نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 زراعت، علوم زراعی، علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
2 گروه زراعت، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
3 دانش آموخته دکتری گروه زراعت، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، مازندران، ایران
4 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Objective & Background: This experiment was performed to evaluate the effect of organic amendment and growth-promoting bacteria on phytoremediation of maize under cadmium (Cd) stress.
Materials & Methods: This experiment was performed in the form of factorial in a completely randomized design with 4 replications. Experimental factors were: 1- biochar as a soil organic amendment at two levels (non-application and application (20 g.kg-1 soil), 2- Pseudomonas putida at two levels (non-inoculation and inoculation of bacteria) and 3- heavy metal levels (0, 25, 50, 75 and 100 mg Cd. Kg-1 soil).
Results: Cadmium in all concentrations had reduced the dry weight of roots and shoots, while biochar application and bacterial inoculation increased these traits; when the maximum shoot dry weight (9.43 g per plant) was observed by biochar application and inoculation of Pseudomonas putida and no cadmium contamination, which increased 45.30% compared to the control. The highest amount of available cadmium in soil, roots and shoots were 23.29, 33.90 and 36.25 mg/kg, respectively, which all three were obtained in the concentration of 100 mg Cd/kg soil. The lowest amount of bioconcentration factor (0.75) and bioaccumulation factor (1.03) were related to the synergistic treatment of biochar and Pseudomonas putida at the concentration of 25 mg Cd/kg soil, which decreased up to 17.90 and 10.62% compared to the control, respectively.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
آلودگی فلزات سنگین در خاک موضوعی است که در سالهای اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است (آدیلوغلو سوینچ 2020). فلزات سنگین یک اصطلاح کلی است که بهطور گسترده برای گروه فلزات و شبه فلزاتی استفاده میشود که تراکم اتمی بالاتر از چهار گرم در سانتیمتر مکعب دارند (هاوکس 1997). زبالههای خانگی، آلایندههای صنعتی، آبهای سطحی حاصل از بارندگی (کومار و همکاران 2019)، آفتکشها، کودهای شیمیایی، زبالههای شهری (حسنین و همکاران 2020)، معدن کاری، ذوب، کاربردهای زمینی لجن فاضلاب و سایر فعالیتهای انسانی منجر به آلودگی گسترده فلزات در خاک شده است (مدینسکا-ژوراسک و همکاران 2020).
کادمیم (Cd) یک فلز سنگین سمی است که در خاک نسبتاً متحرک است و به یک مشکل جدی برای محیط زیست در سراسر جهان تبدیل شده است (وو و همکاران 2020). اگر کادمیم موجود در خاک کمتر از 5/0 میلی‌گرم در کیلوگرم باشد، تنش قابل توجهی برای گیاهان ایجاد نمیکند؛ اما بسته به مواد اصلی خاک میتواند تا سه (خالوفا و همکاران 2019) الی 7/16 میلی‌گرم در کیلوگرم برسد (ما و همکاران 2020) و این در حالیست که قرار گرفتن گیاه در معرض سطوح بالای کادمیم باعث تغییر در هومئوستازی عناصر اساسی میشود، موجب تخریب سیستم فتوسنتز میشود، تنش اکسیداتیو ایجاد میکند و رشد و نمو گیاه را مختل میسازد (لو و همکاران 2020).
برای کنترل آلودگی فلزات سنگین، در سراسر دنیا تلاش بر این است تا برای رفع تهدیدهای بهداشتی و دستیابی به توسعه بوم‌شناختی پایدار، از فناوریهایی استفاده شود که مقرون به صرفه، کارآمد و امکان‌پذیر باشد (ژانگ و همکاران 2020). در میان فناوریهای موجود برای اصلاح، گیاه‌پالایی یک فناوری سبز و نسبتاً ارزان قیمت است که از گیاهان برای از بین بردن خاکهای آلوده به فلزات سمی استفاده میشود و بیش از یک دهه است که مورد توجه بسیاری قرار گرفته است (لی و همکاران 2020). گیاه‌پالایی یک فرآیند آلودگی‌زدایی است که در آن از گیاهان برای حذف آلاینده‌ها از محیط و یا تبدیل آلاینده‌ها به موادی که خطر کمتری برای موجودات زنده دارند استفاده میشود (برتان و همکاران 2020). گیاه‌پالایی از قابلیت جذب منحصر به فرد و انتخابی سیستمهای ریشه گیاه همراه با قابلیت انتقال، تجمع زیستی و تجزیه آلاینده در کل اندامهای گیاهی در فرآیند اصلاح برخوردار است (ابراهیم و همکاران 2020). لذا، گونههای گیاهی با رشد سریع قادر به تولید مقادیر زیادی زیست توده هوایی و زیرزمینی هستند؛ بنابراین پتانسیل خوبی برای استخراج، تخریب و تثبیت آلاینده‌ها دارند (لابرک و همکاران 2020).
ذرت بعد از گندم و برنج از مهمترین و گستردهترین غلات در جهان است (اودیی و همکاران 2020). ذرت در مناطق مختلف کره زمین و در محیطهای متنوع کشت میشود، و دارای سیستم ریشهای منشعب ریز و فراوان است. همچنین دارای تعداد زیادی تار کشنده است که نقش مهمی در جذب آب، مواد مغذی و آلاینده‌ها از خاک دارند (چیوتالو و همکاران 2020). علاوهبراین، در مطالعه‌ای گزارش شده است، که ذرت بهعنوان یک گیاه C4 درجه حساسیت متوسطی نسبتبه تنشهای فلزات سنگین نشان می‌دهد (صوفی و همکاران 2020).
