اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

بررسی تاثیر بیوچار، زیولیت و محلول پاشی نانو نقره بر عملکرد و اجزاء عملکرد آفتابگردان تحت آبیاری با آب فاضلاب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه شاهرود
2 استاد، گروه اگرواکولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود،ایران
3 دانشیار، گروه اگرواکولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود،ایران
چکیده
سابقه و هدف: آبیاری با آب‌های غیرمعتبر از جمله فاضلاب، به دلیل حضور مواد محلول و آلاینده‌های مختلف، می‌تواند تأثیرات منفی قابل توجهی بر رشد، عملکرد و سلامت گیاهان زراعی داشته باشد. هرچند استفاده مجدد از فاضلاب در کشاورزی به عنوان یک راهکار مقرون‌به‌صرفه برای صرفه‌جویی در منابع آب شیرین مطرح است، اما خطرات ناشی از عناصر سمی، بیماری‌زایی و تنش‌های فیزیولوژیکی برای گیاهان و محیط زیست، لزوم بهره‌گیری از روش‌های تعدیل‌کننده را ضروری می‌سازد. در این راستا، فناوری نانو و مواد اصلاح‌کننده خاک مانند زیولیت و بیوچار به عنوان ابزارهایی نوین برای کاهش اثرات نامطلوب و بهبود رشد گیاهان تحت شرایط تنش مورد توجه قرار گرفته‌اند.
مواد و روش­ها: آفتابگردان (Helianthus annuus) به عنوان یکی از مهم‌ترین گیاهان روغنی جهان، به دلیل ارزش بالای اقتصادی و فنی دانه و روغن آن، از جایگاه ویژه‌ای در تولیدات کشاورزی برخوردار است. این پژوهش با هدف بررسی تأثیر محلول‌پاشی نانو نقره در سطوح (صفر، 60 و 120 ppm)، کاربرد بیوچار (9 تن در هکتار) و زیولیت (9 تن در هکتار) بر صفات فیزیولوژیکی، مورفولوژیکی و عملکرد دانه و میزان روغن آفتابگردان تحت آبیاری با فاضلاب شهری انجام شد. آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در منطقه ورامین در سال زراعی 1397-1396 اجرا گردید.
یافته‌ها: نتایج تجزیه واریانس نشان داد که تیمار نانو نقره تأثیر معنی‌داری بر صفات فیزیولوژیکی از جمله کلروفیل a و b، کارتنوئیدها، محتوای نسبی آب برگ (RWC) و میزان پرولین داشت. با افزایش غلظت نانو نقره، به ویژه در سطح 120 ppm، میزان کلروفیل a و b به طور قابل توجهی کاهش یافت که نشان‌دهنده آسیب به ساختار فتوسنتزی گیاه و القای تنش اکسیداتیو است. همچنین، میزان پرولین به عنوان یک ترکیب محافظ در برابر تنش، با اعمال نانو نقره کاهش یافت که می‌تواند نشانه اختلال در الگوی بیان پروتئین‌ها و مسیرهای متابولیکی فعال‌شده توسط اتیلن باشد. این یافته‌ها حاکی از آن است که نانو نقره در غلظت‌های بالا خود به عنوان یک عامل تنش‌زا عمل کرده و توانایی تحمل گیاه را تحت تأثیر قرار داده است. در مقابل، کاربرد بیوچار و زیولیت به تنهایی تأثیرات مثبتی بر صفات رشدی داشت. اثر اصلی بیوچار و زیولیت بر ارتفاع بوته به ترتیب در سطح 5% و 1% معنی‌دار بود و کاربرد این مواد باعث بهبود شرایط فیزیکی و شیمیایی خاک و افزایش دسترسی ریشه به آب و مواد مغذی شد.
در بررسی اثرات متقابل، مشخص گردید که عملکرد همزمان این تیمارها نقش مهمی در تعدیل اثرات نانو نقره دارد. اگرچه نانو نقره اثر منفی بر کلروفیل داشت، اما این اثر در حضور بیوچار و زیولیت به طور نسبی کاهش یافت، که نشان‌دهنده عملکرد محافظتی این مواد اصلاح‌کننده است. در مورد صفات عملکردی، تأثیر تیمارها کمتر بود. تعداد دانه در طبق، وزن هزار دانه و عملکرد دانه تحت تأثیر معنی‌دار تیمارهای آزمایشی قرار نگرفتند. با این حال، مهم‌ترین یافته مثبت پژوهش در خصوص کیفیت محصول بود. تیمار نانو نقره به عنوان یک "محرک" (elicitor) عمل کرد و باعث افزایش معنی‌دار در درصد روغن دانه شد. این اثر افزایشی در تیمارهای ترکیبی، به ویژه در ترکیب نانو نقره 120 ppm با بیوچار، بیشترین مقدار را به خود اختصاص داد. زیولیت نیز در ترکیب با نانو نقره اثر افزایشی داشت. این نتایج نشان می‌دهد که القای تنش توسط نانو نقره ممکن است مسیرهای بیوسنتز متابولیت‌های ثانویه، از جمله لیپیدها، را فعال کرده و منجر به تجمع بیشتر روغن در دانه شود.
