نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه صنعتی اصفهان
2 هیات علمی دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
جلبکها کاربردهای متنوع دارند و می توان از آنها بیوچار تولید نمود. در این مطالعه عملکرد تولید آزمایشگاهی بیوچار دو گونه جلبک ماکروسکوپی Enteromorpha compressa و Ulva lactuca جمعآوری شده از خلیجفارس بررسی گردید. تولید بیوچارها در دماهای مختلف، محیط بدون اکسیژن و بررسی خصوصیات بیوچارهای تولیدی با روش استاندارد آنالیز خاک آمریکا انجام گرفت. نتایج نشان داد که دما تأثیر معنیداری (05/0≥p) بر وزن، pH، EC، محتوای کربن آلی، نیتروژن، کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سدیم بیوچار جلبکها دارد. بیوچار E. compressa و U. lactuca به ترتیب دارای تغییرات محتوای کربن آلی از1/9 % تا 22/18 % و 14/12 % تا 25/21 %، pH 04/8 تا 71/11 و 17/8 تا 09/12، محتوای خاکستر 54/13% تا 57/28 % و 65/22 % تا 57/43 %، نیتروژن 1/2 % تا 3/3 % و 7/2 % تا 1/4 % ، پتاسیم 7323 تا 8831 و 4675 تا 7933، سدیم 26485 تا 33531 و 7977 تا 13445 کلسیم 20تا 16 و 20تا 32 و منیزیم 172 تا 48 و 440 تا 12 میلی اکیوالان بر لیتر بودند. بنابراین بیوچار جلبکهای ماکروسکوپی دارای مواد مغذی است که میتواند به منظور بهبود کیفیت خاک میتواند مستقیم به خاک اضافه شود و سبب بهرهوری بیشتر محصول گردد علاوه بر این بیوچار جلبکهای E. compressa و U. lactuca را میتوان در اصلاح خاکهای اسیدی و بهعنوان جاذب در تصفیه پساب ها استفاده کرد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Potential Use of Macroalgal Biochar of Enteromorpha compressa and Ulva lactuca for Improvement of Water and Soil
چکیده [English]
Algae have various applications and may use to biochar production. In this study, laboratory biochar production of two macroalgae of Enteromorpha compressa and Ulva lactuca collected from Persian Gulf were investigated. Biochar production was performed at different temperature without oxygen. The characters of obtained biochar were determined by standard methods. Results showed that the temperature had significant effect (P<0.05) on weight, pH, organic carbon content, N, Ca, Mg, Na and K of macroalgal biochars. The biochar of E. compressa and U. lactuca had, respectively, 13.54 -28.57 % and 22.65-43.75 % ash weight; 8.04-11.71 and 8.17-12.09 pH; 9.1-18.22 % and 12.14-21.25 % organic carbon; 2.1-3.3 % and 2.7-4.1 % N; 16-20 and 20-32 meq/l Ca; 48-172 and 12-440 meq/l Mg; 26485-33531 and 7977-13445 meq/l Na; 7323-8831 and 4675-7933 meq/l K. The macroalgae biochar have different nutrients that could be used for improvement of soil and increasing of yield of production. In addition, biochar of of E. compressa and U. lactuca may use for improvement of acidic soils and also as biosorbent for treatment of wastewaters.
کلیدواژهها [English]
پتانسیل استفاده از بیوچار جلبکهای ماکروسکوپی Enteromorpha compressaو
Ulva lactucaدر بهبود کیفیت آبوخاک
حسین مولایی و امیدوار فرهادیان*
اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده منابع طبیعی، گروه شیلات
تاریخ دریافت: 1/12/95 تاریخ پذیرش: 16/11/96
چکیده
جلبکها کاربردهای متنوع دارند و میتوان از آنها بیوچار تولید نمود. در این مطالعه عملکرد تولید آزمایشگاهی بیوچار دو گونه جلبک ماکروسکوپی Enteromorpha compressa و Ulva lactuca جمعآوری شده از خلیجفارس بررسی گردید. تولید بیوچارها در دماهای مختلف، محیط بدون اکسیژن و بررسی خصوصیات بیوچارهای تولیدی با روش استاندارد آنالیز خاک آمریکا انجام گرفت. نتایج نشان داد که دما تأثیر معنیداری (05/0≥P) بر وزن، pH، EC، محتوای کربن آلی، نیتروژن، کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سدیم بیوچار جلبکها دارد. بیوچار E. compressa و U. lactuca به ترتیب دارای تغییرات محتوای کربن آلی از1/9 تا 22/18 درصد و 14/12 تا 25/21 درصد، pH 04/8 تا 71/11 و 17/8 تا 09/12، محتوای خاکستر 54/13 تا 57/28 و 65/22 تا 57/43 درصد، نیتروژن 1/2 تا 3/3 و 7/2 تا 1/4 درصد، پتاسیم 7323 تا 8831 و 4675 تا 7933 میلی اکیوالان بر لیتر، سدیم 26485 تا 33531 و 7977 تا 13445 میلی اکیوالان بر لیتر، کلسیم 20تا 16 و 20تا 32 میلی اکیوالان بر لیتر و منیزیم 172 تا 48 و 440 تا 12 میلی اکیوالان بر لیتر بودند. بنابراین بیوچار جلبکهای ماکروسکوپی دارای مواد مغذی است که میتواند بهمنظور بهبود کیفیت خاک بطور مستقیم به خاک اضافه شود و سبب بهرهوری بیشتر محصول گردد. علاوه براین بیوچار جلبکهای E. compressa و U. lactucaرا میتوان در اصلاح خاکهای اسیدی استفاده کرد.
