Engineered Biochars Enhances Carbon Dioxide Adsorption while Augmenting Soil Carbon Storage and Crop Yields in Semi-Arid Nigeria

Resumo Técnico: Biochars Engenheirados para Sequestro de Carbono e Rendimento de Culturas em Zonas Semiáridas da Nigéria

Definição do Problema
O aquecimento global, impulsionado pelas emissões antropogênicas de gases de efeito estufa, exige estratégias escaláveis de gestão de carbono. Em regiões semiáridas como o Savana de Sudão na Nigéria, o cultivo intensivo e as práticas agrícolas insustentáveis esgotaram o carbono orgânico do solo, criando uma "dívida de carbono" que ameaça a saúde do solo e a produtividade das culturas. Embora o biochar tenha surgido como uma ferramenta promissora para o sequestro de carbono no solo, o biochar não processado possui frequentemente uma capacidade limitada de adsorver carbono. Além disso, as pesquisas existentes sobre biochars modificados têm sido amplamente restritas à adsorção de CO₂ atmosférico em escala laboratorial, carecendo de validação em escala de campo quanto ao sequestro de carbono no solo e à redução do efluxo de CO₂ do solo. Existe uma lacuna crítica na compreensão de como os biochars engenheirados com metais desempenham em solos agrícolas semiáridos, especificamente em relação à sua capacidade de aumentar o armazenamento de carbono, reduzir as emissões de CO₂ do solo e melhorar o rendimento das culturas, avaliando simultaneamente a segurança ambiental das modificações metálicas.

Metodologia
Este estudo investigou a produção, a modificação metálica e a aplicação em campo de biochars derivados de casca de arroz e serragem em um ambiente semiárido em Kano, Nigéria.

• Produção de Biochar: Os materiais de partida foram submetidos à pirólise lenta a 750–800 °C por 2 horas sob condições anaeróbicas.
• Engenharia: Os biochars resultantes foram impregnados com Magnésio (Mg) e Alumínio (Al) utilizando sais de nitrato para atingir uma carga metálica de 5% em peso. O processo envolveu a mistura de suspensão (slurry), ajuste de pH para 10 e secagem.
• Caracterização: Os biochars foram analisados quanto à composição elementar, análise de proximidade, área superficial, porosidade (via BET) e estrutura mineralógica (XRD, FTIR, SEM).
• Testes de Adsorção: A capacidade de adsorção de CO₂ foi medida utilizando Análise Termogravimétrica (TGA) a 30, 40 e 50 °C. A cinética de adsorção foi modelada pelos modelos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e Avrami. A regenerabilidade foi testada ao longo de cinco ciclos de adsorção–dessorção.
• Ensaios de Campo: Um delineamento de parcelas subdivididas com três repetições foi conduzido ao longo de duas temporadas de cultivo utilizando amendoim (Arachis hypogaea) como cultura de teste. Os tratamentos incluíram biochar não modificado, biochar modificado com Mg e biochar modificado com Al, aplicados a uma taxa de 10 t ha⁻¹.
• Medições de Solo e Fluxo: Amostras de solo foram coletadas no pré-plantio, pós-colheita do ano 1 e pós-colheita do ano 2 para medir as mudanças no estoque de carbono. O fluxo de CO₂ do solo foi monitorado utilizando um sistema de análise de gás infravermelho (CIRAS-2).

Resultados Principais

• Propriedades do Material: A impregnação metálica aumentou significativamente a área superficial e a microporosidade dos biochars. As análises de XRD e FTIR confirmaram a incorporação bem-sucedida de MgO e Al₂O₃. Os biochars modificados com Mg exibiram bandas de carbonato distintas, indicando fortes sítios de quimiossorção, enquanto os biochars modificados com Al mostraram bandas de Al–O.
• Adsorção de CO₂: Os biochars engenheirados demonstraram capacidades de adsorção de CO₂ significativamente superiores aos controles não modificados. O biochar modificado com Mg alcançou a maior capacidade (83 mg g⁻¹ a 30 °C), comparado a 63 mg g⁻¹ do biochar não modificado. A capacidade de adsorção diminuiu conforme a temperatura aumentava.
• Cinética e Estabilidade: O modelo cinético de Avrami apresentou o melhor ajuste (R² > 0,99), indicando mecanismos mistos de fisissorção–quimiossorção. Os biochars engenheirados mantiveram alta capacidade de adsorção ao longo de cinco ciclos de regeneração, com um declínio de desempenho inferior a 5%.
• Sequestro de Carbono no Solo: Os ensaios de campo mostraram aumentos substanciais no carbono total do solo. O biochar modificado com Mg superou consistentemente os tratamentos com Al e o controle. A taxa de aplicação de 10 t ha⁻¹ resultou em ganhos imediatos de carbono, impulsionados pela adição direta de carbono pirogênico e formação de carbonato inorgânico secundário. As maiores taxas de sequestro ocorreram durante a primeira temporada de cultivo.
• Efluxo de CO₂ do Solo: Embora um efeito de priming inicial tenha sido observado, os biochars engenheirados, particularmente os do tipo modificado com Mg, levaram a uma redução líquida no efluxo de CO₂ do solo ao longo das temporadas de cultivo em comparação com os controles.
• Impacto Agronômico: O rendimento do amendoim aumentou entre 33–47% com a aplicação de biochar, atribuído à melhoria da estrutura do solo, retenção de água e ciclagem de nutrientes.
• Segurança Ambiental: Uma avaliação crítica de segurança revelou que os biochars modificados com Al representam riscos potenciais de biotoxicidade em solos ácidos ou semiáridos devido ao potencial de mobilização de íons Al³⁺, que podem inibir o crescimento radicular e interromper comunidades microbianas. Em contraste, os biochars modificados com Mg ofereceram um efeito de calagem e apresentaram um perfil ecológico mais seguro.

Significância e Alegações
O artigo alega que o biochar engenheirado com Mg representa uma estratégia escalável de duplo benefício para a mitigação das alterações climáticas e agricultura sustentável em regiões semiáridas. O estudo destaca que:

1. Mecanismos Aprimorados: A modificação metálica, especificamente com Magnésio, transforma o biochar em um adsorvente altamente eficaz através da criação de sítios básicos para a quimiossorção de CO₂, superando as capacidades do biochar não modificado.
2. Validação de Campo: A pesquisa preenche a lacuna entre estudos de adsorção em laboratório e aplicação em campo, demonstrando que os biochars engenheirados podem aumentar significativamente o pool de carbono do solo e reduzir o efluxo de CO₂ do solo em ambientes agrícolas reais.
3. Compensações de Segurança: O estudo identifica explicitamente uma compensação crítica na engenharia de biochar. Embora ambas as modificações (Mg e Al) melhorem o desempenho, o potencial de toxicidade por alumínio em solos semiáridos torna a modificação com Mg a estratégia agronômica preferencial e o único caminho ecologicamente seguro para escalar estas aplicações.
4. Benefícios Sinérgicos: A abordagem oferece co-benefícios para a fertilidade do solo e segurança alimentar, evidenciados pelos aumentos significativos no rendimento das culturas de amendoim, posicionando o biochar engenheirado como uma prática agrícola climaticamente inteligente viável.

Os autores concluem que, embora os ganhos de carbono observados sejam substanciais, eles resultam de uma combinação de adição direta de carbono, estabilização da matéria orgânica nativa do solo e formação de carbonato inorgânico. Eles alertam que recomendações futuras para biochars modificados com metais devem priorizar a segurança ambiental, especificamente evitando o alumínio em ecossistemas de solos vulneráveis.