اثرکود نیتروژن و فاضلاب خام وتصفیه شده روی بیوماس و مقدارکربوهیدرات سورگوم شیرین Sorghum bicolor L. Moench

بحران کمبود آب یکی از چالشهایی است که امروزه جهان با آن مواجه است لذا با توجه به کمبود آب در مناطق مختلف کشور، جهت توسعه و بهره برداری از منابع آبی جدید در بخش کشاورزی، استفاده از پساب شهری میتواند بعنوان یک منبع مطمئن و حاوی عناصر غذایی کم مصرف و پرمصرف لازم برای رشد گیاه مورد استفاده قرار گیرد. ممکن است استفاده از فاضلاب شهری آلودگی میکروبی و تجمع فلزات سنگین در خاک و گیاه را به دنبال داشته باشد. همچنین یکی از جنبه های کشاورزی پایدار مصرف تلفیقی کودهای آلی و نیتروژن است به طوریکه بخشی از نیاز گیاه به نیتروژن به جای کودهای شیمیایی ازکودهای آلی( لجن فاضلاب) تأمین میشود. در این تحقیق کشت سورگوم شیرین تحت تاثیر دو كیفیت آبیاری: فاضلاب خام و فاضلاب تصفیه شده با چهار مقدارکود: 0، 100،150و 200 کیلو گرم اوره در هکتار در سه تکرار در تصفیه خانه شرق اصفهان در سال 1391 انجام گرفت. برداشت در زمان رسیدن فیزیولوژیکی انجام شد. قطر، ارتفاع و بیوماس گیاه اندازه گیری شد. با عبور دادن ساقه ها از غلتک حجم شربت و مقدار بریکس اندازه گیری شد. میزان اتانول بر اساس بیومس و مقدار بریکس به صورت نظری محاسبه شد. سپس دانه ها و برگ ها از ساقه جدا شدند و تعداد کلی فرم کل و کلی فرم مدفوعی خاک و قسمت های مختلف گیاه تحت آزمایش MPN تعیین گردید. همچنین مقدار فلزات سنگین شامل: نیکل، کادمیوم و سرب در خاک و گیاه تعیین گردیدند. نتایج نشان داد كه با افزایش مقدار کود، مقداربیومس و بیو اتانول در هر دو پساب خام و تصفیه شده افزایش یافت. حداکثر بیومس 81 تن در هکتار و حداکثر بیو اتانول8000 لیتر در هکتار در تیمار 200 کیلوگرم اوره در هکتار بود. حداقل 39 تن در هکتار بیومس و 2400 لیتر در هکتار در تیمار شاهد مشاهده شد. اختلاف معنی داری بین فاضلاب خام و تصفیه شده برای بیومس و بیو اتانول نبود. اختلاف معنی داری بین فاضلاب خام و تصفیه شده برای میانگین کلی فرم کل و کلی فرم مدفوعی در برگهای ضدعفونی نشده سطحی و ساقه های خشک شده مشاهده شد، ولی تعداد آنها از حد استاندارد بود. مقدار عناصر سنگین نیکل، کادمیوم و سرب در دانه، ساقه و برگ گیاهان آبیاری شده با فاضلاب خام به طور معنی داری بیشتر از گیاهان آبیاری شده با فاضلاب تصفیه شده بود. بجز سرب، مقدار فلزات سنگین گیاهان آبیاری شده با فاضلاب خام کمتر از حد استاندارد بود. مقدار زیاد سرب برای گیاه سورگوم مشکل زا نمی باشد. از آنجا که گیاهان سورگوم شیرین آبیاری شده با فاضلاب برای مصرف انسان و دام نمی باشد و از آن به عنوان یک گیاه صنعتی در تولید بیو اتانول استفاده می شود، لذا پیشنهاد می گردد برای تولید حداکثر مقدار  بیواتانول، سورگوم شیرین با فاضلاب تصفیه شده آبیاری گردیده و تیمار 150 کیلوگرم کود اوره در هکتار اعمال گردد.

واژه های کلیدی: کود نیتروژن، بیوماس، کربوهیدرات، فاضلاب خام و تصفیه شده، سورگوم شیرین، فلزات سنگین، کلی فرم.

