1-1- مقدمه  ………………………………………………………………………………………… 1

فصل دوم- بررسی منابع

2-1- نانوتکنولوژی و کشاورزی……………………………………………………………………… 7

2-2- نانوذرات و انواع آن……………………………………………………………………………… 8

2-3- نانوذرات اکسید فلزی………………………………………………………………………… 13

2-4- نانوذرات اکسیدروی………………………………………………………………………….. 14

2-5- عنصر روی و نقش آن در گیاه………………………………………………………………… 15

2-6- فیزیولوژی و بیوشیمیایی عنصر روی در گیاهان……………………………………………. 18

2-7- مکانیسم عمل اکسیدروی در گیاه …………………………………………………………… 19

2-8- اثر نانوذرات بر بذر و رشد گیاهان ………………………………………………………….. 20

2-9- سمیت نانوذرات برای گیاهان………………………………………………………………… 24

2-10- کودهای بیولوژیکی…………………………………………………………………………… 29

2-10-1- میکوریزا و نقش آن در گیاهان…………………………………………………………….. 30

2-10- 2- قارچ میکوریزا آربسکولار و واکنش گیاهان………………………………………………. 32

فصل سوم- مواد و روش­ها

3-1- مطالعات جوانه­زنی بذر………………………………………………………………………… 35

3-1-1- آزمایش سطوح مختلف اکسیدروی نانو و معمولی بر شاخص ­های جوانه­زنی و رشد گیاهچه لوبیا…35

3-2- مطالعات گلخانه­ای ……………………………………………………………………………. 42

3-2-1- آماده سازی بستر کاشت ………………………………………………………………….. 42

3-2-2- کاشت، داشت و برداشت گیاه لوبیا ……………………………………………………… 43

3-2-3- تجزیه گیاه ……………………………………………………………………………………. 44

3-2-4- تجزیه خاک پس از برداشت گیاه …………………………………………………………… 45

3-3- تجزیه و تحلیل آماری ……………………………………………………………………………. 46

فصل چهارم- نتایج و بحث

4-1- آزمایش جوانه­زنی بذر ………………………………………………………………………… 47

4-1-1- اثر نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) بر شاخص ­های جوانه­زنی بذر ……………………… 47

4-1-2- اثر سطوح اکسیدروی بر شاخص ­های جوانه­زنی بذر ……………………………………. 48

4-1-3- اثر متقابل نوع اکسیدروی و سطوح آنها بر شاخص ­های جوانه­زنی بذر ………………… 49

4-1-4- اثر نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) بر صفات مورد ارزیابی روی لوبیا …………………. 54

4-1-5- اثر سطوح مختلف اکسیدروی بر صفات مورد ارزیابی روی لوبیا ………………………… 55

4-1-6- اثر متقابل نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) و سطوح آنها بر صفات مورد ارزیابی روی لوبیا….56

4-2- آزمایش گلخانه­ای …………………………………………………………………………….. 59

4-2-1- اثر تیمارهای آزمایشی بر عملکرد و اجزای عملکرد گیاه لوبیا …………………………. 59

4-2-1-1- اثر نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) بر شاخص ­های رشدی لوبیا ……………………. 59

4-2-1-2- اثر قارچ گلوموس اینترارادیسس بر شاخص ­های رشدی لوبیا ………………………….60

4-2-1-3- اثر سطوح اکسیدروی بر شاخص ­های رشدی لوبیا ………………………………………62

4-2-1-4- اثر متقابل نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) و قارچ گلوموس اینترارادیسس بر شاخص ­های رشدی لوبیا….63

4-2-1-5- اثر متقابل سطوح اکسیدروی و قارچ گلوموس اینترارادیسس بر شاخص ­های رشدی لوبیا….65

4-2-1-6- اثر متقابل نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) و سطوح آنها بر شاخص ­های رشدی لوبیا….68

4-2-1-7- اثر متقابل نوع اکسیدروی، سطوح آنها و قارچ گلوموس اینترارادیسس بر شاخص ­های رشدی لوبیا…72

