ارزیابی جنبه‌های استفاده از پلیمرها در کشاورزی پایدار

 

 

                                                   فصلنامة آماد و فناوری دفاعی، سال هفتم، شمارۀ 2 (پیاپی 22)، تابستان 1403

 

ارزیابی جنبه‌های استفاده از پلیمرها در کشاورزی پایدار

حمید اله‌دادی[1]، حجت‌اله لطیف‌منش‌_*[2]، مصطفی نجات‌الهی[3]

تاریخ دریافت: 7/12/1402                                                                  پذیرش مقاله: 27/01/1403

      

چکیده

کشاورزی یکی از مهم‌ترین بخش‌های اقتصاد جهانی است که غذا، خوراک، فیبر و سوخت را برای جمعیت جهان فراهم می­کند. با افزایش جمعیت، تقاضا برای محصولات کشاورزی درحال افزایش است. جهت پاسخگویی به این تقاضا، نیاز به فناوری‌های نوظهور ضرورت دارد؛ زیرا عملکرد محصول را افزایش دهد، تلفات محصول را کاهش داده و اثرات زیست‌محیطی را به حداقل برساند. یکی از این فناوری­ها، استفاده از پلیمرها در کشاورزی است. پلیمرها، مولکول‎های بزرگی هستند که از واحدهای تکرار شونده به نام مونومر تشکیل شده­اند و خاصیت مکانیکی و شیمیایی گوناگونی دارند که به هدف کاربردهای چندگانه تولید می‌شوند. لذا مقاله حاضر دارای رویکرد توصیفی-تحلیلی است و از روش کتابخانه‌ای برای گردآوری اطلاعات و تجزیه وتحلیل داده‌ها جهت توصیف اثرات پلیمرها در فعالیت‌های کشاورزی براساس جنبه‌های محیط زیست استفاده شده است؛ به­طوری­که روابط اصلی و متقابل در استفاده از پلیمرها در کشاورزی را نشان می‌دهد. در این نوشتار حاضر برخی از جنبه‌های مهم کاربرد پلیمرها در کشاورزی را که از منظر زیست‌محیطی، اجتماعی و اقتصادی در کشاورزی پایدار مورد توجه هستند، ازجمله: اصلاح خاک، جلوگیری از فرسایش خاک، بهبود رشد گیاه، افزایش جوانه‌زنی، کنترل بیماری، تحول کنترل شده مواد شیمیایی در مزرعه، جذب بیولوژیکی پلیمری، بسته­بندی محصولات کشاورزی و سیستم‌های تحویل نانو را مورد واکاوی قرار می‌دهد.

واژگان کلیدی:  اگروپلیمر، تغییرات اقلیمی، راندمان مصرف آب، کشاورزی پایدار، محیط‌زیست.

 

 

 

 

1. مقدمه

10

10

10

تغییرات اقلیمی و افزایش درخواست جهانی برای آب به‌دلیل افزایش جمعیت، واقعیتی انکارناپذیر است؛ برای استفاده از آبِ محدود قابل‌دسترس بین بخش‌های شهری، صنعتی و کشاورزی رقابت وجود دارد. از طرفی تنش ‌کم‌آبی از مهم‌ترین عوامل محدودکننده رشد و بهره‌وری محصولات زراعی است. بیش از هفتاد درصد آب شیرین سراسر زمین، برای کشاورزی استفاده می‌شود. تا سال 2050م. برای تغذیه جمعیت جهانی بیش از نه میلیارد نفری، نیاز به افزایش پنجاه درصدی تولیدات کشاورزی (بانک جهانی[4]، 2020) و پانزده درصدی برداشت آب وجود دارد.

استفاده از آخرین دستاوردهای تکنولوژی‌ برای افزایش بهره‌مندی از آب و مواد مغذی در طول زمان بسیار ضروری به نظر می­رسد؛ به‌خصوص در نواحی خشک که با محدودیت دسترسی به آب مواجه هستند. پلیمرها کارکرد ویژه‌ای در بخش کشاورزی دارند، چراکه به‌عنوان مواد ساختاری با ایجاد میکرو اقلیم مفید برای رشد گیاهان و افزایش راندمان آب آبیاری استفاده می‌شوند، و در راستای کاهش اثرات خشکی بر گیاهان زراعی و باغی، با روش‌های مختلف و با هدف نگهداری ذخیره رطوبتی و افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک مورد استفاده قرار می­گیرند. از جمله اقدامات مؤثر در این زمینه، کاربرد پلیمرهای سوپرجاذب است. پلیمرهای سوپر جاذب، سلول‌های آب‌دوستی هستند که پس از جذب آب در اثر خشک‌شدن تدریجی محیط، آب درون آنها به آرامی تخلیه شده و بدین ترتیب خاک برای مدت زمان طولانی­تری مرطوب می­ماند. جذب سریع آب و حفظ آن توسط سوپرجاذب‌ها، بازده جذب آب ناشی از بارندگی‌های پراکنده را بهبود می­بخشد و این امر، کاهش نیاز به آبیاری را به همراه دارد (یوسفی­فرد و همکاران،1390).

در دهه اخیر، هیدروژل‌ها به‌طور وسیعی جهت بهبود دسترسی به آب مورد نیاز گیاهان به‌کار می‌روند. استفاده از پلیمرهای هیدروژل، راهبردی مطلوب برای افزایش راندمان مصرف آب و کود است؛ به‌گونه‌ای که چندین برابر وزن خود، آب را جذب و ذخیره کرده و به‌عنوان مخزنی برای عدم هدر روی آب و افزایش قدرت آبیاری عمل می‌کنند. این ماده قابلیت جذب آب به میزان حداقل 20 برابر وزن خود را دارا است. البته مقدار جذب آب پلیمرها بسته به فرمولاسیون و میزان ناخالصی متفاوت می­باشد (قوشچی، 1394). مزایای دیگر سوپرجاذب‌ها علاوه بر افزایش حفظ آب، شامل موارد زیر می‌باشد:

• حفظ دسترسی به مواد غذایی برای مدت طولانی،
• کاهش تعداد دفعات آبیاری،
• دسترسی یکنواخت آب به گیاهان،
• تقویت رشد ریشه،
• کاهش شستشوی مواد غذایی در خاک،
• بهبود کارایی مصرف کودهای شیمیایی،
• افزایش تهویه خاک،
• افزایش امکان کاشت گیاهان در مناطق بیابانی و سطوح شیب­دار،
• افزایش فعالیت ریزجانداران خاکزی،
• تقویت تخلخل و افزایش پایداری خاک (خرمدل و همکاران، 1392).

در این مطالعه، ضمن ارائه تصویری جامع پیرامون انواع پلیمرهای مورد استفاده و اهداف کاربرد آنها در جنبه‌های متعدد کشاورزی، به بررسی کاربردهای کمتر شناخته‌شده و چشم‌اندازهای گوناگون این فناوری پرداخته می‌شود.

 

2. روش‌شناسی تحقیق

این تحقیق از نوع توصیفی- تحلیلی است که درباره انواع، جایگاه، نقش و اثرات استفاده از پلیمرها در حوزه کشاورزی و تأثیر آنها در تخریب و یا تقویت محیط­زیست می­پردازد؛ به‌گونه‌ایی­که نتایج آن می‌تواند در تدوین الگویی راهبردی جهت مدیریت حوزه کشاورزی در سطح داخلی و بین‌المللی مؤثر باشد.

جهت یافتن پاسخ سؤالات این پژوهش، از جمله انواع پلیمرهای مورد استفاده در کشاورزی بر اساس خواص، پلیمرهای مورد استفاده با هدف نگهداری آب در زمین‌های کشاورزی، کاربردهای مختلف پلیمرها در کشاورزی و... از روش‌های کیفی نظیر تحقیق با رویکردی تفسیرگرا استفاده گردید و برای یافتن پاسخ مناسب در متن مقالات مرتبط از نرم‌افزار mendeley بهره گرفته‌شده است.