در این زمینه، جداسازی و استفاده از جمعیت میکروبی برای اصلاح یونهای فلزات سنگین از محیط زیست نیز، توجه محققان زیادی را به خود جلب کرده است که در این بین باکتریهای محرک رشد گیاه مورد توجه ویژهای قرار گرفتهاند (تیری و همکاران 2018). برخی از باکتریهای محرک رشد گیاه، دارای توانایی فوقالعادهای در بهبود رشد گیاه از طریق سازوکارهای مختلف از جمله تولید سیدروفور، ایندول استیک اسید و انحلال فسفات میباشند. همچنین این باکتریها برای کاهش آلایندههای خاک و معدنی کردن ترکیبات آلی مورد استفاده قرار میگیرند (نریمانی و همکاران 2017). باکتری جنس سودوموناس بهطور گسترده بهعنوان باکتری محرک رشد گیاه معرفی میشود که دربردارنده خصوصیاتی مانند پتانسیل تولید محرک رشد گیاه، هورمونهای گیاهی، محلولسازی فسفات، سیانید هیدروژن، سیدروفور، آنتی بیوتیکها، آنزیمهای هیدرولیتیک و ترکیبات ضد میکروبی می‌باشد (سابرامانیوم و سوندارام 2020).
بیوچار مادهای غنی از کربن است که از طریق تجزیه حرارتی زیست توده لیگنوسلولزی و مواد زائد بیولوژیکی جامد در شرایط بدون اکسیژن یا محدود به اکسیژن در دمای 900-400 درجه سانتی‌گراد بهدست می‌آید، به این فرآیند پیرولیز گفته میشود (زوبری و همکاران 2020). بیوچار حاصل از باقیماندههای کشاورزی حاوی عناصر غذایی پرمصرف باارزش (به ویژه نیتروژن، فسفر، کلسیم و غیره) و کممصرف (مثل مس، روی و غیره) است که نقش مهمی در اصلاح خاک و تغذیه گیاه دارند (سان و همکاران 2020).
باتوجهبه موارد ذکر شده و افزایش صنعتی شدن در نتیجه افزایش آلاینده‌ها، روشی کارآمد و مقرون به صرفه مانند گیاه‌پالایی برای کاهش یا حذف آلاینده‌ها ضروری است. همچنین استفاده از مکملها برای بهبود و تسریع این فرآیند توصیه میشود، بنابراین این پژوهش با هدف ارزیابی اثرگذاری اصلاحکننده آلی بیوچار و باکتری محرک رشد سودوموناس پوتیدا در فرآیند گیاه‌پالایی توسط گیاه ذرت، تحت تنش کادمیم برنامه‌ریزی و انجام شد.
مواد و روشها
جهت بررسی توانایی کاهش آلودگی عنصر سنگین کادمیم توسط گیاه ذرت رقم سینگل کراس 500 همراه با مصرف بیوچار و تلقیح باکتری سودوموناس پوتیدا R-8 (Pseudomonas putida R-8) آزمایشی در دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، در شرایط گلخانه انجام شد. این آزمایش بهصورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با چهار تکرار صورت گرفت. فاکتورهای آزمایشی عبارت بود از: 1- بیوچار بهعنوان اصلاحکننده آلی خاک در دو سطح بدون مصرف (شاهد) و مصرف 20 گرم به ازای هر کیلوگرم خاک 2- باکتری سودوموناس پوتیدا R-8 در دو سطح بدون تلقیح با باکتری (شاهد) و تلقیح با باکتری 3- سطوح عنصر آلاینده در پنج سطح 0 (شاهد)، 25، 50، 75 و 100 میلی‌گرم کادمیم در کیلوگرم خاک از منبع نیترات کادمیم (Cd(NO3)2). در مجموع 80 گلدان پنج کیلوگرمی در نظر گرفته شد. در هر گلدان چهار کیلوگرم خاک ریخته شد. خاک پس از هوا خشک شدن با مقدار مورد نظر نیترات کادمیم برای هر تیمار بهصورت لایهای با خاک مخلوط گردید. برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در جدول 1 نشان داده شده است.