4-3- تأثیر تیمارهای آزمایشی بر عناصر غذایی پر مصرف در گیاه لوبیا ……………………… 75

4-3-1- تأثیر تیمارهای آزمایشی بر عناصر نیتروژن، فسفر و پتاسیم گیاه …………………. 75

4-4- تأثیر تیمارهای آزمایشی بر عناصر کم مصرف گیاه ……………………………………… 83

4-4-1- عناصر روی، مس و آهن در گیاه ………………………………………………………… 83

4-5- تأثیر تیمارهای آزمایشی بر خصوصیات خاک پس از برداشت گیاه لوبیا ……………….90

4-5-1- pH خاک پس از برداشت گیاه …………………………………………………………… 90

4-5-2- هدایت الکتریکی عصاره اشباع خاک پس از برداشت گیاه ………………………….. 94

4-6- تأثیر تیمارهای آزمایشی بر عناصر کم مصرف در خاک پس از برداشت گیاه ………….. 99

4-6-1- تأثیر تیمارهای آزمایشی بر عناصر روی، مس و آهن در خاک ……………………….. 99

فصل پنجم- نتیجه­ گیری نهایی و پیشنهادات

5-1- نتیجه­ گیری نهایی ………………………………………………………………………… 106

5-2- پیشنهادات ………………………………………………………………………………….. 108

پیوست …………………………………………………………………………………………….. 110 

منابع………………………………………………………………………………………………… 116

چکیده:

این مطالعه به منظور بررسی اثرات اکسیدروی (نانو و معمولی) و قارچ میکوریزا بر خصوصیات خاک، جوانه­زنی بذر و ویژگی­های رشد گیاه لوبیا با دو آزمایش کاملا تصادفی به صورت فاکتوریل به­ طور جداگانه انجام شد. در بخش اول، فاکتورهای آزمایش شامل دو نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) و چهار سطح اکسیدروی (0، 50، 100 و 200 میلی­گرم بر لیتر) با سه تکرار بودند: در بخش دوم، فاکتورهای آزمایش شامل دو سطح Glomus intraradices (با و بدون) و دو نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) و چهار سطح اکسیدروی (0، 50، 100 و 200 میلی­گرم بر کیلوگرم) با سه تکرار بودند. آزمایشات اول و دوم به ترتیب در شرایط آزمایشگاه و گلخانه انجام شد. نتایج نشان داد که نانوذرات اکسیدروی در غلظت کم (50 میلی­گرم بر لیتر) و غلظت­های زیاد (100و 200 میلی­گرم بر لیتر) به ترتیب اثرات تحریک­ کنندگی و بازدارندگی در جوانه­زنی بذر و رشد گیاهچه لوبیا داشته است. غلظت­های زیاد نانوذرات اکسیدروی، اثرات منفی در همه پارامترهای جوانه­زنی بذر داشتند. حداقل طول ریشه­چه، طول ساقه­چه، طول گیاهچه، وزن خشک ریشه­چه، وزن خشک ساقه­چه و وزن خشک گیاهچه در غلظت­های زیاد نانوذرات اکسیدروی مشاهده شد. تیمار (50 میلی­گرم بر لیتر) نانوذرات اکسیدروی، بهترین و مناسب­ترین غلظت برای تحریک رشد ریشه بذور لوبیا در شرایط آزمایشگاهی بود. در آزمایش گلخانه­ای تیمار (100 میلی­گرم بر کیلوگرم) نانوذرات اکسیدروی با Glomus intraradices تاثیر معنی­داری در رشد و عملکرد داشتند. دو نوع اکسیدروی (نانو و معمولی) افزایش معنی­داری در روی، مس و آهن قابل دسترس در نمونه­های خاک داشتند اما تیمار نانوذرات اکسیدروی در مقایسه با اکسیدروی معمولی برتر بود. زمانی که غلظت­های بیشتر اکسیدروی به نمونه­های خاک اضافه شد، غلظت روی، مس و آهن در گیاه و وزن خشک ریشه­ و ساقه در گلدان، طول ریشه و ساقه در گلدان، تعداد غلاف در بوته، تعداد دانه در غلاف در بوته، تعداد دانه در بوته، وزن دانه در بوته، وزن صد دانه و عملکرد دانه در بوته افزایش یافت. تیمارهای نانوذرات اکسیدروی، همه پارامترهای اندازه ­گیری شده را نسبت به تیمارهای اکسیدروی معمولی بهبود بخشید. همچنینGlomus intraradices تأثیر معنی­دار مثبتی در غلظت روی، مس و آهن در گیاه لوبیا داشت.

