Sugarcane straw biochar and cow bonechar: physical-chemical characterization and interference on the behavior of metribuzin in soil and water

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Data

2023-07-25

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Universidade Federal de Viçosa

Resumo

The pyrolysis temperature in biochar production and the application rate in soil can influence the sorption, desorption, and degradation of herbicides, as well as soil fertility. The objective of the study was to investigate the effect of soil amendment with different pyrolysis temperature-produced sugarcane straw biochar application rates on the behavior of metribuzin and soil fertility. A second objective was the production of a cellulose acetate film with cow bonechar as a viable alternative for metribuzin removal from water. The treatments for the sorption-desorption and degradation studies of metribuzin consisted of three pyrolysis temperatures (BC350 ºC, BC550 ºC, and BC750 °C) and seven application rates (0, 0.1, 0.5, 1, 1.5, 5, and 10 % w/w). The treatments for the metribuzin removal from water study consisted of 2 and 3 g of bonechar fixed in the cellulose acetate film, pure powdered bonechar (2 g), and a control (without bonechar addition). Metribuzin quantification in soil and water was performed using High Performance Liquid Chromatography (HPLC). The amended soil with different application rates showed a reduction in H + Al and an increase in pH, OC, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, CEC, and BS. Metribuzin sorption and desorption coefficient (Kf) were 1.42 and 0.78 mg(1−1/n) L1/n Kg-1, respectively, for the unamended soil. Biochar application rates <1 % sorbed ~23 % and desorbed ~15 % of metribuzin, similar to the unamended soil, for all pyrolysis temperatures. Amended soil with a 10 % application rate of BC350 ºC, 550 ºC, and 750 ºC sorbed 63.8 %, 75.5 %, and 89.4 % and desorbed 8.3 %, 5.8 %, and 3.7 % of metribuzin, respectively. The values of degradation half-life time, DT50 and DT90, for metribuzin in unamended soil were 7.37 and 24.94 days, respectively. The soil amended with 10% of BC350 ºC increased metribuzin DT50 from 7.35 to 17.32 days and DT90 from 24.41 to 57.26 days compared to the unamended soil. The lower application rates (0.1 to 1.5 %) of BC550 ºC and BC750 ºC decreased metribuzin DT50 to ~4.05 and ~5.41 days, respectively. The amended soil with BC350 ºC at high application rates (5 and 10 %) provided high microbial respiration rate (C-CO2), low carbon fixation of microbial biomass (MBC) and high metabolic rate (qCO2). The addition of 2 and 3 g of bonechar fixed in the cellulose acetate film sorbed 40 % and 60 %, respectively, of metribuzin at lower concentrations (0.25, 0.33, and 0.5 mg L-1). At higher concentrations of 1.0 and 2.0 mg L -1, sorption was 16% and 50% of metribuzin for the addition of 2 and 3 g of bonechar fixed in the cellulose acetate film, respectively. High pyrolysis temperature and application rates of sugarcane straw biochar demonstrate the ability to immobilize metribuzin, improve soil fertility, and increase metribuzin degradation in soil, which can influence weed control effectiveness. The acetate film with bonechar was efficient in metribuzin removal, with only a loss of sorptive capacity compared to pure bonechar observed. Keywords: Environmental remediation. Herbicide. Natural polymer. Carbonaceous material. Behavior.
A temperatura de pirólise na produção de biochar e a taxa de aplicação no solo podem influenciar na sorção, dessorção e degradação dos herbicidas e na fertilidade do solo. O objetivo do estudo foi investigar o efeito de modificações no solo com taxas de aplicação do biochar de palha de cana-de-açúcar produzido em diferentes temperaturas de pirólise sobre o comportamento do metribuzin e fertilidade do solo. Um segundo objetivo foi a produção de um filme de acetato de celulose com bonechar como uma alternativa viável para remoção do metribuzin da água. Os tratamentos dos estudos de sorção-dessorção e degradação do metribuzin foram três temperaturas de pirólise (BC350 ºC, BC550 ºC e BC750°C) e sete taxas de aplicação (0; 0,1; 0,5; 1; 1,5; 5 e 10 % p p-1). Os tratamentos do estudo da remoção do metribuzin da água foram compostos por 2 e 3 g de bonechar fixado no filme de acetato de celulose, bonechar puro em pó (2 g) e um controle (sem adição do bonechar). A quantificação do metribuzin no solo e na água foi realizada em High Performance Liquid Chromatography (HPLC). O solo modificado com diferentes taxas de aplicação mostrou redução de H + Al e aumento do pH, OC, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, CTC e SB. A sorção e a dessorção do metribuzin foram 1,42 e 0,78 mg(1−1/n) L1/n Kg-1 respectivamente, para o solo não modificado. Taxa de aplicação <1 % do biochar sorveu ~23 % e dessorveu ~15 % do metribuzin, similar ao solo não modificado, para todas as temperaturas de pirólise. Solo modificado com taxa de aplicação de 10 % do BC350 ºC, 550 ºC e 750 ºC sorveu 63,8; 75,5 e 89,4 % e dessorveu 8,3; 5,8; e 3,7 % do metribuzin, respectivamente. Os valores da DT50 e DT90 do metribuzin no solo não modificado foram de 7,37 e 24,94 dias, respectivamente. O solo modificado com 10 % do BC350 ºC aumentou a DT50 do metribuzin de 7,35 para 17,32 dias e a DT 90 de 24,41 para 57,26 dias em relação ao solo não modificado. As menores taxas de aplicação (0,1 a 1,5 %) do BC550 ºC e BC750 ºC diminuíram o DT50 do metribuzin para ~ 4,05 e ~ 5,41 dias, respectivamente. O solo corrigido com BC350 ºC em altas taxas de aplicação (5 e 10 %) proporcionou alta taxa de respiração microbiana (C-CO2), baixa fixação de carbono da biomassa microbiana (CBM) e alta taxa metabólica (qCO2). A alta temperatura de pirólise e as taxas de aplicação do biochar de palha de cana-de-açúcar mostram uma capacidade de imobilizar o metribuzin, melhorar a fertilidade do solo e aumentar a degradação do metribuzin no solo, o que pode influenciar a eficácia no controle das plantas daninhas. A adição de 2 e 3 g do bonechar fixado no filme de acetato sorveu 40 e 60 %, respectivamente, do metribuzin nas menores concentrações (0,25; 0,33 e 0,5 mg L-1). Nas maiores concentrações de 1,0 e 2,0 mg L-1, a sorção foi em 16 e 50 % do metribuzin para adição de 2 e 3 g do bonechar fixado no filme de acetato, respectivamente. A elevada temperatura de pirólise e as taxas de aplicação do biochar de palha de cana-de-açúcar demonstram a capacidade de imobilizar o metribuzin, melhorar a fertilidade do solo e aumentar a degradação do metribuzin no solo, o que pode influenciar a eficácia do controle das plantas daninhas. O filme de acetato de celulose com bonechar foi eficiente na remoção de metribuzin, tendo sido observada apenas uma perda de capacidade de absorção em comparação com o bonechar puro. Palavras-chave: Remediação ambiental. Herbicida. Polímero natural. Material carbonáceo. Comportamento de herbicida.

Descrição

Palavras-chave

Fitorremediação, Solos - Movimento de herbicidas, Solos - Descontaminação

Citação

MIELKE, Kamila Cabral. Sugarcane straw biochar and cow bonechar: physical-chemical characterization and interference on the behavior of metribuzin in soil and water. 2023. 71 f. Tese (Doutorado em Fitotecnia) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2023.

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