بیوچار مصرفی حاصل از بقایای درختان جنگلی بود که از شرکت داخلی کربن اکتیو بشل تهیه شد. خواص فیزیکی و شیمیایی بیوچار در جدول 2 نشان داده شده است. پس از اضافه نمودن نیترات کادمیم به خاک، مقدار بیوچار تعیین شده به تیمارهای مورد نظر اضافه گردید. بهمنظور جذب کامل نیترات کادمیم در خاک بهمدت 14 روز آبیاری از طریق زیرگلدانی صورت گرفت. مایه تلقیحی مایع شامل سودوموناس پوتیدا R-8 بود که از موسسه تحقیقات خاک و آب کرج تهیه و بهصورت آغشته کردن (چند ساعت قبل از کاشت) با بذر تلقیح و به خاک افزوده شد. اندازه‌گیری ارتفاع بوته قبل از گلدهی و برداشت بوته صورت گرفت. برداشت قبل از شروع مرحله گلدهی صورت گرفت، در این مرحله گیاهان هر گلدان کف‌بر شدند. پس از برداشت اندام هوایی، گلدان‌ها برای خارج کردن ریشه‌ها ابتدا آبیاری شدند. درنهایت ریشه‌ها از گلدان خارج شدند و نمونههای اندامهای هوایی و اندامهای زیرزمینی گیاه به آزمایشگاه انتقال یافتند. پس از کف‌برکردن بوته‌ها، نمونههای ریشه و شاخساره جهت تعیین وزن خشک بهمدت 72 ساعت در دمای 35 درجه سانتی‌گراد در آون قرار داده شد؛ سپس با استفاده از ترازوی دیجیتال وزن خشک نمونه‌ها در گلدان تعیین شد. اندازه‌گیری غلظت کادمیم در گیاه بهروش هضم تر انجام شد (وودیزجونیور و همکاران 1997). غلظت قابل جذب کادمیم در نمونههای خاک نیز با استفاده از روش لیندسی و نورول (1978) اندازه‌گیری شد. پس از اتمام محاسبات آزمایشگاهی، تجزیه و تحلیل آماری با استفاده از نرمافزار SAS (v. 9) انجام و باتوجهبه معنی‌دار شدن اثرات متقابل سه‌گانه، برشی‌دهی اثر متقابل صورت گرفت. از آزمون LSD در سطح پنج درصد جهت مقایسه میانگین‌ها استفاده شد.
با استفاده از روابط زیر توانایی گیاهان در انباشت عنصر کادمیم محاسبه شد.
100 (لوکس و همکاران 2004)
(باکر و بروکز 1989 و ژانگ و همکاران 2002)
(ما و همکاران 2001)
(ما و همکاران 2001 و کلیوس 2004)
(کاس و همکاران 2003)
جدول 1- برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک
|
بافت خاک |
pH |
EC |
N |
P |
K |
Cd |
|
|
|
dS.m-1 |
% |
mg.kg-1 |
mg.kg-1 |
mg.kg-1 |
|
رسی |
21/7 |
723/1 |
18/0 |
10 |
266 |
005/0 |
جدول 2- برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بیوچار
|
*ظرفیت جذب ید |
مساحت سطح یا سطح ویژه |
ظرفیت جذب متیلن بلو |
میزان رطوبت |
pH |
درصد خاکستر |
دانه‌بندی |
|
(mg.g-1) |
(m2.g-1) |
(mg.g-1) |
% |
|
% |
mm |
|
1100-950 |
1100-950 |
250-150 |
4-3 |
5/8 |
5-4 |
1 |
*ظرفیت جذب ید و متیلن بلو شاخصی برای اندازه‌گیری میزان جذب مواد سمی توسط بیوچار است.
نتایج و بحث
وزن خشک ریشه و شاخساره
جدول تجزیه واریانس (جدول 3) نشان می‌دهد در صفت وزن خشک ریشه، همه تیمارها بهجز اثرات دوگانه کادمیم×بیوچار و کادمیم×سودوموناس پوتیدا، در سطح یک درصد معنی‌دار شدند. اما تمامی اثرات ساده، دوگانه و سه‌گانه مورد مطالعه بر وزن خشک شاخساره گیاه ذرت معنی‌دار شد (جدول 3). با افزایش غلظت کادمیم از صفر تا 100 میلی‌گرم، وزن خشک ریشه و شاخساره کاهش یافتند (جدول 4). شکری و همکاران (2016) گزارش دادند وزن خشک اندام هوایی ﮔﻞ ﺟﻌﻔﺮی زﯾﻨﺘﯽ (Tagetes erecta) در حضور کادمیم از 68/1 گرم در گلدان در سطح شاهد به 12/0 گرم در گلدان در سطح 800 میلی‌گرم کادمیم بر کیلوگرم خاک رسید، که 14 برابر کاهش داشت. وزن خشک ریشه نیز از 72/0 گرم در گلدان در سطح شاهد به 08/0 گرم در گلدان رسید که 9 برابر کاهش یافت. در گزارش دیگری مشاهده شد که وزن خشک ریشه دو واریته ذرت در غلظتهای متفاوت کادمیم (10، 25، 50، 75 و 100) به میزان قابل توجهی کم شد (دیاب و همکاران 2020). کاهش رشد و زیست توده گیاهان رشد یافته در تنش فلزات سنگین ممکن است بهدلیل افزایش سطح پراکسیداسیون لیپید، H2O2 و اختلال در محتوای مواد مغذی باشد (عباس و همکاران 2020).
*، ** و ns: بهترتیب معنی‌داری در سطح احتمال پنج درصد، یک درصد و عدم معنی‌داری می‌باشد.
