امروزه استراتژیهای طبیعی برای حفاظت از محیط زیست و همچنین سلامت گیاهان، حیوانات و انسانها، یکی از اهداف اصلی کشورها تلقی میشود. اخیراً استفاده از پلیمرهای جاذب و هیدروژل در کشاورزی مزیتهای زیادی را برای اصلاح خاک نشان داده است.

امروزه، حفاظت از محیط زیست و سلامت گیاهان، حیوانات و انسانها به عنوان یکی از اهداف اصلی کشورها در نظر گرفته می‌شود. استفاده از پلیمرهای جاذب و هیدروژل در کشاورزی، به تازگی مزایای بسیاری را در بهبود خاک نشان داده است. این مزایا شامل حفظ محتوای آب، کاهش مصرف عناصر غذایی خاک، کنترل تأثیرات منفی کمبود آب و تنش آبی در محصولات زراعی و کنترل برخی عوامل خسارت‌زای گیاهان است. فناوری پوشش بذر نقش مهمی در حفاظت از بذر و تسهیل رشد گیاه دارد. پلیمرهای جاذب و هیدروژل با استفاده از تنظیم‌کننده‌های رشد، سموم دفع آفات، کود‌ها و مواد همزيست به عنوان پوشش بذر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مقاله به اهمیت انواع مختلف پلیمرها و هیدروژل‌های جاذب در استراتژی یکپارچه برای حفاظت از بذرها، گیاهان و خاک به روشی متعادل پرداخته است.

پلیمرهای فوق جاذب در کشاورزی به عنوان یک تکنولوژی نوین مورد استفاده قرار می‌گیرند. این پلیمرها قابلیت جذب و نگهداری آب را دارند و در بخش‌های مختلف کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از کاربردهای پلیمرهای فوق جاذب در کشاورزی عبارتند از:

1. بهبود آبدهی خاک: با افزودن پلیمرهای فوق جاذب به خاک، آبدهی خاک بهبود می‌یابد و رطوبت خاک برای گياهان بيشتر و پایدارتر می‌شود.

2. کنترل تخلخل خاک: با استفاده از پليمرهای فوق جذب، تخلخل خاك كم شده و سطح آب در خاك حفظ مي شود.

3. حفظ رطوبت در منابع آب: با استفاده از پلاستيك های فوق جذب، رطوبت منابع آّّب مانند رودخانه ها و دریاچه ها حفظ می شود و تبخیر آب کاهش می یابد.

4. کاهش نیاز به آبیاری: با استفاده از پليمرهای فوق جذب، نياز به آبياري در مناطق خشک و كم آب كاهش مي يابد.

5. حفظ کود در خاک: پليمرهای فوق جذب قابليت جذب و نگهداری کود را دارند، بنابراین کود‌های اعمال شده در خاک بهتر جذب می‌شوند و از تخريب توسط عوامل محيطي جلوگيری می‌کنند.

6. حفظ خصوصیات خاک: با استفاده از پلاستيك های فوق جذب، خصوصيات فيزيكی و شيمیایى خاك حفظ مى شود و از فرسایش خاك جلوگيرى مى كند.

7. کشت باغات و گلخانه ها: پلاستيك های فوق جذب در باغات و گلخانه ها برای حفظ رطوبت خاك و کاهش نیاز به آبیاری استفاده می شوند.

8. تقویت جوانه زنی بذر: از پلیمرهای فوق جاذب می توان برای بهبود جوانه زنی بذر با تامین آب ثابت به بذرها استفاده کرد که باعث رشد سریعتر و سالم تر می شود.

9. مقاومت به خشکی: پلیمرهای فوق جاذب با ذخیره آب در خاک و رهاسازی آهسته آن به ریشه ها به گیاهان کمک می کنند تا در شرایط خشکی مقاومت کنند و از هیدراتاسیون مداوم حتی در دوره های خشک اطمینان حاصل کنند.

10. حفظ مواد مغذی: این پلیمرها همچنین می توانند مواد مغذی را در خاک حفظ کنند و از شسته شدن آنها توسط باران یا آبیاری جلوگیری کرده و آنها را برای جذب گیاه در مدت زمان طولانی در دسترس قرار دهند.

