Master's Thesis

Effect of Biochar Collonized by Soil Rhizobacteria on Soil Physico-Chemical, Agronomic, and Microbial Properties

Final Thesis 6.65 MB

Author of thesis: Bc. Petr Haleš

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Vojtěch Enev, Ph.D.

Abstract:

Biochar is an important soil conditioner in agriculture, serving as a long-term source of organic matter and a short-term source of minerals. However, due to the high temperatures used during its production by pyrolysis, a non-living porous matrix is often formed, which limits its direct impact on biological processes in the soil. Enriching biochar with plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) therefore offers a way to utilize its physicochemical and structural properties for microbial colonization and to supplement this soil conditioner with a living microbial component. Four types of commercial biochar samples (Carbohran, Novocarbo, Sonnenerde, and Zera) produced from various biomass feedstocks at different pyrolysis temperatures and the bacterial strain Azotobacter vinelandii CCM 289 were used in this study.
In the introductory section, the biochars were characterized using thermogravimetric analysis (TGA), and the physicochemical properties of aqueous extracts (pH, conductivity) and their elemental composition were determined using ICP-OES. Prior to colonization, the effects of pH, ionic strength, and biochar extract on bacterial growth and its capability to colonize biochar structure were simulated in preliminary cultivation experiments. The aim was to assess separately the influence of these parameters on cell viability and concentration and the capability of bacteria to produce alginate extracellularly. These bacterial suspensions were cross-linked with a 2 wt.% CaCl₂ solution into the alginate hydrogel, which was characterized using rheometry. Subsequently, two colonization methods were compared: post-cultivation (mixing the prepared bacterial suspension with biochar) and co-cultivation (direct bacterial growth in a biochar suspension). For both approaches, the effect of biochar presence on cell concentration and viability was evaluated using flow cytometry, and the viscoelastic properties of the resulting alginate hydrogels with entrapped bacteria were monitored using rheometry. These prepared systems were freeze-dried to ensure stability for subsequent soil applications.
The core of the work consisted of a 92-day cultivation experiment with the presence of a model plant, maize (Zea mays) under controlled conditions (temperature, moisture, irrigation, illumination). The post-cultivation colonization method of biochars was chosen for these soil applications. During the experiment, soil pH dynamics and agronomic parameters of the plants were monitored. After completion of the cultivation experiment, a comprehensive analysis of the soil, plant biomass, and microbial activity in the rhizosphere using the BIOLOG EcoPlate™ kit was performed. Specific PGP effects were also tested, including nitrogen fixation, phosphate solubilization, and the production of siderophores, 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) deaminase, and indole-3-acetic acid (IAA).
The obtained results indicate that the combination of biochar with PGPR has the potential to enhance the effects of biochar in soil applications, particularly in terms of pH stabilization and support for microbial activity in the rhizosphere. However, since these are preliminary experiments conducted within complex matrices, it would be necessary to repeat the measurements with a higher number of replicates to obtain statistically more significant results and subsequently verify the obtained outcomes in semi-field experiments under real-soil conditions.

Keywords:

Biochar, soil, plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), Azotobacter vinelandii, PGP effects, cultivation experiment, Zea mays

Date of defence

22.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba diplomové práce proběhla podle následujícího schématu: prezentace studenta-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Student přednesl výborný výtah výsledků své práce, řádně zodpověděl všechny dotazy oponentské i členů komise, pohotově reagoval na připomínky. V diskusi tak student prokázal výbornou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky práce. Komise zhodnotila jeho práci celkově jako výbornou. Pekař: Kolik je potřeba biouhlu na polní experiment? Dzik: Jaký je zdroj uhlíku v čistírenských kalech?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Processes and Materials of Medical Applications (BF)

