Soil biota interactions with hydrochar

Abstract

Summary One of the possible solution to mitigate climate change is carbon sequestration via the net removal of CO2 from the atmosphere in terrestrial or marine ecosystems. Among other possibilities as reforestation, carbon can be sequestered in soil via carbonization of organic material for longer term carbon storage. This can be done via pyrolysis at high temperature and absence of oxygen. The product biochar can be used as soil amendment. A rediscovered method to carbonize organic material is the hydrothermal carbonization (or wet pyrolysis) at relatively low temperatures ranging from (180 to 250°C) in a closed system in absence of oxygen and aqueous conditions. The product is known as hydrochar and can be used a soil amendment to improve soil properties, fertility and as long-term carbon storage in soil. However, applied hydrochar in high concentration may have negative effects on plant growth or soil biota. Little is known about the potential impact of hydrochar improvement on plant growth and soil organisms such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and earthworms or collembola and their interactions. On some soil biota as collembola, there is even no data available about the effects of hydrochar on these groups until this work. The main objective of this thesis was therefore to test how carbonized materials like hydrochar affect soil properties, plant growth, soil organisms and their interactions. So, the specific objectives were i) assess how hydrochar influences plant growth and interacts with soil micro-organisms, such as AM fungi and nodulating bacteria ii) test if different hydrochar types can be used by collembola as a food source, and, if yes, how it will affect their life cycle, and iii) determine interactive impacts of earthworms and hydrochar on plant, nutrient uptake (particularly N and P) and AMF performance and to identify the underlying mechanisms. For these objectives we carried out a series of experiments: For objective i) a laboratory test was conducted on spore germination of the AM fungus Glomus intraradices at different concentrations of HTC (0.0, 0.05, 0.25, 1.25 g 100mL−1and parent material respectively) in Petri dishes. We showed that spore germination of Glomus intraradices was stimulated by the HTC material, suggesting that direct effects of the fungi are likely in addition to those mediated by the host plant. In an additional pot experiment I tested the effect of hydrochar at different concentrations (0, 2, 4, 10, 20, 30 and 80% (v/v)) on the root colonization of Taraxacum sect. Ruderalia, and I found that root colonization of the fungal symbiont was stimulated even at an addition of 20 % (v/v) despite the quite acidic nature of the HTC material itself. Therefore, the results suggest that HTC materials should be carefully tested and optimized to reduce negative effects on plant growth before applications in the field are undertaken, particularly at high addition rates. For objective ii), I evaluated the effects on palatability of different particle sizes and different types of hydrochar (depending on feedstock and production conditions), and the effects of pre-washing the product on the important soil biota of collembola (springtails). In addition, I analyzed the effect of hydrochar on fitness parameters such as molting, number of eggs, survivors and hatchlings of collembola. I conducted all these laboratory tests using the two different collembola species Coecobrya tenebricosa (Folsom) Gruia and Folsomia fimetaria L. Both species were able to consume hydrochar, even though palatability was relatively low. Both species were also able to complete their life cycle with hydrochar as the sole food source. Neither the pre-washing treatment, nor type and particle size of hydrochar significantly influenced palatability in the ranges of properties we examined. For objective iii) I carried out another greenhouse experiment (mesocosms), where we investigated the effect of hydrochar at two different addition rates (1%, and 10% v/v) and with or without the earthworm Aporrectodea caliginosa on the growth of Plantago lanceolata L. and the performance of its AMF. We observed a positive interaction between earthworms and 10% hydrochar addition on shoot and root biomass: added as a single treatment hydrochar had a negative effect on plant growth at this dosage, but plant biomass increased significantly when hydrochar was added together with the earthworms. Root colonization by AMF increased significantly with increasing concentration of hydrochar, but was not affected by earthworms. Contrastingly, extraradical hyphal length of AMF was reduced by earthworms, but not affected by hydrochar. Thus, hydrochar and earthworms affected the performance of AMF, albeit of different AMF structures and in different directions. Our results indicate that earthworms may play an important role in the bioturbation or conditioning of carbonized materials, alleviating the negative impacts of high dosages of hydrochar on plant growth. The major findings of this dissertation show that i) hydrochar could stimulate even at the highest concentration 20 % (v/v) of root colonization of AM fungi although plant growth was decreased at the highest level. Spore germination of the AM fungus Glomus intraradices was also stimulated by the HTC material. This shows that hydrochar can have very different effects on different soil organisms, which is why these types of materials always should be tested on the whole ecosystem level. ii), different species of collembola were able on ingest the hydrochar in relatively small amounts, despite the differences in the size and types of hydrochar. Also, pre-washing of hydrochar did not significantly influence palatability hydrochar. Collembola were able to complete their life cycles with hydrochar. Therefore, soil biota as collembola, since they can ingest these materials, can play an important role in the degradation and distribution of carbonized materials in soil. iii) We found significantly increased plant biomass of Plantago lanceolata when 10% hydrochar was added together with the earthworms. Increased concentration of hydrochar improved root colonization, but this was not affected by earthworms. Contrastingly, extraradical hyphal length of AMF was reduced by earthworms, but not affected by hydrochar. Again, this shows the important interactions of different soil groups in the application of hydrochar to soil.

