Investigation of biochar stability by means of gas isotopic measurements

Oggetto della presente tesi sono i carboni prodotti da biomasse (biochar) e utilizzati per lo stoccaggio del carbonio nel suolo e allo stesso tempo come ammendanti per terreni agricoli. I carboni considerati sono derivati da pirolisi o carbonizzazione idrotermale (HTC). Nel presente lavoro vengono esaminati in dettaglio alcuni importanti fenomeni che si possono manifestare in seguito all’applicazione su un ecosistema preesistente nel terreno: da un lato il materiale estraneo influenza il metabolismo della materia organica, l’abbondanza e la varieta all’interno della comunita microbica nel suolo, dall’altro i microorganismi giocano un ruolo fondamentale nella degradazione del nuovo substrato. Questi due aspetti sono essenziali per valutare quanto sia opportuno l’utilizzo di un determinato carbone dal punto di vista della sua longevita, degli effetti attesi sulla resa agricola e di eventuali effetti collaterali sull’ecosistema. Da queste premesse sono emerse le seguenti domande, su cui e focalizzato il presente lavoro: • Quali fattori determinano la degradabilita dei carboni nel suolo? • Che effetti possono avere i carboni sulla respirazione del terreno, sul suo contenuto di carbonio, sull’abbondanza dei microorganismi e sulla dinamica della comunita microbica? Come possibili variabili indipendenti per la degradabilita dei carboni sono state considerate: il processo di produzione, un possibile posttrattamento, l’invecchiamento dei substrati, l’aggiunta di nutrienti e di carbonio biodisponibile. Per questo studio sono stati applicati carboni derivati da pirolisi e da HTC di insilato di mais in un terreno sabbioso. Il fondamento di tutti gli esperimenti riportati e lo studio della dinamica della respirazione microbica in diverse miscele terreno/carbone, misurata tramite spettroscopia a infrarossi, che vale come tracciante per l’attivita microbica e per la degradazione del substrato. In aggiunta e stato periodicamente misurato il contenuto di carbonio nel terreno. Gli esperimenti sono stati condotti su due diverse scale: • Incubazioni in laboratorio (10 giorni) in condizioni climatiche controllate, all’interno di un apparato per la ventilazione a flusso continuo, con presa diretta per lo strumento di misura. • Esperimento in campo parcellizzato (2 anni) nel Brandeburgo nordoccidentale, dove la misura della respirazione e avvenuta per campionamento ripetuto da camere opache poggianti ermeticamente sul suolo. Per una delle incubazioni e stata anche eseguita una qPCR (reazione a catena della polimerasi quantitativa in tempo reale) per quantificare l’abbondanza di determinati gruppi tassonomici di microorganismi. Nel campo e stata inoltre misurata l’abbondanza degli isotopi stabili del carbonio (12C e 13C), sia nel terreno sia nella CO2 liberata, per differenziare la degradazione dei carboni da quella del carbonio organico nel suolo, che in principio puo essere influenzata dalla presenza dei carboni (priming). I risultati confermano l’aumentata stabilita di entrambi i carboni in confronto al materiale di partenza, in particolare del carbone pirolitico che si e degradato piu lentamente, sia in laboratorio sia in campo. La degradabilita di entrambi i carboni si e in ogni caso ridotta con l’invecchiamento. Basandosi sulle emissioni del secondo anno della sperimentazione in campo, sono stati calcolati dei tempi di dimezzamento di 81 anni e 60 anni, rispettivamente per il carbone pirolitico e per il carbone da HTC. La degradazione del carbone da HTC ha rivelato una dinamica piu complessa, che testimonia un adattamento della comunita microbica nell’arco dei 10 giorni di incubazione. Nel primo anno in campo e stata rilevata un’elevata emissione di composti volatili e labili, che ha portato a un incremento della stabilita nell’anno seguente. Il posttrattamento dei carboni tramite fermentazione anaerobica ha comportato una notevole riduzione dell’iniziale mineralizzazione del carbone da HTC, ma una diminuzione della stabilita di entrambi i carboni sul lungo periodo: i tempi di dimezzamento calcolati per il carbone pirolitico fermentato e per il carbone da HTC fermentato nel secondo anno dell’esperimento sul campo valgono rispettivamente 14 anni e 13 anni. Nel terreno usato, povero di carbonio, gli effetti dei carboni sull’abbondanza dei gruppi microbici selezionati e stata nettamente ridotta rispetto al materiale non carbonizzato, mentre la reazione all’aggiunta di carbonio labile e stata tendenzialmente inibitoria. Infatti, se l’aggiunta di glucosio ha incrementato considerevolmente la respirazione e l’ampiezza delle variazioni nella comunita microbica, in presenza dei carboni le variazioni sono state fortemente ridotte. L’aggiunta di azoto inorganico non ha invece portato a variazioni apprezzabili nella respirazione. Gli esperimenti basati su incubazioni hanno consentito di determinare la dinamica a breve termine della respirazione e l’adattamento della comunita microbica in seguito ad aggiunta dei carboni e di altre sorgenti di carbonio e azoto. Nell’esperimento su campo si e potuta osservare la dinamica di degradazione dei composti carboniosi in condizioni di prassi agricola e grazie alla misura degli isotopi stabili si sono potuti ottenere risultati differenziati sulla stabilita a lungo termine dei carboni e della sostanza organica del suolo. E quindi possibile immagazzinare il carbonio in modo duraturo nel suolo sotto forma di carbone. La durata stimabile di questo immagazzinamento dipende pero da molteplici fattori tra cui la materia prima, il processo di carbonizzazione, le interazioni tra particelle carboniose e microorganismi del suolo e non da ultimo la durata della sperimentazione. Gli esperimenti a breve termine sono un mezzo efficace per rilevare le conseguenze immediate di modifiche del terreno; la stabilita dei carboni e quindi il loro potenziale per il sequestro del carbonio puo essere determinata nel modo piu affidabile solo in studi a lungo termine sul campo.