Interactions of plant, microorganism and organic matter in the recovery of soil with the herbicide tebuthiuron

Abstract

The intensive and continuous use of herbicides in modern agriculture has resulted in soil contamination, generating agronomic, environmental, and ecotoxicological constraints that threaten the sustainability of agroecosystems. This doctoral thesis investigated the integrated role of plant–microorganism–organic matter interactions in the recovery of herbicide-affected soils, with particular emphasis on tebuthiuron-contaminated environments. Initially, a comprehensive review synthesized current knowledge on biological remediation strategies, highlighting the limitations of isolated phytoremediation and the potential gains achieved through its integration with bioaugmentation, biostimulation, and organic amendments. Subsequently, experimental studies evaluated morphophysiological plant responses, soil microbial dynamics, and herbicide dissipation patterns under controlled conditions using leguminous plant, microbial inoculant, and agroindustrial residues. The results consistently demonstrated that integrated biological systems significantly enhanced herbicide dissipation rates, reduced residual phytotoxicity, and promoted functional soil recovery when compared to non-integrated approaches. The presence of organic matter acted as a key regulator of herbicide bioavailability and microbial activity, while plant–microbe interactions stimulated rhizospheric processes associated with biodegradation and ecotoxicological risk mitigation. Advanced multivariate and predictive modeling approaches further revealed nonlinear recovery trajectories and reinforced the robustness of integrated remediation strategies over time. Overall, this thesis provides strong experimental and conceptual evidence that the coupling of phytoremediation, microbial inoculation, and organic amendments constitutes a sustainable, low-impact, and scalable strategy for managing herbicide-contaminated soils. These findings contribute to the development of conservation-oriented soil management practices and offer practical insights for enhancing agricultural resilience and environmental safety.

El uso intensivo y continuo de herbicidas en la agricultura moderna ha provocado la contaminación del suelo, lo que ha generado limitaciones agronómicas, ambientales y ecotoxicológicas que amenazan la sostenibilidad de los agroecosistemas. Esta tesis doctoral investigó el papel integrado de las interacciones entre plantas, microorganismos y materia orgánica en la recuperación de suelos con herbicidas, y especial énfasis en tebuthiurón. Inicialmente, se realizó una revisión que sintetizó los conocimientos actuales sobre las estrategias de remediación biológica, destacando las limitaciones de la fitorremediación aislada y los beneficios potenciales que se pueden obtener mediante su integración con la bioaumentación, la bioestimulación y los acondicionadores orgánicos. Posteriormente, se llevaron a cabo estudios experimentales para evaluar las respuestas morfofisiológicas de las plantas, la dinámica microbiana del suelo y los patrones de disipación de los herbicidas en condiciones controladas, utilizando especies de abono verde, inoculantes microbianos y residuos agroindustriales. Los resultados demostraron de manera consistente que los sistemas biológicos integrados mejoraban significativamente las tasas de disipación de herbicidas, reducían la fitotoxicidad residual y promovían la recuperación funcional del suelo en comparación con los enfoques no integrados. La presencia de materia orgánica actuó como un regulador clave de la biodisponibilidad de los herbicidas y la actividad microbiana, mientras que las interacciones entre plantas y microbios estimularon los procesos rizosféricos asociados con la biodegradación y la mitigación del riesgo ecotoxicológico. Los enfoques avanzados de modelización multivariante y predictiva revelaron además trayectorias de recuperación no lineales y reforzaron la solidez de las estrategias de remediación integradas a lo largo del tiempo. En general, esta tesis proporciona pruebas experimentales y conceptuales sólidas de que la combinación de fitorremediación, inoculación microbiana y enmiendas orgánicas constituye una estrategia sostenible para la gestión de suelos contaminados con herbicidas. Estos hallazgos contribuyen al desarrollo de prácticas de gestión del suelo orientadas a la conservación y ofrecen conocimientos prácticos para mejorar la resiliencia agrícola y la seguridad medioambiental.

O uso intensivo e contínuo de herbicidas na agricultura moderna resultou na contaminação do solo, gerando restrições agronômicas, ambientais e ecotoxicológicas que ameaçam a sustentabilidade dos agroecossistemas. Esta tese de doutorado investigou o papel integrado das interações entre plantas, microrganismos e matéria orgânica na recuperação de solos afetados por herbicidas, com ênfase especial em ambientes contaminados por tebuthiuron. Inicialmente, uma revisão abrangente sintetizou o conhecimento atual sobre estratégias de remediação biológica, destacando as limitações da fitorremediação isolada e os ganhos potenciais alcançados por meio de sua integração com bioaumentação, bioestimulação e aditivos orgânicos. Posteriormente, estudos experimentais avaliaram as respostas morfofisiológicas das plantas, a dinâmica microbiana do solo e os padrões de dissipação de herbicidas em condições controladas, utilizando plantas leguminosas, inoculantes microbianos e resíduos agroindustriais. Os resultados demonstraram consistentemente que os sistemas biológicos integrados aumentaram significativamente as taxas de dissipação de herbicidas, reduziram a fitotoxicidade residual e promoveram a recuperação funcional do solo quando comparados com abordagens não integradas. A presença de matéria orgânica atuou como um regulador-chave da biodisponibilidade de herbicidas e da atividade microbiana, enquanto as interações planta-micróbio estimularam processos rizosféricos associados à biodegradação e à mitigação do risco ecotoxicológico. Abordagens avançadas de modelagem multivariada e preditiva revelaram ainda mais trajetórias de recuperação não lineares e reforçaram a robustez das estratégias de remediação integradas ao longo do tempo. No geral, esta tese fornece fortes evidências experimentais e conceituais de que a combinação de fitorremediação, inoculação microbiana e aditivos orgânicos constitui uma estratégia sustentável, de baixo impacto e escalável para o gerenciamento de solos contaminados por herbicidas. Essas descobertas contribuem para o desenvolvimento de práticas de manejo do solo orientadas para a conservação e oferecem insights práticos para aumentar a resiliência agrícola e a segurança ambiental.