جهت تدوین ادبیات و چهارچوب نظری، از مطالعه اسنادی و کتابخانه‌ای تخصصی استفاده شده است. سپس جهت تجزیه‌و‌تحلیل داده‌های گردآوری شده، روش مقایسه تطبیقی و ذهنی مورد استفاده قرار گرفت و جمع­بندی نتایج مورد نظر در این زمینه ارائه شد.

 

3. تجزیه‌وتحلیل داده‌های کیفی و یافته‌های پژوهش

3-1. پلیمرهای رایج در کشاورزی؛ انواع، خواص و کاربردها

3-1-1. پلیمرهای زیست تخریب­پذیر

پلیمرهای زیست تخریب­پذیر (واتنابه و همکاران[5]، 2009) ازجمله پلیمرهایی هستند که می­توانند توسط ریزجانداران موجود در محیط‌ زیست تجزیه شوند. «کاهش ضایعات و آلودگی در محیط زیست» از نتایج استفاده از آنها است. پلیمرهای زیست تخریب­پذیر در کشاورزی برای کاربردهایی مانند مالچ کردن، فیلم، پوشش بذر و تثبیت خاک استفاده می‌شوند.

تجزیه مواد شیمیایی توسط موجودات زنده در محیط به‌عنوان تجزیه زیستی شناخته می‌شود، که در آن ترکیبات به اشکال معدنی تبدیل می‌شوند و از طریق چرخه‌های کربن، نیتروژن و گوگرد توسط فعالیت‌های ریزجانداران توزیع مجدد می‌شوند (واتنابه و همکاران، 2009). پلیمرهای مصنوعی که در مواد شیمیایی کشاورزی هوشمند یا سوپرجاذب استفاده می‌شوند، باعث ایجاد مقادیر زیادی زباله غیرقابل تجزیه زیستی و آلودگی خاک می‌شوند. مطالعاتی با اشاره به فرآیندهای تجزیه پلیمرها در خاک و محیط آبی منتشر شده است (شاه و همکاران[6]، 2008). بااین‌حال، گزارش­های کمی در مورد تجزیه پلیمر از مواد شیمیایی کشاورزی محصور شده در یک ماتریس پلیمری ارائه شده است. به‌علاوه، برای یافتن پلیمری با کنترل رهاسازی طولانی و با نرخ بالای تجزیه زیستی در شرایط مزارع کشاورزی، مشکلاتی ذکر شده است (واتنابه و همکاران، 2009).

برخی گزارش‌ها، تجزیه زیستی پلیمر مورد استفاده در رهایش کنترل‌شده داروها را ارائه می‌دهند (ریتگر و پپاس[7]، 1987). مطالعات تجزیه زیستی بر روی پلیمرهای سوپرجاذب نیز انجام شده است (یی و همکاران[8]، 2004) یک ماده فوق‌جاذب تجزیه‌پذیر بر اساس پلیمر مبتنی بر سیلیکات اکریلیک تهیه کردند. آن‌ها یک فرآیند هیدرولیز از پیوندهای Si-O-C در محلول آبی پیشنهاد کردند که هیدروژل‌های هیبریدی را در عرض چند روز تجزیه می‌کند (استال و همکاران[9]، 2000). آن‌ها میزان تجزیه‌پذیری زیستی کوپلیمرهای سوپرجاذب ساخته شده از پلی‌آکریل آمید و پلی آکریلات خالص را در خاک مورد مطالعه قرار دادند. این گروه، درجه تجزیه‌پذیری زیستی را بر اساس کانی‌سازی پلیمرها تخمین زدند و CO2 آزاد شده توسط واکنش‌های تجزیه زیستی را اندازه گرفتند.

گزارش شده است پلیمر زیستی پلی گلیکولیک اسید[10] (PGA) بهترین استحکام کششی و مدول الاستیسیته را دارد، اما درصد کشیدگی کمتری در هنگام شکست دارد (ستیاناریانا و همکاران[11]، 2009). پلیمرهایی که از پلی (بوتیلن آدیپات-کو-ترفتالات)[12]، پلی (بوتیلن سوکسینات/آدیپات)[13] و پلی (ای-کاپرولاکتون)[14] ساخته شده‌اند، زیست تخریب‌پذیر هستند؛ زیرا دارای زنجیره‌های کربنی مستعد تجزیه آنزیمی هستند (گنتارد و همکاران[15]،2018).

انتخاب ضایعات کشاورزی مناسب بر اساس معیارهای اولیه زیر است:

• محتوای نشاسته،
• سلولز، لیگنین و محتوای همی‌سلولز،
• فراهمی زیستی و تأثیر بر زنجیره تأمین کشاورزی و امنیت غذایی،
• پیچیدگی مسیرهای مصنوعی و خواص مواد مورد نظر،
• امکان تجزیه زیستی (نونس و همکاران[16]، 2020)

داده‌های تجربی نشان می‌دهند تولید پلیمرهای زیستی شامل یک مبادله بین محتوای سلولز و سرعت تجزیه زیستی است. سلولز گیاهی سرعت تجزیه زیستی را محدود می‌کند اما مقاومت مکانیکی لایه‌های پلیمری را افزایش می‌دهد. پایداری پلاستیک‌های زیستی به مجموعه‌ای از عوامل و معیارها بستگی دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند به شرح زیر هستند:

• در دسترس بودن مقادیر قابل دوام تجاری از مواد اولیه تجدید‌پذیر و ضایعات کشاورزی،
• مسیرهای تولید مقیاس‌پذیر و آسان،
• هزینه و رقابت با پلیمرهای مصنوعی،
• عمر مفید آنها و طول دوران تجزیه زیستی/پایان عمر.

به‌طور کلی، دو چالش ذاتی مرتبط با تولید پلیمرهای زیستی وجود دارد؛

اول) ظرفیت تولید پایین است و نمی‌تواند با تولید پلاستیک‌های تجدیدناپذیر که تولید آن 400 میلیون تن برآورد شده است، برابری کند.

دوم) فناوری‌های فعلی محدود و ناکافی هستند، هیچ پلیمر 100 درصد زیست تخریب‌پذیر با خواص مکانیکی بهینه وجود ندارد (وکس و همکاران[17]، 2016).

 

3-1-2. پلیمرهای سوپرجاذب

 پلیمرهای سوپرجاذب (یی و همکاران، 2004) می­توانند مقادیر زیادی آب را جذب کرده و در خود نگه دارند؛ که آنها را برای کاربردهایی مانند حفظ آب در خاک و رهاسازی کنترل شده کودها و آفت­کش­ها مفید می­سازد. پلیمرهای سوپرجاذب[18] (SAP) را می‌توان تحت‌عنوان پلیمرهای جاذب، ژل‌های جاذب آب، ژل‌های آب یا هیدروژل­ها نیز معرفی کرد که می­توانند طبیعی مانند کیتوزان، آلژینات، کلاژن، دکستران، سلولز، کیتین یا مصنوعی مانند اسید اکریلیک، اسید متاکریلیک، پلی اتیلن گلیکول، وینیل استات، پلی وینیل الکل و اکریلات­های مختلف باشند (احمد[19]، 2015). آن‌ها درشت مولکول‌‌هایی هستند که قابلیت تجمع بیش از حد آب تا 100 برابر وزن خود را دارند. همچنین، SAPها اغلب برای بهبود ویژگی‌های بافت خاک استفاده می‌شوند. آن‌ها عمدتاً از مواد رطوبت‌سنجی مانند قند ساخته ‌شده‌اند که در تماس با آب، به یک ژل شفاف تغییر می‌یابند (هیوترمان و همکاران[20]، 2009). لذا با توجه به نقش چشمگیر این پلیمرهای سوپرجاذب در افزایش کارایی مصرف آب، به‌طور گسترده­ای در حال استفاده هستند (چانگ و همکاران[21]، 2020)

هیدروژل­ها شبکه­های پلیمری متقاطع هستند که می­توانند مقادیر زیادی آب را جذب و در خود نگه دارند. آنها در کشاورزی برای کاربردهایی مانند حفظ آب خاک، پوشش بذر و به عنوان حامل کودها و آفت‌کش­ها استفاده می­شوند. هیدروژل، پلیمر سوپرجاذب به‌عنوان شبکه پلیمری سه‌بعدی با اتصالات عرضی مشخص می‌شود که اغلب از مونومرهای یونی شکل‌ گرفته است و مهم‌ترین ویژگی آن قابلیت تورم در حضور مایعات آبی یا زیستی است (اُلاه و همکاران[22]، 2015).