11. کنترل فرسایش: با بهبود ساختار خاک و حفظ رطوبت، پلیمرهای فوق جاذب به جلوگیری از فرسایش ناشی از باد یا روان آب و حفظ یکپارچگی زمین کشاورزی کمک می کند.

12. بهبود عملکرد محصول: نشان داده شده است که استفاده از پلیمرهای فوق جاذب در کشاورزی با فراهم کردن سطوح رطوبت بهینه و در دسترس بودن مواد مغذی برای گیاهان، عملکرد محصول را افزایش می دهد و در نتیجه محصولات سالم تر و پربارتر به دست می آید.

13. پایداری محیطی: با کاهش مصرف آب و جلوگیری از شستشوی مواد مغذی، پلیمرهای فوق جاذب به شیوه های کشاورزی پایدار کمک می کنند که منابع طبیعی را حفظ کرده و اثرات زیست محیطی را به حداقل می رساند.

14. مقرون به صرفه بودن: اگرچه در ابتدا گرانتر از روش های آبیاری سنتی است، اما مزایای طولانی مدت استفاده از پلیمرهای فوق جاذب در کشاورزی با کاهش مصرف آب، مصرف کود و تلفات محصول به دلیل خشکسالی یا کمبود مواد مغذی، بیشتر از هزینه های آن است.

به طور کلی، استفاده از پلیمرهای فوق جاذب در کشاورزی مزایای متعددی را برای کشاورزان به همراه دارد، از جمله بهبود هیدراتاسیون خاک، کاهش نیازهای آبیاری، افزایش رشد محصول و پایداری محیط زیست.

پلیمر های فوق جاذب

پلیمرهای جاذب، که به عنوان پلیمرهای فوق جاذب، ژلهای جاذب، آبژل یا هیدروژل نیز شناخته می‌شوند، مواد ماکرومولکولی مصنوعی هستند که از خاصیت اسمز برخوردار بوده و قادر به انباشت آب با ظرفیت بالاتر از حجم خود تا 100 برابر است. علاوه بر این، پلیمر فوق جاذب به طور گسترده در بهبود خصوصیات خاک استفاده می‌شود. این مواد در کل از مواد آب دوست مانند شکر تشکیل شده‌اند و هنگام تماس با آب به ژل شفاف تبدیل می‌شوند. پلیمرهای فوق جاذب به عنوان پلیمرهای کاربردی آب دوست، سه بعدی و همپیوسته شناخته می‌شوند و قادر به افزایش حجم آب در خاک بسیار بالاتر از صد برابر وزن خود می‌باشند. همچنین، از دیگر کاربردهای این پلیمرها می‌توان به بهبود عملکرد کودها و افزایش فعالیت میکروارگانیسم‌های خاک اشاره کرد.

چالشهای استفاده از پلیمرهای جاذب

پلیمر فوق جاذب یک ماده است که در کشاورزی و اصلاح خاک استفاده می‌شود. علاوه بر این کاربردهای مفید، این پلیمر تغییراتی در خصوصیات فیزیکی خاک نظیر تخلخل، تراکم و ساختار آن ایجاد می‌کند. با این حال، به دلیل کاهش مصرف آب همراه با استفاده از پلیمر فوق جاذب، عملکرد آن ممکن است به درستی تعیین نشود. همچنین، برای پلیمرهای فوق جاذب مصنوعی، بعضی معایب وجود دارد. این پلیمرها قابل تجزیه بیولوژیک نبوده و حتی ممکن است سم‌زای برای محیط زنده باشند. تحقیقات نشان داده است که پليمر فوق جذاب قابل تجزيه نيست و در صورت استفاده بيش از حد آن در کشاورزي يا به عنوان پوشش بذر يا اصلاح خاک، مي‌تواند خطر زيادي براي سلامت گیاه، حاصلخیزی خاک و حتی ایجاد آلودگی محیطی داشته باشد. در چند مطالعه نشان داده شده است که استفاده از پلیمر فوق جاذب با پایه کربوهیدرات در رشد و جوانه زنی ذرت همراه با مصرف کمتر آب مفید است. همچنین، استفاده از پلیمر فوق جاذب می‌تواند بقای گیاه در شرایط تنش خشکی را افزایش دهد. در یک تحقیق دیگر نشان داده شده است که استفاده از 150 کیلوگرم در هکتار پليمر فوق جذاب و 1 ليتر در هكتار نيتروكسین منجر به بالاترین عملکرد ذرت و رشد بهتر آن می‌شود.