فهرست مطالب

فصل اول : مقدمه و بررسی منابع

1-1 مقدمه...................................................................................................................................................................................1

1-2 سورگوم................................................................................................................................................................................3

1-2-1 طبقه بندی علمی سورگوم .....................................................................................................................6

1-2-2 طبقه بندی ژنتیکی سورگوم...................................................................................................................6

1-2-3 توصیف گیاه شناسی سورگوم.................................................................................................................6

1-2-4 انواع سورگوم...............................................................................................................................................7

1-2-5 سورگوم شیرین..........................................................................................................................................7

1-2-6 موارد مصرف سورگوم................................................................................................................................8

1-2-7 اهمیت اقتصادی سورگوم.........................................................................................................................9

1-2-8 فیزیولوژی سورگوم.................................................................................................................................10

1-2-9 زمان کشت...............................................................................................................................................11

1-2-10 زمان نگهداری ساقه پس از برداشت................................................................................................11

1-2-11 میزان قند ساقه در اندام های مختلف سورگوم شیرین در مراحل مختلف رشد....................12

1-3 کربوهیدرات ها................................................................................................................................................................13

1-3-1 بیوسنتز ساکارز.......................................................................................................................................14

1-3-2 ساکارز در گیاهان سه کربنه و چهار کربنه.......................................................................................14

1-4- اهمیت نیتروژن برای گیاهان....................................................................................................................................15

1-4-1 نقش نیتروژن در رشد گیاه..................................................................................................................16

1-4-2 اثر عناصر غذایی بر راندمان مصرف کود............................................................................................18

1-5 پساب یا فاضلاب.............................................................................................................................................................19

1-5-1 پیشینه مصرف پساب ها و فاضلاب ها...............................................................................................20

1-5-2 ویژگی پساب ها و فاضلاب ها..............................................................................................................20

1-5-2-1 خصوصیات فیزیکی.............................................................................................................20

1-5-2-2 خصوصیات شیمیایی و بیولوژیکی...................................................................................20

1-5-3 ترکیب فاضلاب........................................................................................................................................21

1-5-4 انواع فاضلاب............................................................................................................................................21

1-5-5 کاربرد پساب در آبیاری و رعایت استاندارد های بین المللی.........................................................22

1-5-6 آبیاری گیاهان با پساب فاضلاب خانگی.............................................................................................22

1-5-7 آبیاری سورگوم با پساب فاضلاب........................................................................................................24

1-5-8 آبیاری با پساب و تأثیر آن بر خاک....................................................................................................24

1-5-9 اثرات آبیاری با پساب بر عملکرد گیاه................................................................................................25

1-6 فلزات سنگین..................................................................................................................................................................25

1-6-1 تعریف و رده بندی..................................................................................................................................25

1-6-2 آرسنیک....................................................................................................................................................26

1-6-3 جیوه..........................................................................................................................................................26

1-6-4 سرب..........................................................................................................................................................27

1-6-5 کادمیوم.....................................................................................................................................................27

1-6-6 نیکل...........................................................................................................................................................28

1-6-7 منابع فلزات سنگین در خاک...............................................................................................................29

1-7 گیاه پالایی.......................................................................................................................................................................30

1-7-1 تاریخچه....................................................................................................................................................31

1-7-2 مزایا و معایب گیاه پالایی فلزات سنگین...........................................................................................32

1-7-3 گیاهان پالایش کننده............................................................................................................................32

1-7-4 تیره های گیاهی و انباشت فلزات........................................................................................................33

1-7-5 کاربرد گیاهان بیش انباشتگر در گیاه پالایی....................................................................................33

1-7-6 مصرف تولیدات گیاه پالایی..................................................................................................................34

1-7-7 آینده گیاه پالایی ...................................................................................................................................34

1-8 اهداف تحقیق..................................................................................................................................................................35

فصل دوم : مواد و روش­ها

2-1 عملیات مزرعه ای..........................................................................................................................................................36

2-2 مراحل تصفیه فاضلاب...................................................................................................................................................36

2-3 مراحل برداشت و اندازه گیری پارامتر های رشد.....................................................................................................38

2-4 انجام آزمایشات جهت بررسی فلزات سنگین...........................................................................................................39

2-4-1 انجام آزمایشات جهت بررسی فلزات سنگین نمونه گیاهی......................................................................39

2-4-2 انجام آزمایشات جهت بررسی فلزات سنگین نمونه خاک.........................................................................39

2-5 انجام آزمایشات جهت بررسی کلی فرم کل و مدفوعی..........................................................................................40

2-5-1 انجام آزمایشات جهت بررسی کلی فرم های موجود در نمونه خاک و گیاه.........................................40

2-5-2 ساخت بافر فسفات............................................................................................................................................41

2-5-3 انجام آزمایش MPN یا روش تخمیر لوله ای...............................................................................................41

2-5-3-1 آزمایش احتمالی................................................................................................................................41

2-5-3-2 آزمایش تأییدی..................................................................................................................................42

