تأثیر بیوچار بر قابلیت گیاه‌پالایی کینوا (Chenopodium quinoa Willd) در خاک‌های آلوده به کادمیوم

مقدمه

در طی چند دهه گذشته، آلودگی خاک توسط فلزات سنگین به‏دلیل سمی­بودن و تجزیه دشوار آن به یک مسئله زیست­محیطی مهم تبدیل شده است
 (Yang et al., 2020). کادمیوم به‏عنوان هفتمین عنصر بسیار سمی طبقه‏بندی شده است. جذب کادمیوم توسط گیاهان می‏تواند منجر به تجمع سطوح بالای کادمیوم در زنجیره غذایی انسان شود
 (Adhikari et al., 2020). علاوه‏بر آلودگی ناشی از رسوب ذرات هوا، فعالیت‌های انسانی مانند استخراج معادن، آبیاری از طریق فاضلاب و کاربرد سموم دفع آفات و کود نیز می‌توانند به افزایش کادمیوم در خاک‌های کشاورزی کمک کنند (Bui et al., 2020). کادمیوم به‏طور غیر مستقیم باعث افزایش تولید گونه‌های اکسیژن فعال در گیاهان و ایجاد تنش اکسیداتیو می‌شود (Hendrix et al., 2020).

روش‌های مرسوم برای حذف فلزات سنگین از خاک‌های آلوده شامل روش‌های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است که ممکن است در ترکیب با یکدیگر برای اصلاح مکان‌های آلوده استفاده شوند. با وجود راندمان بالا، اکثر این روش‌ها پرهزینه بوده و با مصرف انرژی بالا و تخریب زیست­محیطی همراه هستند (Shi et al., 2020).

فناوری گیاه‏پالایی شاخه‏ای از زیست‏پالایی است که از گیاهان برای تصفیه آب و خاک استفاده می‌کند (Mustafa & Hayder, 2021). فناوری گیاه‏پالایی سازگار با محیط زیست و مقرون‌به‌صرفه است (Ibrahim & Afandi, 2020). گیاهان ایده‏آل برای گیاه‏پالایی باید ویژگی‏های متعددی از قبیل توانایی رشد در محیط آلوده، رشد سریع، زیست­توده با کیفیت بالا، برداشت آسان و قابلیت تجمع طیف وسیعی از آلاینده‏ها و فلزات سنگین را در خود داشته باشند. در حال حاضر، هیچ گیاه شناخته­شده‏ای نیست که تمام این معیارها را برآورده کند (Abedi Koupai et al., 2020). کینوا با نام علمیChenopodium quinoa Willd ، گیاهی یک‏ساله است که از آمریکای لاتین منشأ گرفته است (Amiryousefi et al., 2020). کینوا یک گیاه هالوفیت است. هالوفیت‏ها تحمل بالاتری نسبت‌ به فلزات سنگین دارند و سرعت جذب بیشتری از خاک نشان داده‏اند. علاوه‏براین، با افزایش تحرک موجب بهبود انتقال و جابه‌جایی فلزات سنگین از خاک به ریشه و سایر اجزای گیاه می‏شود
 (Jaikishun et al., 2019).

امروزه برای کاهش اثرات منفی آلاینده‏ها در کنار گیاه‏پالایی، از دیگر فرآیندها نیز استفاده می‏شود. ازجمله این فرآیندها برای افزایش کارایی گیاه‏پالایی، استفاده از کودهای زیستی و آلی مانند بیوچار می‏باشد (Albo Ebadi et al., 2018). بیوچار نوعی ماده آلی جامد و غنی از کربن است که در اثر فرآیند پیرولیز زیست‌توده در شرایط کمبود و یا غیاب اکسیژن تهیه می‏شود (Kabiri et al., 2018). خواص بیوچار تا حد زیادی به ویژگی‏های ماده اولیه و شرایط پیرولیز مانند دما، شدت و زمان گرمایش بستگی دارد
 (Cardenas-Aguiar et al., 2020). بیوچار با بهبود ویژگی‏هـای شـیمیایی نظیر نگهـداری و فراهمـی عناصـر موجب افزایش رشـد گیـاه مـی‏شـود. علاوه‏براین، بیوچــار می‏تواند پویایی عناصر غذایی را با اثرگـذاری بـر چرخـه نیتروژن و ارائه گزینه‏هایی در راستای به‌حـداقل­رسـاندن هدررفت و اتلاف نیتروژن از طریق تبادل یونی، جـذب و غیر پویاسازی و همچنین افزایش عرضه مواد غذایی تغییر دهد
 (Zibaei et al., 2019).

باتوجه‏به افزایش شهرنشینی و صنعتی­شدن و در پی آن افزایش ورود فلزات سنگین به اکوسیستم، هدف از اجرای این پژوهش بررسی قابلیت گیاه‌پالایی کینوا همراه با کاربرد سه نوع بیوچار در خاک آلوده به کادمیوم در شهرستان بندر ترکمن می‌باشد.

مواد و روش‌ها

این آزمایش گلدانی به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با چهار تکرار در محوطه مدیریت جهاد کشاورزی شهرستان بندر ترکمن به مختصات جغرافیایی °۵۴ و ´۶ طول شرقی و °۳۶ و ´۵۲ عرض شمالی با شرایط آب و هوایی معتدل و خشک در سال 1399 اجرا شد. فاکتورهای این آزمایش شامل پنج سطح کادمیوم (صفر (شاهد)، 25‌، 50، 75 و 100 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک از منبع نیترات کادمیوم)، چهار سطح بیوچار (عدم مصرف (شاهد)، مصرف بیوچار (100 گرم بیوچار به ازای هر کیلوگرم خاک) چوب انار و آلو از منطقه شیراز، کاه گندم از مناطق دیم گلستان و چوب جنگل‌های شمال بود. بیوچار چوب جنگل‏های شمال از شرکت داخلی کربن اکتیو بشل، بیوچار چوب درخت انار و آلو از شرکت فصل پنجم فرح‌بخش و بیوچار کاه گندم با همکاری آزمایشگاه خاکشناسی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری تهیه شدند. به‌‏منظور اندازه‏گیری مشخصات فیزیکی و شیمیایی خاک به آزمایشگاه انتقال یافت که نتایج اندازه‏گیری در جدول 1 آمده است.

