐toxicológicas suponen una herramienta sustancial para evaluar el potencial de toxicidad de una mezcla compleja de tóxicos típicamente encontrada en el biocarbón. Para evaluar la toxicidad de los biocarbones en organismos no‐diana, se realizaron pruebas de toxicidad en cuatro especies de invertebrados bénticos y zooplanctónicos: a) el ciliado Paramecium caudatum, b) el rotífero Lecane quadridentata, y c) los cladóceros Daphnia magna y Moina macrocopa, utilizando elutriados de biocarbón puro obtenidos del biocarbón previamente mencionado. La respuesta a la toxicidad por parte de los invertebrados a los elutriados de biocarbón en un ambiente controlado de laboratorio ha sido analizada, para estimar las concentraciones letales dónde 50% y 10% de los animales sometidos a la prueba mueren (LC50, LC10) y definir la concentracion máxima donde no hay difereencias con el control (NOEC por sus siglas en inglés) y la concentración mínima donde hay diferencias con el control (LOEC por sus siglas en inglés). Subsecuentemente, se calculó el rango de toxicidad debida a la concentración de los cuatro biocarbones en las pruebas ambientales, utilizando las ecuaciones obtenidas de las pruebas de toxicidad. En pruebas de toxicidad aguda y crónica, no se detectaron efectos agudos en ciliados pero sí significativamente letales para rotíferos y sustancialmente letales para los cladóceros; con valores de LC50 debajo del 25% de concentración efectiva (CE) para los rotíferos y LC50 debajo del 306% CE para los cladóceros. Esta toxicidad letal puede deberse a la ingestión/digestión de biocarbón y las sustancias tóxicas presentes en él mediante procesos enzimático/mecánico de los cladóceros y rotíferos; el análisis fotográfico muestra el tracto digestivo de los organismos analizados completamente lleno de partículas de biocarbón. Solamente se detectó una toxicidad aguda si los organismos eran expuestos a elutriados de biocarbón puro. Cuando los organismos eran expuestos a elutriados obtenidos de una mezcla biocarbón : suelo en proporción 1:8 (v/v), se observaron efectos no crónicos ni letales en todas las especies analizadas. Los resultados muestran que la proporción aplicada tiene una influencia decisiva en la biota del suelo. Si los usuarios siguen estándares que regulen la adición de biocarbón en el suelo, los potenciales efectos negativos en rotíferos y cladóceros pueden ser ampliamente reducidos. No obstante, el uso adecuado del biocarbón certificado no garantiza un 100% seguridad, particularmente en hábitats sensibles cuando se utiliza el biocarbón como alimento animal. Esta información indica que el uso de las pruebas toxicológicas en organismos vivos es una herramienta importante para evaluar la toxicidad de los biocarbones en el ambiente, especialmente cuando se aplica a biomasas vulnerables, y los usuarios deben adecuarse lo más cerca posible a los valores cuantitativos establecidos.

Abstract Recent research studies reveal the multi‐dimensional positive impacts of biochar or biochar based substrate application in soil, the associated CO2 sequestration potential to mitigate climate change and the great chance of biochar to contribute towards a regenerative bio‐economy. Pertinent fundamental biochar related research with an increasing rate has been conducted in the last decade, whereby predominantly plot trials with selected crops were executed. Tenor of these investigations is that the application of biochar offers promising chances to sustainably increase soil efficiency in numerous fields of application whereby qualitative microbiological and physical improvements as well as the closing of materials cycles is achieved. Biochar obtained by thermochemical conversion of biomass under anaerobiosis triggers particular effects when applied to soil, such as: greenhouse gas emissions reduction, improvement of physicochemical and microbial properties, and absorption of pernicious substances. The use of biochar in Aguascalientes, a semidesertic State in Mexico that suffers from chronic water paucity, could increase soil water capacity, improve plant available water and reduce aquifer overdraft. Biochar can be produced from a broad variety of biomass feedstock, whereby Aguascalientes possesses a substantial quantity of untapped biomass potential. Following a quantitative analysis of adequate feedstock, comprising 11 woody biomass species, four different biochars were generated using a Kon‐Tiki flame curtain kiln in the state of Aguascalientes. The biochars physicochemical characteristics were analyzed against criteria set by the European Biochar Certificate to assess quality and increase probability for hazard‐free application. All biochars produced fulfilled basic quality requirements, three qualified for premium quality. Water holding capacity ranged from 149 to 254 mass % in dry matter with specific surface (BET) of 54 to 305 g m‐², which correlates to literature default values and corroborates the probability to increase soil water capacities. To assess the magnitude of increasing soil water capacity of agrarian soil three different soils from Aguascalientes, a calcisol, a phaeozem and cambisol have been blended in different ratios with the four locally produced biochars under reproducible conditions and the Maximum Water Capacity (WCmax.) [also known as Water Holding Capacity, short WHC) of the substrates was determined. Already small quantities of biochar (ratio biochar : soil 1:100 [g/g] = 13 tBC ha‐1) increased the WCmax. in the range of 1.4 to 8.1 percentage in contrast to the control, whereby quantities above 80 tBC ha‐1 (= ratio 1:15) obtained an augmentation of WCmax. in the range of 6.6 to 11.8 percentage. Cost‐benefit evaluation of these data indicate that it can be beneficial to apply a biochar based soil amendment strategy in Aguascalientes, particularly in high water cost realms. Despite the high quality (certified by European Biochar Certificate, short EBC), and the promising WCmax. tests the biochars contain substantial quantities of hazardous substances, such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated dibenzo‐p‐dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and heavy metals, which can induce adverse effects if wrongly applied to the environment. Compared to the EBC thresholds, all heavy metal contents indicated uncritical biomass feedstock, with values far below the limits. The most relevant toxic compounds in biochar are considered to be the PAH‐16, as it is known that they are carcinogenic if entered in the food chain and can affect plant growth negatively. Aggregate values for the PAH‐16 detected in each type of biochar produced ranged from 0.7 to 5.3 mg kg‐1, which are uncritical values within the allowed threshold. Based on WHO equivalency factor aggregated concentrations both for PCDD/Fs (<0.35 ng kg‐1) and PCBs (<0.4 μg kg‐1 88%DM) are below the permitted EBC thresholds, however, still contain substantial content to endanger living organisms. Toxicity tests in which live organisms, such as aquatic invertebrates, are exposed to contaminants under laboratory conditions, has become a powerful tool in the past years. The purpose of toxicity testing is to obtain appropriate insight, which will acquaint decision makers and practitioners about the levels of toxicity and the associated risk created by anthropogenic activities in ecosystems. Hence, ecotoxicological tests provide a substantial tool to assess the toxicity potential of a complex mixture of toxicants typically found in biochar. To assess the toxicity of biochars to non‐target organisms, toxicity tests with four benthic and zooplanktonic invertebrate species, the ciliate Paramecium caudatum, the rotifer Lecane quadridentata, and the cladocerans Daphnia magna and Moina macrocopa were performed using pure biochar elutriates generated from the aforementioned biochar. The toxic responsiveness of the invertebrates to the biochar elutriates in a controlled laboratory test environment has been checked, to estimate lethal concentration where 50% and 10% of test animals die (LC50, LC10,) and define no observed effect concentration (NOEC) and lowest observed effect concentration (LOEC) values. Subsequently, the expected toxicity range due to the concentration of the four biochars in the environmental samples, using the equations obtained from the toxicity tests, was calculated. In acute and chronic toxicity tests, no acute toxic effect to ciliates, but significant lethality to rotifers and substantial lethality to cladocerans with LC50 values below 25% effective concentration (EC) for rotifers and LC50 below 306% EC for cladocerans was detected. This lethal toxicity might be due to ingestion/digestion by enzymatic/mechanic processes of biochar by cladocerans and rotifers of toxic substances present in the biochar, as photographic analysis showed digestive tracts of the test organisms fully filled with biochar particles. Acute toxicity was only detected if the organisms were exposed to the pure biochar elutriate. When the organisms were exposed to elutriate obtained from a biochar : soil mixture in ratio 1:8 (v/v), no chronic and no lethal effects to all tested species were observed. The results show that the application rates have a decisive influence on the soil biota. If users follow standards that regulate biochar additions to the soil, the potentially harmful effects on rotifers and cladocerans can be most widely diminished. Nonetheless, the compliant use of certified biochar does not guarantee 100% safety, particularly near sensitive habitats or with regard to biochar utilization in animal feed. These data indicate that it is instrumental to use toxicity tests with living organisms to assess biochars toxicity to the environment, especially when applied at vulnerable biomes, and that applicants should stick closely to the quantitative set‐point values.