هیدروژل

هیدروژل، یک شبکه زنجیره‌ای از پلیمرهای آب دوست است که به طور کلی در زمینه پزشکی کاربردهای فراوانی دارد. این مواد قادرند مایعات بدن را جذب کرده و با محیط خارجی تعامل داشته باشند. علاوه بر این، هیدروژل‌ها می‌توانند به عنوان حامل دارو برای درمان زخم‌ها استفاده شوند.

کاربرد اصلی هیدروژل‌ها در زمینه کشاورزی، کاهش نیاز به آبیاری است. هیدروژل‌ها را می‌توان از نظر فیزیکوشیمیایی به دو گروه اصلی تقسیم کرد. خواص گروه اول هیدروژل برگشت پذیر است و در آن زنجیره‌های پلیمری با نیروهای الکترواستاتیک و پیوندهای هیدروژنی وجود دارد. این گروه به راحتی با گرم کردن به مخلوط پلیمر تبدیل می‌شود، مانند ژلاتین و آگار. گروه دوم هیدروژل‌های پایدار شيميائي هستند که زنجيره‌های پليمري توسط پيوندهای کووالانسي پایدار به هم متصل مي‌شوند و شامل مونومرهای نشاسته و وینيل مانند اسید اکريليک، اکريل آمید، اکريلونيتيل و پلاستيك سازی از الکل وینيل می‌باشد.

استفاده از هیدروژل‌ها در کشاورزی، به ویژه هیدروژل‌های پلی اکریلات پتاسیم یا سدیم، به دلایل زیر بسیار متداول شده است. این هیدروژل‌ها به راحتی در خاک تجزیه می‌شوند و قابل بازیافت هستند که این ویژگی با سایر پلیمرهای جاذب مقایسه شده، آن‌ها را بسیار مناسب برای استفاده در کشاورزی می‌کند. علاوه بر این، هیدروژل‌ها نتایج قابل توجه و امیدوار کننده‌ای را به عنوان یک اصلاح کننده خاک یا برای پوشش بذر نشان داده اند. تحقیقات زیادی نشان داده است که استفاده از هیدروژل‌ها به عنوان یک اصلاح کننده خاک ممکن است منجر به بهبود نگهداری آب و کود در خاک، بهبود هوادهي خاك، کاهش تبخیر و تعرق و تقویت رشد گیاهچه شود.

کاربرد هیدروژل

در حوزه کشاورزی، شرایط مختلفی وجود دارد که ممکن است باعث محدودیت رشد گیاهان و کاهش عملکرد محصول شوند. به همین دلیل، استفاده از هیدروژل‌ها در برخورد با این شرایط نامساعد محیطی، به عنوان یک راه حل مناسب مطرح شده است. این هیدروژل‌ها در زمینه‌های مختلفی نظیر بهبود خصوصیات خاک، حفظ آب، تحمل در برابر تنش خشکی و تنش‌های زیستی و غیرزیستی، کاهش فرکانس آبیاری و صرفه جوئی در مصرف آب، کاهش فقدان گياهچه و کمترین استفاده از کود و سموم دفع آفات در مزارع به کار گرفته می‌شوند. اگرچه تحقيقات بسياري در رابطۀ با فواید استفادۀ هیدروژل برای پوشش بذور نادر صورت گرفته است، اما مطالعات خوبی در زمینه استفاده از هیدروژل برای بهبود ظرفیت نگهداری آب و کود در خاک، افزایش هوادهی خاک و کاهش تبخیر و تعرق نیز وجود دارد.

تجزیه بیولوژیکی هیدروژل ها

به طور کلی، پلیمرهای هیدروژل بسیار حساس هستند و می‌توانند به راحتی بافتها را جذب کرده و گیاه شوند. اما این هیدروژل‌ها در معرض اشعه ماورا بنفش طبیعی قرار گرفته، به سادگی تخریب می‌شوند. به خصوص، پلی اکریلات نسبت به میکروارگانیسم‌های هوازی و بی‌هوازی خاک بسیار حساس‌تر است و به آب، دی اکسید کربن و نیتروژن به راحتی تجزیه می‌شود. تجزیه هیدروژل‌ها همچنین ممکن است از طريق فعاليت قارچ‌ها در حال تجزيه بيولوژيكي رخ داده باشد.

اهمیت هیدروژل در عملکرد گیاه

الف) تأثیر هیدروژل بر جوانه زنی بذر: اثر قطعی هیدروژل بر جوانه زنی بذر به دلیل تیمار آن وجود ندارد، اما برخی مطالعات نشان داده‌اند که این ماده تأثیر مثبتی دارد. به عنوان مثال، یک مطالعه نشان داد که استفاده از ترکیب هیدروژل فوق جاذب، که شامل اکریل آمید و اسید اکریلیک است و با استفاده از پلی اتیلن گلیکول روی نشاسته ساخته شده است، باعث جوانه زنی بهتر بذور ذرت و رشد بهتر گیاهچه در مقایسه با بذور بدون تیمار هیدروژل شده است.

ب) تأثیر هیدروژل بر رشد گیاه: استفاده از هیدروژل در رشد گونه‌های مختلف باعث افزایش قابل توجُّۀ نگاشت آب، به خصوص در خاک‌‌‌‌های شنی، موثر بوده است. با این حال، گزارش‌هایی نیز وجود دارد که نشان می‌دهند استفاده نامناسب از هیدروژل منجر به مرگ و میر گیاهان شده است.

ج) جلوگیری از خشک شدن: تعدادی مطالعه نشان داده‌اند که استفاده از این مواد در محیط کشت آزمایشگاهی به منظور افزایش تحمل ریزوبیا در شرایط کم آبی و جلوگیری از خشک شدن به دلیل کمبود رطوبت، بهبود قابل توجُّۀ است. با این حال، گزارشات تضاد دار نیز وجود دارند.

پوشش بذر
روش پوشش بذر، یکی از روش‌های رایج برای حفاظت از بذور در برابر عوامل خارجی مانند شوری، کمبود آب و عوامل بیماریزای احتمالی است. این روش با استفاده از مواد خارجی، به گیاهچه‌ها در استقرار و جوانه‌زنی کمک می‌کند و به خصوص در شرایط نامساعد مؤثر است. ارزش سالانه استفاده از این فناوری بالغ بر یک میلیارد دلار است. همچنین، پوشش بذر یک راهکار اقتصادی برای کنترل بیولوژیکی عوامل بیمارگر گیاه است. با تغلب موجودات زنده در فرمولاسيون‌هاي مختلف، به ويژه هيدروژل‌ها، کپسول شده‌اند. همچنین، این فناوري مي‌تواند در جوانه‌زني با کمترین مصرف آب نقش مؤثري داشته باشد. در هر صورت، باید توجه داشت که پوشش بذر نباید تأثیر منفی‌ای بر روند جوانه‌زنی و سلامت بذر داشته باشد و نباید باعث خواب ثانویه بذر شود.

پوشش بذر، اولین خط دفاعی در مقابل اقلیم‌های مختلف و عوامل بیماریزا است. همچنین، پوشش بذر می‌تواند متابولیسم بذر را در پاسخ به شرایط نامساعد محیطی تنظیم کند. این پوشش به دو صورت نرم و سخت ممکن است باشد. در حالت پوشش نرم، با تدریجی مرطوب کردن اطراف بذر، حل شده و شسته می‌شود و بذر آزاد می‌شود. از طرف دیگر، در حالت پوشش سخت، پس از جذب آب، شکل خود را حفظ کرده و رطوبت را به بذر منتقل کنید و در نهایت شکافته شده و بذر جوانه می‌زند.