در مجموع 80 گلدان درنظر گرفته شد که برای هر گلدان مقدار پنج کیلوگرم خاک اضافه شد. غلظت‌های کادمیوم به‌صورت نیترات کادمیوم  (Cd(NO₃)₂)به خاک اضافه شدند.

خاک‌های آلوده در گلدان‌ها به‌مدت یک ماه چندین مرتبه مرطوب و خشک شدند تا به شرایط طبیعی نزدیک شوند (Shanbleh & Kharabsheh, 1996). مقدار هر عنصر براساس نمک مورد نظر برای استفاده در پنج کیلوگرم خاک محاسبه شد. تفاوت در نیترات تیمارهای آلوده و شاهد از طریق کود اوره محاسبه و اعمال شد. مقدار مورد نظر نیترات کادمیوم برای هر تیمار به‌صورت لایه‏ای با خاک مخلوط شد. بعد از خشک­شدن خاک در هوای آزاد، هم‏زمان با آلوده‏سازی محیط کشت، مقدار بیوچار تعیین­شده (500 گرم در هر گلدان) نیز به تیمارهای مورد نظر اضافه شد. برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بیوچار چوب انار و آلو، بیوچار کاه گندم و بیوچار چوب جنگل‏های شمال به‏ترتیب در جدول 2 آمده است.

در تاریخ 03/12/1399 عملیات کاشت انجام شد. به این صورت که در هر گلدان پنج عدد بذر کینوا کاشته شد که پس از جوانه­زدن و استقرار گیاهان عمل تنک­کردن صورت گرفت و درنهایت یک بوته در هر گلدان به‏عنوان تراکم گیاه درنظر گرفته شد. در طول دوره رشد، به‌منظور جلوگیری از هدررفت نیترات کادمیوم اعمال شده و تسریع کلاته­شدن فلز سنگین، آبیاری از طریق زیرگلدانی صورت گرفت. علاوه‌براین، در طول دوره رشد مبارزه با علف‌های هرز به‌طور دستی صورت گرفت و در طول دوره رشد هیچ گونه آفاتی مشاهده نشد. عملیات برداشت گیاهان در تاریخ 15/03/1400 حدود دو ماه پس از کاشت در مرحله حداکثر رشد رویشی و قبل از گلدهی انجام شد. در زمان برداشت، گیاهان هر گلدان کف‌بر شدند و پس از برداشت اندام هوایی، ریشه‌ها از گلدان خارج شدند و درنهایت با آب شست‏وشو شدند، سپس نمونه‌‌های اندام‌های هوایی و ریشه‌های گیاه (اندام‌های زیرزمینی) به آزمایشگاه انتقال یافتند. پس از کف‌بر کردن بوته‌ها، نمونه‌ها به‌مدت 48 ساعت در دمای 50 درجه سانتی‌گراد در آون قرار داده شدند؛ سپس با استفاده از ترازوی دیجیتال وزن خشک نمونه‌ها در گلدان تعیین شد.

اندازه‌گیری غلظت کادمیوم در اندام‏های گیاهی به‌روش هضم تر انجام شد. غلظت فلز کادمیوم قابل جذب در نمونه‌های خاک با استفاده از روش
Lindsay & Norvell  (1978) اندازه‌گیری شد. درنهایت، با استفاده از روابط ریاضی زیر توانایی گیاهان در انباشت عنصر آلاینده کادمیوم محاسبه شد
 ( Lindsay & Norvell, 1978 Woodies et al., 1977;).

100 رابطه (1)                   (Baker, 1987; Lasat, 2002)

              رابطه (2)

(Baker & Brooks, 1989; Zhang  et al., 2002)

‎    رابطه (3)        (Ma et al., 2001; Cluis, 2004)

                  (Aravind & Prasad, 2005)

پس از اتمام محاسبات آزمایشگاهی، داده‌های حاصل از این پژوهش با استفاده از نرم‌افزار (Ver. 9.4) SAS مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. همچنین در صورت معنی‌دار­بودن اثرات متقابل دو‌گانه کادمیوم و بیوچار، برشی‌دهی اثر متقابل صورت گرفت و از آزمون LSD در سطح پنج درصد جهت مقایسه میانگین استفاده شد.

نتایج و بحث

نتایج تجزیه واریانس اثر تیمارهای آزمایشی بر تمامی صفات مرتبط با قابلیت گیاه‌پالایی در جدول 3 آمده است.

جدول 3- تجزیه واریانس (میانگین مربعات) اثر کادمیوم و بیوچار بر صفات مرتبط با قابلیت گیاه‌پالایی کینوا.

Table 3. Analysis of variance (mean squares) effect of cadmium and biochar on traits related to phytoremediation of quinoa.

^*، ^** و ns: به‌ترتیب به­مفهوم معنی‌داری در سطح پنج درصد، یک درصد و عدم معنی‌داری می‌باشند.

^*, ^** and ns are significant at the level of 5%, 1% and non-significant, respectively.

