الكيمياء الزراعية
الكيمياء الزراعية agricultural chemistry فرع من علوم الزراعة التي تشتمل على أساليب لتخصيب التربة وتغذية النبات ووقاية المزروعات لتحسين نوعياتها وزيادة إنتاجها بتكاليف اقتصادية مناسبة. ويدرس تأثير التفاعلات الكيمياوية في المنتجات الزراعية النباتية والحيوانية والعلفية. ويهتم بالتركيب الكيمياوي وتغيراته في المنتجات الزراعية بهدف استبعاد الملوثات الخارجية مثل المبيدات، وحماية البيئة الزراعية، ومراقبة جودة مياه الري والحصول على غذاء جيد، وتسهم في تطوير علم التقانات الحيوية الزراعية. ويساعد أيضاً على استخدام الموارد الطبيعية الزراعية ومخلفاتها المفيدة في التصنيع الزراعي الكيمياوي والدوائي.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
أهميتها في تطوير الإنتاجية الزراعية
يعدّ الأستاذ الجامعي يوستوس فون ليبيگ Justus von Liebig مؤسس علم الكيمياء الزراعية، فقد كان أول من قام بدراسة حاجة المحاصيل الزراعية إلى التسميد بعناصر الآزوت والفسفور والبوتاسيوم لرفع الإنتاجية الزراعية وطرح فكرة التنظيم الواعي لدورة المواد في الزراعة.
ساعدت الكيمياء الزراعية على تطوير قطاع الإنتاج الزراعي، ولاسيما في دراسات الخصوبة وتحسين الأصناف والسلالات النباتية والعروق الحيوانية، والاقتصاد في تكاليف الإنتاج، ورفع الإنتاجية الزراعية كماً ونوعاً، واستصلاح التربة كيمياوياً لتحسين خواصها. فمثلاً تحدد مراقبة درجة حلاوة محصول الشمندر السكري بالتحليل الكيمياوي موعد النضج والقلع والزمن الملائم لنقله إلى معامل تصنيع السكر، ومن ثم الإسهام في رفع إنتاجية مادة السكر. كذلك فإن استخدام غاز الإيتيلين النقي يسرّع نمو النباتات وإزهارها. كما أمكن الحصول على سلالات بكترية تفكك العناصر الكيمياوية الغذائية المثبتة بالتربة وتجعلها قابلة للإفادة من قبل النبات، وأخرى تثبت الآزوت الجوي مما يساعد على الحد من استخدام الأسمدة الآزوتية الكيمياوية والتخلص من ملوحة التربة. وكان لتدوير (إعادة تصنيع recycling) المخلفات الزراعية وإعادة استخدامها بالأساليب الحقلية الحديثة أن أُدخلت أراض جديدة شاسعة إلى الإنتاج الزراعي.
المبادئ الزراعية ومجالات عمل الكيميائيين
للكيمياء دور أساسي في مجالات الأسمدة والأعلاف والمبيدات وتنقية مياه الري والحفاظ على علاقات متوازنة بين الإنتاج الزراعي والبيئة والصناعات الغذائية والكيمياء الحيوية الزراعية وعلم البكتريا، وغيرها.
تبدأ مبادئ التغذية النباتية من أمواج الطيف الأحمر القادمة من الشمس والمسؤولة عن تفكك ثاني أكسيد الكربون الذي يمتصه اليخضور في النبات ويحوله إلى طاقة كيمياوية مخزونة في المركبات العضوية المتشكلة، مثل الألدهيدات والكيتونات والأمينات وغيرها. ويعتمد تحديد المكونات الخلوية الرئيسية على دراسة الدسم والسكاكر والبروتينات والهرمونات والإنزيمات وسرعة تفاعلاتها والعلاقات المتبادلة بينها، إضافة إلى دراسة الفيروسات كيمياوياً، وتحديد الحمض النووي DNA والشيفرة (الراموز) الوراثية code لكثير من البروتينات مما مكّن من السيطرة على الأمراض الفيروسية عند النبات والحيوان.
يهتم الكيميائي الزراعي باختبارات خصوبة التربة وحاجتها من السماد، فمثلاً، وُجد أنّ نقص عنصر الحديد في التربة يؤدي إلى اصفرار الأوراق الخضراء بسبب نقص كمية اليخضور فيها، فاستعملت الشلات لمعالجتها، وهي مركبات عضوية معدنية معقدة تتكون من جزيئات تحوي أكثر من زوج إلكتروني حر يمكن أن ترتبط بروابط عدة مشتركة وتساندية مع الحديد وتسمى لواقط أو مخالب، ومثل هذه المعقدات المنحلة في الماء يمكن أن تُمتص من قبل الأوراق. كما يمكن للمواد الهيومية في التربة أن تكوّن مع الحديد أو الألمنيوم شلات طبيعية تفيد النبات.
ويهتم الكيميائي الزراعي أيضاً بدراسة حماية البيئة وكيفية تدوير المخلفات النباتية والحيوانية، والحد من تلوث المحيطات وتدهور الغابات وطرائق عدم الإضرار بطبقة الأوزون المفيدة الناجم عن تصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون. وتجدر الإشارة إلى أن غالبية تفاعلات الكيمياء الحيوية الزراعية تحدث في المحاليل المائية في الخلايا النباتية والحيوانية مما يحتِّم الاهتمام بتفهم المبادئ الأساسية للمحاليل المائية وحركيتها وعمليات الاستقلابين النباتي والحيواني فيها.
تطبيقاتها الزراعية
أسهمت الكيمياء الزراعية في صناعة الزيوت الغذائية المحتوية على الحموض غير المشبعة، فمثلاً يحتوي زيت بذر الكتان على حموض أقل إشباعاً من غيرها، مما يساعد على تشكيل طبقة صلبة ومقاومة منها عند استعمالها في الدهانات الزيتية. كما تصنع الدسم بهدرجة الزيوت النباتية مثل زيت القطن وجوز الهند وفول الصويا وزيت الذرة. ويستخرج من نبات النعنع مادة المنتول وخلات الميتيل ذات الرائحة العطرية المستعملة في الأدوية لمعالجة الرشح والروماتيزم. وهنالك العديد من أسترات الحموض الكربوكسيلية التابعة للفحوم الهدروجينية المشبعة، تعود إليها الرائحة الشذية التي تستخرج من ثمار الفاكهة. أسهمت الكيمياء الزراعية أيضاً في تحسين صناعة الأعلاف والبروتينات ورفع قيمتها الغذائية. وانتشرت صناعة المواد اللاصقة من صمغ السمك الحيواني وكذلك انتشر استخدام صمغ دكسترين النشاء والكازين المنزوع الدسم مادة لاصقة أيضاً. ويحصل على الصمغ العربي L - أرابينوز من الكرز بمعاملته بحمض الكبريت المخفف.
ويصنّع الگلوكوز بمقادير كبيرة من عصير العنب وحبوب بعض النباتات وجذورها وأوراقها وأزهارها، و D - گلوسيتول أو السوربيتول المستعمل تجارياً عاملَ تحلية بإرجاع الكربون الألدهيدي في الغلوكوز (دكستروز)، وتُحضَّر صبغة الأندوكسيل المتصلة بجزيء الغلوكوز من نبات الأنديكان. وقد تطورت صناعة السكر من قصب السكر والشوندر السكري، ويراوح المحتوى السكري في مستخلص الشوندر بين 12-15٪.
أسهمت الكيمياء الزراعية في تنويع مصادر تصنيع الورق بدءاً من قصب البردي Cyperus papyrus، ثم من لحاء شجر التوت، ثم من القش والحور، ثم من ورق التمر والقطن وثفل قصب السكر وسيقان الذرة وأعشاب الحلفا التي تنمو في شمالي إفريقيا وإسبانيا، وغيرها من المخلفات النباتية. وتصنع من ورق القنب والكتان مجموعة من المنتجات الورقية، مثل ورق التجليد والكرتون العازل وألواح العزل الكهربائي وألواح البناء وعلب السوائل وأوراق الكتب والمجلات والمحارم الورقية ويضاف النشاء وسليكات الصوديوم لجعل الورق أكثر متانة.
وتستخدم مركبات أشباه السلولوز في صناعة الرايون rayon (الحرير الصناعي). وأمكن الحصول على غاز الميتان (غاز المستنقعات) المستعمل في توليد الطاقة، من المخلفات الزراعية، أو من أعماق المستنقعات والبحيرات والناتج من تفكك البقايا النباتية فيها، وعلى اليود من رماد نبات عشب البحر، والفحم الحيواني بتفحيم العظام بعد إزالة الدهن عنها، إذ يحوي نحو 11.7٪ من الكربون ونحو 80٪ من فوسفات الكلسيوم وغيرهما من الأملاح المعدنية، ويتميز أيضاً بقدرة كبيرة على الإمتزاز، ولاسيما بالنسبة إلى الأصبغة العضوية إضافة إلى استعمالاته في كثير من المواد الملوّنة في المحاليل.
ومن التطبيقات الكيمياوية الزراعية في البحوث البيئية: دراسة التأثير المتبادل بين كلٍ من مواد التعبئة والتغليف والمواد الغذائية، وتربية النباتات للتخلص من تلوث التربة، وفي الكشف عن التلوث الجوي في المدن، ودراسة إمكانية تخفيف محتوى النترات في الغذاء والعلف ومياه الشرب، وإمكانية معالجة ظاهرة شحوب الأوراق chlorosis الناتجة من التربة الكلسية باستعمال مواد حمضية أو شلات الحديد.
وأسهمت تطبيقات النظائر المشعة radioisotopes في الكيمياء الزراعية في زيادة إنتاج المحاصيل الزراعية ودراسة مشكلاته العملية البحثية، ومنها:
- استخدام نظير الآزوت N15 ونظير الفسفور P32 في تحديد المعادلة السمادية. والنظير Co60 في حفظ المواد الغذائية وتعقيمها بالإشعاع.
- مراقبة حركة المياه الجوفية وأماكن وجود المياه وعمرها وسرعة جريانها واتجاهها وزمن تجددها ومستوى الماء الأرضي باستخدام نظائر التريتيوم H3 والديتريوم H2 والأكسجين O18، وتحديد الرطوبة بأشعة غاما بجهاز قياس الرطوبة النيوتروني.
- تقدير عمر الصخور، وتتبع المواد العضوية فيها بوساطة الكربون C14 فوجدت مشتقات لليخضور فيها عمرها يصل إلى بليون سنة.
- دراسة تأئير تلوث الهواء بغاز الرادون المشع Rn222 الناتج من التربة.
- إحداث طفرات بالتشعيع وإنتاج أصناف مقاومة للأمراض مثل محصول الشعير والبطاطا وغيرها.
- مراقبة الهرمونات التي تتحكم في تكاثر الحيوان باستخدام نظير اليود المشع I125 وإنتاج اللقاحات ضد الأمراض الطفيلية التي تصيب الحيوان، والذكور العقيمة التي تقضي على التجمع الحشري العالي مثل ذبابة الفاكهة الضارة من دون استخدام المبيدات الضارة للبيئة.
- السعي إلى حل مشكلات التلوث البيئي بتتبع النترات في المياه ومعالجة مياه المجاري وأثر المبيدات، وقياس تلوث خزانات المياه بالكائنات الدقيقة باستعمال النظير C14.
طرائق الدراسات الكيمياوية الزراعية وأعمالها المخبرية
تصنف هذه الطرائق في مجموعتين متكاملتين بيولوجياً ومخبرياً: أولاً - الطرائق البيولوجية (الحيوية): تضم التجارب الحقلية والطرائق الإنمائية وطرائق اللايسومترات.
التجربة الحقلية: تُجرى في الشروط الطبيعية للحقول، على قطعة أرض أو أكثر بغية تحديد تأثير هذه الشروط أو الإجراءات الزراعية كل على حدة، أو مجتمعة في مردود النباتات الزراعية، فمثلاً، حينما يدرس تأثير الأسمدة حقلياً، يقدر تأثيرها في حجم الغلة ونوعيتها وخصوبة التربة لكل نوع من الأسمدة على حدة أو مجتمعة، وتأثير دفعاتها الزمنية وكفاءتها في شروط التربة والعوامل المناخية في الزراعتين المروية والبعلية. فلابد من تحديد أنواع التجارب الحقلية. فقد تكون ثابتة تجرى على قطع أرضية خاصة ذات هدف إنتاجي واقتصادي لتأثير عامل واحد أو عوامل عدة مرتبطة بالهندسة الزراعية، أو أيضاً قصيرة المدى (2-3 سنوات)، أو متعددة السنوات، ولاسيما في تجارب النباتات المعمرة (أكثر من 3 سنوات)، ويُعتمد لكل منها برنامج منفصل للمشاهدات والقياسات والدراسات والتحليل الإحصائي للنتائج الرقمية.
- الطريقة الإنمائية: تسمح بدراسة منفصلة للعوامل وتأثيرها في نمو النباتات وتطورها وغلتها في الزراعة المحمية على أوساط زراعية صنعية، فيمكن التحكم بشروط تغذيتها وحرارتها ورطوبتها وإضاءتها وغيرها[ر. الزراعة المحمية].
- طريقة اللايسومترات: تستخدم لدراسة النظام المائي وحركته، ورشح الماء في طبقات التربة مع الأسمدة الذائبة فيه، أو في مياه الأمطار المتساقطة. ويمكن إجراء حساب كمي لتوازن المواد المغذية في التربة، والأثر المتبقي للمبيدات. وتبنى عادة اللايسومترات بحجم متر مكعب واحد من التربة المدروسة من الإسمنت أو الحديد المطلي بالزنك أو باللدائن وتغرس في التربة. ويمكن جمع الماء الراشح منها، وتحليله كيمياوياً.
ثانياًـ الطرائق المخبرية للتحاليل الكيمياوية: تعتمد هذه الطرائق إلى حد كبير على مخابر التحاليل الكيمياوية لتحديد هوية العناصر وكميتها، وجودة المنتج الزراعي ومكوناته، والحصول على معلومات تستخدم في حل المشكلات الزراعية النظرية والعملية. وتصنف هذه الطرائق حسب المكونات الكيمياوية للمنتج الزراعي في طرائق كيمياوية حجمية، أو وزنية، وطرائق كيمياوية فيزيائية حديثة باستخدام أجهزة وأدوات خاصة، وذلك بمقتضيات طرائق أخذ العينة الزراعية والإلمام بالمبادئ الأساسية للتوازن الكيمياوي في أوساط المحاليل المائية، أو اللامائية، وتحضير المحاليل القياسية الحجمية، والتعبير عن وحداتها، واستعمال قانون المكافئات مع الخبرة الكافية في استعمال أدوات القياس الكيمياوية المخبرية، واتخاذ التدابير اللازمة التي توفر أعلى دقة ممكنة في نتائج التحليل. كما تحتاج طرائق التحليل الحجمي، كالمعايرة بالبرمنغنات أو باليود، وتحضير الكواشف اللازمة، إلى خبرة ودقة واسعتين، فمثلاً،
تستخدم الطرائق الرياضية في هذه الدراسات لتقدير دقة التجارب ونتائجها وللكشف عن الارتباط الكائن بين الأنواع المختلفة للأسمدة مثلاً والغلة، وتهدف إلى نمذجة عمليات الامتصاص من قبل النباتات. وأمكن بفضل جهاز الاستخلاص فصل الكافيين من الشاي والقهوة. وتمييز الگلوكوز بالتحليل الكلاسيكي عبر تفاعل فهلنگ Fehling reaction لتمييز ألدهيد السكاكر الأحادية بالمعادلة الكيمياوية:
- R-CHO+2Cu(OH)2 → R-COOH+Cu2O + 2H2O
وتحولات المواد المغذية وفقدها من التربة والأسمدة.
كما تستخدم طريقة تشكيل المعقدات بالمحلول الملحي لثنائي إيتيلين أمين رباعي حمض الخل لتقدير الكلسيوم والمغنيزيوم في النباتات والتربة ومياه الري بوجود كاشف الميركسايد وإيروكروم الأسود. ويتطلب تعيين الصيغة الكيمياوية للمنتج الطبيعي الكثير التعقيد؛ صنع المركبات، فمثلاً، صنع مركبات الكوليسترول تتطلب معرفة خواصها وآلياتها للوصول إلى المركب المطلوب. وبتقدم الطرائق الفيزكيمياوية المعاصرة صار الكيميائي الزراعي يعتمد تدريجياً في عمليات التحليل البنيوي العضوي للمنتجات الطبيعية على التحليل الآلي بديلاً من الطرائق التقليدية التي تعتمد على الكواشف والمواد الغالية الثمن، إضافة إلى عدم إمكان حل مشكلات البنية الفراغية للمركبات، فتوجه نحو استعمال الأجهزة المختلفة في التحليل الكمي واستخدم جهاز دوران الضوء المستقطب refractometric لتحديد محتوى الغلوكوز. واستخدم أجهزة الاستقطاب والناقلية الكهربائية لتحديد مزائج المحاليل، والكروماتوگرافيا لتمييز مكونات ألوان الورقة الخضراء، وجهاز الرحلان الشاردي الكهربائي لفصل مزيج الحموض الأمينية في المواد العلفية للحيوانات. ويمكن أيضاً بهذه الطريقة فصل أصناف البطاطا والقمح وتحديد هويتها اعتماداً على نموذج الحموض الأمينية وغيرها من الطرائق المخبرية.
تستخدم طرائق إشعاعية في تحديد بنى المركبات العضوية وهويتها اعتماداً على قياس شدة الأشعة الممتصة بالطريقة المطيافية الضوئية للامتصاص الذري أو الأشعة فوق البنفسجية وغيرها. وأمكن الاستفادة من مطيافية الرنين المغنطيسي الذري (NMR) في تعيين الكربون i13C في السكريات النباتية بدقة عالية وغيرها. وتتميز مطيافية الكتلة (MS) بحساسيتها العالية وسرعة تطبيقها ولاسيما عند تحليل النظائر المشعة، وتحديد هوية المركبات وبنيانها الفراغي. وتوجد تقنيات مدمجة مثل الكروماتوغرافيا الغازية المطيافية للكتلة (GC-MS) لفصل مزائج المنتجات الطبيعية والبنية الجزيئية للمركبات، وغيرها.
الآفاق المستقبلية
وفرت التقنيات الكيمياوية الحديثة إمكانات عدة للاستفادة من الموارد الطبيعية والمخلفات الزراعية موادّ خاماً يعاد تدويرها في الصناعات الكيمياوية المختلفة، مما يستوجب استعمال الموارد الطبيعية بحكمة وتنظيم واعتدال وذلك للمحافظة على البيئة، ومنع تلوث الأنهار بأسمدة النترات والمنظفات، والمحيطات بفضلات المواد المشعة التي تؤدي إلى القضاء على الثروة السمكية. كما يجب التقيد بقوانين حماية البيئة وأنظمة الصيد والمياه، وعدم استعمال الفوسفات إلا بكميات ضرورية، واستخدام التقنيات الجديدة لمحطات تنقية المياه للإقلال من استعمال الأسمدة الكيمياوية الصناعية والمبيدات والتركيز على السماد العضوي والمكافحة الحيوية.
المصادر
- محمد سمير الحافظ. "الكيمياء الزراعية". الموسوعة العربية.
طالع أيضاً
- الهندسة الزراعية
- سماد
- الزراعة العضوية
- الزراعة المحمية
- الزراعة المستدامة
- المكافحة الحيوية
- المكافحة المتكاملة
- النظائر المشعة
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
للاستزادة
- وفائي حقي، يحيى قدسي، المطيافية العضوية والاصطناع الكيمياوي (المطبعة الجديدة، دمشق 1989).
- س. خطيب، اكتشاف الكيمياء (مطابع وزارة الثقافة، سورية 1992).
- صلاح يحياوي، الكيمياء العضوية الحلقية (مطبعة الكتبي، دمشق 1975).
- أ. الشراد، عناصر الكيمياء الحيوية ( الكويت 2001).
- ب. سمرنوف، أي. مورافين، الكيمياء الزراعية ( ترجمة دار مير للطباعة والنشر، موسكو 1986).
فروع الكيمياء | |
|---|---|
| الفيزيائية | |
| العضوية | |
| اللاعضوية | |
| أخرى | |
