بخشی از مقاله
چکیده
این مطالعه با هدف بررسی اثر لجن فاضلاب و بیوچار آن بر فعالیت آنزیمی و pH خاک و به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار، شامل تیمارهای 20و 40 گرم بیوچار - B - ، 40 و 80 گرم لجن فاضلاب - S - بر کیوگرم خاک و تلفیقی از تیمارهای بیوچار و لجن و مدت انکوباسیون در چهار سطح 2 - ، 15، 30 و 60 روز - بود. بر اساس نتایج ، اثر سطوح کود و زمان و اثر متقابل آنها بر فعالیت ساکاراز و pH خاک معنیدار بود . - p<0.01 - همه تیمارها باعث افزایش فعالیت ساکاراز و کاهش pH خاک شد. بالاترین میزان فعالیت ساکاراز در تیمار S80 مشاهده شد. pH در تیمار B20 و در زمان 2 روز بالاترین مقدار و برابر شاهد بود. با افزایش زمان گرماگزاری میانگین فعالیت ساکاراز و pH خاک کاهش یافت.
مقدمه
نقش کلیدی ماده آلی خاک در حاصلخیزی مشخصشده است و بهعنوان منبع ذخیره عناصر غذایی به تدریج باعث فراهمی عناصر ضروری میشود که خاک نمیتواند آنها را برای مدت زیادی به شکل معدنی نگهداری کند. و گیاهان در حال رشد را در برابر تغییرات ناگهانی در محیط شیمیایی و کاهش رطوبت در زمان خشکسالی بافر میکند. و خاک را در حالت ترد، شرایط فیزیکی نفوذپذیر، مناسب از لحاظ تهویه و محیط مناسبی برای رشد را فراهم میکند . مواد آلی خاک شامل بقایای گیاهی و حیوانی در مراحل مختلف تجزیه، هوموس، میکروبها و هر ترکیب آلی دیگری است
مواد آلی نیز به علت اثرات سازندهای که بر روی خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک دارند بهعنوان یکی از ارکان حاصلخیزی خاک شناخته شدهاند. استفاده نامناسب از کودهای شیمیایی برای دستیابی به عملکرد بالا سبب گردیده است تا اهمیت مواد آلی کمتر در نظر گرفته شود. بیشتر خاکهای ایران جزء خاکهای خشک و نیمهخشک هستند و مقدار مواد آلی در آنها کمتر از یک درصد و در بسیاری از مناطق کمتر از 5 درصد است. مواد آلی اثرات قابلملاحظهای بر خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک دارند و عناصر غذایی موردنیاز گیاهان و میکروارگانیسمها را نیز تأمین میکنند
لجن فاضلاب، مواد جامدی است که در روشهای مختلف تصفیه بهمنظور حذف آلایندههای معلق و محلول از فاضلاب در تصفیهخانههای فاضلاب به دست میآید. امروزه مدیریت لجن، با توسعه تصفیهخانههای فاضلاب و احداث واحدهای تصفیهخانههای جدید، به یکی از بحرانیترین موضوعات زیستمحیطی تبدیلشده است
لجن فاضلاب دارای مواد آلی غنی و عناصر غذایی مانند نیتروژن، فسفر و پتاسیم، و تعداد زیادی از مواد سمی و مضر مانند میکروب ها و فلزات سنگین است. اگر چه کاربرد لجن فاضلاب به طور موثر باعث استفاده دوباره عناصر غذایی موجود در آن میشود، ولی خطرات محیطی بالقوهای مانند وجود میکروب ها و فلزات سنگین در لجن فاضلاب که ممکن است باعث آلودگی خاک و آبهای زیرزمینی شده و ممکن است در مقیاس بزرگ استفاده از لجن فاضلاب را محدود کند. همچنین با توجه به مزایای کاربرد لجن در خاک و جلوگیری از رهاسازی آن در محیطزیست و مشکلات نگهداری آن، کاربرد آن در خاک می تواند مفید باشد
بیوچار مادهای جامد و غنی از کربن و محصول سوختن زیستتوده در غیاب اکسیژن است و اگر در وسعت زیاد به خاک افزوده شود دارای پتانسیل بهبود زراعت جهانی و کاهش تغییرات اقلیمی است. همچنین در سطح جهان به علت جلوگیری از هدررفت کربن منبعی از درامد را برای کشاورزان فراهم میکند. به هرحالخصوصیات بیوچار یکنواخت نیست و تکنولوژیهای تولید بیوچار در حال رشد هستند. تحقیق برای یافتن اینکه افزودن چه مقدار بیوچار میتواند حداکثر بهرهمندی را داشته باشد شروع شده است