2-5-3-3 آزمایش تکمیلی.................................................................................................................................43

2-5-4 رنگ آمیزی گرم.................................................................................................................................................43

2-5-4-1 روش رنگ آمیزی گرم......................................................................................................................43

فصل سوم : نتایج

3-1 پارامتر های رشد گیاه...................................................................................................................................................45

3-1-1 بیوماس.................................................................................................................................................................45

3-1-2 قطر ساقه.............................................................................................................................................................47

3-1-3 ارتفاع ساقه..........................................................................................................................................................50

3-1-4 درصد قند............................................................................................................................................................52

3-1-5 حجم شربت ساقه..............................................................................................................................................55

3-1-6 اتانول.....................................................................................................................................................................57

3-2 نتایج مربوط به مقادیر فلزات سنگین در خاک و گیاه...........................................................................................60

3-2-1 نتایج مربوط به مقادیر فلزات سنگین موجود درخاک قبل از کشت و حاک بعد از برداشت............60

3-2-1-1 کادمیوم، سرب و نیکل.....................................................................................................................60

3-2-2 نتایج مربوط به مقادیر فلزات سنگین موجود در گیاه...............................................................................63

3-2-2-1 دانه........................................................................................................................................................63

3-2-2-2 ساقه......................................................................................................................................................65

3-2-2-3 برگ.......................................................................................................................................................67

3-3 نتایج مربوط به تعداد باکتری های کلی فرم کل موجود در گیاه سورگوم.........................................................69

3-3-1 نتایج مربوط به تعداد احتمالی کلی فرم کل در آزمایشMPN در گیاه سورگوم.................................69

3-3-1-1 گیاهان ضدعفونی سطحی شده .....................................................................................................69

3-3-1-2 گیاهان ضدعفونی سطحی نشده ...................................................................................................71

3-3-2 نتایج مربوط به تعداد تأییدی کلی فرم مدفوعی در آزمایشMPN در گیاه سورگوم..........................76

3-3-2-1 گیاهان ضدعفونی سطحی شده .....................................................................................................76

3-3-2-2 گیاهان ضدعفونی سطحی شده .....................................................................................................79

3-3-3 نتایج مربوط به مرحله تکمیلی آزمایشMPN کلی فرم در گیاه سورگوم.............................................83

3-4 نتایج مربوط به تعداد باکتری های کلی فرم کل در خاک های کشت سورگوم...............................................84

3-4-1 نتایج مربوط به تعداد احتمالی کلی فرم کل در آزمایشMPN در خاک آزمایش...............................84

3-4-2 نتایج مربوط به تعداد تأییدی کلی فرم مدفوعی در آزمایشMPN در خاک آزمایش........................86

3-4-3 نتایج مربوط به مرحله تکمیلی آزمایشMPN در خاک آزمایش............................................................87

فصل چهارم : بحث و نتیجه گیری

4-1 بررسی پارامتر های رشد در اثر تیمار های مختلف کود ازت...............................................................................89

4-2 بررسی پارامتر های رشد در اثر آبیاری با فاضلاب..................................................................................................91

4-3 بررسی پارامتر های رشد در اثر همزمان کود اوره و فاضلاب...............................................................................91

4-4 میزان فلزات سنگین در خاک و قسمت های مختلف گیاه در اثر آبیاری با فاضلاب......................................92

4-4-1 غلظت کادمیوم در خاک و گیاه......................................................................................................................93

4-4-2 غلظت سرب در خاک و گیاه...........................................................................................................................93

4-4-3 غلظت نیکل در خاک و گیاه...........................................................................................................................94

4-5 بررسی میزان کلی فرم کل و مدفوعی در گیاه در اثر آبیاری با فاضلاب............................................................96

4-6 پیشنهادات.....................................99

منابع و مآخذ......................................................100

فهرست شکل­ها

شکل 3-1 اثر کود اوره بر بیوماس سورگوم شیرین.........................................................................................................46

شکل 3 -2 اثرمتقابل کود اوره و کیفیت آب آبیاری بر بیوماس سورگوم شیرین.....................................................47

شکل 3-3 اثر کود اوره بر قطر ساقه سورگوم شیرین.....................................................................................................49

شکل 3 -4 اثرمتقابل کود اوره و کیفیت آب آبیاری بر قطر سورگوم شیرین........................................................... 50

شکل 3-5 اثر کود اوره بر ارتفاع ساقه سورگوم شیرین..................................................................................................51

شکل 3 -6 اثرمتقابل کود اوره و کیفیت آب آبیاری بر ارتفاع سورگوم شیرین.........................................................52

