Negli ultimi decenni, il biochar, un materiale solido nero ricco di carbonio derivante da residui agricoli, biomassa forestale e rifiuti industriali, ha guadagnato notevole attenzione come prodotto sostenibile ed ecologico. Il biochar viene prodotto mediante pirolizzazione della biomassa (250-800 °C) in condizioni di limitata presenza di ossigeno. Ai sensi del Regolamento (UE) 2019/1009, il biochar è ufficialmente riconosciuto come categoria di materiali componenti (CMC) nei prodotti fertilizzanti dell'UE. Questo status normativo dell'UE ne supporta il ruolo nel quadro dell'economia circolare. Il biochar offre diverse applicazioni nell'agricoltura circolare, nella sostenibilità ambientale e nelle energie rinnovabili. Svolge inoltre un ruolo fondamentale nell'affrontare le sfide globali, tra cui la gestione dei rifiuti, la mitigazione dei cambiamenti climatici, la sicurezza alimentare e la scarsità di risorse. Tuttavia, l'efficacia del biochar in queste applicazioni è in gran parte determinata dalle sue caratteristiche fisico-chimiche, che dipendono dal tipo di materia prima e dalle condizioni di produzione. Sebbene il biochar fresco presenti numerosi vantaggi, le sue prestazioni sono spesso limitate dalla scarsa funzionalità superficiale e dalla presenza limitata di siti attivi. Pertanto, la funzionalizzazione attraverso modifiche chimiche, fisiche o biologiche è essenziale per migliorarne le proprietà multifunzionali. In considerazione di ciò, la presente ricerca mirava a migliorare le prestazioni dei biochar freschi prodotti a diverse temperature (350–650 °C) da scarti agricoli (potature di frutteto e residui di mais) e colture bioenergetiche sostenibili (Miscanthus, Panicum virgatum e Salice) attraverso diverse tecniche di funzionalizzazione. Nel primo approccio, il biochar prodotto da scarti di potatura di frutteto a 500 °C è stato invecchiato con biostimolanti a base di leonardite utilizzando una tecnica di immersione in liquido per migliorarne le proprietà multifunzionali. Questo biochar è stato poi testato come ammendante sostenibile del suolo, inoculando microbi efficaci (funghi micorrizici arbuscolari) per ripristinare la salute e la qualità di terreni sabbiosi a bassa fertilità. I risultati hanno mostrato che il processo di invecchiamento ha migliorato significativamente le proprietà multifunzionali del biochar fresco attraverso complesse interazioni chimiche. Inoltre, l'esperimento in vaso ha rivelato che il biochar invecchiato combinato con funghi micorrizici arbuscolari ha migliorato la dinamica del carbonio nel suolo, l'attività microbica, l'attività enzimatica, la disponibilità di nutrienti, la biodiversità fungina utilizzando il sequenziamento ad alto rendimento basato su ITS, nonché la crescita e la qualità nutrizionale della lattuga. Nel secondo approccio, il biochar prodotto da scarti di mais a 500-650 °C è stato miscelato fisicamente con leonardite e successivamente inoculato con funghi micorrizici arbuscolari per migliorarne le proprietà multifunzionali. Il biochar funzionalizzato è stato applicato come ammendante sostenibile del suolo per migliorare la qualità del suolo sabbioso degradato e le prestazioni degli spinaci in uno studio di coltura in vaso in serra. I risultati hanno rivelato che il biochar combinato con leonardite e funghi micorrizici arbuscolari ha migliorato significativamente la qualità del suolo sabbioso, nonché i tratti biometrici e morfologici delle piante di lattuga, rispetto al biochar fresco e ad altri trattamenti a base di biochar.
Over the past few decades, biochar, a carbon-rich, black solid material from agricultural residues, forest biomass, and industrial waste, has gained significant attention as a sustainable and environmentally friendly product. Biochar is produced by pyrolyzing biomass (250–800 °C) under oxygen-limited conditions. Under Regulation (EU) 2019/1009, biochar is officially recognized as a component material category (CMC) in EU fertilizing products. This EU regulatory status supports its role in the circular economy framework. Biochar offers diverse applications in circular agriculture, environmental sustainability, and renewable energy. It also plays a vital role in addressing global challenges, including waste management, climate change mitigation, food security, and resource scarcity. Nevertheless, the efficacy of biochar in these applications is largely governed by its physicochemical characteristics, which depend on the type of feedstock and production conditions. Although fresh biochar exhibits numerous benefits, its performance is often limited by low surface functionality and restricted active sites. Therefore, functionalization through chemical, physical, or biological modifications is essential to enhance its multifunctional properties. Given this, the present research aimed to improve the performance of fresh biochars produced at different temperatures (350–650 °C) from agricultural wastes (orchard pruning and maize residues) and sustainable bioenergy crops (Miscanthus, Switchgrass, and Willow) through diverse functionalization techniques. In the first approach, biochar produced from orchard-pruning waste at 500 °C was aged with leonardite biostimulants using a liquid-soaking technique to enhance its multifunctional properties. This biochar was then tested as a sustainable soil amendment inoculating with effective microbes (arbuscular mycorrhizal fungi) for restoring the health and quality of low-fertility sandy soils. The results showed that the aging process significantly enhanced the multifunctional properties of the fresh biochar through complex chemical interaction. Moreover, pot experiment revealed that aged biochar combined with arbuscular mycorrhizal fungi improved soil carbon dynamics, microbial activity, enzyme activity, nutrient availability, fungal biodiversity using ITS-based high-throughput sequencing, and lettuce growth and nutritional quality. In the second approach, biochar produced from maize waste at 500-650 °C was physically mixed with leonardite and subsequently inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi to enhance its multifunctional properties. The functionalized biochar was applied as a sustainable soil amendment to improve the quality of degraded sandy soil and spinach performance in a greenhouse pot culture study. The results revealed that biochar combined with leonardite and arbuscular mycorrhizal fungi significantly enhanced the quality of sandy soil, as well as the biometric and morphological traits of lettuce plants, compared to fresh biochar and other biochar-based treatments.