کاربرد جداگانه بیوچار و سودوموناس پوتیدا و همچنین همافزایی بیوچار و سودوموناس پوتیدا در همه غلظتها موجب افزایش وزن خشک ریشه و شاخساره شدند (جدول 4). در همه غلظتها کاربرد تلفیقی بیوچار و سودوموناس پوتیدا بیشترین تأثیر را بر وزن خشک شاخساره داشت؛ بهطوری که بیشترین مقدار وزن خشک شاخساره 43/9 گرم در بوته، مربوط به تیمار مصرف بیوچار و تلقیح سودوموناس پوتیدا و عدم آلودگی کادمیم بود که نسبتبه شاهد خود 30/45 درصد افزایش نشان داد. نتایج آزمایشی نشاندهنده آن است که کاربرد تلفیقی بیوچار و تلقیح باکتری سودوموناس فلورسنس (Pseudomonas fluorescens) توانسته است موجب افزایش زیست توده شاخساره و کل گیاه بید سفید (Salix alba L.) تحت تنش فلزات سنگینی نظیر مس، روی و کادمیم شود (مکرم کشتیبان و همکاران 2019). مطابق با مطالعات پیشین همافزایی بیوچار و تلقیح باکتریهای محرک رشد میتوانند با افزایش محتوای کربن و نیتروژن، بهبود خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک، تحریک جوامع میکروبی، افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی، جذب و حذف فلزات سنگین از خاک بهطور مستقیم و غیرمستقیم زیست توده گیاهان تحت تنش فلزات سنگین را بهبود بخشند (کوی و همکاران 2013).
کمترین مقدار وزن خشک شاخساره گیاه ذرت یعنی 78/3 گرم در بوته در تیمار عدم مصرف بیوچار و عدم تلقیح باکتری در بیشترین غلظت کادمیم یعنی 100 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک مشاهده گردید (جدول 4). در یک آزمایش روی سه گونه گیاهی شامل گیاه سبط(Stipagrostis plumose)، گیاه استبرق (Calotropis procera) و گیاه یونجه (Medicago sativa) که در مناطق آلوده به ترکیبات نفتی رشد یافتند مشاهده شد که با مصرف بیوچار وزن خشک ریشه و شاخساره افزایش یافت (جهانتاب و همکاران 2016). یکی از عوامل بهبوددهنده شرایط خاک بهمنظور رشد گیاهان افزودن انواع مواد آلی به محیط کشت است (جعفری و همکاران 2017). بیوچار باعث بهبود احتباس مواد مغذی، جذب آب، افزایش کربن آلی، عناصر پرمصرف (نیتروژن، فسفر، پتاسیم، کلسیم و منگنز) و افزایش ریزمغذیها در خاک شده، درنتیجه حاصلخیزی خاک را بهبود میبخشد و رشد رویشی را افزایش می‌دهد (عباس و همکاران، 2020). باکتریها نیز میتوانند از طریق تأمین منابع غذایی و انواع پروتئینهای مورد نیاز گیاه، موجب بهبود خصوصیات شیمیایی، فیزیکی و زیستی خاک، افزایش تولید اسیدهای آمینه و آلی، کاهش اثرات تنشهای محیطی خاک از طریق افزایش مقاومت گیاه و حفظ رطوبت بیشتر در اطراف ریشه شوند، درنتیجه رشد مورفولوژیکی گیاه را بهبود میبخشند (مکرم کشتیبان و همکاران 2019).
ارتفاع بوته
اثرات ساده تیمارهای آزمایشی بر ارتفاع بوته در سطح پنج درصد معنی‌دار شدهاند. اما باقی تیمارهای آزمایشی اثر معنی‌داری نداشتند (جدول 3). براساس شکل 1، ارتفاع بوته بهصورت خطی با شیب 2874/0- واحد کاهش یافت و میزان کاهش ارتفاع در تیمار 100 میلی‌گرم کادمیم نسبتبه شاهد (عدم مصرف کادمیم) حدود 33/29 درصد بود (شکل 1). در این راستا نتایج مشابهی در آزمایش شفیق و همکاران (2019) مشاهده شد. در آزمایش آنها نیز مشاهده شد ارتفاع بوته گیاه ذرت (Zea mays L.) با کاربرد کادمیم کاهش یافت. همچنین نتایج این مطالعه نشان داد افزودن بیوچار و سودوموناس پوتیدا به بستر کشت موجب بهبود ارتفاع بوته شدهاند که بهترتیب 27/4 و 30/5 درصد افزایش داشتهاند (شکل 2 الف و ب). بهبود ارتفاع بوته با مصرف بیوچار ممکن است بهدلیل کاهش جذب کادمیم در ریشه و شاخساره هنگام حضور بیوچار در خاک باشد (دینش و همکاران 2019).
شکل 1- روند تغییرات ارتفاع بوته گیاه ذرت در افزایش غلظت کادمیم خاک
|
|
|
|
شکل 2- اثر ساده بیوچار (الف) و اثر ساده باکتری سودوموناس پوتیدا (ب) بر میزان ارتفاع بوته گیاه ذرت تحت شرایط تنش کادمیم |
|
شاخص تحمل
نتایج تجزیه واریانس (جدول 3) نشان می‌دهد اثر دوگانه بیوچار×سودوموناس پوتیدا در سطح پنج درصد و سایر اثرات بررسی شده بر شاخص تحمل گیاه ذرت در سطح یک درصد معنی‌دار شدند. شاخص تحمل گیاه ذرت با افزایش غلظت کادمیم کاهش نشان داد؛ بهطوری که کمترین شاخص تحمل (58/0) در بیشترین غلظت کادمیم مشاهده شد (جدول 4). نتایج پژوهشی حاکی از آن بود که شاخص تحمل گیاه شاهی (Lepidium sativum) با افزایش غلظت دو فلز کادمیم و کروم کاهش یافت (سوباریو و همکاران 2016). مطابق جدول 4، کاربرد بیوچار، تلقیح سودوموناس پوتیدا و همافزایی این دو باعث افزایش شاخص تحمل شد و در همه غلظتها همافزایی بیوچار و باکتری بالاترین شاخص تحمل را به‌خود اختصاص داد.
