پلیمرها به جنگ بحران آب می روند/ کاربرد پلیمرها در کشاورزی

بسپار/ایران پلیمر استفاده از بسپارها در کشاورزی به لحاظ علمی محبوبیت فراوانی یافته است، به ویژه در زمینه شیمی بسپار. بسپارها راه­حل­هایی برای مشکلات کشاورزی امروزی فراهم کرده­اند، از جمله حداکثر بهره­وری از زمین و آب بدون تهدید محیط زیست و منابع طبیعی. هیدروژل­های بسپاری ابرجاذب (SAP)، به­طور بالقوه بر تراوایی (permeability) خاک، تراکم، ساختار، بافت (texture)، تبخیر و آهنگ نفوذ (infiltration) آب از میان خاک تاثیر می­گذارند.

بسپارهای عامل­دار شده برای افزایش اثربخشی آفت­کش­ها (pesticides) و علف­کش­ها (herbicides)، استفاده از مقادیر کمتر و محافظت غیرمستقیم از محیط زیست از طریق کاهش آلودگی و تمیز کردن آلاینده­های موجود، استفاده می­شوند. این مقاله، مطالعه مروری در زمینه کاربردهای بی­شمار بسپارها در حوزه کشاورزی، نشان دادن روند پژوهش­های فعلی، تاثیر بر امنیت غذایی و چشم­انداز آینده است.

 

مقدمه

جمعیت جهان در حال افزایش است و انتظار می­رود که تا پایان سال 2050 به هفت میلیارد نفر برسد. رشد جمعیت و توسعه حاصل از جمعیت شهری با تراکم زیاد جمعیت همراه با صنعتی شدن جهانی، فشار زیادی بر محیط زیست، تهدید ماندگاری محیط زیست و امنیت غذایی ایجاد کرده است. این موارد موجب گرم شدن کره زمین و ایجاد آلودگی­های شیمیایی و زیستی (biological) در سراسر زیست کره (biosphere) به ویژه در خاک و رسوبات (sediments) شده است.

در طول قرن بیستم، تاکید اصلی توسعه کشاورزی در سراسر جهان، افزایش بهره­وری در هر منطقه زمین کشاورزی برای تولید محصولات برای تغذیه جمعیت رو به رشد بود. این امر به­طور قابل توجهی با بهره­برداری بیش از حد از منابع طبیعی مانند منابع آب و منابع گیاهی و استفاده بیش از حد از کودها (fertilizers) و آفت­کش­ها میسر بود. اگرچه این عمل موجب افزایش قابل توجه در بازدهی محصولات در کوتاه مدت شد، اما در بلند مدت ماندگار (sustainable) نبود. ظرفیت تولید زمین­های زراعی تضعیف شده، منابع آب طبیعی کم شده و هم­چنین با آفت­کش­های خطرناک و کودهای شیمیایی آلوده شده که همگی موجب تهدید بقای تمامی شکل­های زندگی روی زمین می­شود. بنابراین تاکید اصلی توسعه کشاورزی در قرن حاضر، به استفاده ماندگار از منابع زمین، آب و منابع گیاهی در کشاورزی تغییر یافته است. امروزه هدف اصلی کشاورزی حداکثر بهره­وری از زمین و آب بدون تهدید محیط زیست و منابع طبیعی است.

به عنوان اولویت اول، نقش­ اصلی کشاورزی، تامین غذا و امنیت است. با این حال، روندهای نوظهور، افزایش نقش مرتبط با مدیریت و حفاظت از خاک و آب را نشان می­دهد. با توجه به ناهنجاری­های جوی (climatic) جهان، خشکسالی (به علت نباریدن طولانی مدت، کمبود یا توزیع نامناسب بارش) در بسیاری از نقاط جهان در مقیاس­های مختلف از شدت و مدت در طول تاریخ بشریت رخ داده است.

بسیاری از کشورها، آشفتگی قابل توجه ناشی از حوادث خشکسالی، گرسنگی توده مردم (حتی قحطی)، توقف فعالیت اقتصادی (به ویژه در کشورهای در حال توسعه، جایی­که فعالیت اقتصادی به­طور جدایی­ناپذیر و ذاتا به کشاورزی گره خورده) را تجربه کرده­اند.

