Sanjeevak as a source of nutrients and phytohormones for production and propagation of plants

Orendo-Smith, Richard (Stellenbosch : Stellenbosch University, 2012-03)

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The use of cowdung as an organic fertilizer in Asian and African agriculture is an ancient practice. This explains its renewed interest, partly due to the financial inability of most farmers to purchase agrochemicals but also the ever increasing need to adopt greener technologies that do not adversely affect soil health, water quality, biodiversity and promote sustained or even increased food production. In this context, many innovative farmers have developed their own novel technologies based on the use of local resources. One such innovation is Sanjeevak (a mix of cow dung, cow urine, water and a handful of sugar); which showed very promising boosting effect on crop productivity. However, very little scientific work has so far been conducted to evaluate its effect as an organic product for soil amendments. The present study was subdivided into three main objectives. (i) To assess the fertilizing value, human health and ecological risk profiles of Sanjeevak; (ii) To screen Sanjeevak for phytohormones content using Salkowski colorimetric method and liquid chromatography – mass spectrometry (LC-MS) (iii) To evaluate Sanjeevak application at various rates on growth parameters and yield of various crops cultivated in glasshouse and field conditions. Sanjeevak was assessed for its micro and macro nutrients contents. The analysis showed the presence of micronutrients such as Mg, Na, Ca and Zn at variable concentrations and phosphorus (P) (0.007%) and potassium (K) (0.063%). However, Sanjeevak content in total nitrogen (TN) (0.11%), and total organic carbon (TOC) (0.71%) was very low; suggesting that it may be a viable source of nutrients only if applied at higher and consistent rates or alternatively by improving its formulation. Also, Sanjeevak was analysed for its microbiological characteristics and level of heavy metals content in comparison to the strictest legislations that regulate the use and application of wastewater sludge to agricultural land in South Africa. The findings showed that heavy metals, which averaged from 0.03±0.01 for Arsenic (As) to 4.74±0.92 mg/kg for Zinc (Zn) and feacal coliform was estimated at 1.2×102 CFU/g dry matter measured were considerably below the threshold (for Arsenic between 40 to 75 mg/kg dry weight; for Zinc between 2800 to 7500 mg/kg dry weight) and faecal coliform bacteria between 1000 to 1×107 CFU/g dry weight for application as a source of soil amendments. Studies investigating the detection and concentration of phytohormones in Sanjeevak were carried out. In using the Salkowski colorimetric method to detect and quantify auxins from Sanjeevak and its composites (cow urine and dung), the results showed the presence of indole-3-acetic acid (IAA) at variable concentrations ranging from 20.38±2.1 ppm in cow urine, 20.1±6.6 ppm in cow dung, Sanjeevak 17.90±1.1 ppm to up to 138.31±12.6 ppm when LTRP was added to Sanjeevak bacterial cultures and by varying parameters such as incubaton time and temperature. Screening of the above mentioned samples for IAA using LC-MS analysis validated earlier findings. Further analysis of these results strongly emphasized the influence of bacteria in Sanjeevak in producing IAA. Trials were carried out both in the glasshouse and the field. In the greenhouse, different Sanjeevak application rates consistently confirmed its root promoting effect on crops such as tomato, cucumber and grapevine and increased wheat yield independent of the nutrients it contains. Marginal increases were recorded between treatments under field conditions; for example compost and compost + Sanjeevak 20.35 and 20.61 t/ha; and 2.46 and 2.60 t/ha compared to the control 11.67 t/ha and 1.29 t/ha respectively for tomato and maize. However, statistical analysis of the results obtained, revealed that there was no difference between treatments (control, compost, Sanjeevak and compost + Sanjeevak) for the same crop tested due to the high coefficient of variation of the data. Therefore, the use of Sanjeevak as an organic source of soil amendments may be considered as a cheaper alternative to effective microorganisms (EM) technology made up of local and natural resources. As observed in the study, it may be best used in combination with a reliable source of plant nutrients.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van beesmis as 'n organiese kunsmis in Asië en Afrika is' n eeu-oue landbou praktyk. Dit verklaar die hernude belangstelling, deels vanweë die finansiële onvermoë van meeste boere om landbouchemikalieë aan te koop, maar ook as gevolg van die toenemende behoefte vir groener tegnologie wat nie nadelig is vir grond gesondheid, waterkwaliteit, biodiversiteit en wat volhoubaarheid of selfs verhoogde voedselproduksie bevorder. In hierdie konteks het baie vindingryke boere hul eie nuwe tegnologie, gebaseer op die gebruik van plaaslik verkrygde hulpbronne, ontwikkel. `n Voorbeeld hiervan is Sanjeevak ('n mengsel van beesmis, beesurine, water en die handvol melasse), wat belowende bevorderende effekte op gewas produktiwiteit en grond mikroflora getoon het. Tot dusver was daar egter baie min wetenskaplike werk gedoen om die effek daarvan as 'n organiese produkte vir grond wysigings te evalueer. Hierdie studie was verdeel in vier belangrike doelwitte. (i) Om die bemestingswaarde, menslike gesondheid en ekologiese risiko-profiele van Sanjeevak te evalueer; (ii) Om Sanjeevak vir fitohormone inhoud en vlakke met behulp van 'n kolorimetriese metode afgelei van dié van Salkowski en vloeistofchromatografie – massaspektrometrie (LC-MS) te besigtig; (iii) Glashuis en veld waarneming reaksies met betrekking tot groei parameters en opbrengs van verskeie gewasse na die toediening van Sanjeevak by verskillende tempos; (iv) Laastens, om die effek van die Sanjeevak voorbehandeling op saad ontkieming en voortplanting te toets in vergelyking met die metodes en tegnieke wat gereeld gebruik word. Sanjeevak is geassesseer vir die mikro-en makro voedingstowwe inhoud. Die analise het die teenwoordigheid van mikrovoedingstowwe soos Mg, Na, Ca en Zn by wisselende konsentrasies, asook fosfor (P) (0.007%) en kalium (K) (0.063%), getoon. Sanjeevak inhoud van totale stikstof (TN) (0.11%), en die totale organiese koolstof (TOC) (0.71%) was egter baie laag, wat daarop dui dat dit slegs 'n lewensvatbare bron van voedingstowwe is indien dit by hoër en konsekwente tempos toegedien word of alternatiewelik wanneer formulering daarvan verbeter word. Sanjeevak was ook ontleed vir die mikrobiologiese eienskappe en die vlakke van swaar metale in vergelyking met die streng wetgewing wat die gebruik en toediening van afvalwater slyk op landbougrond in Suid-Afrika reguleer. Die bevindinge het getoon dat swaar metale en fekalieë kolivorm vlakke hier gemeet, aan die drumpel vereistes voldoen vir die toediening as ‘n grondverbeteringsmiddel. Studies wat die opsporing en die konsentrasie van fitohormone in Sanjeevak ondersoek is uitgevoer. In die gebruik van die Salkowski kolorimetrise metode om die ouksiene op te spoor en te kwantifiseer uit Sanjeevak en sy mengsel (beesurine en mis), het die resultate die teenwoordigheid van indol-3-asynsuur (IAA) by wisselende konsentrasies wat wissel van 20 tot 140 ppm in beesurine, beesmis en Sanjeevak getoon. Evaluering van die bogenoemde monsters vir IAA met behulp van LC-MSanalise bevestig vroeër bevindings. Verdere ontleding van hierdie resultate beklemtoon sterk die invloed van Sanjeevak mikrobiota in fitohormone produksie. Proewe is uitgevoer in die glashuis en die veld. In die glashuis eksperimente, is het die verskeie toedieningstempo van Sanjeevak herhalend die wortelbevorderende effekte bevestig op gewasse soos tamaties, komkommer en wingerdstok en dit het opbrengs van koring verhoog, onafhanklik van die voedingstowwe wat dit bevat. Statistiese analise van die resultate verkry onder veldtoestande, het getoon dat daar geen verskil tussen die behandelings (kontrole, kompos, Sanjeevak en kompos + Sanjeevak) was nie, gegee dat dieselfde gewas getoets was. Ten slotte, laboratorium-eksperimente op Sanjeevak as voor-behandeling om die beworteling te verbeter van die wingerdstok (Ramsey) onderstok steggies, het baie belowende resultate getoon in vergelyking met naftaleen asynsuur (NAA) voorbehandeling en die kontrole. Dit beklemtoon die feit dat Sanjeevak 'n alternatief kan wees en wat verdere studie verdien, hoofsaaklik as gevolg van sy lae-koste en omgewingsvriendelike prosedures. Die gebruik van Sanjeevak as 'n organiese grondverbeteringsmiddel vir gewasproduksie en voortplanting kan beskou word as' n goedkoper alternatief tot effektiewe mikro-organisme (EM) tegnologie wat uit plaaslike en natuurlike hulpbronne saamgestel is. Soos waargeneem in die studie, kan dit die beste gebruik word in kombinasie met 'n betroubare bron van plantvoedingstowwe. Dus, moet die gebruik daarvan vir die produksie van gewasse en voortplanting aangemoedig word.

RESUMEE: L'utilisation des excréments de vaches comme engrais organique dans l'agriculture asiatique et africaine est une pratique très ancienne. Ceci explique son intérêt renouvelé, en partie due à aux restrictions monétaires de la plupart des agriculteurs d'acheter des produits agrochimiques, mais aussi la nécessité croissante d'adopter des technologies vertes qui ne nuissent pas à la qualité des sols, des eaux, la biodiversité et qui permettent d’améliorer la production agricole. C’est dans ce contexte que de nombreux paysans ont développé des techniques nouvelles dépendant des ressources naturelles et locales. L’utilisation de Sanjeevak (un mélange d’excréments de vaches, d’urine de vaches, l'eau et du sucre), a démontré sa capacité à accroître la productivité des plantes vivrières. Cependant, très peu de travaux scientifiques ont jusqu'à présent été menée pour étudier ce produit organique. La présente étude a été subdivisée en trois objectifs principaux. (i) Evaluation de la valeur fertilisante, et les profils de risques écologiques et sanitaires de Sanjeevak, (ii) Etudes de détection des phytohormones et leurs concentrations en utilisant une méthode colorimétrique adaptée de celle de Salkowski et la chromatographie liquide - spectrométrie de masse (LC-MS) (iii) Etude des effets de l’utilisation de Sanjeevak a différents taux d’applications sur la croissance et le développement des plants. Sanjeevak a été évaluée pour son contenu en micro et macro nutriments. L'analyse a montré la présence d'oligo-éléments tels que Mg, Na, Ca et Zn à des concentrations variables. De plus, son contenu en éléments majors tels que le phosphore (P) (0.007%), le potassium (K) (0.063%), l’azote (N) (0.11%), et carbone (C) (0.71%) est très faible; suggérant qu'il pourrait être une source viable de nutriments que si elle est appliquée à des taux plus élevés et répétés ou alternativement en améliorant sa formulation. En outre, Sanjeevak a été analysé pour ses caractéristiques microbiologiques et sa concentration en métaux lourds en comparaison a la législation qui réglemente l'utilisation et l'application de déchets liquide d’origines domestiques sur les terres agricoles en Afrique du Sud. Les résultats ont révélé que des métaux lourds et le niveau de coliformes fécaux mesuré était inférieur aux seuils d'application en tant que source d'amendements de sols agricoles. Les études portant sur la détection et la concentration d’hormones végétales ont été effectuées. En utilisant la méthode colorimétrique de Salkowski pour détecter et quantifier les auxines de Sanjeevak, les urines et les excréments de vaches; les résultats ont révélé la présence d'acide indole-3-acétique (AIA) à des concentrations variables dans les urines, les excréments et Sanjeevak. Une autre analyse des échantillons mentionnés ci-dessus pour les AIA en utilisant LC-MS a validé les résultats obtenus au préalable. L’étude détaillée de ces résultats confirme l'influence des micro-organismes dans la production des hormones végétales. Concernant les expériences sous serre, les différents taux d'application de Sanjeevak ont confirmé son effet stimulant à la croissance accélérée des racines des plantes telles que la tomate et les raisins et augmenté le rendement du blé indépendamment des nutriments qu'il contient. L'analyse statistique des résultats obtenus dans des conditions de terrain, a révélé qu'il n'y avait pas de différence entre les traitements (contrôle, compost, compost + Sanjeevak et Sanjeevak) pour la même plantes testées. Par conséquent, l'utilisation de Sanjeevak comme un produit organique qui améliore la qualité des sols et le rendement des cultures vivrières; peu être considéré comme un inoculum contenant des microorganismes constitué de ressources locales et naturelles. Comme l'a observé dans l'étude, il pourrait être mieux utilisé en combinaison avec une source fiable de nutriments végétaux.

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