Zusammenfassung Einer der möglichen Lösung zur Eindämmung des Klimawandels ist Kohlenstoffbindung über das Netz Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre in terrestrischen oder marinen Ökosysteme. Neben anderen Möglichkeiten, wie Wiederaufforstung, kann Kohlenstoff in Böden über Karbonisierung von organischem Material für die längerfristige Speicherung von Kohlenstoff sequestriert werden. Dies kann über Pyrolyse bei hohen Temperaturen und in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt werden. Das Produkt Biokohle kann zur Bodenverbesserung eingesetzt werden. Eine Methode, um wiederentdeckt organisches Material carbonisieren ist die hydrothermale Carbonisierung (bzw. nassen Pyrolyse) an bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von (180 bis 250°C) in einem geschlossenen System in Abwesenheit von Sauerstoff und wässrigen Bedingungen. Das Produkt wird als hydrochar bekannt und können verwendet eine Bodenverbesserung Bodeneigenschaften, Fruchtbarkeit und als langfristige Speicherung von Kohlenstoff im Boden zu verbessern. Allerdings galt hydrochar in hohen Konzentrationen kann negative Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und Bodenleben haben. Wenig ist über die möglichen Auswirkungen der hydrochar Verbesserung des Pflanzenwachstums und Bodenorganismen wie arbuskulärer Mykorrhizapilze (AMF) und Regenwürmer oder Collembolen und deren Wechselwirkungen bekannt. Auf einigen Bodenorganismen wie Collembolen, gibt es sogar keine Angaben über die Auswirkungen der hydrochar auf diese Gruppen bis zu diesem Werk. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es daher, zu testen, wie verkohlte Materialien wie hydrochar Bodeneigenschaften, Pflanzenwachstum, Bodenorganismen und ihre Wechselwirkungen beeinflussen. So waren die spezifischen Ziele i) abschätzen, wie hydrochar Pflanzenwachstum beeinflusst und interagiert mit Mikroorganismen im Boden, wie AM-Pilzen und Bakterien nodulating ii) Test, wenn verschiedene hydrochar Typen können durch Collembolen als Nahrungsquelle verwendet werden, und, wenn ja, , wie es auf ihre Lebensdauer und iii) die interaktive Auswirkungen von Regenwürmern und hydrochar am Werk, die Nährstoffaufnahme (besonders N und P) und AMF Leistung und die zugrunde liegenden Mechanismen zu identifizieren. Für diese Ziele, die wir führten eine Reihe von Experimenten: Für Ziel i) ein Labortest wurde auf Sporenkeimung der AM Glomus intraradices bei verschiedenen Konzentrationen von HTC (0,0, 0,05, 0,25, 1,25 g-1 und 100 ml Ausgangsmaterial bzw.) in Petrischalen durchgeführt. Wir zeigten, dass Sporenkeimung von Glomus intraradices vom HTC-Material stimuliert wurde, was darauf hindeutet, dass die direkte Wirkung der Pilze wahrscheinlich sind zusätzlich zu denen, vermittelt durch die Wirtspflanze. In einer zusätzlichen Gefäßversuch I getestet den Effekt hydrochar bei verschiedenen Konzentrationen (0, 2, 4, 10, 20, 30 und 80% (v / v)) auf der Wurzel Kolonisierung Taraxacum sect. Ruderalia, und ich fand, dass Wurzelbesiedlung des pilzlichen Symbionten auch bei einem Zusatz von 20% (v / v) wurde trotz der sehr sauren Natur des HTC Material selbst angeregt. Daher legen die Ergebnisse nahe, dass HTC Materialien sorgfältig getestet und optimiert werden, um negative Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum, bevor Anwendungen im Bereich unternommen zu reduzieren, insbesondere bei hohen Zugabemengen. Für objektive ii), I die Auswirkungen auf die Schmackhaftigkeit unterschiedlicher Partikelgrößen und verschiedene Arten von hydrochar (je nach Rohstoff-und Produktionskosten Bedingungen) ausgewertet, und die Auswirkungen