کمترین و بیشترین شاخص تحمل بهترتیب 58/0 و 45/1 بود که مربوط به تیمار عدم مصرف بیوچار و عدم تلقیح باکتری در غلظت 100 میلی‌گرم کادمیم در کیلوگرم خاک و مصرف بیوچار، تلقیح باکتری در غیاب کادمیم بود (جدول 4). شاخص تحمل براساس زیست توده خالص انباشته شده در گیاهان تحت تنش فلزات سنگین در مقایسه با گیاهان شاهد برآورد میشود؛ از این رو، شاخص قابل اعتمادی از سطح تحمل گیاهان به فلزات سنگین خاک است (پیوتتو و همکاران 2018). هنگامیکه تیمارها بر رشد گیاه تأثیری نداشته باشند، شاخص تحمل برابر با یک است. درجه تحمل به سه دسته تحمل بالا (بزرگتر از 60/0)، تحمل متوسط (60/0-35/0) و حساس (کوچکتر از 35/0) تقسیم میشود (لوکس و همکاران، 2004). بنابراین، باتوجهبه اینکه در آزمایش حاضر شاخص تحمل بزرگتر از 60/0 است، میتوان ذرت را جزء گیاهان با تحمل بالا نسبتبه کادمیم در نظر گرفت.
جدول 4- مقایسه میانگین برشدهی برهمکنش اثر تیمارهای آزمایشی بر وزن خشک اندامهای گیاهی و شاخص تحمل گیاه ذرت
|
کادمیم (mg.kg-1) |
بیوچار |
سودوموناس پوتیدا |
وزن خشک ریشه |
وزن خشک شاخساره |
شاخص تحمل گیاه |
|
(g.plant-1) |
|||||
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c07/2 |
d49/6 |
d00/1 |
|
0 |
تلقیح |
b30/2 |
b26/8 |
b27/1 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
b30/2 |
c23/7 |
c11/1 |
|
|
تلقیح |
a55/2 |
a43/9 |
a45/1 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c78/1 |
d60/5 |
d86/0 |
|
25 |
تلقیح |
b08/2 |
b81/6 |
b05/1 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
b02/2 |
c11/6 |
c94/0 |
|
|
تلقیح |
a19/2 |
a44/7 |
a15/1 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c52/1 |
d00/5 |
d77/0 |
|
50 |
تلقیح |
b81/1 |
b89/5 |
b91/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
b85/1 |
c55/5 |
c86/0 |
|
|
تلقیح |
a98/1 |
a56/6 |
a01/1 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c26/1 |
d23/4 |
d65/0 |
|
75 |
تلقیح |
b53/1 |
b44/5 |
b84/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
b53/1 |
c08/5 |
c78/0 |
|
|
تلقیح |
a70/1 |
a11/6 |
a94/0 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c08/1 |
d78/3 |
d58/0 |
|
100 |
تلقیح |
b24/1 |
b53/4 |
b70/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
b23/1 |
c16/4 |
c64/0 |
|
|
تلقیح |
a45/1 |
a88/4 |
a75/0 |
|
میانگینهایی که در هر ستون و هر تیمار کادمیم دارای حروف مشترک میباشند، براساس آزمون LSD در سطح احتمال پنج درصد اختلاف معنی‌داری ندارند.
غلظت کادمیم در خاک، ریشه و شاخساره
همه اثرات تیمارهای آزمایشی بر غلظت کادمیم در خاک و ریشه در سطح یک درصد معنی‌دار شدند. همچنین همه اثرات تیمارهای آزمایشی بهجز اثر ساده بیوچار بر غلظت کادمیم در شاخساره در سطح یک درصد معنی‌دار شدند (جدول 5). براساس جدول 6 با افزایش غلظت کادمیم، میزان کادمیم در خاک، ریشه و شاخساره افزایش یافت. با مصرف بیوچار میزان کادمیم خاک (بهجز شاهد) کاهش نشان داد. همچنین، مصرف بیوچار در همه غلظتهای کادمیم موجب کاهش میزان کادمیم در ریشه و شاخساره شد. نتایج آزمایش آلابودی و همکاران (2019) حاکی از آن است که با افزایش میزان فلزات سنگین در خاک، غلظت سرب، کادمیم و کروم در زیست توده گیاه ذرت افزایش یافت. در این راستا، آنها به این نتیجه رسیدند که افزودن بیوچار بهتدریج فرم قابل دسترس سرب و کادمیم را در خاک کاهش داد؛ لذا میزان جذب سرب و کادمیم توسط گیاهان در حال رشد نیز کاهش یافت.