شکل 3-7 اثر کود اوره بر قند ساقه سورگوم شیرین......................................................................................................54

شکل 3 -8 اثرمتقابل کود اوره و کیفیت آب آبیاری بر قند ساقه سورگوم شیرین...................................................55

شکل 3-9 اثر کود اوره بر حجم شربت ساقه سورگوم شیرین.......................................................................................56

شکل 3 -10 اثرمتقابل کود اوره و کیفیت آب آبیاری بر حجم شربت سورگوم شیرین..........................................57

شکل 3-11 اثر کود اوره براتانول ساقه سورگوم شیرین.................................................................................................59

شکل 3 -12 اثرمتقابل کود اوره و کیفیت آب آبیاری بر اتانول ساقه سورگوم شیرین............................................60

شکل 3 -13 مقایسه میانگین مقادیر فلزات سنگین  در خاک کشت گیاهان سورگوم تحت دو کیفیت آب آبیاری.............62

شکل 3 -14 مقایسه میانگین مقادیر فلزات سنگین در قسمت دانه گیاهان سورگوم تحت دو کیفیت آب آبیاری..............64

شکل 3 -15 مقایسه میانگین مقادیر فلزات سنگین  در قسمت ساقه گیاهان سورگوم تحت دو کیفیت آب آبیاری.........66

شکل 3 -16 مقایسه میانگین مقادیر فلزات سنگین در قسمت برگ گیاهان سورگوم تحت دو کیفیت آب آبیاری......................68

شکل 3 -17 مقایسه تعداد باکتری های کلی فرم کل در 100 میلی لیتر نمونه های برگ، ساقه و دانه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری( وقتی که نمونه ها ضدعفونی سطحی شدند)............................................71

شکل 3 -18 مقایسه تعداد باکتری های  کلی فرم کل در 100 میلی لیتر نمونه های برگ، ساقه و دانه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری( وقتی که نمونه ها ضدعفونی سطحی نشدند)...........................................74

شکل 3 -19 مقایسه تعدادباکتری های کلی فرم کل در 100 میلی لیتر نمونه های ساقه خشک شده و مغز ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری.....................................................................................................76

شکل 3 -20 مقایسه تعداد باکتری های کلی فرم مدفوعی در 100 میلی لیتر نمونه های برگ، ساقه و دانه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری( وقتی که نمونه ها ضدعفونی سطحی شدند).............................78

شکل 3 -21 مقایسه تعداد باکتری های کلی فرم مدفوعی در 100 میلی لیتر نمونه های برگ، ساقه و دانه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری( وقتی که نمونه ها ضدعفونی سطحی نشدند)...........................81

شکل 3 -22 مقایسه تعداد باکتری های کلی فرم مدفوعی در 100 میلی لیتر نمونه های ساقه خشک شده و مغز ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری...............83

شکل3-23 تصاویر مربوط به کلی فرم های موجود در ساقه خشک شده و برگ ضدعفونی نشده.......................84

شکل3-24 تصویر مربوط به کلی فرم ها درنمونه های ساقه خشک شده و برگ ضدعفونی نشده.......................84

شکل 3 -25 مقایسه مجموع تعداد باکتری های کلی فرم کل در 100 میلی لیتر نمونه های خاک تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری.........85

شکل 3 -26 مقایسه مجموع تعداد باکتری های کلی فرم مدفوعی در 100 میلی لیتر نمونه های خاک تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری...87

شکل3-27 تصاویر مربوط به کلی فرم های موجود در خاک آبیاری شده با فاضلاب خام و فاضلاب تصف......88

شکل3-28 تصویر مربوط به کلی فرم ها در نمونه های خاک آبیاری شده با فاضلاب................88

فهرست جدول

جدول 1-1 مقایسه نیشکر، چغندرقند و سورگوم شیرین در ایران.................................................................................2

جدول 1-2 میزان سطح زیرکشت و تولید سورگوم در برخی کشورهای جهان در سال 1998...............................4

جدول 1-3 میزان سطح زیرکشت و تولید سورگوم در برخی استان های کشور در سال 1387.............................5

جدول 1-4 رده بندی گیاه سورگوم.....................................................................6

جدول 1-5 فراوانی جنس های باکتریایی شناسایی شده میان کلی فرم کل و مدفوعی از کاهو و اسفناج.........23

جدول 1-6 طیف غلظت های خاک و راهنمای قانونی برای برخی فلزات سمی.......................................................30

جدول 1-7 عوامل مؤثر بر قابلیت دسترسی زیستی فلزات.........................................................33

جدول 2-1 خصوصیات کمی و کیفی خاک مورد استفاده در این آزمایش................................................................37