Composition of Committee

doc. PharmDr. Ing. Radka Ješinová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Dzik, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Student Bc. Petr Haleš se ve své diplomové práci věnoval velmi aktuální a aplikačně zajímavé problematice využití biouhlu jako nosičového systému pro půdní rhizobakterie. Téma práce vhodně propojuje oblast materiálové charakterizace biouhlu, půdní chemie, mikrobiologie a agronomických aplikací a dobře zapadá do výzkumného zaměření pracoviště, studentova studijního programu i do současných trendů udržitelného zemědělství.
V rámci experimentální části student pracoval s komerčně zakoupenými biouhly odlišného původu a charakteru, které nejprve podrobil fyzikálně-chemické charakterizaci. Následně optimalizoval postup kolonizace biouhlu půdními rhizobakteriemi (Azotobacter vinelandii), včetně porovnání dvou rozdílných přístupů kolonizace, a to postkultivačního a kokultivačního. Stěžejní částí práce pak byl dlouhodobý pěstební experiment s kukuřicí setou, zaměřený na sledování agronomických parametrů, změn půdního pH, mikrobiální aktivity v rhizosféře a specifických růst podporujících efektů půdních bakterií.
Jako vedoucí diplomové práce musím zdůraznit, že se jednalo o rozsáhlé a metodicky náročné téma, které vyžadovalo zvládnutí širokého spektra experimentálních technik i schopnost propojit výsledky z oblasti materiálové chemie, mikrobiologie a půdních aplikací. Student se tohoto úkolu zhostil výborně. Po celou dobu řešení práce prokazoval vysokou míru samostatnosti, pracovitosti a systematického přístupu. Velmi oceňuji také jeho mimořádné nadšení a entuziasmus pro řešené téma, které se promítly nejen do samotné diplomové práce, ale i do řady dalších aktivit nad její rámec. Jsem velmi rád, že Petr společně s dalšími studenty pomohl v našem půdně orientovaném výzkumném týmu vytvořit výborně fungující kolektiv, který si velmi dobře sedl nejen odborně, ale i lidsky. To považuji za důležitý předpoklad dlouhodobě úspěšné vědecké práce.
Bc. Petr Haleš se během studia aktivně zapojoval do dalších odborných a popularizačních činností, konzultoval závěrečné práce mladších studentů, podílel se na aktivitách souvisejících se středoškolskou odbornou činností a úspěšně reprezentoval Fakultu chemickou VUT v Brně na mezinárodních studentských soutěžích, kde za svou práci získal ocenění. Tyto aktivity dokládají jeho odborné kvality, schopnost komunikovat výsledky výzkumu i výrazný zájem o další vědeckou práci, na kterou bude v budoucnu navazovat v rámci plánovaného doktorského studia.
Předložená diplomová práce je po obsahové i odborné stránce zpracována na velmi dobré úrovni. Získaný soubor experimentálních dat představuje hodnotný základ pro další výzkum v oblasti využití biouhlu jako nosiče půdních rhizobakterií. Bc. Petr Haleš podle mého názoru splnil všechny cíle stanovené v zadání diplomové práce. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm „výborně“ (A).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Vojtěch Enev, Ph.D.

