Bone char in the environment and agriculture interface: literature review and agronomic performance of material modified with biogenic sulfuric acid

Abstract

Phosphorus (P) is one of the most essential nutrients required by plants, playing a crucial role in crop growth, development, and productivity. However, rock phosphates are a finite resource, and its global reserves and production are concentrated in a limited number of countries. The increasing demand for food, combined with the scarcity of natural P reserves, has intensified the search for renewable and sustainable sources of this nutrient. In this context, livestock-derived have been investigated as alternative P sources for agricultural use. One such material is bone char, obtained by pyrolysis of animal bones, whose basic composition, hydroxyapatite, is similar to that of phosphate rocks, commonly used in mineral fertilizer production. Recent studies have demonstrated the efficacy of bone char application in agriculture both as a phosphorus fertilizer and as an environmental pollutant remediation agent. Given this scenario, this dissertation was structured into two chapters. The first chapter presents a literature review of the most recent studies involving bone char, focusing on its use in environmental remediation of pollutants and in agriculture as a fertilizer. The review was conducted using scientific databases and artificial intelligence tools to research refinement. The findings indicate that bone char has been used as a potential slow-release phosphate fertilizer, with significant advances in enhancing its solubility through chemical modifications and combinations with other elements or microorganisms. In environmental applications, bone char has proven to be a sustainable and effective alternative for removing toxic compounds and heavy metals from soil, water, and wastewater. In the second chapter, bone char was synthesized from bovine bones, and biogenic bone char was produced by treating bone char with biogenic sulfuric acid. These materials were characterized and their agronomic performance evaluated in comparison with commercial sources of higher and lower solubility (single superphosphate and Bayóvar). Agronomic performance was assessed through maize cultivation in a greenhouse for 45 days, using a single application rate of 200 mg dm-3 de P2O5. Plant dry matter was quantified, followed by the determination of nutrient concentrations in plant tissue. Based on these data, agronomic efficiency and nutrient recovery rates were calculated. Both bone char and biogenic bone char exhibited a hydroxyapatite pattern, with predominant elements including carbon, oxygen, phosphorus, and calcium, and sulfur additionally detected in the biogenic-bone char. The agronomic performance of the biogenic-bone char and single superphosphate was similar and superior to that of Bayóvar and untreated bone char, demonstrating that acidification was effective in rendering the acidified bone char comparable to single superphosphate. Thus, acidified bone char proved to be a promising alternative as a more soluble phosphate fertilizer. Keywords: phosphorus; fertilizer; remediation ; sustainability.O fósforo (P) é um dos nutrientes mais requeridos pelas plantas, sendo crucial para o crescimento, desenvolvimento e produtividade das culturas. Entretanto, é um recurso finito e suas reservas e produção se concentram em poucos países. A crescente demanda mundial por alimentos, aliada à limitação dos recursos naturais impulsiona a busca por fontes renováveis. Diante desse cenário, resíduos agropecuários têm sido estudados como fontes alternativas de P para uso na agricultura e uma dessas fontes é o bone char, material obtido por meio do processo de pirólise de ossos de animais, cuja composição básica é a hidroxiapatita, semelhante a composição das rochas fosfáticas. Estudos recentes demonstraram que o bone char vem sendo aplicado em diversas áreas, como a agrícola e ambiental apresentando resultados promissores. Diante disso, esta dissertação foi dividida em dois capítulos, o primeiro objetivou realizar uma revisão bibliográfica sobre os estudos mais recentes utilizando o bone char agronomicamente e ambientalmente, utilizando bases de dados e ferramentas de inteligência artificial para a busca de artigos correlacionados. Verificou-se que o bone char vem sendo utilizado na agricultura como um potencial fertilizante fosfatado de liberação gradual, com avanços na melhoria de sua solubilidade por meio de modificações e combinação com outros elementos e microrganismos. No contexto ambiental, revelou-se uma alternativa sustentável e eficaz na remoção de componentes tóxicos e metais pesados, no solo, na água e no tratamento de efluentes. No segundo capítulo, foi realizada a síntese do bone char a partir de ossos bovinos e do bone char biogênico a partir do bone char e de ácido sulfúrico biogênico, bem como a caracterização e a avaliação do desempenho agronômico desses materiais em comparação a fontes comerciais de maior e menor solubilidade (superfosfato simples e Bayóvar). O desempenho agronômico foi avaliado por meio do cultivo de milho em casa de vegetação por 45 dias, utilizando dose única de 200 mg dm-3 de P2O5. Quantificou-se a matéria seca vegetal e, posteriormente, realizou-se a determinação dos nutrientes no tecido vegetal. A partir desses dados, calcularam-se a eficiência agronômica e a taxa de recuperação dos nutrientes. O bone char e bone char biogênico apresentou padrão de hidroxiapatita, bem como elementos predominantes carbono, oxigênio, fósforo e cálcio, além do enxofre no bone char biogênico. O desempenho agronômico do bone char biogênico e do superfosfato simples foi semelhante e superior ao do Bayóvar e ao do bone char sem tratamento, evidenciando que a acidificação foi eficiente, equiparando o bone char acidificado ao superfosfato simples. Assim, o bone char acidificado demonstrou ser uma alternativa promissora para uso como fertilizante fosfatado de maior solubilidade. Palavras-chave: fósforo; fertilizante ; remediação; sustentabilidade.