تولید بیوچار از لجن علاوه بر کاهش حجم لجن باعث از بین بردن فلزات سنگین لجن شده و محصول تولیدشده می تواند جایگزین مناسبی برای کودهای شیمیایی باشد
پیرولیز باعث انتقال انرژی شیمیایی از لجن فاضلاب به گازهای سنتزی و روغن زیستی - - bio-oil شده که روش استفاده نسبتا پاک انرژی است، اما به استفاده از بیوچار بدست امده از پیرولیز پسماندهای جامد توجه زیادی نشده است. بیوچار به بهبود خاک از طریق بالا بردن مقدار ماده آلی خاک، مقدار مواد مغذی، افزایش آب و ظرفیت نگهداری مواد مغذی، هوادهی و غیره کمک خواهد کرد
ماده آلی، محیط مناسبی را برای پایداری آنزیمهای برون سلولی فراهم کرده و از آنها در مقابل تنشهای محیطی حمایت می کند . برای درک عملکرد خاک و جلوگیری از آسیب خاک در نتیجه عوامل طبیعی و انسانی، داشتن ابزار مناسب برای پیش بینی و ارزیابی تغییرات خاک که توسط عوامل محیطی و شیوه های مدیریتی ایجاد می شود حائز اهمیت است.
استراتژیهای مبتنی بر شاخص های زیستی - بیولوژیکی - می تواند یک ابزار مناسب برای ارزیابی پایداری اکوسیستم خاک باشد. مطالعه آنزیمهای خاک مهم است چرا که آنها پتانسیل خاک برای حمایت از فرآیندهای بیوشیمیایی که برای نگهداری حاصلخیزی خاک ضروری است را نشان می دهد. آنزیمهای خاک عملکرد اکوسیستم را تنظیم کرده و نقشهای بیوشیمیایی کلیدی را در سرتاسر فرآیند تبدیل مواد آلی و چرخه عناصر غذایی در سیستم خاک ایفا می کنند. سرچشمه آنها از میکروارگانیسم - به عنوان مثال، باکتری ها، قارچ - و یا از گیاهان و حیوانات - به عنوان مثال، پوسیدگی گیاه و یا باقی مانده، دستگاه گوارش حیوانات کوچک - است
فعالیت آنزیمهای خاک نسبت به سایر خصوصیات خاک بسیار حساس بوده و سریعتر از سایر خصوصیات زیستی خاک نسبت به تغییرات پاسخ نشان میدهد بنابراین شاخص مفیدتری برای بررسی تغییرات زیستی است آنزیم ساکاراز از آنزیمهای مهم در چرخه کربن است
تا کنون تاثیر بیوچار بر فعالیت آنزیمی در خاک کمتر مطالعه شده است - Ouyang et al., 2014 - بر همین اساس این مطالعه با هدف بررسی اثر کاربرد سطوح مختلف لجن فاضلاب و بیوچار آن بر فعالیت آنزیمی و pH خاک انجام شد.
مواد و روشها
نمونهبرداری و آماده سازی خاک:
خاک مورداستفاده از مزرعه تحقیقاتی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری تهیه شد و نمونه های خاک از عمق صفر تا بیست سانتیمتری برداشت گردید و پس از انتقال به آزمایشگاه و خشک شدن در مجاورت هوا، با پتک چوبی کوبیده و از الک 2 میلیمتری عبور داده شد و خصوصیاتی از خاک مانند بافت ، کربن آلی، نیتروژن کل، فسفر و پتاسیم قابل جذب، pH خاک و هدایت الکتریکی اندازهگیری شد.
آماده سازی لجن و بیوچار آن:
لجن فاضلاب به مقدار مورد نیاز از تصفیهخانه فاضلاب اصفهان تهیه شد. مقداری لجن هواخشک شده و پس از کوبیده شدن از الک 2 میلیمتری عبور داده شد. pH، EC، کربن آلی و عناصر سنگین لجن فاضلاب اندازهگیری شد و قسمتی از آن برای تیمارهای لجن فاضلاب نگهداری شد و مابقی در دستگاه پیرولیز در دمای 350 درجه سانتیگراد پیرولیز کرده و بیوچار مورد نیاز بدست آمد .
