Applying biosurfactants for sustainable soil restoration and enhanced plant growth

Joana Dias de Almeida

Key information

Authors:

Joana Dias de Almeida (Joana Almeida)

Supervisors:

Frederico Castelo Alves Ferreira (Frederico Castelo Alves Ferreira); Nuno Ricardo Torres Faria (Nuno Ricardo Torres Faria)

Published in

December 4, 2023

Abstract

Com o aumento da população e a perda de solo arável, causada pela agricultura intensiva e alterações climáticas, a produção de alimentos em quantidade e qualidade para alimentar a população mundial torna-se um desafio. Tensioativos têm vindo a ser utilizados na agricultura como agentes humectantes, herbicidas, pesticidas ou estimulantes de crescimento. Neste trabalho é estudado o efeito de um tensioativo microbiano, lípidos de manosileritritol (MELs), cujas aplicações na agricultura ainda são pouco conhecidas, na hidrofobicidade de solos e no crescimento de plantas. A produção de MELs aproveitando águas descartadas de hidroponia, é testada. Para reduzir o custo e impacto ambiental da extração de MELs várias técnicas: sonicação, co-tensioativos e etanol são testadas. Concluiu-se que os MELs reduzem a hidrofobicidade do solo, não afetando a sua retenção de água. Nas condições utilizadas, os MELs tiveram um efeito inibitório no crescimento de plantas de tomate em solo e um efeito estimulante no crescimento das raízes de planta de ervilha em hidroponia, assim como na absorção de água pelas raízes. A substituição da água, minerais e extrato de levedura por água de hidropónica no meio de fermentação levou à produção de 6 g/L de MELs, semelhantemente ao controlo. Foi observado que os MELs se localizam maioritariamente nas células, e uma nova técnica de extração de MELs com vantagem ambiental e económica foi descrita: extração com etanol, com remoção de 73% de MELs. Um modelo de negócios foi desenvolvido para uma nova empresa no mercado dos MELs. With the increase in world population and soil degradation, caused by intensive agriculture and climate change, the production of nutritious food in enough quantity to feed the world population is becoming a hard challenge for the food system. Surfactants have been used for agricultural purposes, as wetting agents, herbicides, pesticides and as biostimulators. In this work, the effect of mannosylerythritol lipids (MELs), a surfactant which applications in the agriculture sector are poorly studied, in soil hydrophobicity and in plant growth is tested. MELs production using hydroponics wastewater, highly pollutant for the environment, in the fermentation medium is also studied. To reduce the cost and environmental impact of MELs extraction, techniques such as sonication, co-surfactants and use of ethanol to wash the cells were tested. It was concluded that MELs reduce soil’s hydrophobicity, without affecting its water retention capacity. In the conditions used, MELs had an inhibitory effect on tomato plant growth on soil and a stimulating effect on pea plant root growth as well as in water absorption by roots in hydroponics. When replacing water, minerals and yeast extract by hydroponics in the fermentation media, 6 g/L of MELs were obtained, similarly to the control. It was observed that MELs are mainly located in the cells, and, with that in mind, a new technique with environmental and economic advantages was developed, extraction with ethanol, that allowed 73% of MELs extraction. A business case for a new MELs production company was developed.