RDW: Root dry weight, SDW: Shoot dry weight, TF: Translocation Factor, TI: Tolerance index and BF: Bioaccumulation Factor

وزن خشک ریشه

اثر ساده کادمیوم و بیوچار بر وزن خشک ریشه در سطح یک درصد معنی‌دار شد. در حالی‌که اثر متقابل کادمیوم و بیوچار اثر معنی‌داری بر این صفت نداشت (جدول 3). با افزایش غلظت کادمیوم، وزن خشک ریشه کاهش یافت (شکل 1-الف). به‌طوری­که بیشترین میانگین وزن خشک ریشه (1/1 گرم در بوته) در غلظت صفر کادمیوم به‏دست آمد و مصرف 100 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک باعث کاهش 7/88 درصدی وزن خشک ریشه نسبت ‏به عدم مصرف کادمیوم شد (شکل 1-الف).

بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم، وزن خشک ریشه کینوا را به‌ترتیب 8/18 و 40 درصد نسبت ‌به شاهد افزایش دادند. درحالی‏که، وزن خشک ریشه با کاربرد بیوچار تهیه­شده از چوب جنگل‏های شمال 8/18 درصد کاهش یافت.

وزن خشک شاخساره

کادمیوم و بیوچار بر وزن خشک شاخساره اثر معنی‌داری در سطح یک درصد داشتند؛ اما اثر متقابل کادمیوم و بیوچار بر صفت ذکر­شده اثر معنی‌داری نداشت (جدول 3). با­توجه­‌به شکل‌ 2-الف روند تغییرات وزن خشک شاخساره کینوا تحت افزایش غلظت کادمیوم از نوع خطی بود؛ به‌طوری‌که مصرف 100 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک باعث کاهش 8/126 درصدی وزن خشک شاخساره نسبت ‌به عدم مصرف کادمیوم شد (شکل 2-الف).

شکل 1- روند تغییرات وزن خشک ریشه کینوا با افزایش سطوح کادمیوم (الف) و مقایسه میانگین اثر بیوچار بر وزن خشک ریشه کینوا (ب)

Figure 1. The trend of quinoa root dry weight changes with increasing cadmium levels (a) and the mean comparison of biochar effect on root dry weight of quinoa (b)

شکل 2- روند تغییرات وزن خشک شاخساره کینوا با افزایش سطوح تیمار کادمیوم (الف) و مقایسه میانگین اثر بیوچار بر وزن خشک شاخساره گیاه کینوا (ب).

Figure 2. The trend of quinoa shoot dry weight changes with increasing cadmium levels (a) and the mean comparison of biochar effect on shoot dry weight of quinoa (b).

در مطالعه‌ای مشاهده شد که تحت تنش کادمیوم (یک میکرومول در لیتر)، رشد گیاه برنج به‏طور جدی مهار شد و وزن خشک ریشه و وزن خشک شاخساره در 10 و 20 روز پس از اعمال تیمار‏ها به‏طور چشمگیری کاهش یافتند (Qina et al., 2021). افزایش اتصال عرضی پکتین‏ها در لاملاهای میانی باعث افزایش چسبندگی سلولی و اتصال به دیواره سلولی می‏شود و درنتیجه در برابر رشد مقاومت می‌کند. علاوه‌براین، افزایش فعالیت پراکسیداز دیواره سلولی ناشی از فلز منجر به افزایش اتصال عرضی فنلی می‏شود. درنتیجه می‏تواند از گسترش دیواره سلولی و رشد زیست­توده جلوگیری کند (Sudhagar & Sassikumar, 2017).

وزن خشک شاخساره با کاربرد بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم به‏ترتیب 8/35 و 4/79 درصد نسبت ‌به شاهد افزایش یافت؛ این درحالی بود که مصرف بیوچار تهیه­شده از چوب جنگل‏های شمال موجب کاهش 8/31 درصدی وزن خشک شاخساره شد (شکل 2-ب). بیوچارهای تولید­شده خواص متفاوتی را نشان می‏دهند که منجر به اثرات متفاوتی بر خاک و درنتیجه منجر به واکنش‌های متفاوتی از سوی گیاهان می‏شود (Paneque et al., 2016). در آزمایشی با عنوان بررسی تأثیر سه نوع بیوچار حاصل از گندم، ذرت و نی در دماهای 500 و 700 درجه سانتی‏گراد تحت تنش کادمیوم، نیکل و سرب نشان داد، بیشترین وزن خشک ریشه (93/1 گرم) و شاخساره (37/7 گرم) گیاه ذرت (Zea mays L.) در تیمار بیوچار ذرت تهیه­شده در دمای 700 درجه سانتی‏گراد مشاهده شد. درحالی‏که، کمترین میزان وزن خشک ریشه (61/1 گرم) در تیمار بیوچار گندم تهیه­شده در دمای 700 درجه سانتی‏گراد به‏دست آمد. علاوه‏براین، نتایج این مطالعه نشان داد که وزن خشک ریشه و شاخساره گیاه ذرت با افزایش میزان بیوچار به‏طور معنی‌داری کاهش یافتند
 (Sayyadian et al., 2019). به‏نظر می‏رسد بیوچار به‏عنوان اصلاح‏کننده خاک با افزایش حاصلخیزی خاک، شرایط مناسبی را برای رشد و عملکرد گیاه به‏وجود آورده و همچنین سطح ویژه و چگالی بار زیاد آن باعث افزایش سطح ویژه کل خاک و افزایش جمعیت میکروبی خاک شده (Zaefarian et al., 2020) و افزایش فعالیت ریزجانداران در حضور بیوچار، ترشحات گیاهی و تأثیر سینرژیک آن‏ها موجب افزایش وزن خشک ریشه و شاخساره می‏شود (Habibi et al., 2017). برخی از انواع بیوچار می‏توانند سدیم را در خاک افزایش دهند. افزایش سدیم بر رشد گیاهان اثر منفی می‏گذارد؛ به این صورت که پتانسیل اسمزی خاک را افزایش می‏دهد و جذب آب توسط گیاهان را کاهش می‏دهد. با این حال، اثر آهکی بیوچار خاصیت مثبتی برای خاک‌های اسیدی محسوب می‌شود، اما در خاک‌هایی با pH بالا، اثر آهکی می‌تواند اثرات نامطلوبی را به‌همراه داشته باشد (Rajkovich et al., 2011).

غلظت کادمیوم در خاک و اندام‎‌های گیاهی

اثرات ساده کادمیوم و بیوچار و همچنین اثر متقابل کادمیوم و بیوچار بر غلظت کادمیوم در خاک، ریشه و شاخساره در سطح یک درصد اثر معنی‌داری داشتند (جدول 3). براساس نتایج حاصل از مقایسه میانگین برهمکنش کادمیوم و بیوچار بر میزان غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، غلظت کادمیوم در ریشه و شاخساره کینوا، با افزایش غلظت کادمیوم میزان غلظت کادمیوم در خاک، ریشه و شاخساره به‌ترتیب 3/84883، 7/90634 و 4/115805 درصد افزایش یافتند (جدول 4). در همه‎ی سطوح کادمیوم، کاربرد بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم موجب کاهش غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، غلظت کادمیوم در ریشه و شاخساره شدند. این درحالی بود که بیوچار چوب جنگل‏های شمال در همه‎ی سطوح بجز شاهد موجب افزایش غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، غلظت کادمیوم در ریشه و شاخساره کینوا شد. در همه سطوح تیمار کادمیوم بجز شاهد، کاربرد بیوچار کاه گندم موجب کاهش بیشتری در غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، غلظت کادمیوم ریشه و شاخساره نسبت ‏به بیوچار چوب انار و آلو شده است. کمترین غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، غلظت ریشه و شاخساره (به‏ترتیب 001/0، 002/0 و 004/0 میلی‏گرم در کیلوگرم) در خاک غیر آلوده و در حضور بیوچار کاه گندم مشاهده شد. در مقابل، بیشترین غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، غلظت کادمیوم در ریشه و شاخساره (به‏ترتیب 403/12، 698/23 و 090/51 میلی‏گرم در کیلوگرم) در سطح 100 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک و در حضور بیوچار تهیه­شده از چوب جنگل‏های شمال به‏دست آمد که نسبت‏ به شاهد (عدم مصرف بیوچار در سطح 100 میلی‌گرم کادمیوم) به‏ترتیب 62/21، 55/13 و 13/19 درصد افزایش یافتند (جدول 4).

جدول 4- مقایسه میانگین برهمکنش کادمیوم و بیوچار بر غلظت کادمیوم قابل استفاده در خاک، ریشه و شاخساره کینوا.

Table 4. Comparison of the mean interaction of cadmium and biochar on the concentration of cadmium in soil, roots and shoots of quinoa.

میانگین‏هایی که در هر ستون و هر سطح کادمیوم دارای حروف مشترک می‏باشند، براساس آزمون LSD در سطح احتمال پنج درصد اختلاف معنی‏داری ندارند.

The means that have a common letter and each cadmium level are not significantly different together at the 5% level based on the LSD test.

Kacalkova et al. (2014) گزارش دادند که افزایش غلظت فلزات سنگینی مانند کروم، نیکل، سرب و کادمیوم در خاک موجب افزایش جذب آن‏ها توسط گیاهانی از قبیل ذرت (Zea mays L.)، آفتابگردان (Helianthus annuus L.)، بید (Salix x smithiana Willd.) و صنوبر (Populus nigra L. x P. maximowiczii) شدند. همچنین نشان داده شد که استفاده از مواد جاذبی مانند بیوچار در خاک باعث کاهش جذب فلزات سنگین توسط این گیاهان می‏شود. در آزمایش دیگری مشاهده شد که بـا افزایش سطح سرب و کادمیوم، میزان جذب در اندام هوایی کاهو (Lactuca sativa L.) رقم "سیاهو" افزایش یافت. در این تحقیق تیمارهای مختلف بیوچار تهیه­شده از پسماند گل رز شاخه­بریده (5 و 10 گرم در کیلوگرم) موجب کاهش غلظت سرب و کادمیوم در ریشه و اندام هوایی کاهو شدند (Valizadeh Ghale Beig et al., 2020).

بیوچار متخلخل و دارای گروه‏های عاملی است که این ساختار خاص موجب شده تا بیوچار پتانسیل جذب فلزات سنگین در محیط آبی و خاکی را داشته باشد. گروه‏های عاملی سطحی در بیوچار (هیدروکسیل، کربوکسیل و کربونیل) می‏توانند ظرفیت تبادل کاتیونی خاک را افزایش دهند و موجب افزایش تشکیل کمپلکس‏ها با فلزات سنگین شوند
 (Bashir et al., 2018). تبادل کاتیونی نقش مهمی را در کاهش زیست‏فراهمی فلزات سنگین در خاک ایفا می‌کند. علاوه‏براین، بیوچار با افزایش pH خاک اسیدی، منجر به افزایش بارهای منفی سطح می‏شود. بنابراین باعث افزایش جذب فلزات سنگین می‏شود. به‏طورکلی مکانیسم‏های جذب فلزات سنگین توسط بیوچار شامل برهمکنش‏های الکترواستاتیک، تبادل یونی، رسوب شیمیایی و ایجاد کمپلکس با گروه‏های عاملی در سطح بیوچار می‏باشد (Gholami & Rahimi, 2020).

pH محیط یکی از عوامل مؤثر بر فرآیند جذب محسوب می‌شود، زیرا از یک جهت یون‌های هیدروژن به‌شدت با یون‌های فلزی برای مکان‌های جذب رقابت می‌کنند و از سوی دیگر تعیین‌کننده شکل شیمیایی یونی فلز و درجه یونیزاسیون جاذب در طول واکنش است (Boostani, 2020). کم­بودن جذب کادمیوم درpH های پایین می‌تواند به ‌این علت باشد که در pH پایین، گروه‌های عاملی سطحی بیوچار پروتونه شده و به‌صورت بار مثبت وجود دارند. در این حالت بیشتر تمایل جاذب به جذب آنیون است (Abdelhafez et al., 2014). بیوچار کاه گندم، چوب انار و آلو و چوب جنگل‌های شمال به‌ترتیب شامل کمترین و بیشترین مقدارpH  می‌باشند. بنابر مطالب فوق، بیوچار کاه گندم با کمترین pH موجب کاهش جذب کادمیوم و بیوچار چوب جنگل‌های شمال با بیشترین pH موجب افزایش جذب کادمیوم در خاک، ریشه و شاخساره می‌شوند.

فاکتور انتقال

جدول تجزیه واریانس نشان می‌دهد اثر ساده کادمیوم و بیوچار بر فاکتور انتقال در سطح یک درصد و اثر متقابل کادمیوم و بیوچار در سطح پنج درصد معنی‌دار شدند (جدول 3). نتایج حاصل از مقایسه میانگین برهمکنش کادمیوم و بیوچار بر فاکتور انتقال نشان داد، فاکتور انتقال از سطح صفر تا غلظت 25 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک افزایش یافته است، اما در ادامه روند یکسانی را طی کرده است. کمترین مقدار فاکتور انتقال (92/0) در خاک غیر آلوده و در حضور بیوچار تهیه شده از چوب جنگل‏های شمال به‏دست آمد که نسبت ‌به شاهد (عدم مصرف بیوچار) 57/44 درصد کاهش یافت. بیشترین مقدار فاکتور انتقال (13/3) در سطح 25 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک و با کاربرد بیوچار چوب انار و آلو مشاهده شد که نسبت ‏به شاهد آن (عدم مصرف بیوچار در سطح 25 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک) 39/55 درصد افزایش یافت (جدول 4). فاکتور انتقال (نسبت کادمیوم شاخساره به ریشه) بالاتر فلزات سنگین در گیاه اهمیت زیادی برخوردار است؛ زیرا به کارآمدی گیاهان در گیاه‌پالایی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین مربوط می‌شود (Hussain et al., 2013). به‌طور معمول گیاهان هنگام تنش فلزات سنگین فاکتور انتقال کوچک‏تر از یک را نشان می‏دهند. فاکتور انتقال بزرگ‏تر از یک نشان می‌دهد که گیاهان آلودگی مورد مطالعه را تحمل می‏کنند و این خصوصیت یکی از ویژگی‏های گیاهان بیش‏اندوز محسوب می‏شود. بنابراین، فاکتور انتقال بزرگ‏تر از یک عامل تعیین‏کننده‏ای برای دسته‌بندی گونه‏های گیاهی برای فرآیند گیاه‏پالایی است (Antoniadis et al., 2017). فاکتور انتقال کینوا در این مطالعه بالاتر از یک محاسبه شد (جدول 4). این گیاه با مقادیر فاکتور انتقال بالاتر از یک به‌طور فعال باعث تجمع فلزات سنگین در قسمت‌های هوایی گیاه می‌شود.

جذب کادمیوم در شاخساره

تمامی اثرات ساده کادمیوم و بیوچار و همچنین اثر متقابل کادمیوم و بیوچار بر جذب کادمیوم در شاخساره در سطح یک درصد اثر معنی‌داری داشتند (جدول 3). همچنین نتایج پژوهش حاضر نشان داد با افزایش سطوح کادمیوم، میزان جذب کادمیوم در شاخساره افزایش یافت. کمترین میزان جذب کادمیوم در شاخساره (00002/0 میلی‏گرم در شاخساره) در تیمار خاک غیرآلوده و مصرف بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم به‏دست آمد و این درحالی بود که بیشترین میزان جذب کادمیوم در شاخساره (13710/0 میلی‏گرم در شاخساره) در سطح 100 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک و در حضور بیوچار کاه گندم به‏دست آمد که نسبت ‏به شاهد آن (عدم مصرف بیوچار در سطح 100 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک) 92 درصد افزایش یافت (جدول 4). 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 (Aravind & Prasad, 2005). در این آزمایش با افزایش سطوح کادمیوم، غلظت فلز در شاخساره نیز افزایش یافت (جدول 4). از آنجایی که میزان جذب کادمیوم در شاخساره از حاصل‏ضرب مقدار وزن ماده خشک شاخساره در غلظت فلز در شاخساره به‌دست می‌آید؛ بنابراین با افزایش سطوح کادمیوم، میزان جذب کادمیوم در شاخساره نیز افزایش می‏یابد.

شاخص تحمل

اثر ساده کادمیوم و بیوچار بر شاخص تحمل در سطح یک درصد معنی‌دار شد. در حالی‌که اثر متقابل کادمیوم و بیوچار اثر معنی‌داری بر این صفت نداشت (جدول 3). شاخص تحمل با افزایش غلظت کادمیوم کاهش یافت. میزان شاخص تحمل در بالاترین غلظت کادمیوم (100 میلی‌گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک) نسبت ‏به شاهد حدود 4/129 درصد کاهش یافت (شکل 3-الف).

شکل 3- روند تغییرات شاخص تحمل کینوا با افزایش سطوح کادمیوم (الف) و مقایسه میانگین اثر بیوچار بر شاخص تحمل کینوا (ب).

Figure 3. The trend of quinoa tolerance index changes with increasing cadmium levels (a) and the mean comparison of biochar effect on tolerance index of quinoa (b).

بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم به‏ترتیب 1/37 و 80 درصد نسبت ‌به شاهد موجب افزایش میزان شاخص تحمل شدند. درحالی‌که، کاربرد بیوچار چوب جنگل‏های شمال میزان شاخص تحمل را 4/30 درصد کاهش داد (شکل 3-ب). Amirahmadi et al. (2020) گزارش دادند، افزایش غلظت کادمیوم (10، 30 و 50 میلی‏گرم در کیلوگرم خاک) موجب کاهش شاخص تحمل گیاه بلوط Quercus castaneifolia C.A.) (Mey شد. درحالی‏که افزودن سطوح مختلف بیوچار شلتوک برنج (1، 3 و 5 درصد وزنی) موجب افزایش شاخص تحمل در تمام غلظت‏های کادمیوم شد. به‏طوری‌که بیشترین شاخص تحمل در تیمار بیوچار 5 درصد و کادمیوم 10 میلی‏گرم در کیلوگرم خاک مشاهده شد. شاخص تحمل که نشان‏دهنده رشد گیاه در حضور آلاینده است در حالت عادی دارای مقدار یک می‏باشد اما وقتی گیاه در معرض تنش آلاینده قرار گیرد این نسبت به‌شدت کاهش می‏یابد (Azizi et al., 2016). درجه تحمل گیاه نسبت ‏به شرایط تنش به سه دسته تحمل بالا (بزرگ‏تر از 6‏‏/0)، تحمل متوسط (6‏‏/0- 35‏‏/0) و حساس (کوچک‏تر از 35‏‏/0) تقسیم می‏شود (Lux et al., 2004). بر­همین­اساس، از­آنجایی­که شاخص تحمل کینوا در این آزمایش بالاتر از 60‏‏/0 است، این گیاه به‏عنوان گیاهی بسیار متحمل محسوب می‏شود.

فاکتور تجمع زیستی شاخساره

کادمیوم و بیوچار بر فاکتور تجمع زیستی شاخساره اثر معنی‌داری در سطح یک درصد داشتند، اما اثر متقابل کادمیوم و بیوچار بر صفت ذکر­شده اثر معنی‌داری نداشت (جدول 3). باتوجه­‏به شکل 4-الف، روند تغییرات فاکتور تجمع زیستی شاخساره کینوا در پاسخ به افزایش سطوح کادمیوم غیر خطی بود. به‌طوری‏که فاکتور تجمع زیستی شاخساره در ابتدا تا غلظت 25 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک با شیب 0513/0 واحد افزایش یافت؛ اما در ادامه تا غلظت 100 میلی‏گرم کادمیوم در کیلوگرم خاک با شیب 00352/0- واحد روند نزولی طی کرده است.

شکل 4- روند تغییرات فاکتور تجمع زیستی شاخساره کینوا با افزایش سطوح کادمیوم (الف) و مقایسه میانگین اثر بیوچار بر فاکتور تجمع زیستی شاخساره کینوا (ب).

Figure 4. The trend of quinoa bioaccumulation factor changes with increasing cadmium levels (a) and the mean comparison of biochar effect on bioaccumulation factor of quinoa (b).

در بالاترین غلظت کادمیوم، میزان فاکتور تجمع زیستی شاخساره نسبت ‏به شاهد (سطح صفر کادمیوم) حدود 8/34 درصد افزایش یافت (شکل 4-الف). بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم موجب افزایش فاکتور تجمع زیستی شاخساره به‏ترتیب 7/15 و 8/30 درصد نسبت‌ به شاهد شدند.

بیوچار تهیه­شده از چوب جنگل‏های شمال اثر معنی‏داری بر فاکتور تجمع زیستی شاخساره نداشته است (شکل 4-ب). فاکتور تجمع زیستی شاخصی است که برای ارزیابی پتانسیل انتقال فلز از خاک به گیاه استفاده می‏شود (Liu et al., 2020). درصورتی‏که فاکتور تجمع زیستی شاخساره کمتر از یک باشد گیاه ذخیره‌کننده، اگر بین 10-1 باشد

گیاه تجمع‌کننده و اگر بیشتر از 10 باشد، به‏عنوان فوق انباشت‌کننده عناصر سنگین طبقه‌بندی می‌شود (Baker, 1981)؛ لذا بر‏اساس نتایج این پژوهش، فاکتور تجمع زیستی شاخساره که در محدوده 10-1 می‌باشد؛ می‌توان کینوا را به‏عنوان تجمع‌کننده کادمیوم معرفی کرد.

نتیجه‌گیری کلی

به‌طور کلی، افزایش غلظت کادمیوم موجب کاهش صفاتی نظیر ارتفاع بوته، وزن خشک ریشه و وزن خشک شاخساره شد. افزایش غلظت کادمیوم موجب تجمع بیشتر آن در اندام‏های گیاهی کینوا شد و میزان تجمع کادمیوم در اندام‌های گیاهی بسته به سطوح کادمیوم متفاوت بود. اما باتوجه‏به بالا­بودن شاخص تحمل، فاکتور انتقال و فاکتور تجمع زیستی شاخساره می‏توان استفاده از این گیاه را در پالایش خاک توصیه کرد. ازطرفی، استفاده از بیوچار چوب انار و آلو و بیوچار کاه گندم باتوجه‏به اینکه موجب کاهش غلظت کادمیوم در خاک، ریشه و شاخساره شدند و همین‏طور از­آنجایی­که موجب بهبود عملکرد گیاه شدند می‏توانند به‏منظور تثبیت گیاهی و کاهش فلزات سنگین در اندام‏های گیاهی مورد استفاده قرار گیرند. از سوی دیگر، کاربرد بیوچار چوب جنگل‏های شمال با توانایی افزایش غلظت کادمیوم در خاک، ریشه و شاخساره می‏تواند به‏عنوان کمک‏کننده‏ای برای افزایش قابلیت استخراج گیاهی مورد استفاده قرار گیرد.