Multifunctional Biochar for Circular Agriculture and Environmental Sustainability: Soil Health Restoration, Pollution Remediation, and Fertilizer Regulations
RAHIM, HAFEEZ UR
2026
Abstract
Negli ultimi decenni, il biochar, un materiale solido nero ricco di carbonio derivante da residui agricoli, biomassa forestale e rifiuti industriali, ha guadagnato notevole attenzione come prodotto sostenibile ed ecologico. Il biochar viene prodotto mediante pirolizzazione della biomassa (250-800 °C) in condizioni di limitata presenza di ossigeno. Ai sensi del Regolamento (UE) 2019/1009, il biochar è ufficialmente riconosciuto come categoria di materiali componenti (CMC) nei prodotti fertilizzanti dell'UE. Questo status normativo dell'UE ne supporta il ruolo nel quadro dell'economia circolare. Il biochar offre diverse applicazioni nell'agricoltura circolare, nella sostenibilità ambientale e nelle energie rinnovabili. Svolge inoltre un ruolo fondamentale nell'affrontare le sfide globali, tra cui la gestione dei rifiuti, la mitigazione dei cambiamenti climatici, la sicurezza alimentare e la scarsità di risorse. Tuttavia, l'efficacia del biochar in queste applicazioni è in gran parte determinata dalle sue caratteristiche fisico-chimiche, che dipendono dal tipo di materia prima e dalle condizioni di produzione. Sebbene il biochar fresco presenti numerosi vantaggi, le sue prestazioni sono spesso limitate dalla scarsa funzionalità superficiale e dalla presenza limitata di siti attivi. Pertanto, la funzionalizzazione attraverso modifiche chimiche, fisiche o biologiche è essenziale per migliorarne le proprietà multifunzionali. In considerazione di ciò, la presente ricerca mirava a migliorare le prestazioni dei biochar freschi prodotti a diverse temperature (350–650 °C) da scarti agricoli (potature di frutteto e residui di mais) e colture bioenergetiche sostenibili (Miscanthus, Panicum virgatum e Salice) attraverso diverse tecniche di funzionalizzazione. Nel primo approccio, il biochar prodotto da scarti di potatura di frutteto a 500 °C è stato invecchiato con biostimolanti a base di leonardite utilizzando una tecnica di immersione in liquido per migliorarne le proprietà multifunzionali. Questo biochar è stato poi testato come ammendante sostenibile del suolo, inoculando microbi efficaci (funghi micorrizici arbuscolari) per ripristinare la salute e la qualità di terreni sabbiosi a bassa fertilità. I risultati hanno mostrato che il processo di invecchiamento ha migliorato significativamente le proprietà multifunzionali del biochar fresco attraverso complesse interazioni chimiche. Inoltre, l'esperimento in vaso ha rivelato che il biochar invecchiato combinato con funghi micorrizici arbuscolari ha migliorato la dinamica del carbonio nel suolo, l'attività microbica, l'attività enzimatica, la disponibilità di nutrienti, la biodiversità fungina utilizzando il sequenziamento ad alto rendimento basato su ITS, nonché la crescita e la qualità nutrizionale della lattuga. Nel secondo approccio, il biochar prodotto da scarti di mais a 500-650 °C è stato miscelato fisicamente con leonardite e successivamente inoculato con funghi micorrizici arbuscolari per migliorarne le proprietà multifunzionali. Il biochar funzionalizzato è stato applicato come ammendante sostenibile del suolo per migliorare la qualità del suolo sabbioso degradato e le prestazioni degli spinaci in uno studio di coltura in vaso in serra. I risultati hanno rivelato che il biochar combinato con leonardite e funghi micorrizici arbuscolari ha migliorato significativamente la qualità del suolo sabbioso, nonché i tratti biometrici e morfologici delle piante di lattuga, rispetto al biochar fresco e ad altri trattamenti a base di biochar.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
