Karena pesatnya peningkatan populasi dunia dan urbanisasi, permintaan global terhadap produk peternakan diperkirakan akan meningkat dua kali lipat pada tahun 2050, khususnya di Asia, Afrika, dan Amerika Latin. Akibatnya, akan terdapat lebih banyak peternakan yang menghasilkan limbah berupa kotoran hewan dan lumpur. Limbah pertanian yang mudah terurai secara hayati ini dapat diubah menjadi biogas melalui pencernaan anaerobik. Pencernaan anaerobik juga menghasilkan produk sampingan cair kaya nutrisi yang dikenal sebagai pencernaan anaerobik. Hasil pencernaannya dapat digunakan sebagai pupuk hayati dan menghemat biaya penggunaan pupuk buatan bagi petani. Berdasarkan penelitian sebelumnya, pencernaan memberikan potensi manfaat yang lebih tinggi terhadap ketersediaan nitrogen (N) dan hasil panen dibandingkan dengan kotoran hewan yang tidak diolah. Namun, ada kekhawatiran mengenai penguapan amonia dan pencucian unsur hara dari tanah ke air tanah setelah penggunaan pencernaan. Hal ini disebabkan oleh amonifikasi nitrogen organik yang cepat diikuti dengan nitrifikasi amonia menjadi senyawa nitrogen yang lebih larut dan dapat larut, yaitu nitrat. Sekitar 50–70% nitrogen dalam pupuk mungkin hilang akibat proses nitrifikasi. Nitrifikasi melibatkan oksidasi senyawa nitrogen dalam proses dua langkah di mana amonia pertama kali dioksidasi menjadi nitrit oleh bakteri pengoksidasi amonia (AOB), misalnya Nitrosomonas dan Nitrosospira, dan archaea pengoksidasi amonia (AOA). Selanjutnya, nitrit diubah menjadi nitrat oleh bakteri pengoksidasi nitrit (NOB), misalnya Nitrobacter dan Nitrospira. Beberapa spesies Nitrospira juga mampu mengoksidasi amonia menjadi nitrat dengan sendirinya baik dalam sistem air maupun tanah.
Pengendalian pencemaran air dan pemulihan nutrisi melalui adsorpsi dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai macam biosorben yang berasal dari limbah biomassa. Biochar, bahan kaya karbon, adalah salah satu biosorben tersebut . Ini diproduksi dengan memanaskan bahan baku biomassa seperti kayu dan limbah pertanian melalui pirolisis atau biogasifikasi untuk menghasilkan energi terbarukan. Sumber bahan baku yang berbeda dan kondisi proses pirolisis berkontribusi terhadap karakteristik struktural dan fisik biochar yang berbeda termasuk kompleksitas struktural, luas permukaan, porositas, distribusi ukuran partikel, kepadatan dan kekuatan mekanik. Biochar dapat memainkan peran penting dalam meningkatkan retensi unsur hara di dalam tanah karena kepadatan muatan permukaannya. Biochar sebagian besar memiliki permukaan bermuatan negatif yang meningkatkan kapasitas adsorpsi spesies kation. Biochar semakin tertarik pada bidang multidisiplin seperti mitigasi pemanasan global, perbaikan tanah, peningkatan produksi tanaman, dan penyerapan karbon. Biochar mempunyai potensi besar dalam meningkatkan kesuburan tanah. Hal ini sebagian disebabkan oleh efek terhadap mikrobiologi tanah yang mengurangi hilangnya pupuk melalui pencucian.
Dalam beberapa dekade terakhir, permasalahan terkait nitrogen dan cara mengatasinya telah menjadi perhatian banyak peneliti. Beberapa strategi seperti penggunaan pupuk slow release dan penambahan inhibitor nitrifikasi sintetik pada pupuk telah diteliti untuk mengurangi risiko pencucian nitrat dan meningkatkan efisiensi penggunaan N dalam sistem pertanian. Namun, inhibitor nitrifikasi dianggap terlalu mahal untuk aplikasi skala besar dan inhibitor nitrifikasi yang disintesis dari senyawa kimia juga dapat menyebabkan masalah fitotoksisitas.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa proses nitrifikasi dalam tanah dapat diubah dengan amandemen biochar karena pengaruhnya terhadap geomikrobiologi tanah. Pemanfaatan biochar sebagai penghambat nitrifikasi dapat menjadi pilihan yang menjanjikan untuk pengelolaan N di bidang pertanian, yang akan sangat relevan jika diterapkan bersama dengan sumber kaya nitrogen tereduksi seperti pencernaan anaerobik. Penerapan bersama seperti ini akan memfasilitasi sistem limbah multi guna dengan mengintegrasikan dua residu (biochar dan pencernaan) pembangkitan bioenergi dari berbagai jenis limbah pertanian untuk digunakan kembali dalam pertanian berkelanjutan. Terdapat laporan mengenai pengaruh penggunaan biochar atau pencernaan saja terhadap mikrobiologi tanah dan dampak gabungan penggunaan biochar dan pencernaan dalam tanah pada aspek-aspek seperti pengurangan gas rumah kaca, penyerapan karbon, pertumbuhan tanaman dan respirasi mikroba. Namun, sangat sedikit yang diketahui mengenai respon komunitas mikroba tanah, khususnya nitrifikasi, setelah penerapan gabungan dari pencernaan dan biochar.
English