Comparative study of ZnO nanoparticles foliar spray and biochar on spring barley growth in pahs contaminated soil

Abstract

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are reluctant pollutants that impose a great risk on all life forms, their hydrophobic and thermostable structure makes them more persistent and resistant to degradation. They are widely distributed in the environment owing to unprecedented anthropogenic activities. Biochar and nanoparticles foliar spray amendment have been increasingly encouraged as sustainable and novel techniques. The objective of this study was to evaluate the impact of sunflower husk biochar (0.5%, 1%, and 5%), whether separate or combined with zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) foliar spray (<50 nm, 150 mg L-1 solution) on spring barley (Hordeum staivum L.) growth, physiological and biochemical characteristics under artificial PAHs contamination (2.5 MPC and 5 MPC) in Haplic Chernozem and long-term chemical contamination of Spolic Technosol. The results showed that 0.5% biochar application, separate or combined with ZnO-NPs, reduced total PAHs and BaP concentration in soil and plant, and improved the biochemical and physiological characteristics of barley. While 5% biochar with ZnO-NPs under chemical contamination reduced PAHs content in soil up to 50% and enhanced barley growth under chemical contamination. Additionally, the combined treatment of biochar (1%) with ZnO-NPs improved stem and root growth in both artificially and chemically polluted soils. Finally, the maximum yield (Fv/Fm) and effective yield Y (II) of PSII showed sensitivity to PAHs concentration and ZnO-NPs. Broadly these results gave an evaluation of the biochar with ZnO-NPs foliar spray treatment efficiency. More investigation on the mechanism of combined treatment on PAHs is required to confidently suggest this course of amendment for toxicity mitigation of PAHs on plants.

Polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH'lar), tüm yaşam formları üzerinde büyük risk oluşturan kirleticiler olup hidrofobik ve termostabil yapıları bunları daha kalıcı ve bozulmaya karşı dirençli hale getirmektedir. Benzeri görülmemiş antropojenik faaliyetler nedeniyle çevrede yaygın olarak dağılım göstermektedirler. Biyokömür uygulamaları ve nanopartiküllerin yapraklara sprey şeklinde uygulanması sürdürülebilir ve yeni teknikler olarak giderek daha fazla teşvik edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, uzun süreli kimyasal bulaşmaya uğramış Spolic Technosol ve yapay olarak PAH ile (2.5 MPC and 5 MPC) bulaşmış toprakta yetiştirilen yazlık arpa (Hordeum staivum L.) gelişimi, fizyolojik ve biyokimyasal karakteristikleri üzerine ayçiçeği kabuğu biyokömürünün (% 0.5,% 1 ve% 5), çinko oksit nanopartiküllerin (ZnO-NP'ler) yapraktan sprey şeklinde (<50 nm, 150 mg L-1 çözeltisi) uygulanması ile bunların kombine edilmiş uygulamalarının etkisinin belirlenmesidir. Elde edilen sonuçlar, ZnO-nanopartiküller ile ayrı ayrı ve % 0.5 biyokömür ile beraber uygulamasının, toprak ve bitkideki toplam PAH'ları ve BaP konsantrasyonunu azalttığını ve arpanın biyokimyasal ve fizyolojik özelliklerini geliştirdiğini göstermiştir. Kimyasal bulaşma altında ZnO-nanopartiküller ile %5 biyokömür, topraktaki PAH içeriğini %50'ye kadar azalttığı ve kimyasal kontaminasyon altında arpa büyümesini arttırdığı belirlenmiştir. Bunlara ilaveten, biyokömürün (% 1) ZnO-nanopartiküllerle beraberce uygulanması, hem yapay hem de kimyasal olarak kirlenmiş topraklarda yetişen bitkinin kök ve kök büyümesini iyileştirdiği saptanmıştır. Sonuçta, PSII'nin maksimum verimi (Fv / Fm) ve etkili verimi Y (II), PAH konsantrasyonuna ve ZnO-nanppartiküllere duyarlılık gösterdiği belirlenmiştir. ZnO-nanopartiküllerin yapraktan spreyi şeklinde uygulanmasının etkinliği üzerine biyokömürün etkili olduğu belirlenmiş ve PAH'lar üzerindeki kombine tedavi mekanizması hakkında daha fazla araştırma yapılması gerektiği önerilmektedir.