Biowęgiel, jako materiał organiczny poddany termicznej konwersji bez dostępu tlenu, bądź w jego ściśle określonej ilości, jest też przedmiotem badań ze strony mikrobiologii środowiskowej, a szczególnie rolniczej. Dzieje się tak za sprawą jego właściwości fizycznych, jak i chemicznych, którego ziarna mogą być zasiedlane przez rozmaite drobnoustroje glebowe. Jednak aplikacja biowęgla do gleb ma też swoje nomen omen ciemne strony. W tym artykule pokrótce postaramy się przyjrzeć wpływowi biowęgla na mikroorganizmy glebowe.

Charakterystyka właściwości fizycznych biowęgla, a raczej jego ziaren (czyli poszczególnych drobin; zgodnie z terminologią używaną przez wielu autorów m.in. Bis (2012)), jest oparta głównie o trzy parametry: powierzchnia właściwa ziaren (m²·g^-1), gęstość objętościowa (g·cm^-3) oraz porowatość, wyrażana np. za pomocą współczynnika powierzchnia/objętości (S/V ratio). Charakterystyki te składające się na przestrzenną strukturę biowęgla są zarazem parametrami wyznaczającymi przydatność biowęgla do zasiedlania go przez mikroorganizmy glebowe. Technika, która pozwala na obserwowanie struktury ziarna biowęgla (a także kolonizowania jej przez drobnoustroje) nosi nazwę skaningowej mikroskopii elektronowej (ang. Scanning Electron Microscopy, SEM).

Do właściwości chemicznych oddziałujących na mikrobiotę glebową należą w szczególności: odczyn pH, pojemność sorpcyjna kationów wymiennych (cmol·kg^-1). Z tym ostatnim związane jest pojęcie sorpcji. Otóż, w chemii fizycznej wyróżnia się procesy adsorpcji i absorpcji. Absorpcją nazywamy pochłanianie przez sorbenta gazów, par, jonów i cząstek niezdysocjowanych. Natomiast adsorpcja wiąże się z zagęszczaniem cząstek lub jonów na powierzchni sorbenta na granicy faz. Zjawiska te składają się na sorpcję, która jest możliwa dzięki występowaniu na powierzchni koloidów ładunku elektrycznego (w glebach Polski zazwyczaj „ujemnego”).

Pojemność sorpcyjna kationów wymiennych na ogół rośnie wraz z wiekiem biowęgla [Nartey i Zhao, 2014], co jak się sądzi jest następstwem oksydacji niektórych grup funkcyjnych na jego powierzchni (np. karboksylowej –COOH). Otrzymany na przykład przez Purakayastha i in. (2015) w temperaturze 400 °C biowęgiel ze słomy pszennej i ryżowej wykazywał wyższe wartości pojemności sorpcyjnej kationów wymiennych niż ten otrzymany z Rozplenicy perłowej (Pennisetum glaucum) czy kukurydzy. Z kolei dwa ostatnie miały wyższe pH. Po trzech tygodniach inkubacji próbek zauważyli oni istotny wzrost enzymu dehydrogenazy we wszystkich badanych przez siebie rodzajach biowęgla, przy czym najwyższą wartość zbadali w obiekcie ze słomą ryżową. 

Widać więc, że właściwości biowęgla wpływają na parametry jakościowe (rodzaj) jak i ilościowe mikroorganizmów (ogólna liczebność poszczególnych grup drobnoustrojów czy ilość węgla w biomasie mikrobioty) oraz na wykazywaną przez nie aktywność (mierzoną np. poziomem enzymów – głównie dehydrogenazy, fosfatazy kwaśnej i zasadowej).

Na przykład Luo i in. (2013) badali zasiedlanie biowęgla przez mikroorganizmy glebowe na powierzchni dwóch rodzajów biowęgla (uzyskanego w temperaturze 350°C oraz 700°C z Miscanthus giganteus, rośliny o typie C4 fotosyntezy, naturalnie wzbogaconą w izotop węgla ¹³C), wprowadzonych do gleb gliniasto-ilastych o dwóch skrajnych wartościach pH (4 i 8). Celem badań było ustalenie w jakim stopniu zaaplikowany biowęgiel może służyć za rezerwuar węgla dla mikroorganizmów glebowych, które, jak się przypuszcza, przyczyniają się w znacznym stopniu do rozkładania tego niezwykle trwałego materiału w glebie. Przy obserwowaniu „drogi” jaką pokonuje izotop węgla (¹³C) wprowadzony do roślin Miscanthusa, z których zrobiony został biowęgiel, można było ustalić, że zachodzi wysoka liniowa zależność pomiędzy ilością wprowadzonego izotopowego CO₂ (¹³C) do spirolizowanych roślin, a ilością węgla (¹³C) wbudowaną w mikroorganizmy i zbadaną (ok. 20% węgla ¹³C zawierała biomasa mikroorganizmów z wprowadzonego materiału spalanego w temp 350°C po 90 dniach inkubacji, a dla biowęgla spalanego w wyższej temperaturze było to jedynie 2%). Wyniki te i innych autorów sugerują, że proces mineralizacji biowęgla jest przede wszystkim precesem biologicznym. Jest on jednak mocno rozłożony w czasie, co budzi pewne zastrzeżenia co do bezpieczeństwa całego ekosystemu glebowego. Dlatego też badania nad mikrobiotą zasiedlającą biowęgiel skupiają się głównie na określeniu zdolności (i szybkości) mikroorganizmów w rozkładaniu biowęgla oraz przydatności tego materiału (tak różnego, biorąc pod uwagę różne sposoby jego otrzymywania) do akceleracji życia w glebie (zarówno mikrobioty jak i korzeni roślin).