واژههای کلیدی: بیوچار، جلبکهای ماکروسکوپی، Enteromorpha compressa، Ulva lactuca
* نویسنده مسئول، تلفن: 03132918066 ، پست الکترونیکی: omfarhad@cc.iut.ac.ir
مقدمه
جلبکها موجودات فتوسنتز کنندهای هستند که ازنظر اکولوژیک و اقتصادی کاربردهای متنوعی دارند. رشد سریع (18) و قابلیت ذخیره مواد غذایی مثل فسفر و نیتروژن (21) و جذب فلزات سنگین این موجودات را برای تصفیه محیطهای آبی بسیار مناسب میسازد (16). ازجمله کاربردهای جلبکها میتوان به تولید انرژی، زیتوده غذایی برای حیوانات و انسان، تولیدات دارویی، تولید سوخت زیستی، تصفیه آب و تولید بیوچار اشاره کرد (6، 11و 29).
جلبکها تنوع قابلتوجهی در ساختار و شیمی دیواره سلولی خود دارند. دیواره سلولی جلبکها حاوی گروههای عاملی مختلفی مثل هیدروکسیل، فسفوریل، آمین، کربوکسیل و سولفیدریل هستند و ترکیبات آلاینده میتوانند از طریق این گروهها به سطح سلول اتصال یابند(25). جلبکهای سبز به دلیل رشد سریع در محیطهای غنی از مواد معدنی و مقاومت در برابر تنشهای محیطی زیتوده زیادی تولید میکنند (23) که برای کاربردهای متنوع ازجمله تولید بیوچار مناسب هستند. جلبکهای دریایی گروه بزرگی را تشکیل میدهد که ازجمله رایجترین این جلبکها میتوان به Cladophora، Chaetomorpha، Ulva، Hypnea و Enteromorpha اشاره کرد (2و 17).
جلبکهای E. compressa و U. lactuca از جلبکهای شاخه Chlorophyta و خانواده Ulvaceae هستند که در سواحل جنوب ایران یافت میشوند (7 و 28) این جلبکها به دلیل عدم نیاز به خاک زراعی و مواد غذایی زیاد ازنظر اقتصادی برای تولید بیوچار مقرون بهصرفه هستند (2 و 17).
بیوچار از طریق سوزاندن زیتوده در شرایط بدون اکسیژن یا اکسیژن خیلی کم به دست میآید (19). اضافه کردن بیوچار به خاک موجب افزایش نگه داشت آب و مواد غذایی، کم کردن نیاز به کود و افزایش دسترسپذیری مواد غذایی برای رشد زیتوده میشود. بیوچار دارای سطحی با خلل و فرج زیاد و سطح ویژه بالا است که برای پالایش و جذب آلایندهها از محیطهای آبی کارایی بالایی دارد (1، 3 و 15).
بیوچار تولید شده از جلبکها دارای نیتروژن و مواد غیر آلی قابل استخراجی مثل فسفر، پتاسیم، کلسیم و منیزیم بالا است (6 و 27). بیرد و همکاران (2011) اطلاعات پایهای فیزیکوشیمیایی و پتانسیل استفاده از 8 گونه جلبک دریایی را ارائه دادند. آنها گزارش دادند که بیوچارهای تولید شده محتوای کربن و مقدار ظرفیت تبادل کاتیونی کمی داشته اما pH، خاکستر، نیتروژن و مواد غیرآلی مثل پتاسیم، فسفر، کلسیم و منیزیم بالایی دارند (5). Bird و همکاران (2012) تأثیر و کاربردهای جلبکهای دریایی را بهعنوان کود در خاک برای تولید زیتوده گیاهی مورد بررسی قراردادند و بیان کردند که بیوچار جلبکی تأثیر معناداری بر میزان زیتوده گیاهی دارد (6).