der Vorwäsche das Produkt auf dem wichtigen Bodenorganismen von Collembolen(Springschwänze). Darüber hinaus analysierte ich die Wirkung von hydrochar auf Fitness Parameter wie Häutung, Anzahl der Eier, Hinterlassenen-und Jungtiere von Collembolen. Ich führte alle diese Labortests mit den beiden anderen Collembolen Arten Coecobrya tenebricosa (Folsom) Gruia und Folsomia fimetaria L. Beide Arten konnten hydrochar verbrauchen, obwohl die Schmackhaftigkeit war relativ gering. Beide Arten konnten auch ihren Lebenszyklus mit hydrochar abzuschließen als einzige Nahrungsquelle. Weder die Vorwäsche Behandlung, noch Art und Teilchengröße hydrochar signifikant Schmackhaftigkeit in den Bereichen von uns untersuchten Eigenschaften beeinflusst. Für objektive iii) führte ich ein weiteres Gewächshaus Experiment (Mesokosmen), wo wir untersuchten die Wirkung von hydrochar an zwei verschiedenen Zugabemengen (1%, und 10% v / v) und mit oder ohne dem Regenwurm Aporrectodea caliginosa auf das Wachstum von Plantago lanceolata L. und die Leistung seiner AMF. Wir beobachteten eine positive interaktion zwischen Regenwürmern und 10% hydrochar zusätzlich auf Spross und Wurzel Biomasse: hinzugefügt eine einzige Behandlung hydrochar hatten einen negativen Einfluss auf das Pflanzenwachstum bei dieser Dosierung, sondern pflanzliche Biomasse deutlich erhöht, wenn hydrochar wurde gemeinsam mit den Regenwürmern aufgenommen. Wurzelbesiedlung von AMF stieg signifikant mit zunehmender Konzentration von hydrochar, wurde aber nicht durch Regenwürmer betroffen. Im Gegensatz dazu wurde extraradical Hyphenlänge von AMF von Regenwürmern reduziert, aber nicht durch hydrochar betroffen. Somit beeinflusst hydrochar und Regenwürmern die Leistung AMF, allerdings unterschiedlicher AMF Strukturen und in verschiedene Richtungen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Regenwürmer können eine wichtige Rolle in der Bioturbation und Konditionierung von verkohlten Materialien spielen, Linderung der negativen Auswirkungen von hohen Dosierungen von hydrochar auf das Pflanzenwachstum.Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass i) hydrochar könnte sogar zu stimulieren bei der höchsten Konzentration von 20% (v / v) Wurzelbesiedlung der AM-Pilze, obwohl das Pflanzenwachstum auf höchstem Niveau verringert wurde. Sporenkeimung der AM Pilzes Glomus intraradices wurde auch von der HTC-Material stimuliert. Dies zeigt, dass hydrochar können sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die verschiedenen Bodenorganismen, weshalb diese Arten von Materialien immer auf das gesamte Ökosystem-Ebene geprüft werden sollte, ist zu haben. ii) wurden verschiedene Arten von Collembolen Lage auf den In gest hydrochar in relativ geringen Mengen, trotz der Unterschiede in der Größe und Art der hydrochar. Außerdem hat Vorwaschen von hydrochar nicht signifikant beeinflussen Schmackhaftigkeit hydrochar. Collembolen konnten ihre Lebenszyklen mit hydrochar abzuschließen. Daher Bodenbiota als Collembolen, da sie diese Materialien aufnehmen, kann eine wichtige Rolle beim Abbau und Verteilung der carbonisierten Materialien im Boden. iii) Wir fanden signifikant erhöhte pflanzlicher Biomasse von Plantago lanceolata, wenn10% hydrochar wurde gemeinsam mit den Regenwürmern aufgenommen. Erhöhte Konzentration von hydrochar verbesserte Wurzelbesiedelung, aber dies war nicht von Regenwürmern betroffen. Im Gegensatz dazu wurde extraradical Hyphenlänge von AMF von Regenwürmern reduziert, aber nicht durch hydrochar betroffen. Wiederum zeigt dieser wichtigen Wechselwirkungen verschiedener Bodenarten in der Anwendung von hydrochar zu Boden.