REFERENCES

1. Abdelhafez, A. A., Li, J. & Abbas, M. H. H. (2014). Feasibility of biochar manufactured from organic wastes on the stabilization of heavy metals in a metal smelter contaminated soil. Chemosphere, 117, 66-71.
2. Abedi Koupai, J., Jamalian, M. A. & Dorafshan, M. M. (2020). Improving Isfahan landfill leachate quality by phytoremediation using vetiver and phragmites plants in green space irrigation. Journal of Water and Wastewater, 31(3), 101-111. (In Persian)
3. Adhikari, A., Lee, K. E., Khan, M. A., Kang, S. M., Adhikari, B., Imran, M., Jan, R., Kim, K. M. & Lee, I. J. (2020). Effect of silicate and phosphate solubilizing rhizobacterium Enterobacter ludwigii GAK2 on Oryza sativa under cadmium stress. Journal of Microbiology and Biotechnology, 30(1), 118-126.
4. Albo Ebadi, H., Moradi, M. & Jahantab, E. (2018). Effect of biochar and municipal waste compost on Ziziphus spina-christi (L.) Willd heavy metals and total petroleum hydrocarbons phytoremediation. Journal of Plant Ecosystem Conservation, 6(12), 261-277. (In Persian)
5. Amirahmadi, E., Hojjati, S. M., Kammann, C., Ghorbani, M. & Biparva, P. (2020). The potential effectiveness of biochar application to reduce soil cd bioavailability and encourage oak seedling growth. Applied Sciences, 10, 3410-3422.
6. Amiryousefi, M., Tadayon, M. R. & Ebrahimi, R. (2020). Effect of biological and chemical fertilizers on some biochemical and yield traits of two quinoa cultivars. Journal of Plant Process and Function, 9(36), 299-314. (In Persian)
7. Antoniadis, V., Levizou, E., Shaheen, S. M., Ok, Y. S., Sebastian, A., Baum, C., Prasad, M. N. V., Wenzel, W. W. & Rinklebe, J. (2017). Trace elements in the soil-plant interface: Phytoavailability, translocation, and phytoremediation- A review. Earth-Science Reviews, 171, 621-645.
8. Aravind, P. & Prasad, M. N. V. (2005). Cadmium-zinc interaction in hydroponic system using Ceratophyllum demersum: Adaptive echophysiology, biochemistry and molecular toxicology. Brazilian Journal of Plant Physiology, 17, 3-20.
9. Azizi, E., Rahbarian, R. & Mirbolook, A. (2016). Phytoremediation of Cr⁺⁶ in contaminated soil using Portulaca oleracea. Iranian Journal of Soil Research, 30(2), 161-172. (In Persian)
10. Baker, A. J. M. (1981). Accumulators and excluders-strategies in the response of plants to heavy metals. Journal of Plant Nutrition, 3, 643-654.
11. Baker, A. J. M. (1987). Metal tolerance. New Phytologist, 106, 93-111.
12. Baker, A. J. M. & Brooks, R. R. (1989). Terrestrials higher plants which hyper accumulate metallic elements. A review of their distribution, ecology and phytochemistry. Biorecovery, 1, 81-126.
13. Bashir, S., Zhu, J., Fu, Q. & Hu, H. (2018). Comparing the adsorption mechanism of Cd by rice straw pristine and KOH-modified biochar. Environmental Science and Pollution Research, 25, 11875-11883.
14. Boostani, H. R. (2020). Investigation of effects of bio chars derived from wheat and corn straw on zinc adsorption in aqueous solution. Environmental Science and Technology, 22(6), 129-146. (In Persian)
15. Bui, A. T. K., Duong, L. T. & Nguyen, M. N. (2020). Accumulation of copper and cadmium in soil–rice systems in terrace and lowland paddies of the Red River basin, Vietnam: The possible regulatory role of silicon. Environmental Geochemistry and Health, 42, 3753-3764.
16. Cardenas-Aguiar, E., Ruiz, B., Fuente, E., Gasco, G. & Mendez, A. (2020). Improving mining soil phytoremediation with Sinapis alba by addition of hydrochars and biochar from manure wastes. Waste and Biomass Valorization, 11, 5197-5210.
17. Cluis, C. (2004). Junk-greedy greens: Phytoremediation as a new option for soil decontamination. Journal of Biotechnology, 2, 60-67.
18. Gholami, L. & Rahimi, GH. (2020). The effect of carrot pulp derived biochar on the adsorption of cadmium and lead in an acidic soil. Journal of Water and Soil Conservation, 27(2), 1-23. (In Persian)
19. Habibi, H., Motesharezadeh, B. & Alikhani, H. A. (2017). Effect of biochar and biological treatments on nutrient elements content (P, K, Ca, Mg, Fe and Mn) of Amaranthus in oil polluted soil. Iranian Journal of Soil and Water Research, 48(2), 369-384. (In Persian)
20. Hendrix, S., Iven, V., Eekhout, T., Huybrechts, M., Pecqueur, I., Horemans, N., Keunen, E., De Veylder, L., Vangronsveld, J. & Cuypers, A. (2020). Suppressor of gamma response 1 modulates the DNA damage response and oxidative stress response in leaves of cadmium-exposed Arabidopsis thaliana. Frontiers in Plant Science, 11, 366-378.
21. Hussain, A., Abbas, N., Arshad, F., Akram, M., Khan, Z. I., Ahmad, K., Mansha, M. & Mirzaei, F. (2013). Effects of diverse doses of lead (Pb) on different growth attributes of Zea mays Agricultural Sciences, 4(5), 262-265.
22. Ibrahim, N. & El Afandi, G. (2020). Phytoremediation uptake model of heavy metals (Pb, Cd and Zn) in soil using Nerium oleander. Heliyon, 6(7), 4445-4452.