توانایی نگهداری و تورم آب یک SAP را می‌توان با سازوکار چند مرحله‌ای بیان نمود. مرحله اول هیدراتاسیون گروه‌های آب‌دوست موجود در شبکه پلیمری در پیوندهای قوی با آب است. مرحله بعدی، اتصالات عرضی فیزیکی یا شیمیایی اثر نیروهای اسمزی را که منجر به رقیق‌شدن بی‌نهایت شبکه پلیمری می‌شود، به حداقل می‌رسانند و به همین دلیل، شبکه آب اضافی را در خود نگاه می‌دارد (اُلاه و همکاران، 2015).

SAPها اغلب بر مبنای منشأ، ماهیت اتصال عرضی و سازوکار پاسخگویی آن‌ها دسته‌بندی می‌شوند. بر اساس منشأ، SAP طبیعی، مصنوعی یا ترکیبی هستند. با توجه به ساختمان شبکه‌ای، یک SAP از نظر شیمیایی دارای پیوند متقابل است که پیوندهای کووالانسی بین شبکه‌های پلیمری ایجاد می‌کند و منجر به یک حالت دائمی می‌شود، یا اتصال متقابل فیزیکی که در آن شبکه‌های پلیمری از طریق نیروهای بین‌مولکولی مانند برهمکنش‌های یونی، پیوندهای هیدروژنی یا واندروالسی به هم متصل می‌شوند. یک SAP معمولی تحت محرک‌های محیطی، به‌عنوان‌مثال تغییرات در PH، دما یا میدان الکتریکی، تعادل تورم را تغییر نخواهد داد.

از سوی دیگر، هیدروژل­های با توانمندی پاسخگویی به محرک­های محیطی را هیدروژل هوشمند نام‌گذاری کردند (سامچنکو و همکاران[23]، 2011)، چراکه این مواد تعادل آماس خود را با شرایط محیطی تطبیق می‌دهند. کاربردهای مبتنی بر تورم یا تورم برگشت‌پذیر را می‌توان بر اساس پاسخ‌های شیمیایی، بیوشیمیایی یا فیزیکی مدوله کرد که به شرایط محیطی مانند هدایت یونی بالا، نفوذپذیری بالا و ظرفیت جذب بستگی دارد. شرایط گوناگونی وجود دارد که ممکن است از رشد و عملکرد محصولات ممانعت شود. برخی از آن‌ها عبارتند از:

• توانایی نگهداشت کم‌آب،
• سرعت تعرق بالا،
• شستشوی رطوبت خاک،
• حمله توسط عوامل بیماری‌زای گیاهی.

به همین دلیل استفاده از هیدروژل‌ها در حوزه کشاورزی دارای مزایای متعددی است که در جدول (1) شرح داده شده است.

 

جدول شماره 1. مزایای استفاده از هیدروژل­ها در کشاورزی
ردیف	مزایا	منبع
1	افزایش محتوای رطوبتی خاک	(حیات و علی[24]، 2004)
2	افزایش نفوذپذیری خاک	(عبدالرحیم[25]، 2006)
3	افزایش فواصل آبیاری و به‌حداقل‌رساندن فرسایش خاک و رواناب	(سوجکا و انتری[26]، 2000)
4	افزایش راندمان مصرف آب	(کوپای و همکاران[27]، 2008)
5	افزایش احتباس مواد مغذی در نتیجه انتشار املاح از ذرات پلیمر هیدروژل و تأخیر در انحلال کودها	(وانگ و وانگ[28]، 2009)
6	بهبود حفظ آب در انواع مختلف خاک	(هان و همکاران[29]، 2010)
7	بهبود عملکرد رشد محصول تحت شرایط آبیاری کاهش‌یافته	(کوپای و اسدکاظمی[30]، 2006)
8	بهبود زهکشی خاک	(اختر و همکاران[31]، 2004)
9	کاهش تمایل به فشردگی خاک	(اکوبیف و همکاران[32]، 2011)

 

3-1-3. پلی‌آکریل آمید

 «پلی‌آکریل آمید» یک پلیمر محلول در آب است (استال و همکاران، 2000) که برای تثبیت خاک و کنترل فرسایش استفاده می­شود. این پلیمر می­تواند ساختار خاک را بهبود بخشد، رواناب آب را کاهش دهد و نفوذ آب در خاک را افزایش دهد.

پلی آکریل آمید (PAM) نه تنها به‌عنوان یک اصلاح کننده ساختاری خاک، تشکیل خاکدانه­ها را تقویت می­کند و ساختار خاک را بهبود می­بخشد، بلکه رواناب سطحی را کاهش داده و همچنین هدر روی مواد غذایی را تقلیل می­دهد (گرین و همکاران[33]،2004؛ سپسکاه و بازرشن[34]، 2006). توانایی خاکدانه در جذب مواد مغذی را افزایش داده و این‌کار از طریق زیر انجام می‌شود:

• ایجاد ساختار سنگدانه مصنوعی را بهبود می‌بخشد؛
• باعث بهبود پایداری آب در ساختار خاکدانه­ها می‌گردد،
• در نهایت، این امر با مهار از دست دادن مواد مغذی توسط رواناب، بهبود نرخ بهره­وری استفاده از کود را به همراه دارد (فلانگان و همکاران[35]، 2002؛ هیو و همکاران[36]، 2022)

 

3-1-4. بیوپلیمرها

«بیوپلیمرها» مواد پلیمری هستند که از منابع تجدیدپذیر مانند گیاهان، حیوانات و ریزجانداران تولید می­شوند (ژانگ[37] و همکاران، 2022). پلیمرهای زیستی از واحدهای مونومری تشکیل شده‌اند که به صورت کووالانسی پیوند می‌خورند تا یک مجموعه بزرگ‌تر را تشکیل دهند. سه دسته اصلی از پلیمرهای زیستی وجود دارد که بسته به واحدهای مونومر مورد استفاده و ساختار بیوپلیمر تشکیل شده طبقه‌بندی می‌شوند:

• پلی پپتیدها که پلیمرهای کوتاه اسیدهای آمینه هستند.
• پلی نوکلئوتیدها (RNA و DNA) که پلیمرهای بلندی هستند که از مونومرهای نوکلئوتیدی تشکیل شده­اند.
• پلی ساکاریدها که اغلب دارای ساختار کربوهیدرات پلیمری با پیوند خطی هستند (شانکار و همکاران[38]، 20166؛ شانکار و ریم[39]، 2016)

نمونه­های دیگر بیوپلیمرها عبارتند از؛ «لیگنین»، «ملانین» و «سوبرین». پلیمرهای زیستی را می­توان بسته به منشأ بیوپلیمرها به سه گروه دیگر طبقه‌بندی کرد که شامل بیوپلیمرهای طبیعی استخراج شده از زیست‌توده (به‌عنوان مثال منابع کشاورزی)، بیوپلیمرهای مصنوعی حاصل از تولید یا تخمیر میکروبی، و بیوپلیمرهای مصنوعی به‌صورت سنتزی و شیمیایی است. نمونه­هایی از بیوپلیمرهای مورد استفاده در کشاورزی شامل؛ «کیتوزان»، «سلولز» و «نشاسته» است. پلیمرهای زیستی در کشاورزی برای کاربردهایی مانند فیلم‌های مالچ‌پاشی زیست‌ تخریب‌پذیر، پوشش‌های بذر و به‌عنوان حامل کودها و آفت‌کش‌ها استفاده می‌شوند. در نهایت، استفاده از پلیمرها در کشاورزی پتانسیل بهبود بهره­وری محصول، کاهش اثرات زیست‌محیطی کشاورزی و افزایش پایداری را به همراه دارد.

