Biyokütle santrali külü bitki besin elementlerinin geri kazanımı ve gübre kaynağı olarak kullanımı

Son yıllarda biyoatıkları yönetmek için yaygın olarak kullanılan biyokütle yakma tesisleri bitki besin elementi açısından zengin biyokütle külü (BK) üretmekte, ancak BK'nın tarımsal olarak faydalı kullanımı son derece sınırlıdır. Biyokütle külünün en belirgin parametresi pH (13.04) değerinin yüksek olmasıdır. Biyokütle külü için iletkenlik değerleri 27,43 mS cm-1 aralığında kaydedilmiştir. Uçucu külde yanmamış karbon miktarı düşük ve yaklaşık %1.98 değerinde tespit edilmiştir. Endüktif Eşleşmiş Plazma Optik Emisyon Spektrometresi (ICP-OES) sonuçları, BK'nın temel bileşiminin yüksek konsantrasyonlarda potasyum, fosfor ve kalsiyum içerdiğini, ancak silika, alüminyum ve demir oksitler gibi toprak elementlerinin içeriğinin nispeten düşük olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada tespit edilen bitki besin elementlerinden özellikle P ve K yüksek bulunmuştur. Çalışmada kullanılan kül, biyokütle ham maddesi içinde % 80 tavuk altlığı kullanılan örneklerden alınmıştır. BK'daki kümes hayvanı altlığından kaynaklanan fosfor ve diğer makro/mikro besinler, bu atığı biyo-gübreler için değerli bir ham madde kaynağı haline getirmiştir. Bu açıdan, tarımsal-endüstriyel artıklar tarafından üretilen BK, yararlı bir bitki besin kaynağı olarak kabul edilebilir fosfor bileşiklerinin çözündürülmesi için, bir dizi kimyasal reaksiyon ve biyolojik etkileşim yoluyla fosforu biyolojik olarak kullanılabilir formlara dönüştüren süreçler olarak tanımlanabilecek çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. Sürdürülebilir atık yönetimi ve besin elementlerinin bitkisel üretim döngüsüne tekrar dahil edilebilmesi için çevre dostu atık yönetimi sağlayan vermikompostlama yöntemi ile BK elementlerinin bitki alımına uygun hale getirilmesi amaçlanmıştır. BK, tavuk altlığı, orman ve tarımsal hasat artıklarını yakan biyokütle enerji santralinden temin edilmiş ve nihai azot (N), fosfor (P) ve potasyum (K) içeriklerini elde etmek için, %0.0 (T0), %3.5 (T1), %7.0 (T2) ve %10 (T3) oranında sığır gübresine karıştırılmıştır. Başlangıçta, karışımlar kokulu gazları uzaklaştırmak için 3 hafta boyunca aerobik olarak kompostlanmıştır ve ardından 60 gün boyunca vermikompostlamaya tabi tutulmuştur. Ardışık fosfor ekstraksiyon sonuçları, vermikompostlamanın toplam fosfor (TP) ve Olsen-P çözünürlüğünü BK dozlarına bağlı olarak sırasıyla %69-%79 ve %5-%8 oranında önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Biyokülün yüksek pH seviyesi, test edilen tüm BK vermikompost numunelerinde, vermikompostlamadan sonra nötr aralık seviyesine gelmiştir. Vermikompost numunelerinin nihai besin bileşimi, T0 için "N 1.31, P 0.53, K %0.90" (toplam %2.74), T1 için "N 1.02, P 0.63, K %1.90" (toplam %3.55), T2 için "N 0.8, P 1.78, K %3.86" (toplam %7.16) ve T3 için "N 0.84, P 2.64, K %6.32" (toplam %9.94) olmuştur. İncelenen bütün BK vermikompost örneklerinde, tespit edilen maksimum P fraksiyonları, sırasıyla, zayıf asitte çözünür Fe- ve Al-bağlı P olmuş, ardından çözünmeyen artık fraksiyon, alkalide çözünür ve Olsen fosfor fraksiyonları gelmiştir. Diğer yandan, BK uygulamalarında toplam fosfor (TP) içeriği %1.41 ile %1.77 arasında değişirken kontrol (T0) için %0.63 olmuştur. Sonuçlar, BK karışımlarının kompost sıcaklıklarını artırdığını ve vermikompostlama aşamasında başarılı bir solucan aktivitesine izin verdiğini göstermiştir. Tüm solucan gübresi örneklerinde indikatör enzim aktiviteleri sırası ile; üreaz > β-glukosidaz > alkalin fosfataz > asit fosfataz > arilsülfataz şeklindedir. Fosfat çözücü mikroorganizmalar, fosfataz enzimlerini ve enzim aktivatörlerini, düşük moleküler ağırlıklı organik asitleri ve hümik asitleri bir arada