กรุณาใช้ตัวระบุนี้เพื่ออ้างอิงหรือเชื่อมต่อรายการนี้: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19549
ชื่อเรื่อง: The Use of Purple Non-Sulfur Bacteria as Biofertilizers for Reducing Heavy Metals in Rice Plant and Global Warming
ชื่อเรื่องอื่นๆ: การใช้แบคทีเรียสีม่วงกลุ่มที่ไม่สะสมซัลเฟอร์เป็นปุ๋ยชีวภาพเพื่อลดโลหะหนักในต้นข้าวและภาวะโลกร้อน
ผู้แต่ง/ผู้ร่วมงาน: Duangporn Kantachote
Jakkapan Sakpirom
Faculty of Science (Microbiology)
คณะวิทยาศาสตร์ ภาควิชาจุลชีววิทยา
คำสำคัญ: Photosynthetic bacteria
วันที่เผยแพร่: 2019
สำนักพิมพ์: Prince of Songkla University
บทคัดย่อ: Purple non-sulfur bacteria (PNSB) are attractive biofertilizers as they can reduce heavy metals in rice plant and greenhouse gases. A total of 235 PNSBs were isolated from various paddy fields contaminated and un-contaminated by cadmium (Cd) and/or zinc (Zn). Only Rhodopseudomonas palustris TN110 and Rubrivivax gelatinosus TN414 showed great potential as biofertilizers releasing NH4+ via N2 fixationand plant growth promoting substances including 5-aminolevulinic acid (ALA) and indole-3-acetic acid (IAA). In addition, both strains acted as bioremediation agents by reducing heavy metals (Cd and Zn) and greenhouse gases (CH4 and CO2). However, only R. palustris TN110 bioremediated Cd by biosynthesis of cadmium sulfide (CdS) nanoparticles and simultaneously fixed N2. This strain produced uniform CdS nanoparticles under its optimal microaerobic-light conditions (pH 7.5, 30 °C and 3,000 lux). The half maximal inhibitory concentration (IC so) of the produced CdS nanoparticles was 1.76 mM. The produced CdS nanoparticles at ICso up-regulated two genes associated with N2 fixation: Mo-Fe nitrogenase gene (nifH) and V-Fe nitrogenase gene (vnfG) at 2.83- and 2.27-fold changes, respectively. The results of gene expressions agreed with the amounts of NH4 released. Therefore, only R. palustris TN110 was further studied to obtain an optimal mixed carrier to support bacterial cells in solid formulation. Rubber wood ash (RWA), decanter cake (DCC), rice husk ash (RHA), and spent coffee grounds (SCG) were the carriers studied. With the use of D-optimal experimental design, a mixed carrier of RWA, DCC, RHA and SCG had an optimum ratio of 3: 4:2: 1. The optimal mixed carrier contained roughly 10 log CFU/g R. palustris TN110 and is packed in nylon-LLDPE bags using vacuum sealed at 500 W with a bacterial population decrease of only 3 log cycles after storage for 6 months at room temperature (25-3 °C). PNSB biofertilizer(s) (R. palustris TN110, Ru. gelatinosus TN414 and a mixed culture of both strains at 1: 1) were investigated for their phytotoxicity based on rice (Oryza sativa L.) seed germination index and found that all PNSB biofertilizers tested either in solid or liquid form showed no phytotoxicity at their optimal dilutions. All PNSB biofertilizer(s) at their optimal dilutions from liquid and solid forms containing 10 cells/mL for TN110 and 107 cells/mL for TN414 and a mixed culture produced remarkable increases in rice growth on the basis of shoot and root lengths compared with controls (tap water and a mixed carrier with no culture) for both Cd-contaminated and un-contaminated paddy soils. The application of R. palustris TN110 in solid form to Cd-contaminated paddy soil significantly improved rice growth based on the maximum shoot dry weight and root length. Additionally, all PNSB biofertilizer(s) in the solid form was better than the liquid form in cutting down Cd and Zn accumulation in rice shoots and roots in Cd-contaminated paddy soil. R. palustris TN110 was effective in Cd removal whereas Ru. gelatinosus TN414 performed better in decreasing Zn in rice shoot and root. Finally, greenhouse gas emission in rice straw biodegradation model in paddy soil slurry by PNSB biofertilizer(s) was investigated by focusing on light/dark cycles and PNSB biofertilizer(s) formulations. Proliferation between PNSB and methanogens populations under the different light/dark cycles: 0/24, 8/16, 12/12, 16/8 and 24/0 h were evaluated and found that light promoted PNSB growth to compete with methanogens for reducing greenhouse gas emissions. R. palustris TN110 was more effective in reducing CH4 and CO2 emissions compared with other biofertilizer(s). The carrier control dramatically increased total daily gas volume; all PNSB biofertilizer(s) from liquid form under all light/dark cycles throughout 10 day- incubation showed higher total daily gas volume reduction than a solid form. Strain TN110 in liquid form under natural light cycle (12/12 h) at day 10 was able to reduce 72.27% CH+ and 34.38% CO2 emissions. PNSB biofertilizer(s) in the solid form was a suitable form for promoting rice growth and reducing accumulated heavy metals (Cd and Zn) in contaminated soil; however, the liquid form was better for reducing greenhouse gas emissions. Overall discoveries in this research demonstrated that PNSB: R. palustris TN110 and Ru. gelatinosus TN414 are effective as biofertilizers and bioremediation agents for supporting rice cultivation in Cd-contaminated paddy soil. Moreover, the PNSB could alleviate greenhouse gas emissions by competing proliferation with methanogens that are responsible for greenhouse gas production. This thesis revealed that PNSB biofertilizer(s) has a great potential to be biofertilizers and also bioremediation agents for producing safe rice. Therefore, application of the PNSB to paddy fields with contamination with heavy metals or un-contamination would be an eco-friendly practice to produce safe rice along with improving soil quality and reducing global warming for sustainable agriculture.
Abstract(Thai): แบคทีเรียสีม่วงกลุ่มที่ไม่สะสมซัลเฟอร์ (Purple Non-Sulfur Bacteria; PNSB) ได้รับความสนใจในการนําไปใช้เป็นเป็นปุ๋ยชีวภาพ รวมถึงลดการสะสมของโลหะหนักในข้าวและลดการ ปล่อยก๊าซเรือนกระจก ได้คัดแยกแบคทีเรียกลุ่มนี้จํานวน 235 สายพันธุ์จากนาข้าวในพื้นที่ต่างๆ รวมถึงนาข้าวที่มีการปนเปื้อนด้วยแคดเมียมและสังกะสี จากการศึกษาพบว่าสายพันธุ์ Rhodopseudomonas palustris TN110 at Ruhrivivax gelatinosus TN414 u เป็นไปได้สูงที่จะนําไปใช้เป็นปุ๋ยชีวภาพ ด้วยการปลดปล่อยแอมโมเนียมไอออน (NH) ผ่านการ ตรึงก๊าซไนโตรเจนและผลิตสารที่ส่งเสริมการเจริญของพืช ได้แก่ กรด 5-อะมิโนวูลินิก (5- Aminolevulinic Acid, ALA) และกรดอินโดล-3-แอซีติก (Indole-3-Acetic Acid, IAA) นอกจากนี้ ทั้ง 2 สายพันธุ์ดังกล่าวยังสามารถเป็นตัวบําบัดโลหะหนัก (แคดเมียมและสังกะสี) และลดการ ปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก (ก๊าซมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์) แต่มีเพียงเฉพาะสายพันธุ์ TN110 ที่มีความสามารถในการบําบัดแคดเมียมโดยผ่านกระบวนการการสังเคราะห์ให้อยู่ในรูปอนุภาคนา โนแคดเมียมซัลไฟด์พร้อมกับตรึงก๊าซไนโตรเจนไปพร้อมกัน แบคทีเรียสายพันธุ์นี้สังเคราะห์อนุภาคนาโนดังกล่าวได้ลักษณะรูปร่างและขนาดเป็นไปในรูปแบบเดียวกันภายใต้สภาวะมี ออกซิเจนเล็กน้อย มีแสง ที่ค่าความเป็นกรดด่าง 7.5 อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส และความเข้มแสง 3,000 ลักซ์ อนุภาคนาโนที่ผลิตได้นี้ยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียสายพันธุ์ TN110 ได้ร้อยละ 50 ที่ค่าความเข้มข้นเท่ากับ 1.76 มิลลิโมลาร์ ค่าความเข้มข้นดังกล่าวสามารถส่งเสริมการทํางานของยีน ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการตรึงก๊าซไนโตรเจนของแบคทีเรียเอง โดยส่งเสริมการทํางานของยีนในโตรจีเนสชนิด โมลิบดีนัม-เหล็ก และวานาเดียม-เหล็ก ได้เพิ่มขึ้น 2.83 และ 2.27 เท่า ตามลําดับ ผล การแสดงออกที่เพิ่มขึ้นของยีนดังกล่าวมีความสัมพันธ์สอดคล้องกับปริมาณ NH, ที่ปลดปล่อย ออกมา ดังนั้นสายพันธุ์ TN110 จึงถูกเลือกเพื่อนําไปศึกษาสัดส่วนที่เหมาะสมของการผสมวัสดุพยุง ได้แก่ ขี้เถ้าเหลือใช้จากกระบวนการผลิตยางพาราแผ่น กากปาล์มน้ํามัน ขี้เถ้าจากแกลบข้าว และกากกาแฟ ที่สามารถช่วยในการเก็บรักษาเซลล์แบคทีเรียเพื่อผลิตปุ๋ยชีวภาพในรูปของแข็ง โดย ออกแบบชุดการทดลองด้วยโปรแกรมที่ใช้ตัวเลือกแบบ D-optimal ได้มาซึ่งปริมาณของขี้เถ้าเหลือ ใช้จากกระบวนการผลิตยางพาราแผ่น กากปาล์มน้ํามัน ขี้เถ้าจากแกลบข้าว และกากกาแฟ ในสัดส่วนที่เหมาะสมคือ 3: 4:2: 1 สัดส่วนดังกล่าวถูกนําไปผสมกับแบคทีเรียสายพันธุ์ TN110 ความ เข้มข้นประมาณ 1หมื่นล้านเซลล์ต่อกรัม บรรจุลงในถุงชนิดไนลอน-พอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ํา เชิงเส้น (Nylon-LLDPE) และปิดผนึกโดยใช้แรงดูดสูญญากาศที่กําลังไฟฟ้า 500 วัตต์ พบว่าปริมาณ แบคทีเรียลดลงร้อยละ 30 หลังจากเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้อง 2543 องศาเซลเซียส) เป็นเวลา 6 เดือน หลังจากนั้นศึกษาความเป็นพิษของปุ๋ยชีวภาพดังกล่าวต่อดัชนีการงอกของเมล็ดข้าว (Oryza sativu L.) ซึ่งปุ๋ยชีวภาพที่ทดสอบได้แก่แบคทีเรียสายพันธุ์ TN110 หรือ TN414 หรือ ผสมทั้ง 2 สายพันธุ์ ในอัตราส่วนเท่ากัน ทั้งในรูปแบบของเหลวและของแข็ง ผลการทดสอบพบว่าปุ๋ยชีวภาพทุกสูตร ไม่มีความเป็นพิษต่อดัชนีการงอกของเมล็ดข้าวที่ค่าการเจือจางที่เหมาะสมของแต่ละชุดการทดสอบปุ๋ยชีวภาพทั้งที่อยู่ในรูปของเหลวและของแข็งที่ผสมแบคทีเรียสายพันธุ์ TN110 ที่ความเข้มข้น 100 ล้านเซลล์ต่อมิลลิลิตร และแบคทีเรียสายพันธุ์ TN110 และแบคทีเรียผสมทั้ง 2 สายพันธุ์ ที่ความ เข้มข้น 10 ล้านเซลล์ เพิ่มการเจริญเติบโตอย่างชัดเจน โดยให้ความยาวของลําต้นและของรากข้าวเป็นดัชนีชี้วัดการเจริญของต้นข้าวเปรียบเทียบกับชุดควบคุมทั้งการทดสอบโดยใช้ดินนาข้าวจากพื้นที่ที่มีการปนเปื้อนของแคดเมียมและไม่มีการปนเปื้อน การใช้ปุ๋ยชีวภาพในรูปของแข็งที่ผสม ด้วยแบคทีเรียสายพันธุ์ TN110 ในดินนาข้าวจากพื้นที่ที่มีการปนเปื้อนของแคดเมียมให้ค่าน้ําหนัก แห้งของลําต้นและรากข้าวสูงสุด อีกทั้งปุ๋ยชีวภาพในรูปของแข็งสามารถลดการสะสมของแคดเมียมและสังกะสีในลําต้นและรากข้าวได้ดีกว่าปุ๋ยชีวภาพในรูปของเหลวในการทดสอบปลูกข้าวในดินนาข้าวจากพื้นที่ที่มีการปนเปื้อนของแคดเมียม สายพันธุ์ TN110 มีประสิทธิภาพในการ ลดการสะสมของแคดเมียม ในขณะที่สายพันธุ์ TN414 มีประสิทธิภาพในการลดการสะสมของ สังกะสีในต้นข้าวทั้งลําต้นและราก สุดท้ายได้มีการศึกษาผลของการใช้ปุ๋ยชีวภาพต่อการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกในรูปแบบจําลองการย่อยฟางข้าวในนาโดยผสมกับดินนาข้าวที่ให้ช่วงแสงต่อวัน แตกต่างกัน ได้แก่จํานวนชั่วโมงของการให้แสงต่อการไม่ให้แสงในรอบเวลา 1 วันที่ 0/24 8/16 12/12 16/8 และ 24/0 เพื่อศึกษาการแข่งขันการเจริญระหว่าง PNSB และจุลินทรีย์กลุ่มที่สร้างก๊าซ มีเทน (Methanogens) จากผลการทดลองนี้พบว่า สายพันธุ์ TN110 มีประสิทธิภาพดีที่สุด ในการลด การปลดปล่อยก๊าซมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อเปรียบเทียบกับการทดลองอื่นๆ และชุด ควบคุมที่เป็นตัวผยุงมีปริมาณของก๊าซสะสมในแต่ละวันสูงขึ้นอย่างชัดเจนที่เวลาทดสอบ 10 วัน ดังนั้นกล่าวได้ว่าปุ๋ยชีวภาพในรูปของเหลวมีการปลดปล่อยก๊าซสะสมแต่ละวันต่ํากว่าปุ๋ยชีวภาพในรูปของแข็งโดยปุ๋ยชีวภาพในรูปของเหลวสายพันธุ์ TN110 ที่ทดสอบภายใต้การให้แสงต่อการไม่ให้แสงในรอบเวลา 1 วันที่ 12/12 ชั่วโมง เปรียบเสมือนระบบแสงตามธรรมชาติลดการ ปลดปล่อยก๊าซมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์ได้ร้อยละ 72.27 และ 34.38 ตามลําดับ ปุ๋ยชีวภาพใน รูปของแข็งแสดงให้เห็นผลเด่นชัดในการส่งเสริมการเจริญและลดการสะสมของโลหะหนัก (แคดเมียมและสังกะสี) ของต้นข้าว ส่วนปุ๋ยชีวภาพในรูปของเหลวมีประสิทธิภาพโดดเด่นในการ ลดการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก จากผลการศึกษาทั้งหมดครั้งนี้แสดงว่า PNSB สายพันธุ์ TN110 และ TN414 มีประสิทธิภาพในการใช้เป็นปุ๋ยชีวภาพและเป็นตัวบําบัดทางชีวภาพเพื่อส่งเสริมการ ปลูกข้าวในพื้นที่นาข้าวที่ปนเปื้อนแคดเมียม นอกจากนี้ PNSB ยังมีความสามารถในการลดการ ปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก โดยการแข่งขันการเจริญกับ Methanogen: วิทยานิพนธ์นี้แสดงถึง ศักยภาพของ PNSB ในการใช้เป็นปุ๋ยชีวภาพเพื่อช่วยให้ได้ผลผลิตข้าวที่ปลอดภัย ดังนั้นการ ประยุกต์ใช้ PNSB ในนาข้าวทั้งที่ปนเปื้อนหรือไม่มีการปนเปื้อนของโลหะหนักจึงเป็นวิธีการที่เป็น มิตรกับสิ่งแวดล้อม ช่วยปรับปรุงคุณภาพดินและลดภาวะโลกร้อนเพื่อเป็นการทําเกษตรที่ยั่งยืน
รายละเอียด: Doctor of Philosophy (Microbiology), 2019
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19549
ปรากฏในกลุ่มข้อมูล:326 Thesis

แฟ้มในรายการข้อมูลนี้:
แฟ้ม รายละเอียด ขนาดรูปแบบ 
436076.pdf3.1 MBAdobe PDFดู/เปิด


รายการนี้ได้รับอนุญาตภายใต้ Creative Commons License Creative Commons