 

­3-2. کاربرد پلیمرها در کشاورزی

پلیمرها نقش‌های مختلفی در فعالیت‌های کشاورزی دارند که در شکل (1) به تصویر کشیده شده است.

 

شکل شماره 1. برخی کاربردهای پلیمرها در بخش کشاورزی (یافته‌های نگارندگان)

 

3-2-1. اصلاح خاک

استفاده از عوامل بهینه کننده تهویه خاک به یک راهکار رایج تبدیل شده است.SAP ها در زمره پلیمرهای کاربردی آب‌دوست سه‌بعدی و متقاطع گروه‌بندی می‌شوند (یانگ و همکاران[40]، 2015). ان پلیمرها موجب می‌گردند حجم اضافی آب در خاک را تا صد برابر وزن خود انباشت کنند (دهکردی[41]، 2018). درنتیجه، فاصله بین کلوئیدهای خاک را افزایش و میزان نفوذپذیری و همچنین تهویه خاک را بهبود می­بخشند. کاربرد هیدروژل‌ها مستقیماً بر میزان نفوذپذیری خاک، تراکم، ساختار، بافت، تبخیر و نرخ نفوذ آب تأثیر می‌گذارد (گیولرمی و همکاران[42]، 2015).

علاوه‌بر این استفاده از هیدروژل‌ها ممکن است به اشباع محتوای حجمی آب در خاک، باتوجه‌ به مقدار مصرفی، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک منجر شود (سارکار و همکاران[43]، 2017). همچنین می‌تواند محتوای رطوبتی و میزان کلروفیل برگ را در نواحی خشک افزایش دهد (لاکسمی، و همکاران[44]، 2019).

با درنظر گرفتن اهمیت رشد اولیه گیاهان در مرحله گیاهچه‌ای، خاک تکمیل‌شده با هیدروژل می‌تواند سبز‌شدن گیاهچه را بهبود بخشد و مدت‌زمان دسترسی به آب را طولانی‌تر کند (سارکار و همکاران، 2017) «عبدالله» در پژوهش خود مطرح نمود اصلاح خاک شنی با 3/0 درصد هیدروژل ریزدانه، هدایت هیدرولیکی اشباع را کاهش داده و ظرفیت آب را به نسبت هیدروژل دانه درشت افزایش داده است (عبدالله[45]، 2019).

 اخیراً، از SAPها در صنعت کشاورزی به‌عنوان بخشی از افزودنی‌های خاک با هدف صرفه‌جویی در اتلاف آب و مواد مغذی در خاک و همچنین کاهش تأثیر منفی کم‌آبی استفاده می‌شود. شکل (2) چندین مزیت استفاده از SAPها در خاک را نمایش داده است.

 

شکل شماره 2. تاثیرگذاری پلیمرهای سوپرجاذب بر ساختار خاک (یافته‌های نگارندگان)

 

3-2-2. رشد گیاه

 کاربرد برخی پلیمرهای جاذب به‌واسطه بهبود قابلیت نگهداشت آب در خاک که رطوبت را برای مدت‌زمان بیشتری حفظ می‌کند، عملکرد مرکبات را به‌طور محسوسی افزایش داده، فعالیت میکروبی ریزوسفر خاک را بیشتر و درنهایت، از ریزش میوه‌ها ممانعت می‌کند (پاتانایک[46] و همکاران، 2015). به‌طور مشابه، پیو و همکارانش گزارش کردند استفاده از محلول پلیمری به هنگام کاشت می‌تواند مرگ‌ومیر گیاهان قهوه را کاهش دهد (پیو و همکاران[47]، 2013)

پوشش با پلیمرهای سوپرجاذب به‌طور بالقوه می‌تواند با افزایش دسترسی آب به بذرها، تحت شرایط خشک، رشد اولیه را بهبود بخشد؛ بنابراین، از تأخیر در سبز شدن جلوگیری می‌کند (ویلنبورگ و همکاران[48]، 2004). پژوهش‌های گوناگونی نشان داده است که استفاده از SAPs، به‌ویژه در سطح خاک (0 تا 20 سانتی‌متر)، تأثیر مثبت و معنی‌داری بر دمای خاک، افزایش نرخ فتوسنتزی و عملکرد محصولات زراعی برجای گذاشته است (انجی و همکاران[49]، 2013).

با توجه به توضیحات فوق، باید اشاره کرد پلیمرها به‌طور گسترده در صنعت کشاورزی برای اهداف مختلف ازجمله بهبود رشد گیاهان استفاده می­شود. پلیمرهای محرک رشد گیاه، پلیمرهای مصنوعی یا طبیعی هستند که با رهاسازی آهسته مواد مغذی و رطوبت، بهبود ساختار خاک، حفظ آب و محافظت از گیاهان در برابر عوامل استرس­زای محیطی نیز رشد گیاه را افزایش می­دهند. انواع پلیمرهای مورد استفاده در تقویت رشد گیاه مشتمل هستند بر:

الف) پلی‌آکریل آمید،

ب) پلی ساکاریدها مانند کیتوزان و آلژینات،

ج) پلیمرهای هیدروژل (اختر و همکاران، 2004).

اختر و همکارانش اظهار نمودند کاربرد هیدروژل‌ها با افزایش احتباس آب به‌ویژه در خاک‌های شنی، رشد گیاهان چندین گونه را افزایش می‌دهد (اختر و همکاران، 2004). در همین ارتباط، کانزن و همکارانش گزارش کردند کاربرد هیدروژل‌ها می‎تواند ارتفاع گیاه و زیست‌توده تازه نهال M. scabrella را در شرایط گلخانه ارتقا دهد (کانزن و همکاران[50]، 2017).

در مطالعات فیلهو و همکارانش، مناسب‌ترین دوز هیدروژل را برای ایجاد نهال‌هایEnterolobium contortisilliquum  تحت دو سطح روشنایی 50% و 100% و همچنین 10 دوز هیدروژل در محدوده 0-6 گرم در لیتر ارزیابی کردند. آن‌ها مشاهده کردند دو دوز آزمایش شده 2 و 3 گرم در لیتر به ترتیب بهترین رشد نهال‌ها را در زیر نور کامل آفتاب و همچنین محیط‌های سایه‌دار نشان دادند (فیلهو و همکاران[51]، 2018).

 

3-2-3. کاهش تنش خشکی

تنش خشکی به جهت کاهش محتوای آب خاک ممکن است عامل تولید رادیکال‌های فعال اکسیژن و پراکسیداسیون لیپیدی شود. همچنین می‌تواند منجر به برخی اثرات منفی بر ریخت‌شناسی گیاه شود؛ مانند رشد کوتاه‌مدت، کاهش سطح برگ و آسیب برگ. بنابراین، کاربرد هیدروژل‌ها می‌تواند رشد و عملکرد اقتصادی مطلوب را حتی در شرایط نامساعد فراهم کند (وی و دوریان[52]، 2014). در رابطه ‌با فواید هیدروژل‌ها در علوم باغبانی، ذکر شده است افزودن آن‌ها می‌تواند ظرفیت نگهداشت آب را افزایش دهد و ذخیره آب خاک‌های متخلخل را بهبود بخشد که دوره پژمردگی را نیز به تأخیر می‌اندازد (برس و مک‌کالم[53]،1997).

