پلیمرهای طبیعی سوپرجاذب در کشاورزی

کاربرد پلیمرهای طبیعی سوپرجاذب در کشاورزی

برای تامین تقاضای جهانی غذا، کاهش ضایعات و به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی، بخش کشاورزی باید شیوه های فعلی خود را در زمینه اصلاح خاک، کپسوله سازی کود، پوشش بذر و حفاظت از محصول بهبود بخشد. پلیمرهای فوق جاذب (SAPs) دسته ای از مواد پلیمری هستند که می توانند مقادیر زیادی مایعات/محلول های آبی را نسبت به جرم خود جذب و حفظ کنند. به طور معمول، SAP ها برای تشکیل شبکه های آبدوست سه بعدی به طور متقابل متصل شده و به عنوان هیدروژل شناخته می شوند. اگرچه SAP ها را می توان هم به طور مصنوعی و هم از منابع طبیعی سنتز کرد، اما برای کاربردهای کشاورزی عموما از پلیمرهای مصنوعی به دلیل خواص مفیدی همچون میزان جذب آب و ظرفیت بالاتر، هزینه کم، در دسترس بودن، دوام و عملکرد مکانیکی استفاده می شود. با این حال، بسیاری از این سیستم ها از مونومرهای پلی اکریلیک اسید (PAA) و پلی آکریل آمید (PAM) استفاده می کنند که ممکن است اثرات سمی بر روی سیستم عصبی و تنفسی انسان و حیوانات داشته باشند. برای اطمینان از شیوه های کشاورزی پایدار و حفظ تولید محصول سالم در دراز مدت، استفاده از SAP مصنوعی باید تا حد زیادی کاهش یابد. هدف از این مقاله مروری بررسی SAP های طبیعی جایگزین برای کشاورزی و توجیه انتقادی پذیرش آنها در صنعت است. کاربردهای خاص مورد بررسی شامل اصلاح خاک، کپسوله سازی کود، پوشش بذر، و حفاظت از محصول می شود.

تولید محصولات زراعی در سطح جهانی در 20 سال گذشته بیش از 60 درصد افزایش یافته است. کشاورزی و جنگلداری پایدار به دلیل خشکسالی و کمبود آب در معرض تهدید جدی قرار دارد. پلیمرهای فوق جاذب (SAPs) در بسیاری از صنایع ازجمله محصولات بهداشتی، دارورسانی، دارویی، مواد غذایی، کشاورزی وغیره کاربرد دارند. معیارهای استفاده از SAP ها به خواص کاربرد آنها بستگی دارد که شامل جذب کنترل شده، جذب بالا، کسر ژل پس از اتصال عرضی، مقرون به صرفه بودن، دوام فوق العاده، پایداری درطول ذخیره سازی و تورم، عدم وجود بو، زیست تخریب پذیری، غیرسمی بودن و رطوبت پذیری مجدد می شود. کاربرد SAP در کشاورزی عمدتا به شکل هیدروژل است که برای اصلاح خاک استفاده می شود. هیدروژل ها برای این کار ایده آل هستند زیرا می توانند آب را تا هزاران برابر وزن خود جذب و حفظ کنند؛ و به تدریج آن را درطول زمان آزاد کنند. افزودن هیدروژل به خاک موجب افزایش رشد و بقای گیاه، افزایش محتوای آب و حفظ خاک، بهبود  نفوذپذیری خاک، چگالی، ساختار، نرخ نفوذ و کاهش تلفات مواد مغذی می شود. این روند برای اقلیم های خشک یا نیمه خشک که مدیریت آب برای کشاورزی پایدار بسیار مهم است، کاربرد دارد. درحال حاضر اکثر سیستم ها از آبیاری مستقیم محصولات استفاده می کنند که منجر به اتلاف قابل توجهی از آب و کمبود آب بالقوه برای گیاهان می شود. اجرای سیستم های پاشش هدفمند اگرچه به سرمایه گذاری بالایی در تجهیزات نیاز دارد اما می تواند بر این مشکل غلبه کند. اخیرا از SAP ها در کپسوله کردن کود، پوشش بذر و حفاظت از محصول نیز استفاده می شود. به طور مشابه، هدف از این برنامه ها افزایش عملکرد محصول با محدود کردن تلفات مواد مغذی، و محافظت از دانه ها و یا نهال ها در برابر شرایط محیطی خشن یا آفات ها است.

SAP های طبیعی پتانسیل بالایی در بهبود شیوه های کشاورزی پایدار با غلبه بر چالش های مختلف به دلیل دارا بودن ویژگی های قابل تنظیم دارند. اگرچه تحقیقات زیادی درمورد پلیمرهای زیست تخریب پذیر در دسترس است، اما تمام این پلیمرها لزوما از منابع تجدید پذیر تهیه نمی‌شوند. SAP های طبیعی را می‌توان از بسیاری از منابع طبیعی مانند لیپیدها، پروتئین ها و پلی ساکاریدها به دست آورد. میکروارگانیسم ها همچنین قادر به تولید مواد پلیمری هستند؛ با پیشرفت های اخیر در زمینه زیست شناسی مصنوعی، میکروارگانیسم های مصنوعی تولید شدند که انواع خاصی از پلیمرهای زیستی را نیز تولید می کنند. SAP های طبیعی، به ویژه پلی ساکاریدها، به دلیل غیرسمی بودن، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری بسیار مورد توجه هستند. عبدالحافظ و همکارانش در بررسی افزایش کیفیت خاک با استفاده از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی دریافتند که پلیمرهای طبیعی خواص فیزیکی و هیدروفیزیکی خاک را تقویت می کنند درحالی که تیمارهای مصنوعی علاوه بر افت این پارامترها، موجب کاهش رشد گیاه نیز می شوند.

نتیجه گیری

این مطالعه مزایای SAP های طبیعی ازجمله زیست تخریب پذیری، غیرسمی بودن، تجدید پذیری، قیمت رقابتی و همچنین استفاده موفق از این مواد در بخش کشاورزی را مورد بررسی قرار می دهد. برخلاف همتایان مصنوعی خود، SAP های طبیعی نوید عالی برای کاربردهای کشاورزی، به ویژه در تهویه خاک و عوارض کود/ آفت کش ناشی از عدم تجمع آنها در محیط به شمار می روند. با این حال، به دلیل استفاده از این مواد در مراحل ابتدایی کمبود نسبی در زیرساخت های فرآوری وجود دارد. در آینده، کارایی این مواد ممکن است بر فرایند پذیری آنها متکی باشد؛ همان طور که تکنیک های تولید به هزینه کم و پیاده سازی گسترده نیاز دارند. علاوه براین، استفاده از SAP های طبیعی نیز ممکن است برای اجرای موفقیت آمیز، به ویژه در مقیاس بزرگ، به تجهیزات و آموزش های تخصصی و شیوه های صنعتی نیاز داشته باشد. اگرچه SAP ها کارایی بهبود یافته ای درمورد کودها و آفت کش ها و همچنین افزایش تثبیت خاک و حفظ رطوبت دارند اما تحقیقات در این راستا بیشتر به شرایط آزمایشگاهی کنترل شده محدود شده اند. این امر برای گیاهان و محیط های مختلف که به رطوبت و مواد مغذی برای بهینه سازی شرایط رشد نیاز دارند ضروری است. در تحقیق باید شرایط استقرار SAP ها ازجمله عواملی مانند عمق خاک، میزان کاربرد و شرایط رطوبتی درنظر گرفته شوند. در برنامه‌های اصلاح خاک اغلب چهار عامل نادیده گرفته می شوند که عبارتند از:

الف) تاثیر بر میکروارگانیسم‌های درون بستر؛

ب) قابلیت بازیافت مواد در چرخه چندگانه؛

پ) ارزیابی عملکرد میدانی، تغییر در چرخه آب، میکروبیوم‌ها و دما؛

ج) ارزیابی مکانیسم‌های دفاعی، ترکیبات ثانویه، و فعالیت آنزیمی آنتی اکسیدان

در مطالعات پوشش بذر، اغلب دارای بزرگترین اختلاف نظر درمورد پیامدهای گسترده تر، چالش ها یا جهت گیری های آینده ازجمله در زمینه فناوری‌های کنونی و مقیاس‌پذیر و همچنین قابلیت اقتصادی به وجود می آید. بسیاری از برنامه های کاربردی پوشش بذر یا بر استفاده فوری از بذرها تمرکز دارند و از تاثیر ذخیره سازی و شرایط محیطی غفلت می‌کنند و یا بر ملاحظات تجاری سازی مانند تکرارپذیری و قابلیت اطمینان متکی هستند. مطالعاتی که بر ذخیره سازی بذرهای پوشش داده شده تمرکز می کنند، عوامل مهمی مانند محرک های خواب زمینه ای و مکانیسم های غیرفعال سازی مواد کپسوله شده را نادیده می گیرند. باتوجه به یافته های به دست آمده از این بررسی، با اینکه شرایط محیطی نقش مهمی در جلوگیری از تبادل گاز ریشه گیاهان و تسهیل پیشرفت میکروبی دارد اما به مطالعات جامع تری درمورد خاک، گیاهان و شرایط محیطی مختلف برای پذیرش این مواد در صنعت کشاورزی نیاز است. بنابراین به منظور بهبود کارایی و عملکرد شیوه‌های پایدار طولانی‌مدت، مطالعات آتی باید بر استفاده از SAP های طبیعی در آزمایشات میدانی طولانی مدت و ارتقای شرایط مطلوب گونه ها و محیط های گیاهی متعدد متمرکز شوند. با افزایش درک ما از کاربرد فناوری در کشاورزی، از استراتژی‌های جدید می‌توان برای تقویت و ارتقای شیوه های کشاورزی پایدار برای سال های آینده بهره گرفت.