هدف از این مطالعه تولید، مشخصه یابی و معرفی بیوچار جلبکهای E. compressa و U. lactuca برای اهداف مدیریت زیستمحیطی مثل تصفیه آب و فاضلاب و بهبود خاکهای فقیر و اسیدی است باتوجه به کمبود و نبود اطلاعات تحقیقی در خصوص این دو گونه جلبک ماکروسکوپی بهعنوان بیوچار آنها میتوانند منبع مناسب و بهصرفه برای انواع کاربردها باشند.
مواد و روشها
تهیه زیتوده جلبکی: دو گونه جلبکی E. compressa و U. lactuca برای تولید بیوچار انتخاب شد. جلبکها از خلیجفارس، جزیره قشم، بهطرف درگهان، از منطقه بین کشندی، از موقعیتهای جغرافیایی″32 ′º57 26 شمالی و ″27 ′02 56º شرقی و ″26 ′57 º 26 شمالی و ″43 ′01 º 56 شرقی در بهمنماه سال 1392 جمعآوری و به آزمایشگاه منتقل گردید. گونههای جلبکی با استفاده از کلید شناسایی کویت شناسایی شد. پس از شناسایی گونهها با آب مقطر شسته شد و بهمنظور خشککردن به مدت یک هفته در محیط آزمایشگاه بهصورت هوا خشک نگهداری گردید. نمونههای خشکشده در آون الکتریکی در دمای 70 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت قرارگرفت. سپس نمونهها آسیاب گردیده و از الک 200 میکرون عبور داده شد تا اندازه دانهها همگن شود (13).
شرایط اولیه پیرولیز: آزمایشهای پیرولیز در دمای 300، 450 و 600 درجه سانتیگراد با روند افزایش دمای 20 درجه سانتیگراد در دقیقه بازمان انکوبات 60 دقیقه، با مقدار اولیه 15 گرم نمونه با استفاده از ظروف استیل در کوره پیرولیز تحت گاز نیتروژن مایع با شدت جریان 1 لیتر در دقیقه انجام گردید (8). پودر هر نمونه جلبکی درون ظرفهای استیل دربسته ریخته شد و در کوره پیرولیز قرارگرفت و دستگاه در دمای 300، 450 و 600 درجه سانتیگراد در هر نوبت تنظیم شد و در هر مرحله پس از رسیدن دمای دستگاه به دمای موردنظر پس از 60 دقیقه دستگاه را خاموش کرده و پس از پایین آمدن دما بیوچارهای تولیدشده از دستگاه خارج و وزن آنها اندازهگیری گردید. برای اطمینان از شرایط تولید و دقت دستگاه آزمایش تولید بیوچار با سه تکرار در هر دما انجام شد.
مشخصه یابی بیوچار: برای به دست آوردن خصوصیات فیزیکوشیمیایی بیوچارهای تولید شده طیف وسیعی از آزمایشها با استفاده روش استاندارد آنالیز خاک آمریکا روی بیوچارهای تولیدشده انجام گرفت (10). pH و ظرفیت تبادل کاتیونی نمونهها با تهیه عصاره بیوچارهای جلبکی با نسبت 1گرم از بیوچار در 10 میلیلیتر آب به دست آمد. کربن آلی، کلسیم و منیزیم با روش تیتراسیون، نیتروژن با روش کلدال، سدیم و پتاسیم با نورسنجی شعله اندازهگیری شد (14).
آنالیز و تجزیه تحلیل آماری: آنالیزهای آماری با استفاده از Minitab 16 انجام شد. برای مقایسه اختلاف بین گروهها از آنالیز واریانس یکطرفه با آزمون مقایسه میانگین توکی در سطح 95 درصد استفاده شد.
نتایج و بحث
مشخصات فیزیکو شیمیایی بیوچار جلبکهای
E. compressa و U. lactuca در جدول 1 ارائه شده است. وزن نمونههای جلبکی پس از انجام پیرولیز کاهش یافت. شکل 1 تغییرات وزن و میزان خاکستر بیوچارهای تولید شده را با افزایش دما نشان میدهد. دما تأثیر معنیداری در سطح 95 درصد بر وزن بیوچارهای تولیدی داشت. هر دو گونه جلبکی دارای کارایی خوبی ازنظر وزن بیوچارهای تولیدی جهت مدیریت زیستمحیطی بودند. در دماهای پایین تولید بیوچار تراکم ترکیبات آلیفاتیک و میزان تولید H2، متان و منواکسید کربن کاهش پیدا میکند که ازنظر زیستمحیطی قابلتوجه است و در دماهای بالا به دلیل آبزدایی شدن و تخریب ترکیبات لیگنو سلولزی وزن بیوچار کاهش مییابد (22). بیوچار تولیدی جلبک
E. compressaنسبت به U. lactucaکارایی بهتر و افت وزنی کمتری را نشان داد.
جدول 1- مشخصات فیزیکوشیمیایی بیوچار جلبکهای E. compressa و U. lactucaدر دماهای مختلف مورد آزمایش.