مطالعه بسپارها با تمرکز بر مواد درشت مولکول طبیعی/ مصنوعی مانند پروتئین­ها، پلی­اکریلات­ها، پلی­آکریل آمیدها و پلی­ساکاریدها به گسترش بسپارهای کشاورزی کمک کرده است. با تلاش­ متمرکز شیمیدانان بسپار، تعدادی از بسپارهای طبیعی/ مصنوعی تجاری در بسیاری از کاربردهای کشاورزی به­طور موفقیت­آمیزی استفاده شده است.

 

بسپارهای عامل­دار شده در کشاورزی

بسپارهای مصنوعی به عنوان مواد ساختاردار برای ایجاد مزیت جوی برای رشد گیاهان (برای مثال خاک­پوش­ها (mulch)، پناهگاه­ها یا گلخانه­ها)، آبیاری، حمل و کنترل توزیع آب نقش مهمی در مصارف کشاورزی ایفا می­کنند. خاک­پوش­ها، لایه‏ای از کاه، خاک‏اره، برگ، ورق پلاستیکی یا خاک سست است که سطح خاک را با آن می‏پوشانند تا از خاک و ریشه­ی گیاهان در برابر اثر قطرات باران، یخ‌بندان، فرسایش (erosion) و تبخیر محافظت شود. با این حال، نیاز اصلی در بسپارهای مورد استفاده در این کاربردها مربوط به خواص فیزیکی آن­ها (مانند انتقال، ثبات، تراوایی یا مقاومت در برابر عوامل جوی یا هوازدگی (weatherability)) به عنوان مواد بی­اثر (inert)، نه به عنوان مولکول­های فعال است. طی چند سال گذشته، علم و فناوری بسپارهای عامل­دار واکنش­پذیر به عنوان یکی از هیجان­انگیزترین حوزه­های شیمی بسپار برای تولید مواد بهبود یافته، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. آن­ها کاربردهای گسترده­ای به خاطر واکنش­پذیری مواد دارای گروه­های عامل­دار فعال و خواص مشخصه مولکول­های بسپار یافتند.

 

زیواکُش­ها و علف­کش­های بسپاری

 اخیرا به منظور جلوگیری یا کاهش عوارض جانبی استفاده از عوامل فعال زیستی، روش جدیدی برای ترکیب­بندی رهایش کنترل شده طراحی شده است. هدف از این روش، محافظت از مقدار موجود عامل، امکان رهایش خودکار عامل در آهنگ­های کنترل شده و حفظ غلظت آن در حد مطلوب در طول یک دوره زمانی مشخص است. دو روش مختلف برای ترکیب عوامل زیستی با بسپارها وجود دارد. یکی به صورت ترکیب فیزیکی (دربرگیری (encapsulation) یا پراکنش ناهمگن) که به عنوان یک ابزار کنترلی سرعت عمل می­کند یا به صورت ترکیب شیمیایی که به عنوان یک حامل برای عامل عمل می­کند.

زیواکُش (biocide)، ماده‌ای سمی است که می‌توان از آن برای از بین بردن موجودات زنده استفاده کرد. زیواکُش بسپاری دارای مزایای بالقوه زیادی است که عبارتند از: استفاده از مقادیر کمتر نسبت به زیواکُش­های رایج، زیرا مقدار موردنیاز عامل فعال در طول مدت طولانی آزاد می­شود؛ کاهش دفعات استفاده، زیرا فعالیت طولانی مدت دارد؛ حذف زمان و هزینه­های تکراری نسبت به دفعات بیشتر مصرف؛ کاهش سمیت، زیرا نیاز به توزیع گسترده­ای از مقادیر زیاد زیواکُش را در محیط زیست حذف می­کند؛ کاهش تبخیر و تخریب ناشی از نیروهای محیطی یا آب­شویی (leaching) از طریق ورود باران به خاک یا آب­راه­ها به دلیل ماهیت درشت­مولکولی آن­ها؛ مدت زمان فعالیت کمتر یا موقتی زیواکش­ها که تحت محیط آبزی (aquatic) ناپایدار هستند و از این رو کاربری را بهبود می­دهد؛ کاهش سموم زیستی با کاهش تحرک زیاد زیواکُش­ها در خاک و در نتیجه کاهش میزان ­ماندن آن در شبکه غذایی؛ تنوع انتخاب علف­کش برای محصولات بیشتر با فراهم آوردن مقدار پیوسته علف­کش در سطح کافی برای کنترل علف­های هرز بدون آسیب رسیدن به محصول.

