Design and agro-environmental evaluation of advanced fertilisers based on bio-residues, rhizobacteria and the circular economy principles

Abstract

[EN] To reduce the negative environmental consequences of agriculture intensification and to achieve sustainability, the European Commission has fostered strategies based on the circular economy to reduce dependence on non-renewable sources. The use of bio-residues is a leading strategy to provide nutrients to crops and improve nutrient use efficiency. The objective of this work was to design and evaluate advanced fertilisers based on different combinations of bio-residues and rhizobacteria, as part of a global strategy based on a circular economy aimed at reducing the use of conventional mineral fertilisers in agriculture. Two families of advanced fertilisers were designed: the first based on compost and the second based on biochar. The first one consisted of two products: i) compost + biochar; and ii) compost inoculated with Bacillus siamensis (SCFB3-1 strain) formulated with biochar as a carrier (‘doped compost’). The second family consisted of one product, namely biochar + anaerobic digestate (AD). The aqueous extracts of the designed products were analysed for phytotoxicity and toxicity in three species of soil rhizobacteria. All products were phytostimulants at the dilution ratio of 1:25 (w:v), whereas for the ratio 1:10, they had either no phytotoxic or moderately phytotoxic effects. Conversely, more concentrated ratios were phytotoxic. No toxicity to rhizosphere bacteria was observed. The products compost + biochar and biochar + AD were preliminary tested in microcosm conditions; in such a trial, maize plants treated with either of the two products produced higher biomass than the non-fertilised control, although the N content in the biomass decreased. In commercial fields, the ‘doped compost’ worked better in terms of crop yield than the combination of compost and biochar. Moreover, a reduced dose (minus 20%) of mineral fertiliser combined with ‘doped compost’ (2 t ha−1) produced a higher yield in melon and pepper than the control that received a full mineral fertiliser dose (24% to 33% higher in melon and 2% to 4% in pepper). Furthermore, the same reduced dose of mineral fertiliser combined with biochar + AD (250 to 500 t ha−1) produced a higher melon yield (2% to 16% higher) and a similar pepper yield compared with the control that received the full mineral dose. In addition to the positive agronomic effects on crop yield from the environmental side, the first advantage is the reduction in the dose of mineral fertilisers. However, more relevant environmental benefits have been encountered in the soil microbiome, as revealed by the metataxonomic approach. Foremost, the composition of the bulk soil microbiome remained unaltered by the treatments. However, the treatments increased the soil microbiome activity, which consumed soil nitrogen (N); thus, the risk of N lixiviation was reduced, although it resulted in a lower N content in the crop biomass. We have demonstrated that the increased yield, even for less N available, is positively correlated with the enhanced microbiome activity but also with the presence of certain bacteria clusters considered plant growth promoting rhizobacteria (PGPR), whose relative abundance in the rhizosphere has been increased by the treatments. Moreover, microbiome diversity and species richness were also enhanced by the treatments, which theoretically has a positive effect on crop yield. We finally hypothesised that not only does the inoculated B. siamensis exert a direct effect on the crop, but it also causes changes in the rhizosphere. Further research is needed to understand the process involved in such a mechanism.

[ES] Para reducir las consecuencias medioambientales negativas de la intensificación de la agricultura y lograr la sostenibilidad, la Comisión Europea ha fomentado estrategias basadas en la economía circular para reducir la dependencia de las fuentes no renovables. El uso de biorresiduos es una estrategia puntera para aportar nutrientes a los cultivos y mejorar la eficiencia en el uso de nutrientes. El objetivo de este trabajo fue diseñar y evaluar fertilizantes avanzados basados en diferentes combinaciones de biorresiduos y rizobacterias, como parte de una estrategia global basada en la economía circular dirigida a reducir el uso de fertilizantes minerales convencionales en la agricultura. Se diseñaron dos familias de fertilizantes avanzados: la primera basada en compost y la segunda en biochar. La primera constaba de dos productos: i) compost + biochar; y ii) compost inoculado con Bacillus siamensis (cepa SCFB3-1) formulado con biochar como soporte (‘compost dopado’). La segunda familia constaba de un solo producto, concretamente, biochar + digerido anaerobio (DA). Los extractos acuosos de los productos diseñados fueron utilizados para analizar la fitotoxicidad y la toxicidad en tres especies de rizobacterias del suelo. Todos los productos fueron fitoestimulantes en la proporción de dilución 1:25 (p:v), mientras que en la proporción 1:10 no tenían efectos fitotóxicos o los tenían moderadamente. Por el contrario, las proporciones más concentradas resultaron fitotóxicas. No se observó toxicidad para las bacterias de la rizosfera. Los productos compost + biochar y biochar + AD se ensayaron preliminarmente en condiciones de microcosmos; en dicho ensayo, las plantas de maíz tratadas con cualquiera de los dos productos produjeron una biomasa superior a la del control no fertilizado, aunque el contenido de N en la biomasa disminuyó. En campo, el "compost dopado" funcionó mejor en términos de rendimiento de los cultivos que la combinación de compost y biochar. Además, una dosis reducida (menos 20%) de fertilizante mineral combinada con "compost dopado" (2 t ha-1) produjo un mayor rendimiento en melón y pimiento que el control que recibió una dosis completa de fertilizante mineral (entre un 24% y un 33% mayor en melón y entre un 2% y un 4% en pimiento). Además, la misma dosis reducida de fertilizante mineral combinada con biochar + AD (250 a 500 t ha-1) produjo un mayor rendimiento en melón (2% a 16% mayor) y un rendimiento similar en pimiento en comparación con el control que recibió la dosis mineral completa. Además de los efectos agronómicos positivos sobre el rendimiento de los cultivos, desde el punto de vista ambiental, la primera ventaja es la reducción de la dosis de fertilizantes minerales. Sin embargo, se han encontrado beneficios ambientales más relevantes en el microbioma del suelo, como revela el enfoque metataxonómico. En primer lugar, la composición del microbioma del suelo permaneció inalterada por los tratamientos. Sin embargo, los tratamientos aumentaron la actividad del microbioma del suelo, que consumió nitrógeno (N) del suelo; por lo tanto, se redujo el riesgo de lixiviación de N, aunque resultó en un menor contenido de N en la biomasa del cultivo. Hemos demostrado que el aumento del rendimiento, incluso para menos N disponible, está positivamente correlacionado con la mayor actividad del microbioma, pero también con la presencia de ciertos grupos de bacterias consideradas rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR), cuya abundancia relativa en la rizosfera se ha visto incrementada por los tratamientos. Además, la diversidad del microbioma y la riqueza de especies también aumentaron con los tratamientos, lo que teóricamente tiene un efecto positivo en el rendimiento de los cultivos. Finalmente, nuestra hipótesis es que B. siamensis inoculado no sólo ejerce un efecto directo sobre el cultivo, sino que también provoca cambios en la rizosfera. Es necesario seguir investigando para comprender el proceso implicado en dicho mecanismo.