نتیجه‌گیری: نتایج این مطالعه حاکی از آن است که اگرچه استفاده از نانو نقره در شرایط آبیاری با فاضلاب می‌تواند اثرات نامطلوبی بر صفات فیزیولوژیکی گیاه داشته باشد، اما کاربرد همزمان آن با مواد اصلاح‌کننده خاک مانند بیوچار و زیولیت قادر به تعدیل این اثرات منفی است. در عین حال، نانو نقره به عنوان یک عامل بهبود‌دهنده کیفیت محصول، با افزایش درصد روغن دانه، می‌تواند ارزش اقتصادی محصول آفتابگردان را افزایش دهد. بنابراین، استراتژی تلفیقی استفاده از نانو نقره همراه با بیوچار و زیولیت می‌تواند راهکاری مؤثر برای بهبود کیفیت محصول در کشت آفتابگردان با فاضلاب باشد، البته توجه به تأثیرات جانبی آن بر رشد گیاه اهمیت دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of the Effects of Biochar, Zeolite, and Silver Nanoparticle Foliar Application on Yield and Yield Components of Sunflower under Wastewater Irrigation

نویسندگان English

abolfazl tajik 1
Mohammadreza Amiriyan 2
Ahmad Gholami 3
Hamid Reza Asgari 2
1 shahrod Un.
2 Professor, Department of Agroecology, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
3 Associate Professor, Department of Agroecology, Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

Background and Objectives: Irrigation with non-conventional water sources, such as wastewater, can have significant negative impacts on the growth, yield, and health of crop plants due to the presence of various dissolved substances and pollutants. Although the reuse of wastewater in agriculture is considered a cost-effective strategy for conserving freshwater resources, the risks associated with toxic elements, pathogens, and physiological stresses necessitate the use of mitigation methods. In this context, nanotechnology and soil amendments like zeolite and biochar have emerged as novel tools to reduce adverse effects and improve plant growth under stress conditions. Sunflower (Helianthus annuus), as one of the most important oilseed crops globally, holds a special place in agricultural production due to the high economic and technical value of its seeds and oil. This study aimed to investigate the effect of foliar application of silver nanoparticles (AgNPs) at levels (0, 60, and 120 ppm), along with the application of biochar (9 tons per hectare) and zeolite (9 tons per hectare), on the physiological, morphological traits, seed yield, and oil content of sunflower irrigated with urban wastewater. The experiment was conducted as a factorial design based on a randomized complete block design with three replications in Varamin during the 2018-2019 growing season.
Materials and Methods: The analysis of variance results indicated that the AgNPs treatment had a significant effect on physiological traits, including chlorophyll a and b, carotenoids, relative water content (RWC) of leaves, and proline content. Increasing the concentration of AgNPs, especially at the 120 ppm level, significantly reduced the amount of chlorophyll a and b, indicating damage to the plant's photosynthetic apparatus and the induction of oxidative stress. Additionally, proline content, as a protective compound against stress, decreased with AgNPs application, which could indicate disruption in protein expression patterns and metabolic pathways activated by ethylene. These findings suggest that AgNPs at high concentrations act as a stress factor themselves, affecting the plant's tolerance capacity. In contrast, the individual application of biochar and zeolite had positive effects on growth traits. The main effect of biochar and zeolite on plant height was significant at the 5% and 1% levels, respectively, and the application of these materials improved the physical and chemical conditions of the soil, enhancing root access to water and nutrients.
Results and Discussion: In the analysis of interaction effects, it was found that the combined application of these treatments plays a crucial role in modulating the effects of AgNPs. Although AgNPs had a negative effect on chlorophyll, this effect was relatively reduced in the presence of biochar and zeolite, indicating the protective role of these soil amendments. Regarding yield-related traits, the impact of the treatments was less pronounced. The number of seeds per head, 1000-seed weight, and seed yield were not significantly affected by the experimental treatments. However, the most significant positive finding of the research concerned product quality. The AgNPs treatment acted as an "elicitor" and caused a significant increase in seed oil percentage. This increasing effect was highest in combined treatments, particularly in the combination of 120 ppm AgNPs with biochar. Zeolite also showed an increasing effect when combined with AgNPs. These results indicate that stress induction by AgNPs may activate biosynthesis pathways of secondary metabolites, such as lipids, leading to increased oil accumulation in the seed.