Badania nad utrzymywaniem się biowęgla w glebie były prowadzone m.in. przez Kuzyakov i in. (2014). W 8,5-letnim eksperymencie laboratoryjnym, porównywali oni szybkość dekompozycji biowęgla zmieszanego z dwoma rodzajami podłoża (gleba płowa i less). Wskaźnik dekompozycji biowęgla oszacowano w oparciu o ilość wychwyconego w glebie ¹⁴CO₂ pochodzącego z biowęgla, który wyniósł 6,8·10^-4% na dzień, czyli w ujęciu rocznym daje to 0,26%. Na podstawie tych wyników oszacowali także średni czas pozostawania tego materiału w glebie klimatu umiarkowanego (MRT, mean residence time) na ok. 4000 lat.

Przy tej okazji należy jeszcze wspomnieć, że zachodzi konkurencja w kolonizowaniu powierzchni biowęgla między bakteriami i grzybami. Te ostatnie penetrują pory biowęglowe i „zatykają” je uniemożliwiając zasiedlanie wewnętrznych przestrzeni ziaren biowęgla bakteriom [Jaafar i in. 2015]. Ponadto parcele biowęgla o wymiarach 2,0-4,0 nm okazały się być najbardziej zasiedloną przez mikroorganizmy frakcją ziaren biowęgla (charakteryzowały się statystycznie istotnie większą masą węgla pochodzenia mikrobiologicznego, 161,47 mg C· kg^-1 suchej gleby), podczas gdy na parcelach cztery razy mniejszych (0,5-1,0 nm) ilość węgla związanego mikrobiologicznie była niższa o ok. 20%. Powinowactwo wobec tych dwóch grup mikroorganizmów jest związane m.in. z odczynem pH danego materiału.

Pewnym podsumowaniem są badania Gul i in. (2015) W swojej meta-analizie dotyczącej interakcji między biowęglami a mikroorganizmami zbadali, że biowęgle pochodzące z drewna i surowców o wysokiej zawartości metariałów lignocelulozowych zwiększały biomasę mikroorganizmów dopiero po 60 dniach inkubacji w laboratorium, w stosunku do szybciej zasiedlanych biowęgli pochodzących z obornika lub resztek roślinnych.

Pozostaje jeszcze kwestia substancji toksycznych, które pojawiają się podczas traktowania materiału organicznego wysokimi temperaturami. Należą do nich wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), polichlorowane bifenyle (PCB), dioksyny czy furany. Jednak potrzebne są dalsze badania nad zjawiskami zachodzącymi na powierzchni ziaren biowęgla, by lepiej zrozumieć i ocenić ryzyko wprowadzania go do gleby i jego interakcji między jej żywym komponentem.

 Piśmiennictwo:

Bis Z. 2012. Biowęgiel-powrót do przeszłości, szansa do przyszłości, Czysta Energia (6/2012)

Gul S., Whalen J.K., Thomas B.W., Sachdeva V.,  Deng H. 2015. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils: Mechanisms and future directions. Agriculture, Ecosystems and Environment 206 (2015) 46–59.

Jaafar N M, Clode P L, Abbott L K. 2015. Soil microbial responses to biochars varying in particle size, surface and pore properties. Pedosphere, 25(5): 770–780.

 Jin, H., 2010. Characterization of microbial life colonizing biochar and biocharamended soils. PhD Dissertation, Cornell University, Ithaca, NY.

 Kuzyakov Y., Bogomolova I., Glaser B. 2014. Biochar stability in soil: Decomposition during eight years and transformation as assessed by compound-specific ¹⁴C analysis, Soil Biology & Biochemistry (70), 229-236.

 Lehmann J., Rillig M. C., Thies J., Masiello C.A., Hockaday W.C., Crowley D. 2011. Biochar effects on soil biota e A review. Soil Biology and Biochemistry (43), 1812-1836.

 Luo Y., Durenkamp M., De Nobili M., Q. Lin, Devonshire B.J., Brookes P.C. 2013. Microbial biomass growth, following incorporation of biochars produced at 350 °C or 700 °C, in a silty-clay loam soil of high and low pH. Soil Biology and Biochemistry (57), 513-523.

Nartey O.D., Zhao B. 2014. Biochar Preparation, characterization, and adsorptive capacity and its effects on Bioavailability of contaminants: An Overview. Hindawi Publishing Corporation, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2014, Article ID 715398.

 Purakayastha T.J., Savita Kumari, Pathak H. 2015. Characterisation, stability, and microbial effects of four biochars produced from crop residues, Geoderma (239-240), 293-303.

 Steinbeiss S., Gleixner G., Antonietti M. 2009.Efect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity, Soil Biologfy and Biochemistry (41), 1301-1310.

Właściwości sorpcyjne gleb, www.geoinfo.amu.edu.pl