«توماسکووا» و همکارانش اثر تیمارهای هیدروژل در ترکیب با خاک‌اره، کود آلی، کمپوست و کاه گندم را بر بقا، رشد و صفات فیزیولوژیکی 20 گونه درختی ارزیابی کردند و مشاهده کردند که تمامی تیمارها به طور قابل‌توجهی عملکرد را بهبود بخشیده است (توماسکووا و همکارانش[54]، 2020).

 

3-2-4. جوانه‌زنی بذر

هیچ اثر جانبی بر جوانه‌زنی بذر ناشی از تیمار هیدروژل وجود ندارد (الشفی و همکاران[55]، 2020). در مطالعات (اسماعیل و همکاران[56]، 2013) آمده است هیدروژل سوپرجاذب، تشکیل شده از آکریل آمید و اسید اکریلیک روی نشاسته با استفاده از پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) در مقایسه با بذرهای بدون هیدروژل، تأثیر مثبتی بر جوانه‌زنی بذر ذرت و رشد گیاهان جوان نشان داد (الشفی و همکاران، 2020).

علاوه‌بر این، گیاهان تیمار‌ شده با هیدروژل اثر رضایت‌بخشی را برای وزن تازه، خشک برگ و ریشه نشان دادند. در مطالعات (الشفی و همکاران، 2020)، فعالیت زیستی هیدروژل مکمل شده با برخی از مواد طبیعی و یا ریز جانداران مضر را بر روی جوانه‌زنی بذر Phaseolus vulgaris مطالعه کرده‌اند و دریافتند که فرمولاسیون هیدروژل بر مبنای اسانس پونه کوهی و باکتری Burkholderia gladioli  بیشترین جوانه‌زنی بذر را نشان می‌دهد.

 

3-2-5. پوشش‌دهی بذور

از پلیمرها در پوشش بذر جهت افزایش جوانه زنی برای بهبود کارایی و اثربخشی کاشت استفاده می شود. پوشش بذر با پلیمرها می­تواند در برابر عوامل بیماری‌زا، آفات و تنش­های محیطی محافظت کند و درعین‌حال، جوانه­زنی بذر و رشد اولیه گیاه را نیز افزایش دهد. انواع پلیمرهای مورد استفاده در پوشش بذر و تقویت جوانه زنی شامل موارد زیر است:

الف. پلیمرهای هیدروژل؛

ب. پوشش­های بیوپلیمری؛ پوشش­های بیوپلیمری مانند کیتوزان و نشاسته، از منابع طبیعی به­دست می­آیند و در پوشش بذر برای محافظت در برابر عوامل بیماری‌زا، آفات و افزایش جوانه­زنی بذر استفاده می­شوند؛

پ. پلیمرهای مصنوعی: این پلیمرها مانند پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) را می­توان در پوشش بذر برای بهبود دسترسی به آب و کاهش تنش آبی در طول جوانه‌زنی استفاده کرد.

پوشش بذر اولین خط دفاعی برای مواجهه با عوامل مختلف اقلیمی و بیماری‌زای خارجی است که ممکن است سوخت‌وساز آن را در پاسخ به شرایط نامساعد محیطی تنظیم کند (رادشاک و بوریسجاک[57]، 2014). افزودن انواع مواد مغذی، میکروب‌ها و آفت‌کش‌های بیولوژیکی بر فرمولاسیون پوشش بذر در مقایسه با کاربردهای سنتی، دارای مزایای متعددی بدون هیچ‌گونه اثرات جانبی منفی بر محیط اطراف است (اشرف و فولاد[58]، 2005).

پوشش بذر هیدروژلی برای بهبود هوادهی بذر Caragana korshinskii، اثر قابل‌توجهی بر افزایش میزان جوانه‌زنی بذر و کاهش علائم خشکی در شرایط تنش داشته است (سو و همکاران[59]، 2017). در همین زمینه، «پاتک» و «آمبروز» اثر هیدروژل زیست تخریب‌پذیری را بر رشد اولیه بذر ذرت مورد مطالعه قرار دادند (پاتک و آمبروز[60]،2020) و دریافتند بذرهای پوشش داده شده، سرعت سبز شدن بالاتری نسبت به بذرهای بدون پوشش در منبع آبی با ظرفیت 77 درصدی زراعی نشان می‌دهند. در جدول (2) مزایای استفاده از پلیمرها در پوشش بذر شرح داده شده است.

«اسابل» و همکارانش، کپسوله‌کردن سودوموناس فلورسانس را با استفاده از کیتوزان و آلژینات سدیم به‌عنوان یک ماده حامل برای استانداردسازی مورد بررسی قرار دادند (اسابل و همکاران[61]، 2019). آن‌ها تفاوت‌های قابل‌توجهی را در برخی از پارامترهای بیومتریک بین گیاهان شاهد و گیاهان تیمار محصور شده مشاهده کردند. به‌ویژه، کشت محصور شده با موفقیت رشد و عملکرد گیاه، محتوای مواد مغذی خاک را بهبود بخشید.

 

جدول شماره 2. مزایای استفاده از پلیمرها در پوشش بذر و افزایش جوانه زنی
بهبود جوانه‌زنی بذر	پلیمرها می‌توانند جوانه‌زنی بذر را با بهبود دسترسی به آب، محافظت در برابر آفات و عوامل بیماری‌زا، و ایجاد یک مانع فیزیکی برای محافظت در برابر تنش‌های محیطی افزایش دهند.
افزایش رشد اولیه گیاه	پلیمرها می­توانند رشد اولیه گیاه را با فراهم‌کردن شرایط رهاسازی آهسته آب و مواد مغذی بهبود ببخشند، که می­تواند به گیاهان جوان کمک کند تا خود را تثبیت کنند.
مقرون به صرفه بودن	استفاده از پلیمرها در پوشش بذر و تقویت جوانه­زنی در مقایسه با سایر روش­های تیمار بذر می­تواند مقرون به صرفه باشد.
حفاظت از محیط زیست	پوشش بذر با استفاده از پلیمرها می­تواند با کاهش استفاده از آفت­کش‌ها و کودهای شیمیایی به حفاظت از محیط‌زیست کمک کند.

 

3-2-6. کنترل بیماری‌ها

کنترل پاتوژن‌های گیاهی از مهم‌ترین ارکان ایمنی مواد غذایی، به‌ویژه حفاظت از دانه‌ها است. تیمار بذر با آفت‌کش‌ها عمدتاً به قارچ‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها محدود می‌شود، اما برخی پیشرفت‌ها و مقررات دیگر استفاده از علف‌کش‌ها را ترویج می‌کند (گرین و بستمن[62]، 2007). گزارش شد دانه‌های پوشش داده شده با هیدروژل مکمل شده با اسانس پونه کوهی توانستند به‌طور قابل‌توجهی از بروز بیماری قارچی Fusar-ium oxysporum، Rhizoctonia solani، Penicillium expansum و Aspergillus flavus بر روی دانه‌های  Proteus vulgarisجلوگیری کنند.

اسماعیل و همکارانش گزارش کردند در بهره‌گیری بسیاری از آفت‌کش‌ها به دلیل تبخیر، تجزیه و اثرات شستشو نمی‌توانند به‌طور کامل به هدف مورد نظر خود برسند. این مسائل می‌تواند منجر به یک مشکل جدی در آلودگی محیط‌زیست و سلامت گیاهان، حیوانات و انسان شود (اسماعیل و همکاران، 2013). بنابراین، استفاده از فرمول‌های ابتکاری با رهایش کنترل‌شده مبتنی بر هیدروژل‌ها می‌تواند این مشکلات را حل کند که در آن فرمول هیدروژل می‌تواند به آرامی ماده فعال آفت‌کش‌ها را مطابق با هدف تحویل دهد. همچنین می‌تواند شسته‌شدن، تخریب خاک، تبخیر آفت‌کش‌ها و سمیت احتمالی را نیز کاهش دهد (چویلارد و همکاران[63]، 2012). در همین راستا، (سینگ و همکاران[64]، 2008) نیز کارایی استفاده از برخی فرمول‌های هیدروژل با پرسولفات آمونیوم را برای کنترل آزادسازی قارچ‌کش تیرام از هیدروژل‌های تهیه‌شده بررسی کردند و این گروه از محققان مشاهده کردند با گذشت زمان افزایش می‌یابد. همچنین به این نتیجه رسیدند که افزایش غلظت پیوند متقابل در زمینه پلیمری منجر به کاهش انتشار قارچ‌کش می‌شود.

 

3-2-7. تحویل کنترل‌شده مواد شیمیایی کشاورزی

نکته مهم در کشاورزی تأمین نیازهای غذایی گیاهان در زمان مناسب و مقدار مورد نیاز گیاه است؛ اما مواد مغذی اغلب در سطوح کافی برای رشد خوب گیاه در دسترس نیستند. توسعه استفاده ترکیبی از مواد پلیمری، جایگزینی برای رساندن مواد شیمیایی کشاورزی به خاک بوده است تا به‌طور مستقیم نیازهای غذایی گیاهان را بدون ایجاد آلودگی برآورده کند (پوچی و همکاران[65]، 2008). ترکیبی از مواد شیمیایی کشاورزی و پلیمرها را می‌توان به‌عنوان فرآیندهای فیزیکی یا شیمیایی طبقه‌بندی کرد. به‌عنوان‌مثال، کنترل سرعت انتشار نیز عاملی فیزیکی است درحالی‌که چگونگی تثبیت مواد شیمیایی در ماتریس پلیمری یک مکانیسم شیمیایی است. خواص بیولوژیکی، شیمیایی و برهمکنش‌های فیزیکوشیمیایی به انتخاب مستقیم بهترین سیستم برای آزادسازی عامل فعال کمک می‌کند (پوچی و همکاران، 2008).

علاوه بر این، مشخصات رهاسازی به دو دسته سیستم‌های رهایش آهسته و کنترل‌شده طبقه‌بندی می‌شود:

• کود آهسته رهایش[66] (SRF) به مکانیزمی مربوط می‌شود که آزادسازی را به تأخیر می‌اندازد. در مقایسه با رهایش کنترل‌شده که به نوع مکانیسم آزادسازی ماده غذایی در محیط بستگی دارد (پریرا و همکاران^[67]، 2015).
• کود با رهایش کنترل‌شده[68] (CRF) دارای عوامل شناخته‌شده‌ای است که بر سرعت و الگوی رهاسازی تأثیر می‌گذارد. ازاین‌رو می‌توان آنها را کنترل کرد (ترنکل[69]، 2010)

از نظر شیمیایی، سه نوع ماده برای توسعه این فناوری استفاده می‌شود:

الف. پلیمرهای آلی،

ب. ترکیبات و پلیمرهای معدنی،

پ. مواد یا کامپوزیت‌های ترکیبی (پِرز دِ لوکی و هرموشین[70]، 2013).

پلیمرهایی که اغلب برای محصور کردن مواد شیمیایی کشاورزی استفاده می‌شوند ژل‌های مبتنی بر آکریل‌آمید هستند. سایر پلیمرها عبارتند از:

• لاستیک طبیعی،
• پلی‌اتیلن[71] (PE)
• کوپلیمرهای استرهای VC- اکریلیک اسید[72]،
• کوپلیمرهای سیکلوپنتادین[73] با گلیسریل استر یک اسیدچرب غیراشباع،
• پلی‌ساکاریدها،
• مواد مبتنی بر سلولز (پوچی و همکاران، 2008).

مطالعات اولیه گزارش داده‌اند ساخت مواد رهایش کنترل شده منحصراً با پلیمرهای مصنوعی ساخته شده است. از سوی دیگر، مطالعات جدیدتر به کاربرد پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر[74] (PBs) و کامپوزیت‌های آن‌ها به‌عنوان موادی برای رهایش کنترل‌شده مواد شیمیایی کشاورزی در خاک مربوط می‌شود. انتشار کنترل‌شده دارای مزایا و معایبی است[75] که شرح آن در جدول (2) آمده است.

 

جدول شماره 2. مزایا و معایب انتشار کنترل‌شده
مزایا (ملاج و دارایو[76]، 2014)	معایب (عزیم و همکاران[77]، 2014؛ ملاج و دارایو، 2014)
کاهش دفعات کاربرد کود در خاک	تغییر دادن اسیدیته خاک
سهولت  بیشتر استفاده از کودها	هزینه بالا در مقایسه با مواد شیمیایی کشاورزی
کاهش آسیب ریشه با غلظت زیاد نمک	باقی‌مانده‌های ناخواسته مواد مصنوعی در بافت زمین
تأمین مواد مغذی منظم و مداوم برای گیاهان	عدم رهاسازی در طول دوره‌های تقاضای بالای محصول
کاهش اتلاف مواد مغذی در اثر شستشو و تبخیر	آزادسازی زودهنگام و سریع مواد مغذی (اثر ترکیدگی) می‌تواند به گیاه آسیب برساند
کمک به کاهش آلودگی ‌محیط زیستی توسط NO3
بهبود سلامت اکولوژیکی در فعالیت‌های کشاورزی (آلودگی کمتر آب‌های زیرزمینی و سطحی)

 

3-2-8. فیلم‌های پلیمری برای پوشش خاک

فیلم‌های پلیمری به‌طور گسترده در کشاورزی کاربرد دارند. پلیمرهای پرکاربرد برای این موارد؛ «پلی‌اتیلن با چگالی کم»[78] (LDPE)، «پلی‌اتیلن خطی با چگالی کم»[79] (LLDPE) و «کوپلیمر اتیلن-وینیل استات»[80] (EVA) هستند.

اهمیت این فیلم‌ها در حفاظت از کشاورزی و ایجاد یک ریزاقلیم است که به‌شدت عملکرد گیاهان را بهبود می‌بخشد. مشکل اصلی این فیلم‌ها عمر نسبتاً کوتاه آن‌ها و در نتیجه ضرورت مکرر حذف از زمین است. در پایان عمر مفید، تمام این فیلم‌ها باید جمع‌آوری شوند تا از انتشار در زمین و اثرات منفی زیست‌محیطی جلوگیری شود (بریاسولیس و همکاران[81]، 2013).

بازیافت این فیلم‌ها به دلیل مجموعه‌ای متفاوت برای ترکیب مشابه، نسبتاً ساده است. بااین‌حال، خواص مواد بازیافتی برای اکسیداسیون نوری در طول استفاده از آن‌ها نسبتاً ضعیف است. بازیافت برای فیلم‌های مالچ پیچیده‌تر است، زیرا ضخامت بسیار کم آن‌ها (15 تا 50 میکرون) حاکی از مشکلات زیادی در طول شستشو و تکه‌تکه‌شدن آن‌ها است. بنابراین، برای تولید این فیلم‌ها، استفاده از پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر و کمپوست‌پذیر می‌تواند فرصت خوبی باشد (سیوک و همکاران[82]، 2019). مطالعات مختلفی بر روی پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر تجاری برای تأیید عملکرد آن‌ها در مالچ‌پاشی یا لوله‌های آبیاری انجام شده است (برودهیگن و همکاران[83]، 2015).

تجزیه مواد پلاستیکی، سنتی و زیست تخریب‌پذیر شامل فرآیندهای مختلفی است که توسط یک یا چند عامل محیطی (مانند: گرما، نور و ریزجانداران) یا مواد شیمیایی ترویج می­شود. فرایند تجزیه تغییرات ساختاری برگشت‌ناپذیری را ایجاد می‌کند که عمدتاً نامطلوب یا در برخی موارد ضروری هستند؛ مانند فرآیندهای تجزیه زیستی، یا بیشتر برای تعیین ساختار پلیمر ایجاد می‌شوند، مانند مطالعات «کروماتوگرافی گازی پیرولیز/ طیف سنجی جرمی»[84] (Py-GC/MS) (ریزارلی و همکاران[85]، 2016)، تجزیه‌پذیری نمونه‌های فیلم پلی وینیل الکل[86] (روسو و همکاران[87]، 2004)، کوپلی استرها[88] (وو و همکاران[89]، 2015) و پلی استر آمید[90] (ریزارلی و همکاران[91]، 2015) در خاک تحت شرایط کنترل‌شده بررسی شده است.

باید در نظر داشت که تجزیه زیستی از نظر شماتیک یک فرآیند سه مرحله­ای است:

• در مرحله اول، زنجیره‌های ماکرومولکولی به مونومرها و الیگومرها تبدیل می‌شوند.
• در مرحله دوم، مونومرها و الیگومرها به‌عنوان زیست‌توده گرفته می‌شوند.
• در مرحله سوم، تنفس زیست‌توده در آنجا O2 را مصرف می‌کند و CO2 و H2O (در شرایط هوازی) تولید می‌کند. اندازه‌گیری مصرف مواد پلاستیکی اجازه نمی‌دهد تا مشخص شود آیا فرآیند واقعاً تکمیل شده است یا مثلاً از پلیمریزاسیون جلوگیری کرده است. در نتیجه، تمام روش‌های استاندارد شده برای تعیین تجزیه زیستی بر روی اندازه‌گیری تنفس متمرکز شده‌اند.

 

3-2-9. کنترل فرسایش خاک

پلیمرها معمولاً در کاربردهای کنترل فرسایش برای کاهش سرعت و میزان فرسایش ذرات خاک توسط باد، آب یا سایر عوامل محیطی استفاده می‌شوند. فرسایش می‌تواند اثرات منفی قابل توجهی بر محیط‌زیست ازجمله: آلودگی آب، از دست دادن خاک و تخریب زیستگاه داشته باشد.  انواع پلیمرهای مورد استفاده در کنترل فرسایش به شرح زیر هستند:

الف) پلی آکریل آمید

PAM یا پلی آکریل آمید یک پلیمر محلول در آب است که معمولاً در کاربردهای کنترل فرسایش استفاده می‌شود. با افزایش پایداری خاک، کاهش پوسته‌شدن خاک و افزایش حفظ آب خاک، کنترل فرسایش را بهبود می‌بخشد (گرین و همکاران،2004؛ سپسکاه و بازرشن، 2006).

ب) پلیمرهای زیستی

پلیمرهای زیستی مانند صمغ گوار و صمغ زانتان از منابع طبیعی مشتق شده و به دلیل زیست تخریب‌پذیری و اثرات زیست‌محیطی کم به‌طور فزاینده­ای در کاربردهای کنترل فرسایش مورد استفاده قرار می گیرند (چانگ و همکاران، 2020).

ج) پلیمرهای مصنوعی

از پلیمرهای مصنوعی مانند پلی وینیل الکل و پلی اتیلن اکسید در کاربردهای کنترل فرسایش استفاده می شود (الماجد و همکاران[92]، 2022).

 

3-2-10. حذف آلاینده‌های سمی از آب و خاک

اجرای کشاورزی فشرده منجر به تکنیک‌هایی شده است که با استفاده گسترده از مواد شیمیایی، تنها برای افزایش سود و بهره‌وری ترکیب می‌شوند. با توجه به‌ این واقعیت، روزانه مقدار زیادی از آلاینده‌های سمی آلی و معدنی در خاک، رودخانه‌ها و آب‌های زیرزمینی رسوب می‌کنند. چنین مشکلاتی همراه با یون‌های فلزی تهدید کننده هستند؛ زیرا این یون‌ها تجمعی هستند و به‌طور طبیعی در محیط تجزیه نمی‌شوند. از این‌رو، سمیت آنها می‌تواند آسیب‌های محیط زیستی شدیدی را به همراه داشته باشد که برای انسان، حیوانات، حشرات و... از طریق مصرف آب و یا غذای آلوده مضر باشد (شمینگ و همکاران[93]، 2013).

یکی از روش‌های بازیابی مناطق آلوده، جذب بیولوژیکی پلیمری است: جذب زیستی یک ویژگی بیولوژیکی از بیومس میکروبی است که برای اتصال فلزات سنگین حتی از محلول‌های بسیار رقیق به‌کار گرفته شده است (رانگابشیم و همکاران[94]، 2014). یون‌های فلزی به دلیل میل ترکیبی شیمیایی با گروه عاملی خاص، بر روی سطح مواد پلیمری جذب می‌شوند (دمیرباس[95]، 2008).

پلی‌ساکاریدها مانند سلولز، کیتین، کیتوزان و اگزوبیوپلیمرها گروهی از پلیمرها هستند که به دلیل یونیزاسیون اسید کربوکسیلیک، الکل، آمین و گروه‌های عاملی آمیدی برای پیوند یونی، معمولاً جهت جذب فلز استفاده می‌شوند (وان نگاه و همکاران[96]، 2011). علاوه‌بر این، فیبر طبیعی استخراج شده از باگاس نیشکر، فیبر نارگیل سبز و الیاف بامبو نیز به‌عنوان جاذب زیستی استفاده شده است. مزیت اصلی این مواد این است که عموماً بقایای صنعتی و یا کشاورزی، کم هزینه و به راحتی قابل بازیابی هستند. چنین الیاف خام عمدتاً از سلولز و همی­سلولز تشکیل شده‌اند و دارای گروه­های اسیدی هستند که مسئول جذب یون­های فلزی هستند (پیتول-فیلهو[97]، 2011).

«پال» و «پائول» استفاده از لایه‌های اگزوپلیمری را برای فرآیند اصلاح آب آلوده آزمایش کردند (پال و پائول[98]، 2008). اگزوپلیمرها مواد خارج سلولی هستند که از ریزجانداران به شکل بیوفیلم منشأ می‌گیرند و قادر به جذب یون‌های فلزی از طریق فعل و انفعالات الکترواستاتیکی هستند. نتایج آن‌ها نشان داد که فلزات روی، مس، کروم، کادمیوم، کبالت و نیکل به بهترین نحو جذب شدند. در بین موادی که به‌عنوان جاذب زیستی استفاده می‌شوند، سلولز متداول‌ترین ماده جداکننده یون فلزی است؛ زیرا به دلیل وجود گروه‌های هیدروکسیل سطحی فراوان می‌توانند با داشتن گروه‌های قطبی یا یونیزاسیون بیشتر برای تبادل یونی جهت آلودگی‌زدایی آب، عامل‌دار شوند.

 

3-2-11. بسته‌بندی محصولات

توری‌ها برای بسته‌بندی میوه‌ها و سبزیجات معمولاً از فیلم‌های پلی‌اتیلن با چگالی بالا[99] (HDPE) یا ترکیبی از پلی اتیلن‌ها[100] (Pes) ساخته می‌شوند که به برش‌های کوچک بریده‌شده و سپس به صورت سرد کشیده می‌شوند. تا به امروز، تولید فیلم‌های پلیمری بر پلی اولفین‌ها، متکی است و ویژگی‌های مکانیکی اصلی، سفتی و ازدیاد طول در هنگام شکست است. علاوه‌بر این، یک ویژگی اساسی جوش‌پذیری است که تنها با استفاده از HDPE نمی‌توان به آن دست یافت. این مشکل با مخلوط‌کردن آن با پلی‌اتیلن با چگالی کم[101] (LDPE) یا متالوسن[102] (M-PE) برطرف می‌شود که پردازش را بسیار آسان‌تر می‌کند.

از طرف دیگر، استفاده زیاد از پلاستیک در صنعت بسته‌بندی نگرانی‌های محیط زیستی را افزایش داده است. بنابراین، علاقه به استفاده از پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر برای جایگزینی پلیمرهای معمولی افزایش یافته است (زولو و لانس[103]، 2009).

پلی اسید لاکتیک[104] (PLA) یک پلیمر ترموپلاستیک، زیست تخریب‌پذیر و زیست سازگار است که می‌تواند از منابع تجدیدپذیر تولید شود. PLA به داشتن چقرمگی (توانایی یک ماده در جذب انرژی و تغییر شکل خمیری قبل از وقوع شکست) کم در دمای اتاق و مقاومت ذوب پایین در مقایسه با پلیمرهای معمولی شناخته شده است (التری و همکاران[105]، 2014).

کوپلیمریزاسیون، افزودن نرم‌کننده‌ها و اختلاط با پلیمرهای دیگر، برخی از راه‌های اصلی برای دستیابی به بهبود خواص PLA هستند (ژائو و همکاران[106]، 2010) پلیمرهایی مانند: پلی بوتیلن-سوکسینات-کوآدیپات[107] (PBSA) (لی و لی[108]، 2005)، پلی بوتیلن سوکسینات[109] (PBS) (باتیا و همکاران[110]، 2007)، پلی بوتیل آکریلات[111] (PBA) (منگ و همکاران[112]، 2012) و پلی بوتیلن-آدیپات-کو-ترفتالات[113] (PBAT) (مثوراج و همکاران[114]، 2014) به منظور بهبود خواص مکانیکی PLA، عمدتاً برای افزایش چقرمگی آن مورد مطالعه قرار گرفته است. با وجود این مسائل، هزینه تولید کاربرد در مقیاس بزرگ نیز آن‌ها را محدود می‌کند. برای غلبه بر این مشکل، می‌توان مخلوط‌های زیست تخریب‌پذیر را با تقویت‌کننده‌های کم‌هزینه مانند الیاف طبیعی و مواد معدنی متداول آماده کرد، در نتیجه هزینه نهایی را کاهش داده و بر خواص ماتریس تأثیر مثبت می‌گذارد (ایمسینسوگان و همکاران[115]، 2013).

 

3-2-12. سیستم‌های تحویل نانو

نانومواد مبتنی بر بیوپلیمرهای مشتق‌شده از طبیعت به دلیل کاربردهای بالقوه خود در هر دو بخش غذا و کشاورزی به دلیل خواص مفید و همچنین توانایی پایدار با به حداقل رساندن اثرات محیط زیستی توجه ویژه‌ای را به خود جلب می‌کنند. محدودیت فعلی که نانومواد معدنی مانند TiO2، ZnO، SiO2 و نانومواد آلی مانند نانوساختارهای کربنی با آن مواجه می‌شوند، فقدان اطلاعات قوی در مورد سمیت آن‌ها است (هی و همکاران[116]، 2019). این امر، همراه با فقدان مقررات و قانون‌گذاری مناسب، اکنون تمرکز را به نانوذرات پلیمری مشتق شده از طبیعت به دلیل خواص سمی زیست سازگار آن‌ها معطوف کرده است.

کشاورزی مدرن به‌‌دنبال جایگزین‌هایی برای استفاده از مواد شیمیایی کشاورزی از طریق فناوری نانو سبز با نانومواد تجدیدپذیر برای اجرای کشاورزی دقیق است که هدف آن افزایش بهره‌وری پایدار با حداقل منابع است (فراستو و همکاران[117]، 2016). دو زمینه اصلی که نانوتکنولوژی می‌تواند به فرهنگ کشاورزی کمک کند؛ «بهبود عملکرد محصول» و «افزایش کارایی استفاده از منابع» عمدتاً از طریق کاهش اتلاف بیش از حد است. کودهای مورد استفاده در حال حاضر کمتر از 50 درصد راندمان مصرف دارند و تنها 45 درصد فسفر و 30 تا 40 درصد نیتروژن از کودهای مصرفی جذب می‌شود (سو و همکاران[118]، 2019).

نانو ذرات پلیمری مشتق‌شده از طبیعت می‌توانند در کاربردهای مختلفی از جمله نانو علف‌کش‌ها، نانو آشکارسازها و نانو کودها برای حل چالش‌های متعارف کشاورزی از جمله آلودگی‌های محیطی و نگرانی‌های مربوط به سلامت انسان مورد استفاده قرار گیرند. به‌عنوان مثال، نانوحامل‌ها برای حمل و تحویل آفت‌کش‌ها در نمایه‌ای کنترل‌شده‌تر و آهسته‌تر برای دستیابی به «کشاورزی دقیق» استفاده می‌شوند که فقط تولیدات محصول را بدون تأثیر بر آب و خاک هدف قرار می‌دهد (دوهان و همکاران[119]، 2017). همچنین یک مطالعه میدانی با استفاده از نانو کود مبتنی بر هیدروکسی آپاتیت[120] (HA) در مزارع برنج انجام شد و افزایش عملکرد را در مقایسه با کود اوره معمولی نشان داد؛ به‌گونه‌ای که تنها 50 درصد از کود مورد استفاده در تیمار مرسوم را استفاده کرد (کوتگودا و همکاران[121]، 2017).

مطالعات گزارش شده نشان دهنده مزایای برتر نانو فرمولاسیون‌ها در به‌حداقل رساندن غلظت‌ها و مقادیر علف‌کش یا آفت‌کش مورد نیاز با ارائه یک سیستم تحویل هدفمندتر و دقیق‌تر با کاهش اثرات نامطلوب محیط زیستی است. عملکردهای نانو مواد، خواص آن‌ها، فعل و انفعالات فیزیولوژیکی (فارماکوکینتیک^[122] و فارماکودینامیک^[123])، سمیت و برهمکنش با سایر مواد یا مواد شیمیایی در محیط‌های مختلف، قبل از تجاری‌سازی برای استفاده در بازار، ملاحظات مهمی هستند که باید مورد بررسی قرار گیرند.

 

4. نتیجه‌گیری

در طول تاریخ همواره کشاورزی منبع غذا، سوخت و فیبر مورد نیاز برای بشر بوده است. فرصت‌ها از طریق رویدادها و روندهای خارج از مزرعه و انتقال آنها به مزرعه به‌وجود آمده‌اند و بر الگوهای تولید محصولات کشاورزی و استفاده از امکانات تأثیر گذاشته است. تحقیقات متعددی بهبود عملکرد گیاهان مختلف را از طریق بهبود شرایط محیطی محصولات کشاورزی نشان می­دهند. از روش‌های مورد استفاده در کشاورزی جدید جهت حصول نتیجه مطلوب در تولید محصولات و بهبود شرایط محیطی، استفاده از پلیمرها می‌باشد. پلیمرها از منظر رفتار خود، ازجمله؛ تأمین آب و مواد غذایی، بهبود شرایط خاک برای رشد گیاه، جلوگیری از اثرات نامطلوب پاتوژنها، ایجاد محیط مناسب برای گیاه از طریق پوشش بذر و... شرایط مناسبی را برای کاهش برخی از تنش­های محیطی، افزایش رشد و تولید محصولات کشاورزی ایجاد کرده‌اند.

از طرفی دیگر، استفاده گسترده از آنها منجر به ایجاد نگرانی‌هایی در مورد آلودگی خاک و آب شده است؛ به­طوری­که در کشاورزی و سیستم­های تصفیه آب می­تواند اثرات مضری بر محیط‌زیست و سلامت انسان داشته باشد.

پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند و نسبت به پلیمرهای سنتی، دوست‌دار محیط زیست هستند. به­دلیل سازگاری با محیط زیست ممکن است آنها به یک ابزار مهم در کاهش زباله‌های پلاستیکی و ارتقای پایداری در کشاورزی تبدیل شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تعداد مشاهده مقاله: 427

تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 145