فصل اول: مقدمه

1- مقدمه

در طی پنجاه سال گذشته، پیشرفت فناوری تولید مواد شیمیایی، انقلابی را در تولید محصولات کشاورزی به­ وجود آورده است (واسیلیسکی، 2003). با شروع کشاورزی صنعتی که دو عامل مهم آن استفاده از ارقام پر محصول و کود­ پذیر گیاهان زراعی و بکارگیری کودهای شیمیایی بودند، تولید محصولات کشاورزی دگرگون و رشد فزاینده­ای ایجاد شد. تغییرات ایجاد شده در طبیعت در اثر دخالت­های انسان در خاک، آب و جو به دلیل استفاده از مواد شیمیایی مختلف برای افزایش بهره­وری گیاهان از یک طرف و مصرف حدود 10 برابر انرژی برای تولید یک واحد از محصول نسبت به قرن گذشته از طرف دیگر، منجر به جستجو جهت دستیابی به روش­های جدید در تولید محصولات کشاورزی شده است (آلاجاجیان، 2007; واسیلیسکی، 2003).

کاربرد نانوتکنولوژی در کشاورزی حتی در سطح جهانی، در مرحله ظهور است. علوم نانو منجر به توسعه و بهبود کاربردهای ارزان نانوتکنولوژی برای پیشبرد رشد گیاهان شده است. نانوذرات[1] و نانوکپسول­ها ابزاری کارا برای توزیع آفت کش ها و کودها در شکل کنترل شده با مکان هدف مشخص هستند، بنابراین خسارت زیست محیطی را کاهش می­­دهند. نانوتکنولوژی نقش مهمی در بهبود روش­های موجود مدیریت گیاهان زراعی بازی می­ کند. مواد شیمیایی زراعی از طریق آبشویی، تجزیه توسط نور، هیدرولیز و تجزیه میکروبی، بخش یا درصد خیلی کمی از آنها در محل هدف قرار می­گیرند. از این رو کاربردهای مکرر برای داشتن یک کنترل موثر مورد نیاز است که باعث برخی اثرات نامطلوب نظیر آلودگی آب و خاک می­گردد (نایر و همکاران، 2010).

تغییرات در فناوری، عامل اصلی شکل­ گیری کشاورزی نوین شده است. در بین آخرین خط نوآوری­های فناوری، نانوتکنولوژی موقعیت برجسته­ای در تحول کشاورزی و تولید غذا اشغال نموده است. توسعه وسایل و مواد نانو می ­تواند کاربردهای جدیدی را در بیوتکنولوژی گیاهی و کشاورزی باز نماید. اخیراً تمرکز اصلی در تحقیقات روی کاربرد نانوتکنولوژی در زمینه الکترونیک، انرژی و پزشکی می­باشد. تجربیات بدست آمده از این موضوعات، توسعه گیاهان تغییر یافته ژنتیکی، حفاظت گیاه، مواد شیمیایی محافظ گیاه و تکنیک­های کشاورزی دقیق را آسان ساخته است. نانوتکنولوژی پیشرفت­های وسیعی در تحقیقات کشاورزی نظیر علوم و فناوری تولید مثلی، تبدیل ضایعات کشاورزی و غذایی به انرژی و دیگر محصولات ثانویه از طریق فرایند زیستی- نانوآنزیمی، جلوگیری از بیماری و تیمار در گیاه با بهره گرفتن از رهاسازی نانوذرات مختلف شبیه به آنچه که در مصرف نانو داروها در انسان استفاده می­ شود، ایجاد نموده است (نایر و همکاران، 2010). از ویژگی­های منحصر به فرد نانوذرات، نسبت سطح به حجم زیاد آنها است که باعث افزایش درصد اتم­های موجود در سطح شده (پرماناتان، 2011) که هم می­توانند به عنوان منبع غذایی مفید و هم به عنوان خطرات زیست محیطی مطرح شوند. بنابراین، درک کاملی از مسیرهای اصلی واکنش در تشکیل این مواد در خاک برای کاربرد مواد نانوذرات پایدارتر و ایمن­تر در کشاورزی حایز اهمیت است (میلانی، 2010).

