تشکیل ماده آلی
موجودات زنده از ترکیبات آلی تشکیل شده اند. این موجودات در زمان حیات خود، مواد آلی مختلفی را ترشح یا دفع می کنند و بعد از مرگ نیز، بقایای آن ها به همراه برگ ها و ریشه های گیاهان توسط باکتری ها تجزیه می شوند. در اثر پلیمریزاسیون این مواد تجزیه شده، مولکول های درشت تری به تولید می رسند. ترکیب ماده آلی به منشأ، نحوه تبدیل، سن و محیط فعلی آن بستگی دارد و در نتیجه، خواص فیزیکی و شیمیایی آن ها در محیط های مختلف با یکدیگر متفاوت هستند.
نقش اکوسیستم طبیعی در ماده آلی
ماده آلی در سراسر اکوسیستم وجود دارد و از طریق فرآیندهای میکروبی خاک و تجزیه، به چرخه خود در اکوسیستم و تامین مواد مغذی ادامه می دهند. مواد آلی بعد از تجزیه شدن و شرکت در واکنش های مختلف، به کمک جریان های آبی، در خاک حرکت می کنند. این مواد آلی همانطور که گفته شد در تامین مواد مغذی موجودات زنده، نقش مهمی ایفا می کنند و علاوه بر این، در محلول های آبی، نقش محلول بافر در کنترل pH محیط را به عهده دارند و در خنثی کردن اثر باران های اسیدی بسیار موثر هستند.
چرخه مواد آلی
آب های زیرزمینی، بخش اعظمی از مواد آلی را به خود اختصاص داده اند. زمانی که آب های زیرزمینی سبب اشباع خاک یا رسوبات اطراف آن می شوند، این ماده آلی می تواند آزادانه در بین فازهای مختلف حرکت کند. در نتیجه، آب های زیرزمینی نیز منابع طبیعی مخصوص به خود را در زمینه ماده آلی شامل می شوند که این منابع را می توان در زیر، فهرست کرد:
- رسوبات ماده آلی همچون «کروژن» (Kerogen) و زغال سنگ
- ماده آلی در خاک و رسوبات
- ماده آلی که از طریق رودخانه ها، دریاچه ها و سیستم های دریایی به زیر سطح زمین راه پیدا می کند.
از جمله منابع ماده آلی در آب های زیرزمینی، ماده آلی خاک (SOM) و ماده آلی رسوبی است. روند اصلی حرکت مواد آلی در خاک به کمک آب های زیرزمینی انجام می گیرد اما ماده آلی موجود در خاک نیز به آب های زیرزمینی راه پیدا می کند. بیشتر مواد آلی موجود در رودخانه ها، دریاچه ها و آب های سطحی ناشی از فرسایش مواد در آب و خشکی های اطراف آن است.
چنین حرکت هایی سبب تشکیل چرخه های مختلف می شود که در چرخه های کربن و آب به این موضوعات پرداخته شده است. موجودات زنده به ماده آلی تجزیه می شوند و به طور مجدد به طبیعت برمی گردند. برخی از این مواد آلی مهاجرت نمی کنند و تنها در طی میلیون ها سال، جابجایی های کمی را انجام می دهند.
ماده آلی خاک
ماده آلی موجود در خاک، ناشی از گیاهان، جانوران و موجودات زنده است. به طور مثال، در جنگل ها، شاخ و برگ های درختان به سطح جنگل ریخته می شوند و بخشی از ماده آلی را به خود اختصاص می دهند. زمانی که این مواد به گونه ای تجزیه شوند که نتوان شکل قبل آنها را شناسایی کرد، می توان نام ماده آلی را به آن ها نسبت داد. هنگامی که ماده آلی به مواد پایدارتر و مقاوم تری در برابر فرسایش تبدیل (شکسته) شد، به آن «گیاخاک» (Humus) می گویند. بنابراین، ماده آلی خاک، به تمامی مواد آلی موجود در خاک، به جز مواد تجزیه نشده اطلاق می شود.
از جمله مزایای ماده آلی خاک این است که ظرفیت خاک را برای نگهداری آب و مواد غذایی افزایش و سرعت آزادسازی این مواد را کاهش می دهد. به همین دلیل، شرایط بهتری برای رشد گیاهان فراهم می شود. از جمله مزایای دیگر گیاخاک این است که سبب چسبندگی مواد خاک به یکدیگر خواهد شد. با این کار، کرم های خاکی و باکتری ها، ساده تر می توانند مواد مغذی داخل خاک را تجزیه کنند.
راه های مختلفی برای افزایش ناگهانی مقدار گیاخاک وجود دارد. ترکیب کردن کمپوست، گیاهان و پسماند و فضولات جانوری و همچنین اضافه کردن کود تازه (کود سبز)، مقدار گیاخاک را افزایش می دهد.
اثر تحریکی
«اثر تحریکی» (Priming Effect) یا اثر انگیختگی، با تغییر شدید فرآیندهای طبیعی تشکیل (بازده) ماده آلی خاک مشخص می شود که این امر به کمک تحریک خاک انجام پذیر است. این فرآیند در اثر تغییرات پیوسته یا مقطعی (پالسی) ورود مواد آلی تازه (FOM) به خاک صورت می گیرد. بعد از اضافه شدن FOM، میکروارگانیسم هایی رشد می کنند که سبب تجزیه مواد جدید می شوند. اثر تحریکی، بسته به واکنش خاک با مواد اضافه شده، می تواند منفی یا مثبت باشد.
اهمیت ماده آلی خاک
خاک حاصلخیز و سالم برای رشد گیاهان، حیوانات و انسان ها بسیار حیاتی است که ماده آلی خاک، اولین سنگ بنای این فرآیند را تشکیل می دهد. در حقیقت، ممکن است یک گیاه به کمک خاک و بدون مواد آلی اضافه شده رشد کند اما به منظور بهره وری بیشتر و بهتر باید از ماده آلی خاک کمک گرفت.
مواد مغذی گیاه
گیاهان برای رشد خود به ۱۸ عنصر شیمیایی نیاز دارند که برخی از مهم ترین آن ها عبارتند از: کربن، هیدروژن، اکسیژن، فسفر، پتاسیم، گوگرد، آهن، روی، مس و کلر. گیاهان کربن را از دی اکسیدکربن و اکسیژن را از هوا دریافت و سایر عناصر را از خاک دریافت می کنند. دسترسی این مواد به طور مستقیم یا غیر مستقیم از طریق ماده آلی خاک تامین می شود.
بخش زنده ماده آلی در خاک
بخش زنده ماده آلی شامل تنوع عظیمی از میکروارگانیسم ها اعم از باکتری، ویروس، جلبک و جانواران تک سلولی هستند. حتی ریشه ها درختان و حشرات به همراه حیوانات خاکی همچون موش کور، بخش زنده مواد آلی در خاک را تشکیل می دهند که در حدود ۱۵ درصد از کل این ماده در خاک را شامل می شوند. میکروارگانیسم ها، کرم های خاکی و حشرات از پسماند ها و کودهای خاک برای تامین انرژی و مواد مغذی تغذیه می کنند. در چنین فرآیندی، ماده آلی با خاک معدنی مخلوط می شود. علاوه بر این، چنین موجوداتی، مواد مغذی موجود را بازیافت می کنند.
مواد چسبناک بر روی پوست کرم ها و سایر مواد تولید شده توسط قارچ ها سبب چسبیدن مواد مختلف و تشکیل پیوند در آن ها خواهند بود. در نهایت، با این کار، توده پایداری از خاک تشکیل خواهد شد تا ساختار بهتری برای خاک فراهم شود. به طور مثال، با حرکت کرم های خاکی و ایجاد چنین ساختارهایی، کانال هایی در خاک ایجاد خواهد شد که امکان گذردهی آب را فراهم می کنند.
بسیاری از این موجودات نیز انرژی خود را از طریق شکستن پسماندهای آلی در خاک بدست می آورند و از انرژی ذخیره شده برای تولید مواد شیمیایی و سلول های جدید بهره می گیرند. اما سوالی که پیش می آید این است که در مرحله اول، این انرژی چطور در مواد آلی ذخیره شده است. در حقیقت باید گفت گیاهان سبز با دریافت انرژی از نور خورشید و در اثر فتوسنتز، اتم های کربن را به مولکول های بزرگتری تبدیل می کنند و در اثر تجزیه این مولکول ها، انرژی بسیار زیادی تولید می شود.
کربن سیاه
نوع دیگری از ماده آلی که در سال های اخیر، توجه بیشتری را به خود جلب کرده، موسوم به کربن سیاه است. تقریبا در همه خاک ها، مقادیری از زغال را می توان یافت که در نتیجه آتش سوزی های گذشته تولید شده اند. علاقه به بررسی زغال سبب مطالعه خاک های شامل زغال، تحت عنوان «زمین سیاه » (Dark Earth) شد. این خاک ها که رنگ تیره تری نیز دارند، حاوی مواد مغذی بیشتری در خاک هستند.
