Development of bioherbicide from emulsion of biosurfactant, lignin, vegetable oils and extracts of allelopathic plants

Abstract

This research aims to develop a bioherbicide from emulsion of biosurfactant mixed with lignin, vegetable oil, and plant extracts with allelopathic properties. The biosurfactant was produced from Brevibacterium casei NK8 by using durian peels as substrate under solid-state fermentation. The plant extracts with allelopathic properties were obtained from mango leaves. The reused of durian peels increased the yields of biosurfactants and lignin by-products and corresponded with the increased bacterial number, where the highest values were 55 mg/gds, 39 mg/gds, and 1.E+11 CFU/gds, respectively. The bioherbicide formulations were later developed by a phase behavior study, which varied the types of vegetable oils on forming Winsor Type I emulsion. Then, DOE-RSM with Box-Behnken design was used to find the optimal compositions, which showed that the emulsion of coconut oil, palm oil and sunflower oil had particle sizes of 79.93 nm, 69.41 nm, and 66.20 nm, respectively. Palm oil was cheaper than coconut oil but gave similar emulsion size, thus it was selected to investigate the optimal electrolyte. The formulation with sodium chloride had larger emulsion size than ammonium sulfate and reduced the contact angle on the surface of Tridax procumbens better (16.5◦). However, ammonium sulfate reduced the contact angle on the leaf of Dactyloctenium aegyptium better (72.1◦). The suitable surfactant mixture was later investigated and found that lauryl glucoside with lower molecular weight than xanthan gum gave the smaller emulsion size. When the formulations were sprayed twice on weeds, E2 formulation consisted of 0.3% biosurfactant, 0.2% lignin, 3% ammonium sulfate, 0.4% lauryl glucoside, 0.3% palm oil, and 50% mango leaf extract had the highest %inhibition (78%) toward Tridax procumbens after 14 days and was able to inhibit Dactyloctenium aegyptium at 28% compared to the water control. This formulation had small emulsion size thus it could penetrate well into the plant leaves, destroy weed tissues, and inhibit growth of the weeds. In conclusion, the developed bioherbicide had the highest efficiency on inhibiting Tridax procumbens and had potential to inhibit Dactyloctenium aegyptium. It also utilizes agricultural waste for maximum benefit and contributes to reduced pollution from improper disposal. In addition, it plays a part in promoting a safe and sustainable agricultural system.

งานวิจัยนี้มีเป้าหมายในการพัฒนาสารกำจัดวัชพืชชีวภาพจากอิมัลชันของสารลดแรงตึงผิวชีวภาพร่วมกับ ลิกนิน น้ำมันพืช และสารสกัดจากพืชที่มีฤทธิ์ทางอัลลีโลพาธี สารลดแรงตึงผิวชีวภาพผลิตด้วยแบคทีเรีย Brevibacterium casei NK8 และใช้เปลือกทุเรียนเป็นสารตั้งต้น ภายใต้สภาวะการหมักแบบอาหารแข็ง ส่วนสารสกัดจากพืชที่มีฤทธิ์ทางอัลลีโลพาธีนั้นสกัดมาจากใบมะม่วง พบว่าเมื่อมีการใช้ซ้ำของเปลือกทุเรียน ผลผลิตของสารลดแรงตึงผิวชีวภาพรวมถึงลิกนินที่เป็นผลผลิตพลอยได้และจำนวนของแบคทีเรีย มีอัตราที่เพิ่มขึ้นอย่างสอดคล้องกัน โดยให้ค่าสูงสุดที่ 55 mg/gds, 39 mg/gds, และ 1.E+11 CFU/gds ตามลำดับ ต่อมาพัฒนาสูตรของสารกำจัดวัชพืชชีวภาพโดยเริ่มจากศึกษาการเปลี่ยนวัฏภาค (Phase behavior study) โดยแปรผันชนิดของน้ำมันพืชต่อการเกิดไมโครอิมัลชันชนิด Winsor Type I จากนั้นนำ DOE-RSM ชนิด Box-Behnken มาใช้ในการหาส่วนผสมที่เหมาะสม พบว่าอิมัลชันของน้ำมันมะพร้าวมีขนาดอนุภาคเท่ากับ 79.93 นาโนเมตร น้ำมันปาล์ม 69.41 นาโนเมตร และน้ำมันดอกทานตะวัน 66.20 นาโนเมตร โดยน้ำมันปาล์มให้อิมัลชันที่มีขนาดเล็กใกล้เคียงกับน้ำมันมะพร้าวแต่มีต้นทุนต่ำกว่า จึงนำมาศึกษาชนิดของอิเล็กโตรไลท์ที่เหมาะสม พบว่าสูตรที่ใช้โซเดียมคลอไรด์ให้ขนาดของอิมัลชันใหญ่กว่าแอมโมเนียมซัลเฟต และสามารถลดมุมสัมผัสบนพื้นผิวของตีนตุ๊กแกได้ดีกว่า (16.5 องศา) แต่แอมโมเนียมซัลเฟตสามารถลดมุมสัมผัสบนใบหญ้าปากควายได้ดีกว่า (72.1 องศา) ต่อมาศึกษาชนิดของสารลดแรงตึงผิวผสมที่เหมาะสม พบว่าลอริลกลูโคไซด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลน้อยกว่าแซนแทนกัม ให้ขนาดของอิมัลชันน้อยกว่า เมื่อนำสูตรผสมมาทำการทดสอบการฉีดพ่นบนวัชพืชจำนวน 2 ครั้ง พบว่าสูตร E2 ที่ประกอบด้วยสารลดแรงตึงผิวชีวภาพ 0.3 %, ลิกนิน 0.2 %, แอมโมเนียมซัลเฟต 3 %, ลอริลกลูโคไซด์ 0.4 %, น้ำมันปาล์ม 0.3 %, และสารสกัดจากใบมะม่วง 50 % สามารถยับยั้งตีนตุ๊กแกโดยมีค่าเปอร์เซนต์การยับยั้ง (Inhibition %) สูงที่สุด 78% หลังจากฉีดพ่น 14 วัน และมีค่าเปอร์เซนต์การยับยั้งหญ้าปากควาย 28% เมื่อเทียบกับชุดควบคุมที่เป็นน้ำ สูตรผสมนี้อิมัลชันมีขนาดเล็ก จึงสามารถซึมลงเนื้อเยื่อบริเวณใบพืชได้ดี ทำลายเนื้อเยื่อวัชพืช และยับยั้งการเจริญเติบโตของวัชพืช ดังนั้นสารกำจัดวัชพืชชีวภาพที่พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ มีประสิทธิภาพสูงในการยับยั้งตีนตุ๊กแก อีกทั้งมีแนวโน้มในการยับยั้งหญ้าปากควายได้ และยังเป็นการนำของเหลือทิ้งทางการเกษตรมาใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุด มีส่วนช่วยมลพิษจากการกำจัดวัชพืชอย่างผิดวิธี อีกทั้งยังมีส่วนในการส่งเสริมระบบเกษตรแบบปลอดภัยอย่างยั่งยืน