در حال حاضر عناصر کم مصرف برای گیاهان زراعی به عنوان مواد غذایی لازم و ضروری بوده به طوری که رشد و عملکرد گیاهان در خاک­هایی با کمبود این عناصر کاهش می­یابد. عنصر روی  یکی از هفت عنصر کم مصرف ضروری برای رشد محصول بوده و نقش اساسی آن مشارکت در ساختمان 200 نوع آنزیم و پروتئین است و کمبود آن فعالیت چندین آنزیم مهم از جمله فسفاتاز، الکل دی هیدروژناز، دیمیدین کیناز، کربوکسی پپتیداز DNA و RNA را کاهش می­دهد (پراساد، 1984). از دیگر نقش­های عنصر روی، نقش آن در ایجاد یک سیستم دفاعی سلولی در برابر گونه­ های واکنش دهنده با اکسیژن[2] (ROS) می­باشد. به نحوی که در شرایط کمبود عنصر روی بروز این خسارت­های اکسیداتیو ناشی از تهاجم رادیکال­های آزاد مانند ROS ها با ایجاد اختلال در عملکرد غشاهای سلولی و تولید رادیکال­های هیدروکسیل و سوپراکسیداز به سلول خسارت وارد می­نماید (مورای، 1989).

اکسیدروی (ZnO) به عنوان یکی از ترکیبات معدنی عنصر روی، در حال حاضر یکی از پنج ترکیب عنصر روی بوده که توسط سازمان غذا و داروی آمریکا به عنوان یک ترکیب ایمن شناخته شده است (پراساد، 1984). اکسیدروی در مقیاس نانو ویژگی­های ضد میکروبی داشته و همچنین پایداری بیشتری در دما و فشار بالا نشان داده (ساوای، 2003) و غیر سمی بوده و حتی شامل عناصر معدنی ضروری برای بدن انسان نیز می­باشد (روسلی و همکاران، 2003). اغلب مواد معدنی ضد باکتریایی، نانوذرات فلزی و نانوذرات اکسید فلزی بوده که شامل نقره (Ag)، مس (Cu)، اکسید تیتانیوم (TiO2) و اکسیدروی (ZnO) می­باشد (کیوفی و همکاران، 2005؛ چادهری و همکاران، 2008؛ برادلی و همکاران، 2011). گیاهان در حضور نانو مواد (NMs) به طور طبیعی رشد کرده و روند افزایشی در تولید دارند به طوری که استفاده از نانو مواد سنتزی[3]، به عنوان ابزاری مناسب محسوب می­ شود (پن و همکاران،2010) و سرنوشت، انتقال و تحرک این نانوذرات سنتزی در خاک بستگی زیادی به شرایط محیطی داشته، ولی با این حال شناخت کمی از اثرات احتمالی نانوذرات در ویژگی­های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی خاک وجود دارد (بن- موشه و همکاران، 2012).

امروزه استفاده از نانوکودها در صنایع مختلف از جمله کشاورزی مورد توجه و اقبال عمومی قرار گرفته است. نانواکسیدروی یکی از نانوکودهای مورد استفاده در کشاورزی است که گزارشات ضد و نقیضی در مورد فواید و مضرات آن برای گیاهان ارائه شده است. استفاده از این ماده در خاک با غلظت زیاد اثرات ضد باکتریایی داشته و برخی از باکتری­ های خاک را از بین می­برد، از سویی گزارشاتی در دست است که نشان می­دهد استفاده از این نانو کود می ­تواند رشد ریشه و اندام­های هوایی گیاهان را تحریک نماید (فان و لو، 2003). امروزه بشر با دخالت­های نامتعارف خود از قبیل کاربرد بی­رویه کودهای شیمیایی، سموم و ادوات کشاورزی موجب خسارت­های جبران ناپذیری به محیط زیست و نظام­های کشاورزی شده است. یکی از راهکارهای مؤثر برای خروج از این معضل، حرکت به سوی کشاورزی پایدار می­باشد (غلامی و کوچکی، 1380). در حال حاضر مصرف کودهای زیستی همانند قارچ میکوریزا در یک سیستم مبتنی بر کشاورزی پایدار، موجب افزایش کیفیت و ثبات عملکرد به ویژه در گیاهان زراعی می­ شود. قارچ میکوریزا در مقایسه با کودهای شیمیایی برتری­های چشمگیری دارد. این قارچ­ها با ایجاد ارتباط همزیستی با گیاهان بر جنبه­ های مختلف فیزیولوژی و بیوشیمی گیاه میزبان تأثیر گذاشته و موجب بهبود رشد و نمو آن می­ شود (نادیان، 1377). قارچ­های میکوریزای آربسکولار وزیکولار در بین میکروارگانیسم­هایی که محیط ریزوسفر را اشغال می­ کنند منحصر به فرد هستند. این قارچ­ها اجتماعات همزیستی را با ریشه اکثر گیاهان تشکیل می­ دهند و علاوه بر افزایش موادغذایی معدنی در گیاه می­توانند با تحریک مواد تنظیم کننده رشد، افزایش فتوسنتز، بهبود تنظیم فشار اسمزی در شرایط خشکی و شوری، باعث افزایش مقاومت گیاهان نسبت به تنش­های محیطی شوند (رابی و مدنی، 2005).