فرآیند تولید بیوچار در دمای 350 درجه سانتیگراد و بصورت پیرولیز آهسته انجام شد. pH، EC، کربن آلی و عناصر سنگین بیوچار به دست آمده اندازهگیری شدند. این پژوهش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار، شامل تیمارهای 20و 40 گرم بیوچار - B - بر کیوگرم خاک، 40 و 80 گرم لجن فاضلاب - S - بر کیوگرم خاک و تلفیقی از تیمارهای بیوچار و لجن و مدت انکوباسیون در چهار سطح 2 - ، 15، 30 و 60 روز - بود. نمونههای تیمار شده به قوطیهای پلاستیکی 1/5 کیلوگرمی منتقل و رطوبت آنها در حد 60-70 درصد ظرفیت زراعی تنظیم شد. سپس درب ظروف بسته و روی هر درب سه سوراخ به قطر تقریبی 5 میلیمتر جهت تبادل هوا تعبیه شد. در طول
مدت آزمایش رطوبت نمونهها
با توزین مرتب قوطیها ثابت نگه داشته شد. در فواصل زمانی 2 روز، 15 روز، 30 روز و 60 روز پس از شروع آزمایش نمونههای فرعی برداشت شد. در این نمونهها فعالیت آنزیم ساکاراز و pH خاک اندازهگیری شد.
اندازه گیری فعالیت آنزیم ساکاراز - : - invertase
10g خاک در بالن حجمی 100ml ریخته و 2ml تولوئن افزوده و 15 min در همان حالت ماند. سپس 10ml محلول ساکارز و 10ml بافر استات افزوده شد و پس از بستن درب بالن به مدت 3 ساعت در دمای 37 درجه سانتیگراد گرماگذاری شد . در مرحله بعد با آب مقطر به حجم 100ml رسانده و سپس صاف شد. برای شاهد محلول ساکارز بعد از گرماگذاری و قبل از صاف کردن اضافه شد. 5 ml از محلول صاف شده به بالن 100 ml ریخته و 4 ml معرف مس افزوده شد و به مدت 25 min جوشانده شد و پس از خنک شدن 2 ml محلول دی سدیم هیدروژن فسفات و 5 ml محلول مولیبدات 3 اضافه کرده و مخلوط نموده سپس به مدت 60 min در همان حالت ماند. نهایتا با آب مقطر به حجم 100 ml رسانده و سپس چگالی نوری در طول موج 578 nm اندازهگیری شد
اندازهگیری pH خاک
ابتدا با مخلوط کردن مقادیر مناسب خاک با آب اقدام به تهیه گل اشباع نموده که حالت براقی دارد، سپس گل اشباع تهیه شده به مدت 24 ساعت در آزمایشگاه نگهداری شد. برای اندازهگیری pH توسط pH متر نیاز به تنظیم دستگاه توسط بافرهایی با pH مشخص میباشد؛ برای این منظور از محلولهای بافری pH4 و pH7 استفاده شد. پس از آن اندازهگیری pH در نمونه-های تهیه شده با دقت 0/1 انجام شد
نتایج و بحث
تاثیر تیمارهای لجن فاضلاب و بیوچار بر فعالیت آنزیم ساکاراز
خاک مورد استفاده دارای بافت لوم رسی بود. بر اساس نتایج تجزیه واریانس، اثر سطوح کود و زمان و اثر متقابل آنها بر فعالیت ساکاراز معنیدار - p< 0/01 - بود - جدول . - 1 مقایسه میانگینها با آزمون LSD نشان داد که همه تیمارها فعالیت ساکاراز را نسبت به شاهد بطور معنیدار افزایش داد - شکل. - 1 بیشترین میزان فعالیت این آنزیم در تیمارهای 5 و 8 و هر کدام 2/4 برابر شاهد و تیمار 9 حدود 2/1 شاهد بود. بطور کلی در زمان اولیه و همچنین پس از گذشت 45 روز از گرماگزاری افزایش فعالیت این آنزیم مشاهده شد ولی پس از گذشت 60 روز فعالیت این آنزیم کاهش یافت - ترتیب فعالیت این آنزیم : 2 روز 30 روز 15 روز 60 روز - . صرفنظر از زمان گرماگزاری افزایش فعالیت این آنزیم در اثر کاربرد لجن فاضلاب و بیوچار مشاهده شد و میتواند به دلیل فراهم نمودن کربن و انرژی توسط لجن فاضلاب و بیوچار آن برای ریزموجودات خاک باشد.
جدول -1 نتایج تجزیه واریانس اثر تیمار و زمان بر فعالیت آنزیمی و pH خاک
