پایان نامه غنی سازی گاز Co2 و تأثیرات آن بر روی فرآیند های زیستی گیاه

مقدمه

امروزه بحث نیاز غذائی در رأس مباحث علمی و کشاورزی قرار گرفته و مقبولترین روش جهت مقابله با این بحران افزایش عملکرد گیاهان زراعی در واحد سطح است. این مهم تحقق نمی‌یابد مگر با شناخت عوامل محدودکننده افزایش عملکرد گیاهان زراعی.            

از جمله عوامل محدود کننده عملکرد در تعدادی از گیاهان غلظت Co2  در اتمسفر است.

تاریخچه شناخت گاز Co2 و استفاده از آن به عنوان یک ماده غذائی به اوایل قرن 17 برمی‌گردد و دانشمندی به نام هلمونت آزمایشی به این ترتیب انجام داد.که یک درخت بید به وزن 2/2 کیلوگرم را در داخل یک گلدان که حاوی 8/90 کیلوگرم خاک خشک شده درآون بودکاشت و با آب باران درمواقع لزوم گلدان را آب می داد. بعد از پنج سال وزن درخت بید به حدود7/76 کیلوگرم رسید. در صورتی که وزن خاک گلدان حدود3/90 گیلوگرم بود. مهمترین نتیجه این آزمایش این بود که ماده اولیه‌ای که سبب رشد گیاهان می‌گردد و اندامهای مختلف گیاهی در اثرآن رشد و نمو و تکامل می یابند Co2 موجود در اتمسفر می‌باشد. یک پدیده قابل توجه بیولوژیکی گیاهان در سطح کره زمین جذب حدود 15 میلیون تن گاز کربنیک در طول سال است.

اثرافزایشی گاز 2Co  برروی فرایندهای زیستی گیاه

ناگفته نماندکه مهمترین واساسی ترین نقش این افزایش متوجه فتوسنتز می شود.                

فرایندهای درگیر جهت جذب Co2 به شرح زیر بیان می‌شود.

قرار گرفتن گیاه در غلظت‌های بالاتر از میزان غلظت اتمسفر محیط ضمن تأثیر بر روی فرایندهای آنزیمی و متابولیکی ممکن است موجب تغییرات آناتومیکی از جمله توسعه ریشه و افزایش سطح برگ گردد.                                                                                                              

هیکلنتون و جولیف (1978) نتیجه گرفتند که اثرات مثبت غنی سازی هوا با Co2 از نظر افزایش عملکرد نه تنها از طریق افزایش فتوسنتز و رشد بلکه از تغییراتی که در ظرفیت ذاتی سیستمهای فتوسنتزی برای استفاده از Co2 ایجاد می‌گردد، نیز ناشی می‌شود.                                                

مهمترین مانع جذب مقاومت روزنه ای است که وقتی مقدار دی اکسیدکربن افزایش می‌یابد، کاهش می یابد. سطوح دی اکسیدکربن بالا جذب Co2 را توسط سلولهای گارد و توسط بافت تحریک و بدین ترتیب با انتقال یون برایATP رقابت می‌کند.ATP جریان + K و محتوای سلولهای گارد را کاهش می‌دهد که در نتیجه دی اکسیدکربن با سهولت بیشتری جذب می‌شود.

جذب Co2 تا دیواره سلولهای فتوسنتز کننده یک عمل فیزیکی است و تنها براساس شیب غلظت صورت می‌گیرد. حال غلظت دی‌اکسیدکربن در جو بالاتر باشد به ترتیب مقاومت‌های لایه مرزی * مقاومت روزنه ای و مقاومت فضاهای بین سلولی کاهش یافته و Co2 آسانتر وارد گیاه می‌شود (شکل 1)       

(شکل در فیل اصلی قابل مشاهده است)

در فاز مایع آنزیمی که ( روبیسکو) کاتالیز واکنش گازکربنیک با RUBP را باعث می‌شود میل ترکیبی نسبتاً کمی با گازکربنیک دارد. بنابر این سرعت فتوسنتز شدیداً به غلظت گاز کربنیک در سیتوزل سلول و استرومای کلوپلاست وابسته است.

استفاده از گاز2CO در گیاهان گلخانه ای

استفاده از گاز Co2 در گلخانه‌های مدرن بحث تعریف شده‌ای است که در کشورهای پیشرفته به شکل وسیعی صورت می گیرد. واکنش مثبت سبزیجات و گلهای پرورش یافته در محیط گلخانه نسبت به افزایش میزان گاز Co2 در محیط رشدشان طی آزمایشات متعددی به اثبات رسیده است. اثر Co2 روی کاهو عبارت است از تسریع در بلوغ ، افزایش قابل توجه محصول و افزایش دفعات برداشت. در گیاه گوجه فرنگی اندازه میوه تولید شده                     بزرگتر و تعداد آن بیشتر و زمان برداشت محصول جلو افتاده است. (جدول شماره 1) و (نمودار شماره 1).   

(نمودار در فایل اصلی قابل مشاهده است)

ازدیاد محصول بین 10 تا 70 درصد و به طور متوسط بین 15 تا 55 درصد بر آورد شده است.

در مورد بوته‌های خیار افزایش Co2 باعث افزایش گلدهی، و کوتاه شدن فاصله گل دادن و در مورد گیاهان زینتی چون میخک میمونی‌، شمعدانی‌، داودی و اطلسی نیز افزایش        تولید مشاهده شده است. با توجه به آزمایشات انجام شده غلظت تراکم گازکربنیک مصرفی در محیط گلخانه در حدود  ppm  1000 برآورد گردیده است. تقریباً تمام محققین این مقدار را به عنوان مبنائی برای ارزیابی اثرات گازکربنیک قرار داده اند.

بازده اقتصادی که در نتیجه افزایش Co2 از محیط گلخانه به دست آمده است چندین      برابر مقدار هزینه برآورد شده می‌باشد. اولین بار موضوع استفاده تجاری از افزایش گازکربنیک جهت محیط پرورشی گیاهان در1960 مطرح گردید.

گازکربنیک خالص به وسیله سیلندر یا یخ خشک و یا از تانکرهای فشار ضعیف مایع تأمین می‌گردد و با وجود این که این منبع نسبتاً گران قیمت هستند، بازده اقتصادی در مقایسه با مخارج اقدام شده قابل قبول می‌باشد. در اواسط دهه هفتاد یک دوره انتقالی سریع برای پیشرفت و بهبود طرحهایی در زمینه تولید Co2 انجام گرفت و واحدهای احتراقی با ظرفیت‌های مختلف از نفت‌، گاز پروپان و یا از گاز طبیعی ( متان ) استفاده می‌نمودند.

طرح معمولی که در حال حاضر مورد استفاده است، استفاده از دستگاههای سوختی است که در داخل یا خارج گلخانه کار گذاشته می‌شود. این دستگاه‌های سوختی ممکن است منبع هوای آزاد داشته باشند یا نه. استفاده از یک پنکه وصل شده به دستگاه و یا نزدیک به آن به انتقال گازکربنیک متصاعد شده از دستگاههای سوختی می‌نماید و این گاز کربنیک متصاعد شده توسط لوله های پلاستیکی خلل و فرج دارد در تمام گلخانه منتقل و پخش می‌گردد. در نواحی سردسیر این دستگاه‌های سوختی به عنوان یک منبع هوائی برای گرم کردن گلخانه‌ها به خوبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به هر حال فیزیولوژیستها و دانشمندان زیادی امروزه بر روی اهمیت Co2 درتولیدات زراعی تحقیق می‌کنند ویتروراب (1964) اظهار نمودند که: اثر تحریک کنندگی Co2 بر رشد گیاهان موضوع مهمی است که به دست فراموشی سپرده شده است. 

2CO و ارتباط آن با تولید محصولات زراعی

به طور کلی مقادیر بیشتر دی اکسیدکربن ماده بیشتری را برای کربوکسیده کردن فراهم کرده و از اثر رقابتی اکسیژن می‌کاهد و بنابراین باعث کاهش تنفس نوری و تحریک فتوسنتز می‌شود. بنابراین افزایش سطوح بالای Co2 در گیاهان 3C تأثیر بسیار بیشتری نسبت به گیاهان 4‍C دارد. بطوریکه گونه‌های 4‍C با دو برابر شدن سطح دی‌کسید کربن تنها 10%  افزایش در سرعت فتوسنتز خواهند داشت‌. حال آنکه در برخی گونه‌های 3C این افزایش تا 70% هم گزارش شده است.

پیشنهاداتی که در مورد وجود این تفاوتها در بین گیاهان می‌باشد مربوط به وجود عوامل محدود کننده‌ای است که در برخی گیاهان کمتر است. این عوامل محدودکننده عبارتند از: تنفس نوری ، خصائص آناتومیکی گیاه ، درجه مقاومت نسبت به نفوذ گازکربنیک به داخل روزنه‌ها در یک یا هر دو سوی برگ و اختلافات در میزان تنفس گیاهان در اثر اضافه کردن گازکربنیک به محیط رشد گیاهان زراعی نسبت رشد ریشه به قسمت‌های هوایی افزایش می یابد. اثر مثبتی که با اضافه نمودن گازکربنیک به محیط گیاهان دیده می‌شود به خصوص در رشد گیاهان بعد از نشاکاری ریشه سریعاً توسعه یافته و گیاه نسبت به خشکی مقاومت بیشتری نشان می‌دهد. ویت و وراب (1964) نشان دادند که اثرات ازدیاد گاز Co2 بر روی محصولاتی نظیر سیب‌زمینی، چغندر و گندم به همان اندازه چشمگیر و قابل توجه بود که در مورد گیاهان پرورشی در گلخانه دیده شده بود جدول شماره 2 واکنش گیاهان رانسبت به ازدیاد Co2 نشان می‌دهد.     

اثر عوامل محیطی در جذب 2CO به وسیله گیاه:

 در استفاده از گاز Co2 در سطوح بالا نباید از اثر عوامل محیطی در این جذب بی‌تفاوت گذشت به طور مثال علت کم بودن (کم اثربودن ) ازدیاد گاز Co2 در روی گیاهان 4C سهم بزرگ شدت نور در میزان فتوسنتز این گیاهان است بدین ترتیب می توان نتیجه گرفت که اضافه نمودن گازکربنیک به محیط رشد ذرت موقعی موثر است که نور در بیشترین مقدار خود برای فتوسنتز باشد.(نمودار شماره 2) دما نیز به طور غیر مستقیم در جذب Co2 نقش دارد. برگی که مقدار زیادی انرژی جذب کرده است گرم می شود برگ گرم هوای اطراف خود را نیز گرم می‌کند، این امر باعث صعود هوای گرم و جانشین شدن آن با هوای سرد و سنگین می‌شود. این پدیده جابجائی یاتلاطم نامیده می شود پدیده مزبور گازکربنیک را به وسیله جریان توده‌ای که به مراتب سریعتر از انتشار انجام می‌شود در اختیار برگ می‌گذارد.     

(نمودار در فایل اصلی قابل مشاهده است)                                                                              

نقش باد در جابجائی هوای اطراف برگ بویژه کاهش مقاومت لایه مرزی ، بسیار قابل توجه است . بسته به اندازه زاویه ، رنگ ، وجود یا عدم وجود کرک و ارتفاع برگ از سطح زمین، وزش بادهائی با سرعت 40-10 کیلومتر در ساعت می‌تواند مناسب باشد.                        

اعمال مدیریت‌های لازم جهت جذب بیشتر2CO بوسیله گیاه:

1- نقش خاک: منبعی مهم از Co2 برای اغلب جوامع گیاهی است، که از متابولیسم هوازی میکروارگانیسمها، تنفس حاصل از جانورانی که لانه‌هایشان در زیر خاک قرار دارد و تنفس ریشه‌های گیاه همراه با مقداری گازکربنیک که از واکنشهای شیمیائی آزاد می‌گردد، ناشی می‌شود( جدول شماره 3).    

(جدول در فایل اصلی قابل مشاهده است)      

تحت شرایط مطلوب از نظر درجه حرارت، مواد عالی به طور مستمر تجزیه شده و گازکربنیک تولید می شود. دی اکسیدکربنی که از این طریق تولید می‌گردد ممکن است به اتمسفر رفته و یا در آب خاک حل شده و تشکیل اسیدکربنیک بدهد. همچنین ریشه‌ها در خاک ارگانیسم‌های زنده‌ای هستند که در طی فرایند تنفس دی اکسیدکربن تولید می‌نمایند.                     

غلظت گاز دی‌اکسیدکربن در خاکهای جنگلها، علفزارها و اراضی زیر رودخانه‌ها ممکن است دو تا سه برابر غلظت Co2 در اتمسفر باشد.                                                                        

- کود دامی : غلظت گاز Co2 درخاک‌هایی که به آنهاکوددامی داده شده است، به علت تجزیه مواد آلی، بطور محسوس از غلظت Co2 خاک‌هایی که در آن‌، کود مصرف نشده بیشتر می‌باشد. چنانچه محتوای هوموس یک نوع خاک را3% درنظربگیریم ، یک هکتار از این نوع خاک درحدود 300 هزار کیلوگرم موادآلی خواهد داشت، که این مقدار معادل 300 هزارکیلوگرم Co2 است که در جریان اکسیداسیون تولید می‌شود. یک هکتار خاک در طی یکسال معمولاً حدود10 هزارکیلوگرم Co2 تولید می‌نماید. هرچه غلظت گازکربنیک در داخل کانوپی بالاتر باشد، مدت زیادتری در پوشش گیاهی باقی می‌‌ماند و لذا با طلوع خورشید به سرعت در فتوسنتز مصرف می شود. افزودن کودسبز، اضافه کردن موادی ازقبیل کاه، ساقه ذرت، تراشه‌های چوب یا خاک اره جهت تولیدگازکربنیک مناسب می‌باشد. البته اضافه کردن کود ازته همراه با این مواد ضروری می‌باشد.در برخی از زراعتها که نشأها نیاز به گرمای کافی دارند این کار با تجزیه کود که همچنین موجب آزاد شدن Co2 می شود نقش بسیار مهمی در افزایش عملکرد دارد