آهنگ رهایش گروه فعال از بستر بسپار و درنتیجه طول مدت اثربخشی آن تحت تاثیر مشخصات شیمیایی عوامل فعال، ماهیت عامل فعال پیوند بسپار (مانند استرها، آمیدها، اوره­ها، یورتان­ها، استال­ها) و فاصله عامل فعال از زنجیر اصلی بسپار است. برای دستیابی به افزایش آهنگ رهایش، ممکن است یک گروه دائمی فضاگیر (spacer) برای جلوگیری از ممانعت فضایی نیاز باشد. آهنگ شکست پیوند بین مواد فعال و بسپار (ناشی از عوامل شیمیایی، زیستی یا محیطی مانند UV، رطوبت و ریزاندامگان (microorganisms))، ماهیت شیمیایی زنجیره اصلی، ماهیت شیمیایی گروه­های اطراف بخش­های (moieties) فعال، ابعاد و ساختار مولکول بسپار از طریق درجه بسپارش، هم­تکپارها (comonomer)، حلالیت، درجه اتصالات عرضی و شیمی فضایی (stereochemistry) کنترل می­شود.

مشکل اصلی استفاده از علف­کش­های رایج با دیرپایی (persistent) کمتر که خاصیت بیشتری دارند، استفاده از مقادیر بیش از حد مورد نیاز برای کنترل علف است، زیرا آن­ها در محیط آبزی ناپایدار هستند و نیاز به جبران مقادیر هدر رفته به علت نیروهای زیست محیطی تجزیه نوری (photodecomposition) و آب­شویی دارند. هم­چنین آن­ها برای کارگران مزرعه بسیار سمی هستند و در کاربردهایی که به علت دیرپایی کمتر آن­ها موردنیاز هستند، گران هستند. از طرف دیگر، استفاده از مقادیر زیاد علف­کش­های پایدار به دلیل ورود آن­ها به زنجیره مواد غذایی نامطلوب است.

بعضی از بسپارهای عامل­دار شده حاوی بخش­های آفت­کش به عنوان گروه­های آویزان است که از طریق بسپارش رادیکال آزاد تکپار وینیلی تهیه شده و آهنگ­های آب­کافت (هیدرولیز) آن­ها تحت شرایط مختلف مطالعه شده است. پنتاکلروفنول (PCP) یکی از مواد شیمیایی صنعتی مهم است که به عنوان گروه فعال آفت­کش، یکی از بیشترین زیواکش­های مصرفی در بسیاری از کاربردهای کشاورزی مانند علف­کش­ها، قارچ­کش­ها، راب­کُش­ها (Molluscicide) (آفت‌کشی که از آن برای از بین بردن نرم‌تنان به‌ویژه حلزون‌ها استفاده می‌شود)، حشره­کش­ها، جلبک­کش­ها (algicide) و باکتری­کش­ها (bactericide) است. علاوه­بر این، گروه هیدروکسیل آن نیز وسیله­ی مناسبی برای پیوند کووالانسی به انواع واحدهای قابل بسپارش فراهم می­کند.

یک سِری از تکپارهای وینیلی حاوی PCP از طریق اتصال استر تهیه شده است. این تکپارها با استایرن و 4-وینیل پریدین همگن (homo) و هم­بسپارش می­شوند تا ماهیت آب­دوستی و آب­گریزی به بسپار دهند. در تحقیقی، آهنگ رهایش PCP از بسپارها در چهار محیط مختلف (آب، 4 =pH، 10 = pH و دیوکسان آب) و در دمای 30 درجه سانتی­گراد مطالعه شد. نتایج نشان داد که آهنگ رهایش با افزايش میزان آب­دوستی افزايش مي­يابد.