Ulvalactuca |
Enteromorpha compressa |
واحد |
گونه |
||||||
600 |
450 |
300 |
600 |
450 |
300 |
ºC |
دمای پیرولیز |
||
15 |
15 |
15 |
15 |
15 |
15 |
g |
وزن اولیه |
||
5/6 |
99/7 |
42/9 |
3/9 |
25/10 |
68/11 |
g |
وزن ثانویه |
||
56 |
46 |
37 |
38 |
31 |
22 |
درصد |
کاهش وزن |
||
57/43 |
92/32 |
65/22 |
57/28 |
78/23 |
54/13 |
درصد |
محتوای خاکستر |
||
09/12 |
09/10 |
17/8 |
71/11 |
34/9 |
04/8 |
- |
pH |
||
6/24 |
2/23 |
22 |
4/36 |
2/35 |
7/31 |
mS.cm-1 |
EC |
||
25/21 |
19/16 |
14/12 |
22/18 |
14/12 |
1/9 |
درصد |
کربن آلی |
||
1/4 |
4/3 |
7/2 |
3/3 |
6/2 |
1/2 |
درصد |
نیتروژن |
||
18/5 |
76/4 |
49/4 |
52/5 |
67/4 |
33/4 |
- |
نسبت N:C |
||
32 |
24 |
20 |
12 |
16 |
20 |
me/L |
Ca |
||
12 |
456 |
440 |
48 |
104 |
172 |
me/L |
Mg |
||
44 |
480 |
460 |
60 |
120 |
192 |
me/L |
Ca Mg + |
||
7933 |
7853 |
4675 |
8831 |
7334 |
7323 |
me/L |
K |
||
13863 |
28445 |
7977 |
33531 |
9135 |
26485 |
me/L |
Na |
||
شکل 1- میانگین (±خطای استاندارد) درصد کاهش وزن و خاکستر بیوچارهای جلبک E. compressaو U. lactuca در دماهای مختلف. میانگینهای دارای حداقل یک حرف آماری مشابه در سطح 95 درصد اختلاف معنیداری باهم ندارند.
شکل2 تأثیر دمای پیرولیز را بر pH و EC (نسبت 1:10 بیوچار به آب) در سطح 95 درصد نشان میدهد. با افزایش دما میزان pH بهطور معنیداری افزایشیافته است. افزایش pH با افزایش دما را میتوان به افزایش میزان خاکستر و افزایش قلیائیت نسبت داد. دراین مطالعه pH بیوچارهای جلبکی نسبتاً بالا بود که قابلیت استفاده از این بیوچارها را بهعنوان مکمل خوب برای خاکهای اسیدی نشان میدهد (28). مقدار EC نیز با افزایش دما افزایش پیدا کرد و این مقدار برای بیوچار جلبک E. compressaبالاتر از
U. lactucaبود. هنگامی که ترکیبی با EC بالا به خاک اعمال میشود، ممکن است شوری خاک را افزایش دهد و اثرات نامطلوبی بر گیاهان بگذارد که میتواند به لحاظ پتانسیل اسمزی پایین محلول خاک درنتیجه استرس آبی، اثرات یون خاص درنتیجه تنش شوری و همچنین عدم تعادل مواد مغذی باشد (12).
شکل 2- میانگین (±خطای استاندارد) تغییرات pH (الف) و میزان EC (ب) بیوچارهای جلبک E. compressaو U. lactuca در دماهای مختلف. میانگینهای دارای حداقل یک حرف آماری مشابه در سطح 95 درصد اختلاف معنیداری باهم ندارند
بیوچارهای تولید شده دارای محتوای کربن پایینی بود و با افزایش دمای پیرولیز از 300 تا 600 محتوای کربن و نیتروژن و نسبت کربن به نیتروژن (C:N) افزایش معنیداری را نشان داد(05/0≥P) (شکل 3) .نتایج مشابهی در مطالعات صورت گرفته توسط رینود و لونگ–وان (2006) به دست آمد (24). اینیک خاصیت طبیعی برای مواد در اثر تجزیه حرارتی است که گروههای عملکردی مثل –OH و C را در پیوند با O براثر تخریب از دست میدهند و با افزایش درجه حرارت این موضوع تشدید میشود و باعث پایین آمدن محتوای کربن آلی و نیتروژن میشود (26).