بنابراین با توجه به اهمیت موضوع، این مطالعه به منظور دستیابی به اهداف زیر در دو شرایط آزمایشگاه و گلخانه بر روی جوانه­زنی و رشد و عملکرد گیاه لوبیا سبز اجرا شد:

1- بررسی اکسیدروی نانو و معمولی بر شاخص ­های جوانه­زنی گیاه لوبیا سبز

2- بررسی اکسیدروی نانو و معمولی بر خصوصیات رشدی و عملکرد گیاه لوبیا سبز

3- بررسی اثرات متقابل اکسیدروی نانو و معمولی و قارچ میکوریزا بر خصوصیات رشدی و عملکرد گیاه لوبیا سبز

4- بررسی تاثیر اکسیدروی نانو و معمولی بر غلظت عناصر غذایی در گیاه لوبیا سبز

5- بررسی اثرات متقابل اکسید روی نانو و معمولی و قارچ میکوریزا بر غلظت عناصر غذایی در گیاه لوبیا سبز

6- بررسی تاثیر اکسیدروی نانو و معمولی بر غلظت عناصر کم مصرف در خاک

7- بررسی اثرات متقابل اکسید روی نانو و معمولی و قارچ میکوریزا بر غلظت عناصر کم مصرف در خاک

فصل دوم: بررسی منابع

1-2- نانوتکنولوژی و کشاورزی

تعاریف متفاوتی برای نانوذرات در مدارک و اسناد موجود است. اخیراً سازمان استاندارد بین المللی[1]، تعریفی جدید برای نانوذرات ارائه کرده است. طبق این تعریف نانوذرات به ذراتی گفته می­ شود که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس نانو باشد. منظور از مقیاس نانو در این تعریف اندازه­ای است که در حد 100-1 نانومتر باشد (کریلینگ، 2010). تاریخچه نانو مواد بسیار طولانی است اما با این وجود بخش اعظم پیشرفت­هایی که در زمینه نانوتکنولوژی صورت گرفته است، تنها به دو دهه گذشته باز می­گردد. ایده نانوتکنولوژی برای اولین بار توسط ریچارد فینمن[2] در سال 1959 مطرح گردید و در سال 1970 ناریو تانیگوچی[3] برای اولین بار اصطلاح نانوتکنولوژی را تعریف نمود (اش، 2011).

به دلیل اثرات مضری که کودهای شیمیایی در محیط زیست و کیفیت غذا ایجاد می­ کنند، مدتها است که استفاده از آنها مورد نکوهش قرار گرفته است. در نانوکودها به عنوان جایگزین کودهای مرسوم، عناصر غذایی کود به تدریج و به صورت کنترل شده در خاک آزاد می­شوند و در نتیجه از آلودگی آب آشامیدنی جلوگیری به عمل خواهد آمد. در حقیقت با بهره گیری از فناوری نانو در طراحی و ساخت نانوکودها، فرصت­های جدیدی به منظور افزایش کارایی مصرف عناصر غذایی و به حداقل رساندن هزینه­ های حفاظت از محیط زیست، پیش روی انسان گشوده شده است (نادری و عابدی، 2012).

استفاده از فناوری نانو در کلیه عرصه ­ها از جمله کشاورزی در حال گسترش می­باشد. یکی از مهم­ترین کاربردهای فناوری نانو در جنبه­ های مختلف کشاورزی در بخش آب و خاک، استفاده از نانو کودها برای تغذیه گیاهان می­باشد (رضایی و همکاران، 1388). ذرات کودی می­توانند با غشاهایی در مقیاس نانو پوشیده شوند که رهاسازی آهسته و مداوم عناصر غذایی را تسهیل می­ کنند. پوشاندن و سیمانی کردن با ذرات نانو و کوچکتر از نانو، باعث ایجاد قابلیت تنظیم رهاسازی عناصر غذایی از کپسول کودی می­ شود (لیو و همکاران، 2006).

[1] -ISO: International Standard Organisation