علف­کش­هاي بسپار حاوي بخش­های فعال يوني که به گروه­هاي نمک آمونيوم متصل هستند، نیز بررسي شدند تا نشان داده شود واکنش­پذیری که بسپارها نشان می­دهند از طریق تغییر شیمیایی ماهیت پیوند و مشخصات شیمیایی ساختار عامل فعال است. علاوه­بر PCP، علف­کش­هایی با مصارف عمومی نیز وجود دارند که شامل یک گروه عاملی برای پیوند با بستر بسپار است، مانند اسید 4،2- دی­کلروفنوکسی استات، اسید 2-متیل 4-کلروفنوکسی استات و 4،2- دی­نیترو 6-متیل فنل.

مشکل اصلی استفاده از علف­کش­های بسپار، مقدار زیاد کنترل مواد بی­اثر است که باید به عنوان حامل برای علف­کش­ها استفاده شود و دفع مواد باقی­مانده علف­کش است که می­تواند برای خاک و گیاه مضر باشد. برخی از تلاش­ها برای کاهش این مشکل، عمدتا بر پایه اتصال آفت­کش­ها به حامل­های زیست­تخریب­پذیر با ساختارهای مشابه با بقایای کشاورزی متشکل از پلی­­ساکاریدها مانند پوست درخت، خاک اره، سلولز و دیگر ضایعات سلولزی است. با این حال، معایب اصلی استفاده از چنین بسپارهای طبیعی، مشکلات اصلاح شیمیایی آن­ها است. از این رو استفاده از مقادیر زیاد چنین بسپارهای زیست­فعالی (Bioactive) معمولا برای کنترل گیاه علفی ضروری است. ماهیت آب­دوست و شبکه­ای این بسپارها منجر به آهنگ سریع­تر از تجزیه آ­بکافتی آفت­کش آویزان می­شود. عامل دیگر، فساد سریع آن­ها در خاک از طریق زیست تخریب­پذیری و درنتیجه تخریب بستر بسپار در یک دوره کوتاه مدت است که منجر به کوتاه­تر شدن اثربخشی علف­کش می­شود.

به منظور از بین بردن و یا حداقل شدن معایب استفاده از مقادیر بیش از حد بسپارهای بی­اثر به عنوان حامل، علاوه­بر معایب استفاده از کودهای حاوی نیتروژن قابل حل، اخیرا سامانه­ رهایش کنترل شده دوجزئی کود-علف­کش استفاده شده است. این سامانه­ مبتنی بر استفاده از بسپارهای مناسب به عنوان حامل­هایی است که در آن محصولات باقی­مانده پس از تخریب بسپار، به عنوان کود عمل کرده و برای رشد گیاه و خاک مفید می­شود. برای مثال، مشتقات علف­کش از آمیزه­های دوعاملی تهیه شده و تحت شرایط بسپارش تراکمی بسپارش شده­اند. تلاش دوم بر پایه اتصال علف­کش به هیدروژل­های بسپار است تا مشخصه­ی قلیایی خاک را تغییر دهد. علاوه­بر وظیفه اولیه این بسپارها برای کنترل آهنگ رهایش علف­کش­ها، آن­ها هم­چنین می­توانند نقش مهمی در افزایش حفظ آب در خاک با جلوگیری از آب­شویی سریع آن ایفا کنند. از این رو، استفاده از چنین سامانه­ رهایش کنترل شده دوجزئی علف­کش- نگهدارنده آب می­تواند به طور مثبتی به تغییر آبیاری کشاورزی رایج، به ویژه برای خاک شنی، منجر شود.

 

(ادامه دارد …)

 

متن کامل این مقاله را در شماره 189ام ماهنامه بسپار که در نیمه خرداد ماه منتشر شده است بخوانید. 

 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد.