Yeni şelatlı demir bileşiklerinin hazırlanması ve yapraktan bitki besleme uygulamalarında kullanımı
Preparation of new chelated iron compounds and their use in foliar plant nutrition applications
Yazar: SÜMEYYE NUR ÇAKMAK
Danışman: PROF. DR. SALİH ZEKİ YILDIZ ; DR. DİLEK ÜNLÜER BİRİNCİ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Tarımda mikro besin gübre uygulamalarında, metal tuzlarının doğal toprak ortamında kullanımı sırasında çözünme problemi gibi istenmeyen durumların oluşmasıyla bitkinin metal alımının etkilendiği gözlenmiştir. Mikro besin elementlerinin eksikliğinde toplam klorofil ve toplam karotenoid miktarlarında azalmanın meydana gelmesi bitki büyüme ve gelişimini olumsuz yönde etkilediği belirlenmiştir. Bu problemlerin önüne geçmek amacıyla çözünme problemlerini giderecek, bitkinin metal alımını dengeleyecek ticari metal komplekslerinin kullanıldığı görülmüştür. Daha az mikro besin elementi ile daha verimli sonuçlar elde etmek ve oluşan çevre kirliliğinin önüne geçmek amacıyla ticari EDDHA (Etilendiamin-N,N'-bis(2-hidroksi-fenilasetikasit)) ve HBED (N,N'bis(2-hidroksi-benzil) etilendiamin-N,N'-diasetik asit) gibi şelatlayıcıların uygulamalarına literatürde rastlanmış olsa bile bu bileşiklere alternatif yeni tür ligandlardan sentezlenen demir komplekslerinin uygulamalarına rastlanmamıştır. Ayrıca, daha önceki çalışmalarda elde edilen sonuçlara göre, yaprak uygulamalarında kullanılan şelatlı gübreler inorganik tuz formlarına göre yapraktan metal alım miktarının azalmasına rağmen metal hareketliliğinin arttığı tespit edilerek verimliliğin arttığı belirlenmiştir. Elde edilen literatürel veriler ışığında bu tez kapsamında sentezi ve karakterizasyonu tamamlanan demir komplekslerinin gübre potansiyellerini belirlemek amaçlanmıştır.
Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, mikro besin elementlerinden demirin bitkiler için kullanılamaz veya daha az kullanılabilir forma dönüşmelerini önleyecek, Tween 20 ile sinerjistik etki oluşturabilecek yeni şelat yapılı demir kompleksleri sentezlendi. Sentezlenen N'1,N'4-bis(2-hidroksibenzoil) fumarohidrazit (DSHM) ve N,N''-bis(2-hidroksibenzoil) metandihidrazit (KDHDS) ligandların ve bu ligandlardan sentezlenen demir komplekslerinin bilinen spektroskopik yöntemlerle (FTIR, 1H-NMR, 13C-NMR, MASS, UV-Vis., Elementel Analiz) analizleri yapılarak molekül yapıları aydınlatıldı. Yapısal analizleri tamamlanan orijinal nitelikli demir komplekslerinin, kökten ve yapraktan uygulamalara uygun şekilde gübre formülasyonları hazırlandı. Kökten uygulamalarda bitki besin çözeltisi olan Hoagland (Ek B, Tablo B1) içeriğindeki demir miktarı belirlenerek kontrol grubu ile aynı miktarda demir içerecek EDTA-Fe ile DSHM-Fe ve KDHDS-Fe yer değiştirilerek yeniden formüle edilerek uygulamaya hazırlandı.Yapraktan uygulamalarda ise aynı miktarda demir içeren besin çözeltisine ek olarak tarımda yayıcı yapıştırıcı olarak kullanılan Tween-20 (Polioksietilen sorbitan monolaurat)'nin % 0,1 içerikli çözeltisi ilave edilerek iki farklı uygulama çözeltisi hazırlandı. Yapraktan uygulamalarda ayrıca, bitkiler demirsiz Hoagland besin çözeltisi ile hidroponik ortamda büyütülmeye devam edildi. Hem yapraktan uygulama gruplarına hem de kökten uygulama gruplarına ait kontrol gruplarından biri demirsiz (Fe'siz) hoagland ile büyütülürken diğeri ise bilinen demir içeriğine sahip Hoagland besin çözeltisinde büyütüldü. Kontrol ve deneme grupları için hazırlanan tüm Beith Alpha genotipli salatalık (Cucumis sativus) tohumları cam petri kapları içerisinde 25°C ve %40 oransal neme sahip iklim odasında çimlenmeye bırakıldı. Çimlenen salatalık tohumları demir içermeyen (Fe'siz) Hoagland besin çözeltisi ile kontrollü şartlar altında [(16 saat aydınlık / 8 saat karanlık fotoperiyot, ışık şiddeti (150 μmol m‾² sˉ¹), sıcaklık (25/20oC) ve bağıl nem (%40)] su kültüründe (hidroponik ortam) 28 gün boyunca büyütüldü. Bu şartlarda 28 gün boyunca demirsiz hoagland çözeltisinde büyütülen salatalık bitkileri, bitki besleme çalışmalarında kullanılmak üzere tez kapsamında sentezlenen DSHM-Fe ve KDHDS-Fe kompleksleri, ticari demir gübresi olan Tariron ve Sequesterene ile karşılaştırmalı olarak su kültüründe kökten ve yapraktan uygulamalar için 28. günün sonunda gruplara ayrıldı. Bunun yanısıra yapraktan uygulama grupları da kendi içerisinde Tween 20 içeren ve Tween 20 içermeyen bitki besleme gübre formülasyonları uygulanmak üzere iki gruba ayrıldı. Tüm kontrol ve deneme grubu salatalık bitkileri hazırlanan demir içeriği bilinen besin çözeltileri ile ayrı ayrı beslenerek büyütüldü. Bununla birlikte demir içermeyen kontrol grubu bitkileri ve yapraktan uygulama yapılan grup salatalık bitkileri demir içermeyen Hoagland besin çözeltisi ile hidroponik ortamda üç gün arayla toplamda beş defa tekrarlanan uygulama yapılarak büyütülmeye devam edildi. Uygulama sonunda hasat edilen salatalık bitkilerinin öncelikle fiziksel parametrelerden kök uzunluğu, sürgün uzunluğu, gövde kalınlığı ve gerçek su içeriği analizlerinin yanısıra bitki gruplarına ait yaprak numunelerinden toplam klorofil, toplam karotenoid ve malondialdehit miktarındaki (lipid peroksidasyon: MDA) değişimler uygun yöntemlere göre ölçüldü. Kontrol ve ticari gübrelerle elde edilen ölçüm sonuçları istatistiksel olarak değerlendirilerek karşılaştırıldı.
Tez kapsamında yapılan yapraktan uygulamalar ve kökten uygulamalar sonucunda hasat edilen salatalık bitkilerinde yapılan fiziksel analiz sonuçlarına göre en etkili grupların Ticari Tariron, Hoagland ve DSHM-Fe %0,1 Tween 20 içeren grupların olduğu belirlendi. Ayrıca bu sonuçlardan en önemli sonuç yapraktan uygulama gruplarına ait verilere göre kendi içinde Tween 20'li ve Tween 20'siz olarak ayrılan tüm gruplarda elde edilen en iyi sonuçların Tween 20 ile uygulanan gruplara ait olduğu belirlendi. Bu sonuçlara göre, yapraktan şelatlı-Fe'nin formülasyonda %0,1 Tween 20 ile uygulanması yapraktan penantrasyonu arttırdığı sonucu literatürel verileri destekler nitelikte olduğu belirlendi. Diğer taraftan yapraktan uygulamalara ait salatalık taze yapraklarından elde edilen biyolojik parametrelerden toplam klorofil ve toplam karotenoid miktarı değişimleri karşılaştırıldığında elde edilen sonuçlar ticari gübre, Hoagland ve DSHM-Fe %0,1 Tween 20 içeren grupların beklendiği gibi fiziksel parametrelerle uyumlu olduğu gözlemlendi. Ancak MDA (lipid peroksidasyon) miktarındaki değişiminlerin beklenilenin aksine bu gruplarda oldukça yüksek olduğu belirlendi. MDA sonuçları ile literatürel veriler karşılaştırıldığında artan malondialdehit miktarının bitkinin stres parametrelerinden biri olduğu ve MDA miktarı arttıkça hücre hasarı miktarının arttığı belirlendi. Kökten besleme çalışmalarında ise hem fiziksel parametrelerin hem de biyolojik parametrelerin belirlenmesi için yapılan analiz sonuçlarının uyum göstererek en etkili sonuçların ticari Tariron, Sequesterene, Hoagland ve DSHM-Fe gruplarına ait olduğu belirlendi. Ancak biyolojik parametrelerden MDA miktarı değişimine ait elde edilen sonuçlarda en yüksek değişim miktarı Tariron ve KDHDS-Fe gruplarına aitken en düşük değişim miktarı DSHM-Fe grubuna ait olduğu belirlendi.
Bu çalışmalara ek olarak, hem yapraktan hem de kökten uygulamalarda kullanılan demirsiz (Fe'siz) kontrol grubu hariç tüm besin çözeltileri optimum şartlar için hazırlanan Hoagland besin çözeltisi içeriğindeki demir konsantrasyonu baz alınarak hazırlandı. Hazırlanan çözeltiler her bir salatalık bitki grubuna ayrı ayrı uygulanarak uygulama sonunda hasat edilen salatalık yaprak numuneleri kurutularak 0,1 g bitki başına demir miktarı (ppm) olarak hesaplandı. Kökten uygulama yapılan salatalık bitki gruplarından bitki demir alımını en çok ticari Tariron demir gübresi ve istatistiksel olarak DSHM-Fe bileşiğinin desteklediği ve bitki toplam klorofil ve toplam karotenoid analiz sonuçları karşılaştırmalı olarak değerlendirildiğinde ICP-OES sonuçları ile belirlenen bitki demir miktarının bir uyum içinde olduğu belirlendi. Yapraktan bitki besleme uygulamaları yapılan salatalık gruplarında demir alımını ICP-OES sonuçları karşılaştırıldığında ise ticari gübre uygulamalarından elde edilen sonuçlar arasında en iyi Tariron + Tween 20 ve Tariron demir gübre formülasyonları olduğu tespit edildi. Ticari gübreler dışında kalan gruplar arasında sentezlenen DSHM-Fe bileşiğine ait toplam klorofil ve toplam karotenoid analiz sonuçları ile karşılaştırmalı olarak değerlendirildiğinde bitki demir alım miktarının uyumlu olduğu belirlendi.
Sonuç olarak, kökten uygulamalarda bu tez kapsamında sentezlenen DSHM-Fe kompleksine ait verilerin bitki büyüme ve gelişme parametrelerini olumlu etkilediği ve gübre potansiyeli taşıdığını ortaya konulmuştur.

Abstract:
In agricultural micro-nutrient fertilizer applications, it has been observed that unwanted occurrences such as the solubility problem of metal salts in the natural soil environment affect the uptake of metals by plants. The deficiency of micro-nutrient elements leads to a decrease in total chlorophyll and total carotenoid levels, negatively impacting plant growth and development. To address these issues, commercial metal complexes that can overcome solubility problems and balance the uptake of metals by plants have been used. While there have been findings in the literature about the application of chelators like EDDHA (Ethylenediamine-N,N'-bis(2-hydroxyphenylacetic acid)) and HBED (N,N'-bis(2-hydroxybenzyl)ethylenediamine-N,N'-diacetic acid) to achieve more efficient results with less micro-nutrient elements and prevent environmental pollution, there have been no applications of iron complexes synthesized from alternative new ligands. Furthermore, previous studies have shown that chelated fertilizers used in foliar applications increase metal mobility despite a decrease in metal uptake from the leaves compared to inorganic salt forms, leading to increased efficiency. Based on the literature data, the aim of this thesis was to determine the fertilizer potentials of the iron complexes whose synthesis and characterization were completed within the scope of this study.
In the conducted research within the scope of this thesis, new chelating iron complexes were synthesized that can prevent the conversion of iron from micro-nutrient elements into unusable or less usable forms for plants and can create a synergistic effect with Tween 20. The structural analyses of synthesized N'1,N'4-bis(2-hydroxybenzoyl)fumarohydrazide (DSHM) and N,N''-bis(2-hydroxybenzoyl)methanedihydrazide (KDHDS) ligands and their iron complexes were carried out using well-known spectroscopic methods (FTIR, 1H-NMR, 13C-NMR, MASS, UV-Vis, Elemental Analysis) to elucidate their molecular structures. The originally qualified iron complexes with completed structural analysis were then formulated for root and foliar applications. For root applications, the amount of iron in the Hoagland nutrient solution (Appendix B, Table B1) was determined, and by displacing EDTA-Fe with DSHM-Fe and KDHDS-Fe to have the same amount of iron as the control group, the formulations were prepared and made ready for application. For foliar applications, two different application solutions were prepared, one containing the same amount of iron as the nutrient solution and the other containing 0.1% Tween-20 (Polyoxyethylene sorbitan monolaurate) used as an agricultural adjuvant. Additionally, the plants were continuously grown in iron-free Hoagland nutrient solution in hydroponic conditions for foliar applications. Both root and foliar application groups were divided into control groups, with one group grown in iron-free Hoagland solution (Fe-free) and the other in Hoagland nutrient solution with a known iron content. All cucumber (Cucumis sativus) seeds of the Beith Alpha genotype were placed in glass petri dishes and left to germinate in darkness for 7 days. at 25°C and 40% relative humidity in a climatic chamber. Germinated cucumber seeds were then grown in hydroponic conditions in Hoagland nutrient solution without iron (Fe-free) under controlled conditions [(16 hours light / 8 hours dark photoperiod, light intensity (150 μmol m-2 s-1 temperature (25/20°C), and relative humidity (40%)]. The plants were grown for 28 days in these conditions. At the end of 28 days, cucumber plants grown in iron-free Hoagland solution were divided into groups for root and foliar applications and compared with the application of DSHM-Fe and KDHDS-Fe complexes synthesized within the scope of the thesis, commercial iron fertilizer Tariron, and Sequesterene in hydroponic conditions. Additionally, the foliar application groups were further divided into two groups, one with Tween 20 and the other without Tween 20, to apply different plant nutrition formulations. All control and experimental cucumber plants were grown separately in nutrient solutions with known iron content. Furthermore, the iron-free control group plants and foliar application group cucumber plants were grown in hydroponic conditions with iron-free Hoagland solution, and the foliar application was repeated five times at three-day intervals. After the application, cucumber plants were harvested, and physical parameters such as root length, shoot length, stem thickness, and true water content were analyzed. Moreover, leaf samples from the plant groups were taken to measure the changes in total chlorophyll, total carotenoid, and malondialdehyde (lipid peroxidation: MDA) levels using appropriate methods. The measurement results obtained from control and commercial fertilizers were statistically evaluated and compared.
According to the results of the foliar and root application studies conducted, it was determined that the most effective groups were Commercial Tariron, Hoagland, and DSHM-Fe with 0.1% Tween 20. Furthermore, among the foliar application groups, it was observed that the best results were obtained from the groups with Tween 20 application, both Tween 20-treated and untreated groups being separated within themselves. This indicates that applying chelated-Fe foliarly with 0.1% Tween 20 in the formulation increases foliar penetration, which is in line with the literature data. On the other hand, the changes in the biological parameters obtained from cucumber fresh leaves from foliar applications were found to be in agreement with the physical parameters for commercial fertilizers, Hoagland, and DSHM-Fe with 0.1 % Tween 20. However, contrary to expectations, the amount of MDA (lipid peroxidation) in these groups was found to be quite high. Comparing the MDA results with the literature data, it was determined that the increasing amount of malondialdehyde is one of the stress parameters of the plant, and as MDA levels increase, the amount of cell damage also increases. In root feeding studies, the analysis results of both physical and biological parameters revealed that the most effective results were obtained from Tariron, Sequesterene, Hoagland, and DSHM-Fe groups. However, in the results obtained for the changes in the amount of MDA in the biological parameters, the highest change was observed in Tariron and KDHDS-Fe groups, while the lowest change was observed in the DSHM-Fe group.
In addition to these studies, all nutrient solutions used in both foliar and root applications were prepared based on the iron concentration in the Hoagland nutrient solution, except for the iron-free (Fe-free) control group, and applied separately to each cucumber plant group. At the end of the application, cucumber leaf samples were dried, and the amount of iron per 0.1 g of plant (ppm) was calculated. For the cucumber plant groups from root applications, it was determined that the most iron uptake was supported by the commercial Tariron iron fertilizer and statistically by the DSHM-Fe compound. Among the cucumber plant groups subjected to root application, it was observed that the highest plant iron uptake was supported by the commercial Tariron iron fertilizer and statistically by the DSHM-Fe compound, and the analysis results of total chlorophyll and total carotenoid were evaluated comparatively, showing a consistency with the ICP-OES results in determining the plant iron content. In the cucumber groups subjected to foliar plant feeding, when the iron uptake was compared based on the ICP-OES results, it was found that the best results were obtained from the Tariron + Tween 20 and Tariron iron fertilizer formulations among the results obtained from commercial fertilizer applications. Among the groups other than the commercial fertilizers, the analysis results of total chlorophyll and total carotenoid for the synthesized DSHM-Fe compound were evaluated comparatively, and it was found that the plant iron uptake was consistent.
As a result, it has been demonstrated that the data related to the DSHM-Fe complex synthesized within the scope of this thesis positively influenced the plant growth and development parameters and showed fertilizer potential in root applications.