23. Jaikishun, S., Li, W., Yang, Z. & Song, S. (2019) Quinoa: In perspective of global challenges. Agronomy, 9(4): 176-190.
24. Kabiri, P., Motaghian, H. R. & Hosseinpur, A. R. (2018). Phytoremediation potential of maize (Zea mays) using biochars produced from walnut leaves in a contaminated soil. Journal of Water and Soil Conservation, 25(4), 133-152. (In Persian)
25. Kacalkova, L., Tlustos, P. & Szakova, J. (2014). Chromium, nickel, cadmium, and lead accumulation in maize, sunflower, willow, and poplar. Polish Journal of Environmental Studies, 23(3), 753-761.
26. Lasat, M. M. (2002). Phytoextraction of toxic metals: A review of biological mechanism. Journal of Environmental Quality, 31, 109-120.
27. Lindsay, W. L. & Norvell, W. A. (1978). Development of a DTPA test for zinc, iron, manganese and copper. Soil Science Society of America Journal, 42, 421-428.
28. Liu, S., Pu, S., Deng, D., Huang, H., Yan, C., Ma, H. & Razavi, B. S. (2020). Comparable effects of manure and its biochar on reducing soil Cr bioavailability and narrowing the rhizosphere extent of enzyme activities. Environment International, 134, 105277-105287.
29. Lux, A., Sottnikova, A., Opatrna, J. & Greger, M. (2004). Differences in structure of adventitious roots in Salix clones with contrasting characteristics of cadmium accumulation and sensitivity. Physiologia Plantarum, 120, 537-545.
30. Ma, L. Q., Komar, K. M., Tu, C., Zhang, W., Cai, Y. & Kenelly, E. D. (2001). A fern that hyperaccumulates arsenic. Nature, 409, 579-582.
31. Mustafa, H. M. & Hayder, G. (2021). Recent studies on applications of aquatic weed plants in phytoremediation of wastewater: A review article. Ain Shams Engineering Journal, 12(1), 355-365.
32. Paneque, M., De la Rosa, J. M., Franco-Navarro, J. D., Colmenero-Flores, J. M. & Knicher, H. (2016). Effect of biochar amendment on morphology, productivity and water relations of sunflower plants under non-irrigation conditions. Catena, 147, 280-287.
33. Qina, H., Yinliang, W. & Guosheng, S. (2021). Root aeration promotes cadmium accumulation in rice by regulating iron uptake-associated system. Rice Science, 28(5), 511-520.
34. Rajkovich, S., Enders, A., Hanley, K., Hyland, C., Zimmerman, A. R. & Lehmann, J. (2011). Corn growth and nitrogen nutrition after additions of biochars with varying properties to a temperate soil. Biology and Fertility of Soils, 48, 271-284.
35. Sayyadian, K., Moezzi, A., Gholami, A., Panahpour, E. & Mohsenifar, K. (2019). Effect of biochar on cadmium, nickel and lead uptake and translocation in maize irrigated with heavy metal contaminated water. Applied Ecology and Environmental Research, 17(1), 969-982.
36. Shanbleh, A. & Kharabsheh, A. (1996). Stabilization of Cd, Ni and Pb in soil using natural zeolite. Journal of Hazardous Material, 45(11), 207-217.
37. Shi, G., Lu, H., Liu, H., Lou, L., Zhang, P., Song, G., Zhou, H. & Ma, H. (2020). Sulfate application decreases translocation of arsenic and cadmium within wheat (Triticum aestivum) plant. Science of the Total Environment, 713, 136665-136675.
38. Smiri, M. (2011). Effect of cadmium on germination, growth, redox and oxidative properties in Pisum sativum Journal of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 3(3), 52-59.
39. Sudhagar, R. & Sassikumar, D. (2017). Cadmium induced morphological and phytotoxic effects on different plant parts of maize (Zea mays) seedlings: Evidence for alterations in nutrient dynamics and enzyme activities. Plant Archives, 17(2), 1669-1676.
40. Valizadeh Ghale Beig, A., Nemati, S. H., Emami, H. & Aroie, H. (2020). The effect of cutflower-rose waste biochar on morphological traits and heavy metals in lettuce (Lactuca sativa cv. Syaho). Journal of Science and Technology of Greenhouse Culture, 10(4), 21-35. (In Persian)
41. Woodies, T. C., Hunter, G. B. & Johnson, F. J. (1977). Statistical studies of matrix effects on the determination of cadmium and lead in fertilizer and material and plant tissue by flame atomic absorption spectrophotometry. Analytical Chemistry Acta, 90, 127-136.
42. Yang, , Yang, X., He, M. & Christakos G. (2020). Beyond mere pollution source identification: Determination of land covers emitting soil heavy metals by combining PCA/APCS, GeoDetector and GIS analysis. Catena, 185, 104297-104306.
43. Zaefarian, F., Akbarpour, V., Habibi, M. & Kaveh, M. (2020). Impact of biochar and biofertilizers on photosynthetic pigments, yield, and nutrient content of peppermint. Journal of Crops Improvement, 21(4), 407-422. (In Persian)
44. Zhang, W. H., Cai, Y., Tu, C. & Ma, Q. L. (2002). Arsenic speciation and distribution in an arsenic hyperaccumulating plant. Environmental Science, 300, 167-177.
45. Zibaei, Z., Ghasemi Fasaei, R. & Ostovar, P. (2019). Effects of crop residues, rice husk biochar, and urea application on growth, chemical composition, and nitrogen use efficiency of spinach in a calcareous soil. Iranian Journal of Soil Research (Formerly Soil and Water Sciences), 33(1), 75-87. (In Persian)