سنتز نانو کود بر پایه هیدروچار های حاصل از پسماند گیاهی و اثر آن بر گیاه گندم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه رازی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران.

2 پژوهشگر مرکز تحقیقات عوامل محیطی مؤثر بر سلامت، دانشگاه علوم پزشکی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران.

10.22126/cbb.2025.13071.1125

چکیده

مقدمه: تغییرات اقلیمی، گسترش آلاینده‌ها و کاهش بازدهی محصولات کشاورزی، همراه با استفاده بی‌رویه از کودهای شیمیایی، چالش‌های جدی برای محیط‌زیست و سلامت انسان ایجاد کرده‌اند. از این­رو، تولید کودهای کارآمد و کم‌خطر با اثرات زیست‌تخریب‌پذیری کمتر، به یک ضرورت تبدیل شده است. در این راستا، فناوری نانو با ارائه نانوکودها، پتانسیل بالایی برای افزایش رشد و عملکرد گیاهان دارد. هیدروچار، به­عنوان یک ماده کربنی غیرسمی و سازگار با محیط‌زیست، می‌تواند به­عنوان بستری مناسب برای رهاسازی کنترل‌شده عناصر غذایی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، استفاده از پسماندهای گیاهی مانند پوست میوه برای سنتز هیدروچار، رویکردی مبتنی بر اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار است. این پژوهش با هدف سنتز نانوکود بر پایه هیدروچار حاصل از پسماند گیاهی و اصلاح شده با نانوذرات اکسید روی (ZnO) و ارزیابی اثرات آن بر رشد و پاسخ‌های فیزیولوژیکی گیاه گندم انجام شد.
مواد و روش‌ها: هیدروچار اصلاح شده با نانوذره روی (نانو کود) با استفاده از پسماند پوست نارنگی و نانوذرات اکسید روی به روش هیدروترمال سنتز شد. ویژگی‌های نانوساختاری نانوکود با استفاده از تکنیک‌های FESEM، FTIR، XRD و UV-Vis مورد بررسی قرار گرفت. سپس اثرات سطوح مختلف نانوکود (۰، ۲۰ و ۴۰ میلی‌گرم در لیتر) بر گیاه گندم رقم پیشگام در شرایط کشت هیدروپونیک به مدت ۲۱ روز مورد مطالعه قرار گرفت. سنتز نانوذرات و بررسی اثر آن­ها بر پاسخ های اولیه گیاه گندم،  به‌صورت طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار در سال 1402 در آزمایشگاه فیزیولوژی گیاهی دانشگاه رازی کرمانشاه انجام گردید. پارامترهای رشدی (طول و وزن تر ریشه و بخش هوایی)، محتوای رنگیزه‌های فتوسنتزی (کلروفیل a، b، کل و کاروتنوئیدها)، محتوای پراکسید هیدروژن و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی (کاتالاز و پراکسیداز) اندازه‌گیری شدند.
یافته‌ها: نتایج آنالیزهای FESEM، FTIR، XRD و UV-Vis سنتز موفقیت‌آمیز نانوکود هیدروچار اصلاح‌شده با نانوذرات اکسید روی را تأیید می‌کنند. تصاویر FESEM توزیع یکنواخت نانوذرات کروی ZnO با اندازه تقریبی ۲۰ نانومتر بر روی بستر نانورشته‌ای هیدروچار را نشان داد. طیف‌های FTIR حضور گروه‌های عاملی مختلف مانند هیدروکسیل و کربوکسیل و همچنین پیوند Zn-O را تأیید کردند. الگوی XRD وجود فاز کریستالی نانوذرات ZnO و ساختار آمورف هیدروچار را نشان داد. غلظت ۴۰ میلی‌گرم بر لیتر نانوکود بیشترین تأثیر را بر رشد گیاه داشت، در حالی­که غلظت ۲۰ میلی‌گرم بر لیتر بیشترین افزایش را در رنگدانه‌های فتوسنتزی ایجاد کرد. این پاسخ دوگانه و وابسته به غلظت، نشان‌دهنده یک تنظیم فیزیولوژیک پویا است که در آن گیاه راهبرد خود را از بهینه‌سازی فتوسنتز در غلظت پایین، به سمت تسریع رشد و فعال‌سازی دفاع در غلظت بالاتر تغییر می‌دهد. کاربرد نانوکود روی، سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی گندم را به‌طور چشمگیری فعال ساخت. در غلظت ۴۰ میلی‌گرم بر لیتر، محتوای پراکسید هیدروژن در ریشه و در بخش هوایی به­طور معنی­داری افزایش یافت که به‌موازات آن، فعالیت آنزیم‌های کاتالاز و پراکسیداز نیز در هر دو اندام افزایش پیدا کرد. نانوکود روی با ایجاد یک تنش اکسیداتیو خفیف، سطح پراکسید هیدروژن را به­عنوان یک پیام‌رسان افزایش داد. گیاه در پاسخ، با افزایش همزمان و متناسب فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان، یک سازگاری هورمتیک ایجاد کرد که تعادل پویایی بین تحریک رشد و خنثی‌سازی تنش برقرار نمود.
نتیجه‌گیری: نانوکود روی با ایجاد تنش اکسیداتیو خفیف و افزایش سطح پیام‌رسان پراکسید هیدروژن، سیستم آنتی‌اکسیدانی گندم را فعال کرد. گیاه در پاسخ، با افزایش فعالیت آنزیم‌های کاتالاز و پراکسیداز، سازگاری هورمتیک ایجاد نمود که تعادل پویایی بین تحریک رشد و مدیریت تنش برقرار کرد. بر این اساس، نانوکود هیدروچار اصلاح‌شده با نانوذرات روی با بهبود شاخص‌های فیزیولوژیکی و آنتی‌اکسیدانی، راهکاری مؤثر و سازگار با محیط‌زیست برای افزایش  رشد گندم معرفی می‌شود. این پژوهش گامی عملی در راستای ارزش‌آفرینی پسماندهای کشاورزی و تحقق اقتصاد چرخشی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Synthesis of Nano-Fertilizer Based on Hydrochar Derived from Plant Waste and Its Effect on Wheat

نویسندگان [English]

  • Zahra Souri 1
  • Leilaleila Norouzi 2
1 Assistant Professor, Department of Biology, Faculty of Science, Razi University, Kermanshah, Iran.
2 Researcher, Research Center for Environmental Determinants of Health, Health Institute, University of Medical Sciences, Kermanshah, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Climate change, the spread of pollutants, and declining agricultural productivity, coupled with the excessive use of chemical fertilizers, pose serious challenges to the environment and human health. Therefore, the production of efficient, low-risk fertilizers with lower environmental impact has become a necessity. In this regard, nanotechnology, through the provision of nano-fertilizers, holds high potential for enhancing plant growth and yield. Hydrochar, as a non-toxic carbonaceous material compatible with the environment,  can serve as a suitable platform for the controlled release of nutrients. Furthermore, the use of plant waste, such as fruit peels, for hydrochar synthesis represents an approach based on the circular economy and sustainable development. This research aimed to synthesize a nano-fertilizer based on hydrochar derived from plant waste and modified with zinc oxide nanoparticles (ZnO), and to evaluate its effects on the growth and physiological responses of wheat plants.
Materials and methods: The ZnO-modified hydrochar nano-fertilizer was synthesized using tangerine peel waste and zinc oxide nanoparticles via the hydrothermal method. The nanostructural characteristics of the nano-fertilizer were investigated using FESEM, FTIR, XRD, and UV-Vis techniques. The synthesis of nanoparticles and investigation of their effect on the initial responses of wheat were conducted in a completely randomized design with three replications in 2023 at the Plant Physiology Laboratory of Razi University, Kermanshah. The effects of different concentrations of the nano-fertilizer (0, 20, and 40 mg L⁻¹) on wheat plants (Pishgam cultivar) were studied under hydroponic conditions for 21 days. Growth parameters (length and fresh weight of roots and shoots), photosynthetic pigment content (chlorophyll a, b, total chlorophyll, and carotenoids), hydrogen peroxide content, and the activity of antioxidant enzymes (catalase and peroxidase) were measured.