شناسایی ماده آلی
سنجش های مواد آلی به طور کلی شامل اندازه گیری ترکیب آلی یا کربن می شود و در نتیجه، تنها تقریبی از مقدار ماده تجزیه شده خواهند بود و منشا ماده در نظر گرفته نمی شود. به عبارت دیگر، تمامی ترکیبات آلی از موجودات زنده بوجود نیامده اند و موجودات زنده نیز تنها مواد آلی از خود به جای نمی گذارند. به طور مثال، پوسته یک صدف، کربن آلی زیادی در خود ندارد و نمی توان آن را به عنوان یک ماده آلی در نظر گرفت. در مقابل، اوره یکی از ترکیبات آلی است که بدون فعالیت های زیستی و در آزمایشگاه نیز قابلیت تولید (سنتز) دارد.
ماده آلی، ساختاری پیچیده و ناهمگن دارد. به طور کلی، این ماده به لحاظ وزنی شامل مواد زیر است:
- کربن: ۴۵-۵۵ درصد
- اکسیژن: ۳۵-۴۵ درصد
- هیدروژن: ۳-۵ درصد
- نیتروژن: ۱-۴ درصد
وزن های مولکولی این ترکیبات، بسته به امکان پلیمریزاسیون مجدد، تغییرات بسیار زیادی دارند. در حدود یک سوم کربن موجود را می توان در ترکیبات آروماتیک یافت کرد که شامل حلقه های شش عضوی هستند. این حلقه ها به دلیل ساختار رزونانسی، پایداری بسیار زیادی دارند و شکسته شدن آن ها دشوار است. همچنین، این حلقه های آروماتیک به دلیل برهم کنش های هسته دوست یا الکترون دوست و انجام فرآیند پلیمریزاسیون، مولکول های بزرگتری از ماده آلی را می سازند.
علاوه بر این، واکنش های دیگری نیز بین ماده آلی و سایر مواد در خاک رخ می دهند که ترکیبات جدید را بوجود می آورند. البته از آن جایی که اطلاعات بشر در خصوص منشا این مواد کافی نیست، مشخصه سازی چنین ترکیباتی با دشواری های زیادی همراه و به همین دلیل، تحقیقات بسیاری پیرامون این موضوع در حال انجام است.
ماده آلی در آب
ماده آلی آبی را به دو گروه تقسیم می کنند:
- ماده آلی حل شده (DOM)
- ماده آلی ذره ای (POM)
این ماده نقش مهمی در تصفیه آب و فاضلاب، اکوسیستم، کِشت آبی و بهبود محیط زیست دارد. به همین دلیل باید نسبت به توسعه روش های رصد کوتاه مدت و بلند مدت در شناسایی و مشخصه سازی ماده آلی، اقداماتی انجام داد. برای شناسایی این مواد از انواع روش های طیف سنجی همچون طیف سنجی مادون قرمز و NMR کمک می گیرند.
تصفیه آب
همانطور که پیش تر ذکر شد، وجود ماده آلی سبب نگهداری آب در خاک می شود که از جمله نقاط قوت آن به شمار می آید. همین امر برای تصفیه آب، مشکلاتی به همراه خواهد داشت. در آب، مولکول های آلی با یون های فلزی و مواد معدنی پیوند تشکیل می دهند. چنین پیوندهایی در فرآیند تصفیه آب از بین نمی روند. با وجود این که این پیوندها برای انسان، گیاهان و جانوران خطرناک نیست اما به دلیل واکنش پذیری بالای ماده آلی، «فرآورده های فرعی» (by-Product) حاصل، هیچ ماده مغذی به همراه ندارند.
این فرآورده های فرعی موجب تشکیل «رسوب های زیستی» (Biofouling) و گرفتگی سیستم فیلتراسیون در تاسیسات تصفیه آب می شوند زیرا اندازه این فرآورده ها از اندازه غشای فیلترها بزرگ تر هستند. برای رفع این مشکل از ضدعفونی با کلر بهره می گیرند تا ساختار این مواد شکسته شود اما همین کار نیز فرآورده های فرعی دیگری تولید می کند.
آب های شامل ماده آلی را می توان به کمک واکنش های رادیکالی اوزون، ضدعفونی کرد چراکه اوزون، خاصیت اکسندگی بالایی دارد و به هنگام تجزیه، رادیکال های هیدروکسیل تشکیل می دهد که با ماده آلی برای رفع رسوب زیستی واکنش خواهد داد.
آموزش فصل چهارم شیمی دهم به همراه نمونه سوال