جدول 2-2 میانگین تعداد باکتری E.coli و pH در آب و پساب های استفاده شده در تیمارها...........................38

جدول 2-3 خصوصیات کیفی و کمی در سه نوع آب مورد استفاده در آبیاری.........................................................38

جدول 3-1 تجزیه واریانس بیوماس گیاه.........................................................................45

جدول 3-2 مقایسه بیوماس سورگوم شیرین تحت اثردو كیفیت آب آبیاری.............................................................46

جدول 3-3 تجزیه واریانس قطر ساقه گیاه....................................................................48

جدول 3-4 مقایسه قطر ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری........................................................48

جدول 3-5 تجزیه واریانس ارتفاع ساقه گیاه...................................................................................50

جدول 3-6 مقایسه ارتفاع ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری.....................................................51

جدول 3-7 تجزیه واریانس درصد قند ساقه گیاه..................................................53

جدول 3-8 مقایسه درصد قند ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری............................................53

جدول 3-9 تجزیه واریانس حجم شربت ساقه................................55

جدول 3-10 مقایسه حجم شربت ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیاری........56

جدول 3-11 تجزیه واریانس اتانول گیاه......................58

جدول 3-12 مقایسه اتانول ساقه سورگوم شیرین تحت اثر دو کیفیت آب آبیار........58

جدول 3-13 تحلیل واریانس کادمیوم در خاک قبل از کشت و خاک بعد از برداشت سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری.........61

جدول 3-14 تحلیل واریانس سرب موجود در خاک قبل از کشت و خاک بعد از برداشت سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری......61

جدول 3-15 تحلیل واریانس  نیکل موجود در خاک قبل از کشت و خاک بعد از برداشت سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری........62

جدول 3-16 تحلیل واریانس میزان عنصر کادمیوم در دانه گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری......................63

جدول 3-17 تحلیل واریانس میزان عنصر سرب در دانه گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری...........................63

جدول 3-18 تحلیل واریانس میزان عنصر نیکل در دانه گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری...........................64

جدول 3-19 تحلیل واریانس میزان عنصر کادمیوم در ساقه گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری....................65

جدول 3-20 تحلیل واریانس میزان عنصر سرب در ساقه گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری.........................65

جدول 3-21 تحلیل واریانس میزان عنصر نیکل در ساقه گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری.........................66

جدول 3-22 تحلیل واریانس میزان عنصر کادمیوم در برگ گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری....................67

جدول 3-23 تحلیل واریانس میزان عنصر سرب در برگ گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری.........................67

جدول 3-24 تحلیل واریانس میزان عنصر نیکل در برگ گیاه سورگوم تحت دو کیفیت آبیاری..........................68

جدول 3-25 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در دانه گیاه (همراه با ضدعفونی سطحی)............69

جدول 3-26 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در ساقه گیاه (همراه با ضدعفونی سطحی).......70

جدول 3-27 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در برگ گیاه (همراه با ضدعفونی سطحی).......70

جدول 3-28 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در برگ گیاه (بدون ضدعفونی سطحی)..........72

جدول 3-29 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در ساقه گیاه (بدون ضدعفونی سطحی)...........72

جدول 3-30 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در دانه گیاه (بدون ضدعفونی سطحی)........73

جدول 3-31 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در ساقه گیاه (خشک شده در آون)......74

جدول 3-32 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل موجود در مغز ساقه گیاهان..........75

جدول 3-33 تحلیل واریانس  میزان کلی فرم مدفوعی موجود در دانه گیاه (همراه با ضدعفونی سطحی)..........77

جدول 3-34 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در ساقه گیاه (همراه با ضدعفونی سطحی)...........77

جدول 3-35 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در برگ گیاه (همراه با ضدعفونی سطحی)...................78

جدول 3-36 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در دانه گیاه (بدون ضدعفونی سطحی).....79

جدول 3-37 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در ساقه گیاه (بدون ضدعفونی سطحی).........80

جدول 3-38 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در برگ گیاه (بدون ضدعفونی سطحی).........80

جدول 3-39 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در ساقه گیاه (خشک شده در آون)........82

جدول 3-40 تحلیل واریانس میزان کلی فرم مدفوعی موجود در مغز ساقه گیاهان...............82

جدول 3-41 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم کل در خاک بعد از برداشت و خاک قبل از کشت.........85

جدول 3-42 تحلیل واریانس میزان باکتری های کلی فرم مدفوعی در خاک بعد از برداشت و خاک قبل از کشت.........86