Da più di 100 anni, biochar, un ricco di carbonio, sostanza simile al carbone prodotta da piante prive di ossigeno o altra materia organica, ha deliziato e perplesso gli scienziati. Come additivo del terreno, il biochar può immagazzinare carbonio e quindi ridurre le emissioni di gas serra, e può rilasciare nutrienti per agire come fertilizzante non tossico.

Ma la chimica precisa con cui il biochar immagazzina i nutrienti e promuove la crescita delle piante è rimasta un mistero, quindi il suo potenziale commerciale è stato fortemente limitato.

Ora, un team internazionale di ricercatori, con contributi chiave di esperti della Colorado State University, ha illuminato dettagli senza precedenti e una comprensione meccanicistica delle proprietà apparentemente miracolose del biochar. Il Comunicazioni sulla natura studio, guidato dall'Università tedesca di Tubinga e pubblicato il 20 ottobre, hanno dimostrato come il compostaggio del biochar crei un rivestimento organico molto sottile che migliora significativamente le capacità fertilizzanti del biochar. Una combinazione di tecniche analitiche avanzate ha confermato che il rivestimento rafforza le interazioni del biochar con l'acqua e la sua capacità di immagazzinare nitrati del suolo e altri nutrienti.

Questa migliore comprensione delle proprietà del biochar potrebbe innescare una commercializzazione più diffusa dei fertilizzanti biochar. Un tale cambiamento potrebbe ridurre la dipendenza globale dai fertilizzanti azotati inorganici che sono serviti da moderni cavalli di battaglia per la produzione alimentare per più di un secolo.

La collaborazione internazionale includeva Thomas Borch della CSU, professore ordinario nel Dipartimento di Scienze del suolo e delle colture con incarichi congiunti in chimica e ingegneria civile e ambientale, e ricercatore Robert Young. Il team della CSU ha contribuito alla spettrometria di massa ad alta risoluzione eseguita presso il National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University. I loro dati hanno contribuito a confermare la composizione del rivestimento di carbonio su scala nanometrica del biochar.

"Caratterizzare un rivestimento in carbonio supersottile su un substrato di carbonio è quasi impossibile, " Borch ha detto. "Il nostro team internazionale ha utilizzato molte tecniche avanzate diverse per eseguire le analisi. Robert Young ha guidato il contributo del nostro gruppo alla spettrometria di massa ad altissima risoluzione per studiare il rivestimento e sondare la sua composizione elementare".

Lo studio è stato condotto da Andreas Kappler, del Centro di Geoscienze Applicate dell'Università di Tubinga, e il geo-ecologo Nikola Hagemann. Gli autori hanno deciso di studiare il biochar prima e dopo il compostaggio con letame misto. Utilizzando una combinazione di analisi microscopiche e spettroscopiche, i ricercatori hanno scoperto che le sostanze organiche disciolte hanno svolto un ruolo chiave nel compostaggio del biochar e hanno creato il sottile rivestimento organico.

"Questo rivestimento organico fa la differenza tra biochar fresco e compostato, " Ha detto Kappler. "Il rivestimento migliora le proprietà del biochar di immagazzinare sostanze nutritive e formare ulteriori sostanze organiche del suolo". Hagemann ha aggiunto che il rivestimento si è sviluppato anche quando il biochar non trattato è stato introdotto nel terreno - solo molto più lentamente. Gli esperimenti di compostaggio sono stati condotti su un piccola scala commerciale utilizzando l'infrastruttura e le competenze dell'Istituto Ithaka in Svizzera.

L'uso eccessivo di fertilizzanti minerali azotati o liquami in agricoltura ha gravi ripercussioni sull'ambiente. Tali fertilizzanti provocano l'emissione di protossido di azoto e provocano la lisciviazione dei nitrati nelle acque sotterranee. Come alternativa ecologica, gli scienziati hanno suggerito di aggiungere biochar come vettore di nutrienti nel terreno. Ma l'uso del biochar su larga scala non è stato economicamente fattibile perché si sapeva così poco su come esattamente immagazzina e rilascia nitrati.

"Nella produzione agricola, rendimenti più elevati di solito si verificano solo quando il biochar viene applicato insieme a nutrienti da biomassa non carbonizzata come il letame liquido, " Ha detto Hagemann. "L'utilizzo di biochar senza l'aggiunta di nutrienti o con nutrienti minerali puri si è dimostrato molto meno efficace in molti esperimenti".