Environmental benefits of using biochar as an amendment in pineapple cultivation in Costa Rica: soil physicochemical and biological effects and interaction with agrochemicals

Abstract

La producció de pinya tropical és una activitat econòmica important a Costa Rica, l’àrea de cultiu de la qual ha augmentat significativament en les dues darreres dècades, i amb una significativa generació de residus agroindustrials i ús intensiu de plaguicides com els herbicides bromacil i diuron. Tots dos han estat detectats en aigües superficials i subterrànies, causant problemes ambientals, de salut i econòmics, malgrat que hi ha poca informació sobre el seu destí ambiental en sòls tropicals. La transformació de residus agroindustrials en biocarbó (biochar) mitjançant piròlisi i la seva adició al sòl com a esmena han estat proposats com una pràctica útil per a la gestió de residus que permet la millora de la qualitat del sòl, el segrestament de carboni i una possible mitigació de la mobilitat de plaguicides. L’objectiu de la tesi fou avaluar els beneficis i eventuals efectes no desitjats de l’adició de biocarbó a un sòl costa-riqueny cultivat amb pinya en combinació amb bromacil o diuron, considerant tant els seus efectes en el destí i eficiència com els ecotoxicològics. Els materials carbonitzats (MC) s’obtingueren per piròlisi a 300 o 600 ºC durant una hora, utilitzant com a materials de partida rostoll de pinya tropical (PS), “”pinzote”” de palmera d’oli (PF) i l’endocarp del fruit de café (cascarilla) (CH), que es van caracteritzar fisicoquímicament i es van aplicar al sòl a dosis d’aplicació de 10 i 20 t ha-1. S’avaluà la sorció, la degradació i la biodegradació dels plaguicides en condicions de laboratori, permetent la predicció del seu risc ambiental amb l’índex de classificació d’impacte de plaguicides. Addicionalment, es van avaluar efectes en l’emergència i creixement de d’enciam (Lactuca sativa), el desenvolupament d’invertebrats (el col·lèmbol Folsomia candid i l’enquitreid Enchytraeus crypticus) i la diversitat funcional de la comunitat dels microorganisms (MicrorespTM) per a provar possibles efectes dels MC en l’eficiència dels herbicides i en organismes terrestres no diana. Els MC a 300 ºC es classificaren com a materials torrefactes (MT) i a 600 ºC com a biocarbons (B). Els biocarbons presentaren major superfície específica, contingut de carboni fixe i pH que els MT, alhora que els PS-B i PF-B tenien major abundància de grups oxigenats superficials que CH-B i que tots els MT. Es va demostrar una sorció dèbil al sòl en tots dos plaguicides, fet que suggereix una elevada mobilitat, i la degradació i biodegradació del bromacil fou limitada en comparació al diruon. L’adició de biocarbó incrementà la persistència del bromacil, i els PS-MT i PF-MT la sorció del diuron. No obstant, això no va canviar la mobilitat i toxicitat aquàtica predites pels pesticides. L’adició de MC no reduí l’eficiència dels herbicides, però augmentà l’emergència sense incrementar el creixement. L’aplicació d’herbicides no causà efectes tòxics en col·lèmbols o enquitreids, sinó que promogué la reproducció sense afectar la supervivència. S’observà una evitació generalitzada de les barreges sòl-MC en enquitreids contrària a la preferència dominant en col·lèmbols, independentment de la presència d’herbicides.

Finalment, no aparegueren canvis en la diversitat funcional microbiana amb l’adició d’herbicides o MC, llevat de l’increment en la taxa de consum d’alguns substrats en algunes barreges sòl-MC tractades amb diuron. En conclusió, l’adició de MC no canvià l’eficiència dels herbicides ni el seu destí en l’Ultisol tropical argilós estudiat. Sota la gestió habitual del cultiu de la pinya a la regió nord de Costa Rica, tots dos herbicides presentaren un elevat risc ambiental per a aigües superficials i subterrànies, i malgrat que l’adició de MC no ho va mitigar, no van causar efectes negatius sinó una millora del sòl com a hàbitat per a invertebrats edàfics.

La producción de piña es una actividad económica importante en Costa Rica que ha aumentado significativamente su área cultivada en las dos últimas décadas, con una alta generación de residuos agroindustriales y un uso intensivo de plaguicidas, incluidos los herbicidas bromacil y diurón. Ambos se han detectado en aguas superficiales y subterráneas, lo que ha causado problemas ambientales, de salud y económicos, aunque aún existe poca información sobre su destino ambiental en los suelos tropicales. La transformación de residuos agroindustriales en biocarbón (biochar) mediante pirólisis y su adición al suelo como enmienda, se ha propuesto como una práctica útil de gestión de residuos capaz de mejorar la calidad del suelo, el secuestro de carbono y que podría mitigar la movilidad de los plaguicidas.

El objetivo de la tesis fue evaluar los beneficios y eventuales efectos no deseados de la adición de biocarbón a un suelo costarricense cultivado con piña en combinación con bromacil o diuron, considerando tanto sus efectos ecotoxicológicos como en su destino y eficiencia. Los materiales carbonizados (MC) se obtuvieron pirolizando a 300 o 600 °C durante una hora rastrojo de piña (PS), pinzote de palma aceitera (PF) y cascarilla de café (CH), se caracterizaron física y químicamente y se mezclaron con suelo en dosis de aplicación equivalentes a 10 y 20 t ha-1. Se evaluaron la sorción, la degradación y la biodegradación de ambos plaguicidas en condiciones de laboratorio con lo que se predijo su riesgo ambiental con el Índice de Clasificación de Impacto de Plaguicidas. Además, se midió la emergencia y el crecimiento de la lechuga (Lactuca sativa), el desarrollo de invertebrados (colémbolo Folsomia candida; enquitréido Enchytraeus crypticus) y la diversidad funcional de los microorganismos (Microresp™) para probar los efectos de los MC en la eficiencia de los herbicidas y sobre organismos terrestres no diana.

Los MC a 300 °C se clasificaron como materiales torrefactos (MT) y a 600 °C como biocarbones (B). Los biocarbones mostraron mayor superficie específica, contenido de carbono fijo y pH que los MT, mientras que los PS-B y PF-B presentaron mayor abundancia de grupos funcionales oxigenados superficiales que el CH-B y que todos los MT. Se observó una sorción débil de ambos plaguicidas en el suelo, lo que sugiere una alta movilidad, mientras que la degradación y biodegradación de bromacil fue limitada comparada con el diurón. La adición de biocarbón aumentó la persistencia del bromacil, mientras que los PS-MT y PF-MT aumentaron la sorción del diurón. No obstante, la movilidad y la toxicidad acuática predichas de los herbicidas no se afectaron. La adición de MC no redujo la eficiencia de los herbicidas, pero aumentó la emergencia sin mejorar el crecimiento. La aplicación de herbicidas no tuvo efectos tóxicos sobre colémbolos o enquitréidos pues promovió su reproducción sin afectar la supervivencia. Hubo una evitación generalizada de los enquitréidos de las mezclas suelo-MC opuesta a la preferencia general de los colémbolos, independientemente de la presencia de herbicidas. Finalmente, no se demostraron cambios en la diversidad funcional microbiana por la adición de herbicidas o MC, y solo se observó un aumento en la tasa de consumo de algunos sustratos en algunas mezclas suelo-MC tratados con diurón.

En conclusión, la adición de MC no cambió la eficiencia de los herbicidas ni su destino en el Ultisol tropical arcilloso estudiado. Bajo la gestión habitual del cultivo de la piña en la Región Norte de Costa Rica, ambos herbicidas presentaron un elevado riesgo ambiental para aguas superficiales y subterráneas, y pese a que la adición de MC no le mitigar, no causaron efectos negativos sino una mejora del suelo como hábitat para invertebrados edáficos.

Pineapple production is an important economic activity in Costa Rica as shown by the increase in its cropped area in the last two decades. It involves a high generation of agro-wastes as well as an intensive application of pesticides, including the herbicides bromacil, and diuron. Their use is associated with problems of environmental, health and economic concern, because it has been detected in both surface water and groundwater. However, there is still scarce information about the environmental fate of these herbicides in tropical soils. The transformation of this agro-waste surplus by pyrolysis into biochar, a carbonaceous material, followed by its addition to soil as an amendment, has been suggested as a useful waste management practice. This is because it may improve the soil quality and carbon sequestration and potentially mitigate the mobility of pesticides.

The aim of this thesis was to evaluate the benefits and unexpected effects of biochar addition to a Costa Rican agricultural soil cropped to pineapple, concurrently considering the effects on bromacil and diuron fate and efficiency as well as non-target soil ecotoxicological effects. For this purpose, pineapple stubble (PS), oil palm fiber (PF) and coffee hulls (CH) were pyrolyzed at 300 or 600 °C for one hour and then physically and chemically characterized. Mixtures of the charred materials (CM) with soil were prepared at application rates equivalent to 10 and 20 t ha-1. Sorption, degradation, and biodegradation of both pesticides were evaluated in the laboratory, and the results were used to predict their environmental risk with the Pesticide Impact Rating Index. In addition, lettuce emergence and growth (Lactuca sativa), invertebrates performance (collembolan Folsomia candida; enchytraeid Enchytraeus crypticus), and microorganism functional diversity (Microresp™) were used to test the effects of CM on the herbicides’ efficiency and on the non-target soil biological groups.

CM pyrolyzed at 300 °C were classified as torrefied materials (TM), while those pyrolized at 600 °C were classified as biochars (B). Biochars showed higher specific surface area, fixed carbon content and pH values than TM, while PS-B and PF-B presented a higher abundance of surface oxygenated chemical groups than CH-B and all the TM. A weak sorption of both herbicides to soil was observed suggesting a high mobility, while the degradation and biodegradation of bromacil was more limited compared to that of diuron. The addition of biochars increased the persistence of bromacil, while PS-TM and PF-TM increased the sorption of diuron. Despite that, the predicted mobility and aquatic toxicity of the herbicides were unaffected. The addition of CM did not reduce herbicide efficiency but increased seedling emergence without improving growth. The adding of herbicides had no toxic effects on collembolans and enchytraeids as it promoted their reproduction without affecting survival. A generalized avoidance of CM-mixtures by enchytraeids was observed as opposed to the general preference shown in collembolans, irrespective of the supplementation or not of herbicides. Finally, no changes in the microbial functional diversity by the sole addition of herbicides or CM were demonstrated, and a significant increase in the consumption rate of some substrates was observed only in some diuron-treated CM-mixtures.

In summary, the addition of CM did not change the efficiency of the herbicides nor their fate in a tropical clay Ultisol. Under pineapple cropping conditions of the northern region of Costa Rica, bromacil and diuron presented a high estimated environmental risk to surface water and groundwater, and the addition of CM did not change this risk. Simultaneously, no negative effects to the soil ecosystem were observed, but there was an improvement in soil as a habitat for some soil invertebrates.