kullanarak bitki nutrientlerini çözüp, biyoyararlı forma dönüştürmüştür. Biyokül oranının artması ile fosfataz aktivitesi azalma eğilimi göstermiştir. Bunun yanısıra tüm numunelerde üreaz enzim aktivitesinin diğer enzim aktivitelerine kıyasla yüksek olmasının sebebinin termofilik faz aşamasının mikrobiyal popülasyonda hızlı bir çoğalma göstermesine bağlanmıştır. Yüksek BK solucan gübresi işlemlerinde hem β-glukosidaz hem de üreazın spesifik aktivitelerindeki azalma, BK'nın büyük ölçüde organik karbon ve nitrojenden yoksun olduğundan bu işlemlerin düşük organik madde ve nitrojen katkısı ile açıklanmıştır. Tüm enzimatik aktivitelerin biyokül oranının artışına bağlı olarak azalması mevcut substrat oranının azalması ve biyokülün en önemli özelliği pH değerinin alkali etkisinin sebep olabileceği öne sürülmüştür. Sığır gübresi ve BK kullanılarak hazırlanan vermikompost örneklerinin metagenomik analiz sonuçlarına göre,Proteobakteriler (K-%23.77, T0-%18.44, T1-%24.34, T2-%23.5, T3-%27.4) Bakteriyoidler (K-%30.5, T0-%15.7, T1-%29, T2-%11.49, T3-%13.94) ve Planctomycetota (K-%9.44, T0-%15.32, T1-%12.5, T2-%20.3, T3-%19.85) tüm örneklerde baskın bakteri filumu olarak belirlenmiştir. Vermikompost numunelerinde enzim aktiviteleri ile mikrobiyal çeşitlilik arasında gerçekleştirilen Çoklu Lineer Regrasyon (ÇLR) hesaplamalırında yüksek korelasyonlar gözlenmiştir. T0, T1, T2 ve T3 için enzim aktiviteleri ile bakteri popülasyonu arasındaki çoklu lineer regresyon R2 değerleri, sırasıyla 0.90, 0.65, 0.73 ve 0.90 olarak hesaplanmıştır. Besin elementi çözünürlüğü için Flavobacteriales, Burkholderiales, Saccharimonadales ve Pseudomonadales'in enzim aktiviteleri üzerindeki uyarıcı etkisi önemli ve pozitif bulunmuştur. Solucan gübrelerindeki enzim aktivitesinin bakteri popülasyonu ile ilişkili olduğu bakteri filumunun asit fosfataz, alkalin fosfataz, arilsülfataz, β-glukosidaz ve üreaz aktivitelerini önemli ölçüde desteklediği görülmüştür. Tüm numunelerde üreaz enzim aktivitesi en yüksek aktivite değerlerini göstermiştir. Üreaz enzimi karmaşık organik azotlu maddenin daha basit formlara dönüştürülmesinde önemli bir rol oynamıştır. Bitki gelişiminde olmazsa olmaz organik içeriklerden biri olan organik azot formlarının üre formuna dönüşümünde etkili olan hidrolitik enzimler üreten Cytophagales popülasyonu T0, T1, T2 ve T3 oranları sırasıyla %8.44, %6.14, %5.97, %8.09' dur. Bitki besin elementince zengin solucan kompostlarının bitki büyüme ve gelişmesine etkisi fasulye (Phaseolus vulgaris L.) bitkisinde denenmiştir. BK ile nutrient içeriği zenginleştirilmiş vermikompost örneklerinin potansiyel gübreleme etkinliği, fasulye bitkisi üzerinde yapılan, bitki yetiştirmeye uygunluk parametreleri; klorofil içeriği, kök nodülasyonu ve leghemoglobin analizleri ile yaprak nutrient analizleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Fasulye bitkisi, topraktan fosfor alımı ve özellikle fosfor gübresine karşı hassas olduğu ve bu bitkide fosfor en sınırlayıcı besin maddesi olarak rapor edildiğinden, model ürün olarak seçilmiştir. Sonuçlar, BK içeren vermikompostun bitkilerinin büyümesini destekleyebileceğini, yapraklardaki klorofil içeriğini artırabileceğini ve biyolojik nitrojen fiksasyonunun aktivasyonuna yardımcı olan leghemoglobin sentezini önemli ölçüde artırdığını (p < 0.05) göstermiştir. Sonuç olarak, BK'nın biyo-atıkla solucan gübresi haline getirilmesinin, besin elementi çözünürlüğünü iyileştirebileceğini ve zenginleştirilmiş solucan gübresinin yavaş salınımlı gübre üretimi için sürdürülebilir biyo-temelli bir teknoloji olabileceğini göstermiştir. Üretilen vermikompost bitki büyüme ve gelişiminin pozitif etkilemiş, böylece besin elementi döngüsünü kapatmak için geri dönüşüm kapasitesini artırabileceğini açıkça göstermiştir.