Conclusion: Overall, the results of this study indicate that although the use of AgNPs under wastewater irrigation conditions can have undesirable effects on the plant's physiological traits, the simultaneous application of soil amendments like biochar and zeolite can mitigate these negative effects. At the same time, AgNPs, as a quality-enhancing agent, by increasing seed oil percentage, can boost the economic value of the sunflower crop. Therefore, a combined strategy of using AgNPs alongside biochar and zeolite could be an effective approach to improving product quality in sunflower cultivation with wastewater, albeit with consideration of its side effects on plant growth.

1. Aliari, H., & Shokari, F. (2000). Oilseed crops: Cultivation and physiology. Omidi Publishing.
2. Bhardwaj, A. K., Jasrotia, P., Hendriksen, G., Olusanya, O., Saini, R., & Singh, P. (2020). Integrated use of nanomaterials and soil amendments for sustainable agriculture. Journal of Environmental Management, 268, Article 110675. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110675
3. Bhardwaj, A. K., Shukla, A., Kumar, R., & Singh, R. (2019). Zeolite and vermicompost amendments mitigate the effects of wastewater irrigation on soil properties and sunflower growth. Journal of Cleaner Production, 237, Article 117727. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117727
4. Bouché, N., & Fromm, H. (2004). Genetic and molecular control of ethylene biogenesis and action. Plant Physiology, 136(3), 3446–3452. https://doi.org/10.1104/pp.104.052217
5. Dimkpa, C. O., & Bindraban, P. S. (2018). Nanofertilizers: New products for the industry? Journal of Agricultural and Food Chemistry, 66(26), 6462–6473. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b02150
6. Dimkpa, C. O., McLean, J. E., Latta, D. E., Manangon, E., Britt, D. W., Johnson, W. P., Boyanov, M. I., & Anderson, A. J. (2012). Interaction of silver nanoparticles with an artificial soil matrix: Fate of silver ions and influence on metal(loid) bioavailability. Environmental Science & Technology, 46(19), 10707–10715. https://doi.org/10.1021/es302565y
7. FAO. (2020). Sunflower production and trade. Food and Agriculture Organization of the United Nations. http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC
8. Feyzi, H., Barhand, E. A., Rashvani, M., Moghaddam, P., Fatoum, V., & Shah Tahmasbi, A. (2010). Application of silver nanoparticles and magnetic field to stimulate growth and yield of maize. Proceedings of the First National Conference on Nanoscience and Nanotechnology, 1694–1697.
9. Ghorbanpour, M., & Hatami, M. (2014). The effects of silver nanoparticles on seed germination and seedling growth of sunflower under salt stress. Journal of Plant Nutrition, 37(12), 1966–1983. https://doi.org/10.1080/01904167.2014.920383
10. Hatami, M., & Ghorbanpour, M. (2014). Defense enzyme activities and biochemical variations of Pelargonium zonale in response to nanosilver application and dark storage. Turkish Journal of Biology, 38(2), 130–139. https://doi.org/10.3906/biy-1306-4
11. Hong, J., Han, J., You, H., Kim, S., & Lim, J. (2005). Toxicity of silver nanoparticles to bacteria: Effects on structure and function. Environmental Science & Technology, 39(17), 6682–6689. https://doi.org/10.1021/es050523a
12. Jeffery, S., Verheijen, F. G. A., van der Velde, M., & Bastos, A. C. (2011). A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment, 144(1), 175–187. https://doi.org/10.1016/j.agee.2011.08.015
13. Karamkesh, M., Sarshar, M., & Javanbakhht, M. (2006). Investigation of the application of silver nanoparticles in controlling plant diseases and pests. First National Conference on Nanotechnology, Shiraz University. (Original work published 1385)
14. Kavousi, M., & Rahimi, M. (2001). Effect of zeolite application on rice yield in two soil textures (sandy and clayey). Final Report, Rice Research Institute, Rasht. (Original work published 1380(
15. Krizkova, S., Ryant, P., Krystofova, O., Adem, V., Galiova, M., Beklova, M., Banik, P., Kaiser, J., Novotny, K., Novotny, J., Liska, M., Malina, R., Zehnalek, J., Hubalek, J., Havel, L., & Kizek, R. (2008). Multi-instrumental analysis of tissues of sunflower plants treated with silver(I) ions – Plants as bioindicators of environmental pollution. Environmental Chemistry Letters, 6(4), 255–262. https://doi.org/10.1007/s10311-008-0175-9
16. Laird, D. A., Fleming, P., Davis, D. D., Horton, R., Wang, B., & Karlen, D. L. (2010). Review of the pyrolysis platform for coproducing bio-oil and biochar. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4(4), 397–405. https://doi.org/10.1002/bbb.239
17. Larkin, P. J., Miller, J. A. C., Allen, R. S., Chitty, J. A., Gerlach, W. L., Frick, S., ... & Kutchan, T. M. (2005). Increasing metabolic pathway flux in plants: Lessons from plant secondary metabolism. Annual Review of Plant Biology, 56, 227–258.  
https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.56.032604.144216
18. Liu, Y., Chang, J., Wang, L., & Wang, X. (2021). Biochar and zeolite co-application alleviates the phytotoxic effects of silver nanoparticles in wheat. Science of the Total Environment, 758, Article 143599. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143599
19. Ming, D. W., & Mumpton, F. A. (1989). Zeolites in soils. In J. B. Dixon & S. B. Weed (Eds.), Minerals in soil environments (2nd ed., pp. 874–911). Soil Science Society of America.
20. Mumpton, F. A. (1999). La roca magica: Uses of natural zeolite in agriculture and industry. Proceedings of the National Academy of Sciences, 96(7), 3463–3470.
https://doi.org/10.1073/pnas.96.7.3463
21. Nourouzi, E. (2015). Nanotechnology and its application in agriculture. Zeuzera. http://www.zeuzera.com (Original work published 1394)6=Mumpton, F. 1999. Laroca magica: Uses of nutural Zeolite in agriculture and industry. National Acad. Sci.96:3467-3470.
22. Pourkhaloee, A., Sadrnia, H., & Mohammadi, M. (2017). Long-term effects of silver nanoparticles on soil microbial community and sunflower growth. Ecotoxicology and Environmental Safety, 141, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.03.002
23. Pourkhaloee, A., Sadrnia, H., Mohammadi, M., & Bagheri, A. (2019). Accumulation of silver nanoparticles in soil and its impact on plant health. Environmental Pollution, 252(Pt B), 1–10. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.05.092
24. Qian, H., Peng, X., Han, X., Ren, J., Sun, L., & Fu, Z. (2015). Effects of silver nanoparticles on Oryza sativa L. under salt stress. Environmental Pollution, 196, 439–445. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.10.007
25. Rabiei, H., Davari, M., Mghiminezhad, S., & Argham, F. (2013). Biochar (semi-burnt organic matter): A soil amendment for sustainable agriculture. Proceedings of the National Conference on Agricultural Sciences and Technologies, Malayer University. https://www.civilica.com/Paper-CAST01-CAST01_005.html
26. Rajput, V. D., Minkina, T., Suskova, S., Mandzhieva, S., Tsitsuashvili, V., Chapligin, V., & Fedorenko, A. (2020). Nano-enabled agriculture: Opportunities and challenges. Nanomaterials, 10(6), Article 1127. https://doi.org/10.3390/nano10061127
27. Rajput, V. D., Minkina, T., Sushkova, S., Mandzhieva, S., Tsitsuashvili, V., Chapligin, V., & Fedorenko, A. (2021). Long-term environmental risks of nano-agriculture. Science of the Total Environment, 752, Article 141927. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141927
28. Szabados, L., & Savouré, A. (2010). Proline: A multifunctional amino acid. Trends in Plant Science, 15(2), 89–97. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009
29. Taiz, L., & Zeiger, E. (2010). Plant physiology (5th ed.). Sinauer Associates.
30. Tripathi, D. K., Singh, S., Singh, S., Pandey, R., Singh, V. P., Sharma, N. C., ... & Chauhan, D. K. (2017). An overview on deleterious effects of soil salinity and potential remediation using plants including halophytes. Frontiers in Plant Science, 8, Article 198.
https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00198
31. Tripathi, D. K., Singh, S., Singh, V. P., Pandey, R., Trans, L. S. P., Singh, S., ... & Chauhan, D. K. (2018). Nanoparticle stress-induced biochemical and physiological responses. Plant Physiology and Biochemistry, 123, 277–286. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2017.11.026
32. Verbruggen, N., & Hermans, C. (2008). Proline accumulation in plants: A review. Amino Acids, 35(4), 753–759. https://doi.org/10.1007/s00726-008-0061-6
33. Wang, S., & Peng, Y. (2010). Natural zeolites as effective adsorbents in water and wastewater treatment. Chemical Engineering Journal, 156(1), 11–24. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.10.002
34. Yan, A., & Chen, Z. (2019). Impacts of silver nanoparticles on plants: A focus on the phytotoxicity and underlying mechanism. International Journal of Molecular Sciences, 20(5), Article 1004. https://doi.org/10.3390/ijms20051004
35. Zayed, R., Eisa, R. A., & El Sayed, A. E.-K. B. (2020). Physiological and biochemical responses of sunflower to silver nanoparticles under drought stress. Plant Physiology and Biochemistry, 149, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.01.038
36. Zhao, J., Davis, L. C., & Verpoorte, R. (2005). Elicitor signal transduction leading to production of plant secondary metabolites. Biotechnology Advances, 23(4), 283–333.
https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2004.10.006

  • تاریخ دریافت 03 دی 1401
  • تاریخ بازنگری 08 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 10 دی 1404