Student Bc. Petr Haleš se ve své diplomové práci zabýval velmi zajímavým a v dnešní době i zcela aktuálním tématem, a to vlivem přídavku „biokompozitního“ půdního kondicionéru (biouhlu obohaceného o rhizobakterie) na podrobné fyzikálně-chemické a mikrobiologické vlastnosti půdy.
Student rozdělil teoretickou část na několika subkapitol, které jsou sestaveny z logicky na sebe navazujících částí. Teoretická část této diplomové práce je doplněna o kapitolu současného stavu řešené problematiky.
Celkově je teoretická část DP zpracována velmi pečlivě, kde mohu zejména vyzdvihnout především logickou stavbu textu a větnou stylizaci, což v celkové komplexnosti dává čtenáři velmi dobrý přehled k uvedení do tohoto vědního oboru, jako je pedologie a s ní spojený botanicko/zemědělský obor. Dále velmi oceňuji kvalitně zpracovanou subkapitolu 2.3.3 věnovanou mechanismu působení PGPR bakterií v půdním ekosystému tzn. Přírodní organická hmota/rostlina a půdní bakterie. Dlužno podotknout, že „takovou třešničkou na dortu“ je velmi pečlivě zpracovaný současný stav řešené problematiky, kde se student dotýká tématu kolonizace povrchu a pórů vybrané PPL bakteriemi, a to z hlediska adsorpce, vazebných možností, fixace a enkapsulace bakterí a v neposlední řadě i vzniku a tzv. biofilmu. To vše je podtrhnuto subkapitolou viability bakterií z hlediska použitého substrátu pro kolonizaci.
Experimentální část této práce je rozdělena na dvě základní cesty, a to: z nichž první (minoritní) je věnována podrobné fyzikálně-chemické charakterizaci biouhlů pomocí základních instrumentálních technik TG, ICP-EOS a „klasických“ bez kterých se žádný fyzikální chemik neobejde tzn. pH a konduktometrie. Druhá cesta resp. spíše velmi „široká a dlouhá dálnice“ je věnována tomu ve skrze zajímavějšímu, a to podrobnému studiu jak samotných bakteriálních kultur, tak i připravených biokompozitních materiálů PPL v souvislosti jako je přímý kontrolovaný a přesně definovaný pěstební pokus doplněný o studium mikrobiální aktivity v těchto „miniekosystémech“.
Bc. Petr Haleš si v diskusi výsledků počítá velmi dobře, kdy se snaží spojit do správných souvislostí jednotlivá získaná experimentální data a nejen to, ale velmi správně se snaží propojit jednotlivé výsledky v celkové komplexnosti navržených experimentů. Jinými slovy, se Bc. Petr Haleš nespokojí se „strohým“ komentářem získaných dat jedné metody, ale snaží se zde na danou problematiku podívat co v nejširších souvislostech, a spojovat tak živou a neživou přírodu, které jsou spolu v neustálé interakci. Dále bych studenta pochválil za velmi zdařilý komentář subkapitoly 6.6, a to zejména proto, že vyjádřit se někdy k výsledkům, které jsou přímým odrazem projevů živé přírody, a při tom si zachovat jistou obezřetnost a kritičnost v jejich diskuzi, tak to svědčí o studentově vyspělém vědecko-kritickém myšlení.
Tabulky a grafy jsou kvalitně zpracované a není těžké, se v nich jakkoliv orientovat.
Dále oceňuji velmi kvalitně a podrobně zpracovaný závěr, který je správně rozdělen do logických a chronologicky na sebe navazujících odstavců, kde student velmi čtivě a správně reflektuje ty nejdůležitější závěry svých experimentů resp. experimentální činnosti v laboratoři.
Dále musím podtrhnou, že student v průběhu sepisování této DP projevil velmi dobrou schopnost práce s literárními zdroji, o čemž svědčí celkový počet 127 aktuálních a relevantních citací.
Diplomová práce Petra Haleše splnila požadavky definované v jejím zadání a představuje jednoznačný přínos v oblasti studia nových půdních pomocných látek a kondicionérů na bázi biokompozitních materiálů biouhlu a PGPR, a proto hodnotím tuto diplomovou práci (A) – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. Mohl by student v krátkosti diskutovat mechanismy koloběhu uhlíku v půdě tzn. mineralizace organické hmoty, nitrifikace a denitrifikace?
  2. Mohl by student v krátkosti diskutovat možné alternativy pěstebních experimentů v reálných podmínkách (maloparcelní pokus, poloprovoz atp.)?
  3. V zemědělské produkci se hojně využívají anorganická hnojiva na bázi NPK. Znamená to, že všechny tyto nutrienty jsou pro plodiny v zemědělských půdách ČR deficitní/málo přístupné? Případně umí si příroda (půdní ekosystém) poradit sama? Jak je to prosím u zmíněného fosforu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová