تبدیل پسماند پوسته میگو به کود آهسته‌رهش بیوچار-نانوکیتوزان برای افزایش بهره‌وری ذرت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده ریاضیات و علوم طبیعی، دانشگاه دولتی گورونتالو، اندونزی.

2 دانشکده شیلات و علوم دریایی، دانشگاه دولتی گورونتالو، اندونزی

3 دانشکده ریاضیات و علوم طبیعی، دانشگاه حسن‌الدین، اندونزی

چکیده

هدف: این مطالعه با هدف توسعه و ارزیابی یک کود آهسته‌رهش مبتنی بر بیوچار-نانوکیتوزان مشتق‌شده از پسماندهای کشاورزی و شیلاتی و تعیین دوز بهینه مصرف آن برای بهبود رشد رویشی و عملکرد ذرت کشت‌شده در خاک‌های تخریب‌شده مناطق گرمسیری انجام شد. به‌طور خاص، اثر مقادیر مختلف این کود بر ارتفاع بوته، تعداد برگ، قطر ساقه و وزن بلال ذرت در مقایسه با کود متداول Phonska بررسی گردید.
مواد و روش‌ها: این پژوهش از ژوئن تا سپتامبر ۲۰۲۵ در آزمایشگاه شیمی دانشکده ریاضیات و علوم طبیعی دانشگاه دولتی گورونتالو انجام شد. نانوکیتوزان از کیتوزان استخراج‌شده از پوسته میگو با استفاده از روش ژلاسیون یونی و سدیم تری‌پلی‌فسفات به‌عنوان عامل پیونددهنده سنتز شد و سپس به روش خشک‌کردن پاششی تهیه گردید. بیوچار از پسماند بلال ذرت از طریق پیرولیز در دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و در شرایط اکسیژن محدود تولید شد. فرمولاسیون کود با دانه‌بندی کود Phonska و بیوچار در نسبت ۳ به ۷ و با استفاده از ملاس به‌عنوان چسب تهیه شد و سپس با محلول ۱٪ نانوکیتوزان پوشش‌دهی سطحی گردید تا گرانول‌های SRF-Bio Phonska Plus تشکیل شود. رفتار آزادسازی عناصر نیتروژن، فسفر و پتاسیم با آزمون غوطه‌وری ایستا در آب ارزیابی شد. آزمایش مزرعه‌ای بر اساس طرح کاملاً تصادفی با چهار تیمار و سه تکرار اجرا گردید و داده‌ها با آزمون آنالیز واریانس و سپس آزمون چنددامنه‌ای دانکن در سطح معنی‌داری 05/0 تحلیل شدند.
نتایج: نتایج مشخصه‌یابی نشان داد نانوکیتوزان سنتزشده دارای اندازه متوسط ذرات حدود ۵۵۲ نانومتر با مورفولوژی متخلخل و تقریباً کروی است که برای کپسوله‌سازی عناصر غذایی مناسب می‌باشد. بیوچار دارای رطوبت و خاکستر پایین بود که نشان‌دهنده پایداری ساختاری و ظرفیت جذب مطلوب آن است. کود SRF-Bio Phonska Plus آزادسازی عناصر N، P و K را به‌صورت آهسته‌تر و کنترل‌شده‌تر نسبت به کود متداول نشان داد. در کاربرد روی ذرت، تیمار 5/7 گرم از SRF-Bio Phonska Plus بیشترین ارتفاع بوته، تعداد برگ، قطر ساقه و وزن بلال را تولید کرد و نسبت به دوزهای کمتر و بیشتر و همچنین کود متداول عملکرد بهتری داشت.
نتیجه‌گیری: ادغام بیوچار حاصل از بلال ذرت و نانوکیتوزان مشتق از پسماند پوسته میگو در فرمولاسیون SRF-Bio Phonska Plus به‌طور مؤثری کارایی مصرف عناصر غذایی و بهره‌وری ذرت را در خاک‌های تخریب‌شده افزایش داد. دوز بهینه 5/7 گرم موجب همزمانی آزادسازی عناصر غذایی با نیاز گیاه شده و رشد رویشی و زایشی را بهبود بخشید. این فرمولاسیون پتانسیل بالایی به‌عنوان راهبردی پایدار و سازگار با محیط‌زیست برای کشاورزی مناطق گرمسیری دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Transformation of shrimp shell waste into biochar-nanochitosan slow-release fertilizer for enchanced maize productivity

نویسندگان [English]

  • Astin Lukum 1
  • Arfiani Rizki Paramata 2
  • Wiwin Rewini Kunusa 3
  • Magdalena Litaay 3
1 Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Gorontalo State University, Indonesia
2 Faculty of Fisheries and Marine Science, Gorontalo State University, Indonesia
3 Faculty of Fisheries and Marine Science: Gorontalo State University, Indonesia.
چکیده [English]

Objective
This study aimed to develop and evaluate a biochar-nanochitosan-based slow-release fertilizer (SRF-Bio Pjhonska Plus) derived from agricultural and fisheries waste, and to determine its optimal application dose for improving vegetative growth and yield of maize cultivated on degraded tropical soils. Specifically, the research investigated the effects of diffrerent SRF-Bio Phonska Plus dosages on plant height, leaf number, stem diameter, and maize ear weight, compare to conventional Phonska fertilizer.
Materials and methods
The researh was conducted from June to September 2025 at the Chemistry Laboratory, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Gorontalo State University. Nanochitosan was synthesized from shrimp shell chitosan using the ionic gelation method with sodium tripolyphosphate as a crossliker, followed by spray drying. Biochar was produced from corn cob waste through pyrolysis at 500 °C under limited oxygen conditions. The ferilizer formulation was prepared by granulating Phonska fertilizer and biochar at 3:7 ratio using molasses as a binder, followed by surface encapsulation with a 1% nanochitosan solution to form SRF-Bio Phonska Plus granules. Nutrient release bahvior (N, P, and K) was evaluated using a static water immersion test. A completely randomized design with four treatments and three replications was applied to maize cultivation experiments, and data were analyzed using ANOVA followed by Duncan’s Multiple Range Test (DMRT) at α = 0.05.
Result
Characterization result showed that the synthesized nanochitosan had a average particle size of approximately 552 nm with porous and near-spherical morphology, suitable for nutrient encapsulation. Biochar exhibition low moisture and ash content, indicating good structural stability and adsorption capacty. The SRF-Bio Phonska Plus demonstrate significantly slower and more controlled N, P, and K release compared to conventional fertilizer. In maize application, the 7.5 g SRF-Bio Phonska Plus treatment produced the highest plant height, leaf number, stem diameter, and cob weight, outperforming both lower and heigher dosages as well as conventional fertilizer.
Conclusion
The integration of corn cob biochar and nanohitosan derived from shrimp shell waste into SRF-Bio Phonska Plus effectively enhanced nutrient use efficiency and maize productivity on degraded soils. The optimal dosage of 7.5 g provided synchronized nutrient release aligned with plant demand, supporting both vegetative generative growth. This formulation demonstrates strong potential as an environmentally friendly and sustainable fertilizer strategy for tropical agricultural systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • biochar
  • corn
  • nanochitosan
  • plant growth
  • SRF-Bio Phonska Plus
Abdul-Aziz, A.-L., Abukari, I. A., Galadima, M. M., Haruna, A., Abubakari, M., & Abdulai, R. (2025). Biochar effects on soil properties and yield of maize in Northern region, Ghana. Discover Agriculture, 3(1), Article 271. https://doi.org/10.1007/s44279-025-00271-y
Afshar, M., & Mofatteh, S. (2024). Biochar for a sustainable future: Environmentally friendly production and diverse applications. Results in Engineering, 23, Article 102433. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102433
Ali, S. W., Joshi, M., & Rajendran, S. (2011). Synthesis and characterization of chitosan nanoparticles with enhanced antimicrobial activity. International Journal of Nanoscience, 10(4-5). https://doi.org/10.1142/S0219581X1100868X
Biernat, M., Woźniak, A., Chraniuk, M., Panasiuk, M., Tymowicz-Grzyb, P., Pagacz, J., Antosik, A., Ciołek, L., Gromadzka, B., & Jaegermann, Z. (2023). Effect of selected crosslinking and stabilization methods on the properties of porous chitosan composites dedicated for medical applications. Polymers, 15(11), Article 2507. https://doi.org/10.3390/polym15112507
Blebea, N. M., Pușcașu, C., Vlad, R. A., & Hancu, G. (2025). Chitosan-based gel development: Extraction, gelation mechanisms, and biomedical applications. Gels, 11(4), Article 275. https://doi.org/10.3390/gels11040275
Boero, A., Mercier, A., Mounaïm-Rousselle, C., Valera-Medina, A., & Ramirez, A. D. (2023). Environmental assessment of road transport fueled by ammonia from a life cycle perspective. Journal of Cleaner Production, 390, Article 136150. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136150
Chen, Y., Xu, M., Yang, L., Jing, H., Mao, W., Liu, J., Zou, Y., Wu, Y., Zhou, H., Yang, W., & Wu, P. (2023). A critical review of biochar application for the remediation of greenhouse gas emissions and nutrient loss in rice paddies: Characteristics, mechanisms, and future recommendations. Agronomy, 13(3), Article 893. https://doi.org/10.3390/agronomy13030893
Choudhary, R. C., Kumaraswamy, R. V., Kumari, S., Pal, A., Raliya, R., Biswas, P., & Saharan, V. (2017). Synthesis, characterization, and application of chitosan nanomaterials loaded with zinc and copper for plant growth and protection. In Nanotechnology: An agricultural paradigm (pp. 167-184). Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-10-4573-8_10
Faloye, O. T., Alatise, M. O., Ajayi, A. E., & Ewulo, B. S. (2019). Effects of biochar and inorganic fertiliser applications on growth, yield and water use efficiency of maize under deficit irrigation. Agricultural Water Management, 217, 181-193. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2019.02.044
Gaurav, S., Diptanu, B., Mehta, C. M., Prasann, K., Nishihara, E., Inubushi, K., Sudo, S., Hayashida, S., Patra, P. K., Minkina, T., & Rajput, V. D. (2025). Effects of biochar amendment at various soil depths on maize roots and growth indices. Scientific Reports, 15(1), Article 9218. https://doi.org/10.1038/s41598-025-09218-1
Gumelar, M. D., Hamzah, M., Hidayat, A. S., Saputra, D. A., & Idvan. (2020). Utilization of chitosan as coating material in making NPK slow release fertilizer. Macromolecular Symposia, 391(1), Article 1900188. https://doi.org/10.1002/masy.201900188
Hoang, N. H., Thanh, T. Le, Sangpueak, R., Treekoon, J., Saengchan, C., Thepbandit, W., Papathoti, N. K., Kamkaew, A., & Buensanteai, N. (2022). Chitosan nanoparticles-based ionic gelation method: A promising candidate for plant disease management. Polymers, 14(4), Article 662. https://doi.org/10.3390/polym14040662
Hu, J., Yang, Y., Zhang, H., Li, Y., Zhang, S., He, X., Huang, Y., Ye, Y., Zhao, Y., & Yan, J. (2023). Reduction in nitrogen rate and improvement of nitrogen use efficiency without loss of peanut yield by regional mean optimal rate of chemical fertilizer based on a multi-site field experiment in the North China Plain. Plants, 12(6), Article 1326. https://doi.org/10.3390/plants12061326
Khudhair, D., Amani Hamedani, H., Gaburro, J., Shafei, S., Nahavandi, S., Garmestani, H., & Bhatti, A. (2017). Enhancement of electro-chemical properties of TiO₂ nanotubes for biological interfacing. Materials Science and Engineering: C, 77, 111-120. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.03.112
Kubavat, D., Trivedi, K., Vaghela, P., Prasad, K., Vijay Anand, G. K., Trivedi, H., Patidar, R., Chaudhari, J., Andhariya, B., & Ghosh, A. (2020). Characterization of a chitosan-based sustained release nanofertilizer formulation used as a soil conditioner while simultaneously improving biomass production of Zea mays L. Land Degradation & Development, 31(17), 2734-2746. https://doi.org/10.1002/ldr.3629
Masulili, A., Suryani, R., & Kurniadi, E. (2025). The use of biochar and fertilizer to maximize the growth and yield of ginger on degraded alluvial soil. Journal of Degraded and Mining Lands Management, 12(3), 7523-7532. https://doi.org/10.15243/jdmlm.2025.123.7523
Nurdin, I. (2022). Pemetaan lahan kritis menggunakan sistem informasi geografis di Kecamatan Sumalata Provinsi Gorontalo [Mapping of critical land using geographic information system in Sumalata District, Gorontalo Province]. Geodika: Jurnal Kajian Ilmu Dan Pendidikan Geografi, 6(2), 232-243. https://doi.org/10.29408/geodika.v6i2.6531
Oladeji, O., Tian, G., Cooke, R., Cox, A., Zhang, H., & Podczerwinski, E. (2022). Capture of surface water runoff for irrigation of corn in western Illinois: Implications for nutrient loss reduction. Journal of Soil and Water Conservation, 77(3), 289-298. https://doi.org/10.2489/jswc.2022.00060
Park, J. C., Sp, N., Kim, H. D., Kang, D. Y., Kim, I. H., Bae, S. W., Yang, Y., & Jang, K. J. (2021). The exogenous application of non-toxic sulfur contributes to the growth-promoting effects of leaf lettuce (Lactuca sativa L. var. crispa). Agriculture, 11(8), Article 769. https://doi.org/10.3390/agriculture11080769
Preza-Fontes, G., Greer, K. D., & Pittelkow, C. M. (2024). Does biochar improve nitrogen use efficiency in maize? GCB Bioenergy, 16(1), Article e13122. https://doi.org/10.1111/gcbb.13122
Quintarelli, V., Ben Hassine, M., Radicetti, E., Stazi, S. R., Bratti, A., Allevato, E., Mancinelli, R., Jamal, A., Ahsan, M., Mirzaei, M., & Borgatti, D. (2024). Advances in nanotechnology for sustainable agriculture: A review of climate change mitigation. Sustainability, 16(21), Article 9280. https://doi.org/10.3390/su16219280
Rahman, K. M. A., & Zhang, D. (2018). Effects of fertilizer broadcasting on the excessive use of inorganic fertilizers and environmental sustainability. Sustainability, 10(3), Article 759. https://doi.org/10.3390/su10030759
Sharma, S., Mukherjee, S., Bolan, S., de Figueiredo, C. C., Fachini, J., Chang, S. X., Palansooriya, K. N., Zhou, P., Hou, D., Kaya, C., Siddique, K. H. M., & Bolan, N. (2025). Biochar as a potential nutrient carrier for agricultural applications. Current Pollution Reports, 11(1), 1-18. https://doi.org/10.1007/s40726-025-00349-7
Singh, M., Goswami, S. P., Ranjitha, G., Sachan, P., Sahu, D. K., Beese, S., & Pandey, S. K. (2024). Nanotech for fertilizers and nutrients-improving nutrient use efficiency with nano-enabled fertilizers. Journal of Experimental Agriculture International, 46(5), 220-247. https://doi.org/10.9734/jeai/2024/v46i52372
Vejan, P., Khadiran, T., Abdullah, R., & Ahmad, N. (2021). Controlled release fertilizer: A review on developments, applications and potential in agriculture. Journal of Controlled Release, 339, 321-334. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2021.10.003
Wang, C., Lv, J., Xie, J., Yu, J., Li, J., Zhang, J., Tang, C., Niu, T., & Patience, B. E. (2021). Effect of slow-release fertilizer on soil fertility and growth and quality of wintering Chinese chives (Allium tuberm Rottler ex Spreng.) in greenhouses. Scientific Reports, 11(1), Article 87593. https://doi.org/10.1038/s41598-021-87593-1
Wang, L., Olsen, M. N. P., Moni, C., Dieguez-Alonso, A., de la Rosa, J. M., Stenrød, M., Liu, X., & Mao, L. (2022). Comparison of properties of biochar produced from different types of lignocellulosic biomass by slow pyrolysis at 600 °C. Applications in Energy and Combustion Science, 12, Article 100090. https://doi.org/10.1016/j.jaecs.2022.100090
Wang, N., Wang, J., Liu, P., Yin, R., Han, Q., Yu, W., Tuo, Y., & Wang, S. (2025). Optimizing biochar-based slow-release fertilizers (BSRFs): Comprehensive impacts of binder types, pyrolysis temperatures, and nutrient formulations on mechanical strength and nutrient release dynamics. Industrial Crops and Products, 232, Article 121277. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.121277
Wang, X., Wang, X., Sheng, H., Wang, X., Zhao, H., & Feng, K. (2022). Excessive nitrogen fertilizer application causes rapid degradation of greenhouse soil in China. Polish Journal of Environmental Studies, 31(2), 1527-1534. https://doi.org/10.15244/pjoes/143293
Zaman, W., Ayaz, A., & Park, S. J. (2025). Nanomaterials in agriculture: A pathway to enhanced plant growth and abiotic stress resistance. Plants, 14(5), Article 716. https://doi.org/10.3390/plants14050716