Results: FESEM, FTIR, XRD, and UV-Vis analyses confirmed the successful synthesis of a hydrochar-based nanofertilizer modified with ZnO nanoparticles. FESEM images showed the uniform distribution of spherical ZnO nanoparticles, approximately 20 nm in size, on the nanofibrous hydrochar substrate. FTIR spectra confirmed the presence of various functional groups, such as hydroxyl and carboxyl, as well as the Zn-O bond. The XRD pattern indicated the presence of the crystalline phase of ZnO nanoparticles and the amorphous structure of hydrochar. The 40 mg L⁻¹ Zn-based nanofertilizer concentration had the greatest effect on plant growth, while the 20 mg L⁻¹ treatment produced the greatest increase in photosynthetic pigments. This dual and concentration-dependent response indicates a dynamic physiological adjustment, where the plant shifts its strategy from optimizing photosynthesis at lower concentrations to accelerating growth and activating defense at higher concentrations. The application of the zinc-based nano-fertilizer significantly activated the antioxidant defense system of wheat. At 40 mg L⁻¹, hydrogen peroxide content increased in the roots and shoots, alongside a significant increase was found in the activity of catalase and peroxidase enzymes in both organs. The nano-fertilizer, by inducing mild oxidative stress, elevated hydrogen peroxide levels as a signaling molecule. In response, the plant, through a simultaneous and proportional increase in antioxidant enzyme activity, established a hormetic adaptation that created a dynamic balance between growth stimulation and stress neutralization.
Conclusion: The nano-fertilizer activated the wheat antioxidant system by inducing mild oxidative stress and increasing hydrogen peroxide signaling. In response, the plant established a hormetic adaptation by increasing the activity of catalase and peroxidase enzymes, creating a dynamic balance between growth stimulation and stress management. Accordingly, the hydrochar-based nano-fertilizer modified with ZnO nanoparticles, by improving physiological, and antioxidant indicators, can be introduced as an effective and environmentally friendly strategy for enhancing wheat growth. This research represents a practical step towards valorizing agricultural waste and realizing the principles of the circular economy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Waste
  • Nanostructure
  • Zinc
  • Hydroponic
  • Wheat
Abdelbasir, S. M., McCourt, K. M., Lee, C. M., & Vanegas, D. C. 2020. Waste-derived nanoparticles: synthesis approaches, environmental applications, and sustainability considerations. Frontiers in Chemistry, 8, 782. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00782
Adil, M., Bashir, S., Bashir, S., Aslam, Z., Ahmad, N., Younas, T., Asghar, R. M. A., Alkahtani, J., Dwiningsih, Y., &Elshikh, M. S. 2022. Zinc oxide nanoparticles improved chlorophyll contents, physical parameters, and wheat yield under salt stress. Frontiers in Plant Science, 13, 932861. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.932861
Aebi, H. 1984. Catalase in vitro. Methods in enzymology, 105, 121–126. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(84)05016-3
Arnon, D.I. (1949) Copper enzymes in isolated chloroplast polyphenol oxidase in Beta vulgaris. Plant Physiology 24: 1-15. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1
Banerjee, S., Islam, J., Mondal, S., Saha, A., Saha, B., & Sen, A. 2023. Proactive attenuation of arsenic-stress by nano-priming: Zinc Oxide Nanoparticles in Vigna mungo (L.) Hepper trigger antioxidant defense response and reduce root-shoot arsenic translocation. Journal of Hazardous Materials, 446, 130735. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130735
Chance, B., & Maehly, A. C. 1954. Assay of catalase and peroxidase. Methods of biochemical analysis 1: 357–424. https://doi.org/10.1002/9780470110171.ch14
Chugh, R., & Kaur, G. 2021. A mini review on green synthesis of nanoparticles by utilization of Musa-balbisiana waste peel extract. Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.11.189
Ding, C., Ye, C., Zhu, W., Zeng, G., Yao, X., Ouyang, Y., Rong, J., Tao, Y., Liu, X., & Deng, Y. 2023. Engineered hydrochar from waste reed straw for peroxymonosulfate activation to degrade quinclorac and improve solanaceae plants growth. Journal of Environmental Management, 347, 119090.  https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119090
Gao, F., Zhang, X., Zhang, J., Li, J., Niu, T., Tang, C., Wang, C. and Xie, J. 2022. Zinc oxide nanoparticles improve lettuce (Lactuca sativa L.) plant tolerance to cadmium by stimulating antioxidant defense, enhancing lignin content and reducing the metal accumulation and translocation. Frontiers in Plant Science, 13, 1015745. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1015745
Hassan, M. U., Aamer, M., Umer Chattha, M., Haiying, T., Shahzad, B., Barbanti, L., Nawaz, M., Rasheed, A., Afzal, A., Liu, Y., and Guoqin, H. 2020. The critical role of zinc in plants facing the drought stress. Agriculture, 10, 396. https://doi.org/10.3390/agriculture10090396
Hedayati, K. 2015. Fabrication and optical characterization of zinc oxide nanoparticles prepared via a simple sol-gel method. Journal of Nanostructures, 5, 395–401.  https://doi.org 10.7508/JNS.2015.04.010
Huang, J. J., Zhong, Z. F., Rong, M. Z., Zhuou, X., Chen, X. D. and Zhang, M. Q. 2014. An easy approach of preparing strongly luminescent carbon dots and their polymer based composites for enhancing solar cell efficiency. Carbon, 70, 190–198. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.12.092
Khan, A. A., Al-Hazmi, H. E., Śniatała, B., Muringayil Joseph, T., Majtacz, J., Abdulrahman, S. A. M., Albaseer, S. S., Kurniawan, T. A., Rahimi-Ahar, Z., Habibzadeh, S. and Mąkinia, J. 2023. Hydrochar-nanoparticle integration for arsenic removal from wastewater: Challenges, possible solutions, and future horizon. Environmental Research, 238, 117164. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.117164
Maduraimuthu, V., Ranishree, J. K., Gopalakrishnan, R. M., Ayyadurai, B., Raja, R. and Heese, K. 2023. Antioxidant activities of photoinduced phycogenic silver nanoparticles and their potential applications. Antioxidants, 12, 1298. https://doi.org/10.3390/antiox12061298
Mustafa, A., Athar, F., Khan, I., Chattha, M. U., Nawaz, M., Shah, A. N., Mahmood, A., Batool, M., Aslam, M. T., Jaremko, M., Abdelsalam, N. R., Ghareeb, R. Y. and Hassan, M. U. 2022. Improving crop productivity and nitrogen use efficiency using sulfur and zinc-coated urea: A review. Frontiers in Plant Science, 13, 942384. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.942384
Padhye, L. P., Bandala, E. R., Wijesiri, B., Goonetilleke, A. and Bolan, N. 2022. Hydrochar: A Promising Step Towards Achieving a Circular Economy and Sustainable Development Goals. Frontiers in Chemical Engineering, 4, 867228. https://doi.org/10.3389/fceng.2022.867228
Prasad, T. N., Sudhakar, P., Sreenivasulu, Y., Latha, P., Munaswamy, V., Reddy, K. R., Sreeprasad, T. S., Sajanlal, P. R. and Pradeep, T. 2012. Effect of nanoscale zinc oxide particles on the germination, growth and yield of peanut. Journal of Plant Nutrition, 35, 905–927. https://doi.org/10.1080/01904167.2012.663443
Rai, S., Singh, B. K., Bhartiya, P., Singh, A., Kumar, H., Dutta, P. K. and Mehrotra, G. K. 2017. Lignin derived reduced fluorescence carbon dots with theranostic approaches: nano-drug-carrier and bioimaging. Journal of Luminescence, 190, 492–503. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.06.008
Raliya, R., Nair, R., Chavalmane, S., Wang, W. N. and Biswas, P. 2015. Mechanistic evaluation of translocation and physiological impact of titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles on the tomato (Solanum lycopersicum L.) plant. Metallomics, 7, 1584–1594. https://doi.org/10.1039/C5MT00168D
Roopan, S. M., Mathew, R. S., Mahesh, S. S., Titus, D., Aggarwal, K., Bhatia, N., Damodharan, K. I., Elumalai, K. and Samuel, J. J. 2019. Environmental friendly synthesis of zinc oxide nanoparticles and estimation of its larvicidal activity against Aedes aegypti. International Journal of Environmental Science and Technology, 16, 8053–8060. https://doi.org/10.1007/s13762-018-2175-z
Rossi, L., Fedenia, L. N., Sharifan, H., Ma, X. and Lombardini, L. 2019. Effects of foliar application of zinc sulfate and zinc nanoparticles in coffee (Coffea arabica L.) plants. Plant Physiology and Biochemistry, 135, 160–166. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.12.005
Santhoshkumar, J., Kumar, S. V. and Rajeshkumar, S. 2017. Synthesis of zinc oxide nanoparticles using plant leaf extract against urinary tract infection pathogen. Resource-Efficient Technologies, 3, 459–465. https://doi.org/10.1016/j.reffit.2017.05.001
Shaikh, A. F., Tamboli, M. S., Patil, R. H., Bhan, A., Ambekar, J. D. and Kale, B. B. 2019. Bioinspired carbon quantum dots: an antibiofilm agents. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 19, 2339–2345. https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16537
Sharifan, H., Moore, J. and Ma, X. 2020. Zinc oxide (ZnO) nanoparticles elevated iron and copper contents and mitigated the bioavailability of lead and cadmium in different leafy greens. Ecotoxicology and Environmental Safety, 191, 110177. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110177
Souri, Z., Karimi, N., Norouzi, L. and Ma, X. 2021. Elucidating the physiological mechanisms underlying enhanced arsenic hyperaccumulation by glutathione modified superparamagnetic iron oxide nanoparticles in Isatis cappadocica. Ecotoxicology and Environmental Safety, 206, 111336. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111336
Suganya, A., Saravanan, A. and Manivannan, N. 2020. Role of zinc nutrition for increasing zinc availability, uptake, yield, and quality of maize (Zea mays L.) grains: an overview. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 51, 2001–2021. https://doi.org/10.1080/00103624.2020.1820030
Sun, R., Zheng, H., Yin, S., Zhang, X., You, X., Wu, H., Suo, F., Han, K., Cheng, Y., Zhang, C. and Li, Y. 2022. Comparative study of pyrochar and hydrochar on peanut seedling growth in a coastal salt-affected soil of Yellow River Delta, China. Science of the Total Environment, 833, 155183. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155183
Torabian, S., Farhangi-Abriz, S. and Alaee, T. 2021.Hydrochar mitigates salt toxicity and oxidative stress in maize plants. Archives of Agronomy and Soil Science, 67, 1104–1118. https://doi.org/10.1080/03650340.2020.1779227
Van Audenhove, J., Bernaerts, T., Putri, N. I., Van Loey, A. M. and Hendrickx, M. E. 2023. The functionalisation of fruit and vegetable cell wall material as texturizing agent: The role of pectin depletion and particle size reduction techniques. Food Hydrocolloids, 142, 108814. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2023.108814
Velikova, V., Yordanov, I. and Edreva, A. 2000. Oxidative stress and some antioxidant systems in acid rain-treated bean plants: Protective role of exogenous polyamines. Plant Science, 151, 59–66. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(99)00197-1
Wu, Y., Wang, X., Zhang, L., Zheng, Y., Liu, X. and Zhang, Y. 2023. The critical role of biochar to mitigate the adverse impacts of drought and salinity stress in plants. Frontiers in Plant Science, 14, 1163451. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1163451
Zafar, H., Ali, A., Ali, J. S., Haq, I. U. and Zia, M. 2016. Effect of ZnO nanoparticles on Brassica nigra seedlings and stem explants growth dynamics and antioxidative response. Frontiers in Plant Science, 7, 535. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00535.