اگرچه در منابع اولیه، پوشش بذر فقط برای تغییر شکل و اندازه بذر استفاده می‌شود، اما این پوشش می‌تواند شامل فناوری پلیمر برای استفاده در تلقیح میکروبی، تنظیم کننده‌های رشد، درمان سیستمیک، سموم دفع آفات و استفاده از کودهای میکرو و ماکرو نیز باشد. تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که پوشش بذر به طور موثر می‌تواند برای حمل مواد غذایی، عوامل کنترل بیولوژیکی مانند میکروارگانیسم‌های مفید و قارچ‌های میکوريزا، بهبود رشد گياه و حمل مواد شيميائي زراعي نظير باكتري‌كش، قارچ‌كش و آفت‌كش استفاده شود. استفاده از هیدروژل در فرآیند فرمولاسین پوشش دانه باعث اضافه شدن عناصر مغذی، میکروب‌ها و سموم زیستی به بذر می‌شود و در مقایسه با روش‌های قدیمی، دارای مزایای بسیار بوده و هیچ تأثیر منفی بر محیط اطراف ندارد. به عنوان مثال، استفاده از هیدروژل در پوشش بذر باعث بهبود هوادهی بذر، افزایش قابل توجه جوانه‌زنی و کاهش علائم تنش خشکی در گونه‌ای از خانواده فابياسه شده است. در یک مطالعه دیگر نشان داده شده است که استفاده از هیدروژل به عنوان پوشش بذر در رشد اولیه دانۀ ذرت، باعث افزایش قابل توجۀ جوانۀ زنۀ بذر و کاهش علائم تنش خشکۀ در شرایط تنش خشکۀ سبک (آبرسانۀ 77٪ ظرفيت مزارع) شده است.

پوشش پلیمری بذر ذرت

تا به حال، استفاده از پوشش پلیمری برای بذر ذرت تجاری کمتر شده است. اکثر استفاده های تجاری از پوشش پلیمری برای تولید بذر هایبرید ذرت بوده است. به دلیل اینکه به طور سنتی، لاین پدری چند روز بعد از لاین مادری کشت می شود، برای هماهنگ سازی در گلدهی بین ردیف های پدر و مادر، از این پوشش ها برای بذور لاین پدر استفاده می شود. در طول 20 سال گذشته، بیش از 30 شرکت تولید کننده ذرت هایبرید از پلیمرهای اکريلیک برای تولید بذور پدرو در مزارع استفاده کرده اند. در صورت توانائي اين پليمروها در بهبود جمعيت گياهان و عملكرد وبذر ذَ رَت، قابليت استفادە وسيع از اين پليمروها در توليد ذرت هايبرید وجود دارد.

نتیجه گیری

در حال حاضر، استفاده از روش‌های نوآورانه در حفاظت از گیاهان به منظور کاهش وابستگی به سموم دفع آفات شیمیایی و حفظ محیط زیست در سطح جهان افزایش یافته است. استفاده موفق از پلیمر فوق جاذب و هیدروژل‌ها به منظور محافظت از خاک و بهبود عملکرد گیاه در برابر شرایط نامطلوب محیطی، نشان دهنده این است که این روش‌ها تاثیر قابل توجهی دارند. فناوری پوشش بذر نیز به عنوان یک راهبرد جالب برای حفاظت از بذر در برابر عوامل بیماریزای گیاه و بهبود رشد آن مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، این مسئله که استفاده از پلیمر فوق جاذب و هیدروژل‌ها چقدر مؤثر است، بررسی شده است. پلیمر فوق جاذب دارای مزایای بسیاری است، به ویژه در اصلاح و صرفه جویی در مصرف آب و مواد مغذی در خاک. با این حال، برخی از معایب نظیر عدم تجزیه بیولوژیک و سمیت احتمالی نیز در پلیمرهای فوق جاذب وجود دارد. به همین دلیل، استفاده از هیدروژل‌های مناسب که دارای مزایا و معایب کمتر هستند، نتایج قابل امیدواری در حفاظت از بذر و گیاه را به همراه دارند و همچنین حفظ حاصلخیزی خاک، کاهش مصرف آب و کاهش اتلاف مواد مغذی را تضمین می‌کنند.