جدول 5- تجزیه واریانس (میانگین مربعات) اثر تیمارهای آزمایشی بر میزان غلظت کادمیم خاک، ریشه و شاخساره در گیاه ذرت
|
منابع تغییر |
درجه آزادی |
غلظت کادمیم قابل استفاده در خاک |
غلظت کادمیم در ریشه |
غلظت کادمیم در شاخساره |
|
کادمیم |
4 |
**007/911 |
**374/1498 |
**958/1729 |
|
بیوچار |
1 |
**657/0 |
**903/0 |
ns117/0 |
|
سودوموناس پوتیدا |
1 |
**515/228 |
**117/756 |
**662/907 |
|
کادمیم×بیوچار |
4 |
**834/0 |
**870/2 |
**188/2 |
|
کادمیم×سودوموناس پوتیدا |
4 |
**778/24 |
**655/89 |
**676/112 |
|
بیوچار×سودوموناس پوتیدا |
1 |
**609/91 |
**493/249 |
**653/310 |
|
کادمیم×بیوچار×سودوموناس پوتیدا |
4 |
**000/10 |
**237/32 |
**130/41 |
|
خطای آزمایش |
60 |
048/0 |
035/0 |
073/0 |
|
ضریب تغییرات (%) |
|
43/2 |
71/1 |
216/2 |
*، ** و ns: بهترتیب معنی‌داری در سطح احتمال پنج درصد، یک درصد و عدم معنی‌داری می‌باشد.
مکانیسمهای مختلف بیحرکتی فلزات سنگین را میتوان پس از استفاده از بیوچار مشاهده کرد. اول، بیوچار میتواند خصوصیات خاک را در تعیین تحرک عناصر مانند pH خاک یا ظرفیت تبادل کاتیونی تحت تأثیر قرار دهد. در مرحله دوم، بیوچار میتواند با استفاده از چندین مکانیزم، از جمله تبادل فلز، ایجاد کمپلکس با گروههای مختلف عاملی در بیوچار و جذب اختصاصی و غیراختصاصی، از مجموعههای جذب خاک پشتیبانی کرده و موجب بیحرکتی عناصر شود (مدینسکا-ژوراسک و همکاران 2020).
تلقیح سودوموناس پوتیدا و کاربرد همزمان بیوچار و باکتری موجب افزایش غلظت کادمیم در خاک، ریشه و شاخساره شد. بیشترین میزان کادمیم در خاک، ریشه و شاخساره بهترتیب 29/23، 91/33 و 25/36 میلی‌گرم بود که هر سه مربوط به غلظت 100 میلی‌گرم کادمیم در کیلوگرم خاک میباشند (جدول 6). باکتریها از طریق تغییر pH خاک، رهاسازی کلاتکنندهها (مانند اسیدهای آلی و سیدروفورها) و واکنشهای اسید و احیاء قادر به تغییر قابلیت دسترسی فلزات سنگین هستند (محوحی و همکاران 2018).
جدول 6- مقایسه میانگین برشدهی برهمکنش اثر تیمارهای آزمایشی بر میزان غلظت کادمیم خاک، ریشه و شاخساره در گیاه ذرت
|
کادمیم (mg.kg-1) |
بیوچار |
سودوموناس پوتیدا |
غلظت کادمیم قابل استفاده در خاک |
غلظت کادمیم در ریشه |
غلظت کادمیم در شاخساره |
|
(mg.kg-1) |
|||||
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
b001/0 |
c002/0 |
b003/0 |
|
0 |
تلقیح |
a002/0 |
b003/0 |
b004/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
b001/0 |
d001/0 |
c002/0 |
|
|
تلقیح |
a002/0 |
a004/0 |
a005/0 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c798/2 |
c563/2 |
c213/3 |
|
25 |
تلقیح |
b353/3 |
b827/3 |
b174/4 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d782/1 |
d339/1 |
d828/1 |
|
|
تلقیح |
a360/4 |
a519/5 |
a966/5 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c336/9 |
c355/9 |
c480/11 |
|
50 |
تلقیح |
b261/11 |
b113/13 |
b716/15 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d284/6 |
d693/5 |
d106/7 |
|
|
تلقیح |
a957/13 |
a856/17 |
a398/20 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c588/13 |
c498/15 |
c194/17 |
|
75 |
تلقیح |
b207/15 |
b888/18 |
b147/21 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d667/9 |
d673/9 |
d687/10 |
|
|
تلقیح |
a216/17 |
a674/22 |
a604/25 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c110/17 |
c738/20 |
c271/22 |
|
100 |
تلقیح |
b209/19 |
b409/25 |
b097/27 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d491/13 |
d854/14 |
d214/15 |
|
|
تلقیح |
a292/23 |
a909/33 |
a254/36 |
|
میانگینهایی که در هر ستون و هر تیمار کادمیم دارای حروف مشترک میباشند، براساس آزمون LSD در سطح احتمال پنج درصد اختلاف معنی‌داری ندارند.
فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره
مطابق جدول 7، کلیه اثرات تیمارهای آزمایشی بر فاکتور تجمعی زیستی ریشه در سطح یک درصد معنی‌دار شد. اثر ساده بیوچار و اثر دوگانه کادمیم×بیوچار بر فاکتور تجمع زیستی شاخساره معنی‌دار نشدند. فاکتور تجمع زیستی شاخصی است که برای ارزیابی پتانسیل انتقال فلز از خاک به گیاه استفاده میشود (لیو و همکاران 2020). افزایش غلظت کادمیم از صفر تا 25 میلی‌گرم موجب کاهش فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره شد؛ اما با افزایش غلظت کادمیم از غلظت 25 تا 100 میلی‌گرم، فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره زیاد شد. کاربرد بیوچار در همه غلظتها موجب کاهش فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره گردید؛ در حالیکه تلقیح سودوموناس پوتیدا و همزیستی بیوچار و باکتری در همه غلظتها بهجز شاهد موجب افزایش فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره شد (جدول 8).
جدول 7- تجزیه واریانس (میانگین مربعات) اثر تیمارهای آزمایشی در صفات مرتبط با قابلیت گیاه‌پالایی گیاه ذرت
|
منابع تغییر |
درجه آزادی |
فاکتور تجمع زیستی ریشه |
فاکتور تجمع زیستی شاخساره |
فاکتور انتقال |
جذب کادمیم در شاخساره |
|
کادمیم |
4 |
**901/0 |
**057/5 |
**864/0 |
**0376/0 |
|
بیوچار |
1 |
**063/0 |
ns077/0 |
*074/0 |
**0015/0 |
|
سودوموناس پوتیدا |
1 |
**414/1 |
*132/0 |
**741/0 |
**0442/0 |
|
کادمیم×بیوچار |
4 |
**048/0 |
ns044/0 |
**070/0 |
**0001/0 |
|
کادمیم×سودوموناس پوتیدا |
4 |
**015/0 |
**553/0 |
**371/0 |
**0046/0 |
|
بیوچار×سودوموناس پوتیدا |
1 |
**209/1 |
**235/0 |
**155/0 |
**0094/0 |
|
کادمیم×بیوچار×سودوموناس پوتیدا |
4 |
**318/0 |
**317/0 |
**107/0 |
**0009/0 |
|
خطای آزمایش |
60 |
0002/0 |
030/0 |
017/0 |
000005/0 |
|
ضریب تغییرات (%) |
|
29/1 |
39/11 |
74/10 |
58/3 |
*، ** و ns: بهترتیب معنی‌داری در سطح احتمال پنج درصد، یک درصد و عدم معنی‌داری می‌باشد.
نتایج آزمایش کبیری و همکاران (2018) نیز نشان داد که کاربرد مقادیر مختلف بیوچار، فاکتور تجمع زیستی سرب را در ریشه ذرت کاهش معنی‌داری داد (05/0P<). رسولی صدقیانی و همکاران (2018) از نتایج آزمایش خود دریافتند که تلقیح گیاه گل گندم (Centaurea hypoleuca johncoutts) با سه گونه باکتری از جنس سودوموناس شامل سودوموناس پوتیدا (Pseudomonas putida)، سودوموناس فلورسنس (Pseudomonas fluorescens) و سودوموناس آئروژینوزا (Pseudomonas aeruginosa) موجب افزایش فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره گیاه تحت تنش کادمیم شد. در مطالعه حاضر کمترین مقدار فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره (75/0 و 03/1) مربوط به تیمار مصرف بیوچار و عدم تلقیح باکتری در غلظت 25 میلی‌گرم کادمیم در کیلوگرم خاک بود که بهترتیب 48/18 و 43/10 درصد نسبتبه شاهد خود کاهش نشان داد.
فاکتور انتقال
براساس جدول تجزیه واریانس (جدول 7) تمام تیمارهای آزمایشی در سطح یک درصد معنی‌دار شدند. فاکتور انتقال در گیاه ذرت با افزایش غلظت کادمیم روند کاهشی داشت. بهطوری که کمترین فاکتور انتقال (02/1) در غلظت 100 میلی‌گرم کادمیم در کیلوگرم خاک و بیشترین فاکتور انتقال (33/2) در شاهد دیده شد (جدول 8). فاکتور انتقال اندازه‌گیری توانایی گیاهان برای انتقال فلزات انباشته شده از ریشه‌ها به اندام هوایی گیاه است و نسبتی از غلظت فلز در اندام هوایی به ریشه‌ها می‌باشد (حسین و همکاران 2013). اگر فاکتور انتقال بزرگتر از یک باشد، گیاه مورد نظر برای استخراج گیاهی آلاینده‌ها مناسب است و گیاهانی که در آنها میزان فاکتور انتقال کمتر از یک و میزان فاکتور تجمع زیستی بیشتر از یک باشد، برای فرآیند تثبیت گیاهی مناسب هستند (جهانتاب و همکاران 2016). در این پژوهش فاکتور انتقال گیاه بزرگتر از یک است؛ بنابراین، میتوان اذعان داشت گیاه ذرت برای استخراج گیاهی که یکی از فرآیندهای گیاه‌پالایی است، مناسب است.