بیوچارهای تولیدی دارای محتوای Ca، Mg، K و Na بالایی بودند. با افزایش دمای پیرولیز کلسیم و منیزیم در جلبک E. compressa کاهش داشت در حالیکه در جلبک U. lactuca مقدار کلسیم روند افزایشی و مقدار منیزیم روند کاهشی داشت. مقدار پتاسیم و سدیم در هر دو گونه جلبکی روند افزایشی را نشان داد (شکل 4). تغییرات کلسیم و منیزیم را میتوان به مقدار سختی آب محل رشد گونههای جلبکی نسبت داد که با افزایش مقدار سختی آب میزان ذخیره عناصر منیزیم و کلسیم نیز در بافتهای جلبک افزایش پیدا میکند. کاهش مقدار عناصر با افزایش دما را میتوان به فراریت مقداری از این عناصر با افزایش دما نسبت داد که برای هرگونه جلبکی با توجه به بافت خاص آن گونه مقدار این تغییرات با افزایش دمای پیرولیز متفاوت بود (4). مقادیر بالای عناصر ریزمغذی در بیوچارهای جلبکی آنها را بهعنوان یک مکمل بهبود دهنده خاک ازنظر افزایش عناصر ریزمغذی خاک تبدیل نموده است (9).
شکل 3- میانگین (±خطای استاندارد) تغییرات محتوای کربن آلی (الف)، نیتروژن (ب) و نسبت کربن به نیتروژن (پ) بیوچارهای جلبک E. compressaو U. lactuca در دماهای مختلف. میانگینهای دارای حداقل یک حرف آماری مشابه در سطح 95 درصد اختلاف معنیداری باهم ندارند.
تغییرات رنگ عصاره (1:10 بیوچار به آب مقطر ) بیوچارهای جلبکی در شکل 5 نشان دادهشده است. رنگ عصاره (1:10 بیوچار به آب مقطر) بیوچار جلبک
E. compressa با افزایش دما از 300 به 450 درجه سانتیگراداز قهوهای به بیرنگ و سپس با افزایش بیشتر دما تا 600 درجه سانتیگراد به رنگ سبز روشن تغییر پیدا کرد. جلبک U. lactucaاز قهوهای به بیرنگ تغییرات داشت. که علت این تغییر رنگ تجزیه بیشتر ترکیبات آلی و تغییر مقادیر انواع عناصر و خاکستر است. این بیرنگی برای بیوچارهای تولید شده در دماهای بالا آنها را برای استفاده در تصفیه آب بهعنوان جاذب انواع ترکیبات آلی و غیر آلی مناسب میسازد زیرا یکی از عوامل مؤثر در کارایی جاذب عدم رنگ دهی آن در فرایند تصفیه است (1 و 3).
شکل4- میانگین (±خطای استاندارد) تغییرات مقدار عناصر منیزیم (الف)، کلسیم (ب)، سدیم (پ) و پتاسیم (ت) بیوچارهای جلبک E. compressaو U. lactuca در دماهای مختلف. میانگینهای دارای حداقل یک حرف آماری مشابه در سطح 95 درصد اختلاف معنیداری باهم ندارند.
الف ب
شکل 5- تغییرات رنگ عصاره بیوچارهای جلبک E. compressa(الف) و U. lactuca (ب) با افزایش دما.
نتیجهگیری
این مطالعه نشان داد که بیوچار مشتق شده از جلبکهای E. compressa و U. lactuca دارای خواصی است که برای بهبود خاک و ترسیب کربن در درازمدت مناسب است. بیوچار جلبک، بهدستآمده از فاضلاب تصفیهشده آبزیپروری، کشاورزی، آبراهههای طبیعی پر غذا شده یا منابع آبشور میتواند یک درآمد قابلتوجه از طریق تولید انرژی، ترسیب کربن خاک، بهبود دهنده خاک و تولید کود فراهم نماید. مطالعات بیشتری در مورد تأثیر بیوچار جلبک بر خواص خاک و استفاده بهعنوان جاذب برای تصفیه انواع ترکیبات توصیه میگردد.
تشکر و قدردانی
نویسندگان از تحصیلات تکمیلی و معاونت پژوهشی دانشگاه صنعتی اصفهان به دلیل فراهم آوردن امکانات انجام این تحقیق کمال تشکر و قدردانی را دارند.