جدول 8- مقایسه میانگین برشدهی برهمکنش اثر تیمارهای آزمایشی بر صفات مرتبط با قابلیت گیاه‌پالایی گیاه ذرت
|
کادمیم (mg.kg-1) |
بیوچار |
سودوموناس پوتیدا |
فاکتور تجمع زیستی ریشه |
فاکتور تجمع زیستی شاخساره |
فاکتور انتقال |
جذب کادمیم در شاخساره (mg.pot-1) |
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
a00/2 |
a33/3 |
b67/1 |
c000021/0 |
|
0 |
تلقیح |
b50/1 |
b00/2 |
b33/1 |
b000033/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
c00/1 |
b33/2 |
a33/2 |
c000016/0 |
|
|
تلقیح |
a00/2 |
b50/2 |
b25/1 |
a000047/0 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c92/0 |
c15/1 |
b25/1 |
c017987/0 |
|
25 |
تلقیح |
b14/1 |
b25/1 |
c09/1 |
b028432/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d75/0 |
d03/1 |
a37/1 |
d011181/0 |
|
|
تلقیح |
a27/1 |
a37/1 |
c08/1 |
a044389/0 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c00/1 |
c23/1 |
ab23/1 |
c057443/0 |
|
50 |
تلقیح |
b16/1 |
b40/1 |
b20/1 |
b092611/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d91/0 |
d13/1 |
a25/1 |
d039449/0 |
|
|
تلقیح |
a28/1 |
a46/1 |
c14/1 |
a133887/0 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c14/1 |
c27/1 |
ab11/1 |
c072777/0 |
|
75 |
تلقیح |
b24/1 |
b39/1 |
ab12/1 |
b115046/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d00/1 |
d10/1 |
b10/1 |
d054267/0 |
|
|
تلقیح |
a32/1 |
a49/1 |
a13/1 |
a156514/0 |
|
|
|
عدم مصرف |
عدم تلقیح |
c21/1 |
c30/1 |
a07/1 |
c084236/0 |
|
100 |
تلقیح |
b32/1 |
b41/1 |
a07/1 |
b122732/0 |
|
|
|
مصرف |
عدم تلقیح |
d10/1 |
d13/1 |
b02/1 |
d063219/0 |
|
|
تلقیح |
a46/1 |
a56/1 |
a07/1 |
a177044/0 |
میانگینهایی که در هر ستون و هر تیمار کادمیم دارای حروف مشترک میباشند، براساس آزمون LSD در سطح احتمال پنج درصد اختلاف معنی‌داری ندارند.
جذب کادمیم در شاخساره
براساس نتایج جدول تجزیه واریانس 7، اثر ساده، اثر دوگانه و اثر متقابل سه‌گانه تیمارهای آزمایشی بر مقدار جذب کادمیم در شاخساره در سطح یک درصد معنی‌دار شدند. جذب کادمیم در شاخساره با بالا رفتن غلظت کادمیم یک سیر صعودی را طی کرد (جدول 8). تلقیح باکتری و همزیستی بیوچار و سودوموناس پوتیدا موجب افزایش جذب کادمیم در شاخساره شدند. در حالیکه، با کاربرد بیوچار در همه غلظتها بهجز شاهد مقدار جذب کادمیم در شاخساره کاهش یافت (جدول 8). همچنین جدول 8 نشان می‌دهد کمترین میزان جذب کادمیم در شاخساره (000016/0 میلی‌گرم) متعلق به تیمار مصرف بیوچار، عدم تلقیح باکتری و عدم آلودگی کادمیم است درصورتیکه بیشترین مقدار جذب (177044/0 میلی‌گرم) در تیمار همافزایی بیوچار و باکتری در غلظت 100 میلی‌گرم کادمیم در کیلوگرم خاک مشاهده شد. مقدار جذب هر فلز در شاخساره از حاصل‌ضرب مقدار وزن ماده خشک شاخساره در غلظت فلز در شاخساره بهدست می‌آید. این صفت معیاری مناسب برای تعیین پالایش فلزات و در واقع قوی‌ترین معیار برای تعیین پتانسیل پالایش گیاه می‌باشد (کاس و همکاران 2003). در پژوهش حاضر جذب کادمیم در شاخساره که بهعنوان فاکتور پالایش در نظر گرفته میشود؛ با افزایش غلظت کادمیم در خاک افزایش یافت. اما، با مصرف بیوچار جذب کادمیم در شاخساره تنزل یافت؛ در حالیکه با تلقیح باکتری و همافزایی بیوچار و سودوموناس پوتیدا میزان جذب کادمیم در شاخساره افزایش یافت. با مصرف بیوچار و تلقیح باکتری مقدار وزن خشک شاخساره افزایش نشان داد؛ اما چون غلظت کادمیم در شاخساره با مصرف بیوچار کاهش نشان داد؛ بنابراین، میزان جذب کادمیم در شاخساره نیز با مصرف بیوچار کاهش یافت.
نتیجهگیری کلی
افزایش غلظت کادمیم موجب تجمع بیشتر آن در اندامهای گیاهی ذرت گردید، اما باتوجهبه بالا بودن شاخص تحمل گیاه ذرت میتوان استفاده از این گیاه را در گیاه‌پالایی توصیه کرد. همچنین استفاده از بیوچار و باکتری سودوموناس پوتیدا توانست موجب افزایش شاخص تحمل شود. بنابراین ذرت میتواند تحمل بالاتری را در برابر کادمیم بدون علائم سمیت یا با سمیت کمتر نشان دهد. باتوجهبه اینکه با مصرف بیوچار غلظت کادمیم در خاک، ریشه و شاخساره و فاکتور تجمع زیستی ریشه و شاخساره، کاهش یافت و با تلقیح باکتری و همافزایی بیوچار و باکتری این صفات افزایش نشان داد، لذا میشود از بیوچار بهواسطه بیحرکتسازی فلزات سنگین موجود در خاک بهعنوان تثبیت گیاهی استفاده کرد. در حالیکه تلقیح باکتری و همافزایی بیوچار و باکتری از طریق افزایش سازگاری گیاه میزبان با خاک نامطلوب در حالت تنش، افزایش رشد گیاه، تغییر در فراهمی زیستی فلزات سنگین، از بین بردن علائم مسمومیت گیاهی و افزایش انتقال فلزات سنگین در گیاه، کارایی گیاه‌پالایی را افزایش میدهند.
سپاسگزاری
به این وسیله از مسئولین آزمایشگاه مرکزی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری جهت یاری رساندن در انجام بخشی از این پژوهش تشکر و قدردانی میگردد.
)