ماده آلی چیست ؟ — به زبان ساده

ماده آلی یا مواد آلی به دسته‌ای بزرگ از ترکیبات بر پایه کربن اشاره دارد که در محیط‌های مختلفی همچون محیط‌های آبی و خاکی وجود دارند یا این‌که به کمک روش‌های سنتز، در آزمایشگاه‌ها ساخته می‌شوند. در تعریفی دیگر، ماده آلی به مواد بدست آمده از موجودات زنده‌ای همچون گیاهان و حیوانات و بقایای آن‌ها می‌گویند. علاوه بر این، مواد آلی تنها محدود به موجودات زنده نمی‌شوند بلکه مولکول‌های آلی را نیز می‌توان به کمک واکنش‌های شیمیایی به تولید رساند که در آن‌ها بقایایی از موجودات زنده وجود ندارد. از جمله مواد آلی مهم می‌توان به سلولوز، پروتئین، لیگنین، لیپید و کربوهیدرات اشاره کرد. ماده آلی نقش بسیار مهمی در چرخه غذایی محیط زیست و باقی‌ماندن آب بر سطح گیاهان دارد.

تشکیل ماده آلی

موجودات زنده از ترکیبات آلی تشکیل شده‌اند. این موجودات در زمان حیات خود، مواد آلی مختلفی را ترشح یا دفع می‌کنند و بعد از مرگ نیز، بقایای آن‌ها به همراه برگ‌ها و ریشه‌های گیاهان توسط باکتری‌ها تجزیه می‌شوند. در اثر پلیمریزاسیون این مواد تجزیه شده، مولکول‌های درشت‌تری به تولید می‌رسند. ترکیب ماده آلی به منشأ، نحوه تبدیل، سن و محیط فعلی آن بستگی دارد و در نتیجه، خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها در محیط‌های 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 می‌دهند. مواد آلی بعد از تجزیه شدن و شرکت در واکنش‌های مختلف، به کمک جریان‌های آبی، در خاک حرکت می‌کنند. این مواد آلی همانطور که گفته شد در تامین مواد مغذی موجودات زنده، نقش مهمی ایفا می‌کنند و علاوه بر این، در محلول‌های آبی، نقش محلول بافر در کنترل pH محیط را به عهده دارند و در خنثی کردن اثر باران‌های اسیدی بسیار موثر هستند.

چرخه مواد آلی

آب‌های زیرزمینی، بخش اعظمی از مواد آلی را به خود اختصاص داده‌اند. زمانی که آب‌های زیرزمینی سبب اشباع خاک یا رسوبات اطراف آن می‌شوند،‌ این ماده آلی می‌تواند آزادانه در بین فازهای مختلف حرکت کند. در نتیجه، آب‌های زیرزمینی نیز منابع طبیعی مخصوص به خود را در زمینه ماده آلی شامل می‌شوند که این منابع را می‌توان در زیر، فهرست کرد:

• رسوبات ماده آلی همچون «کروژن» (Kerogen) و زغال‌سنگ
• ماده آلی در خاک و رسوبات
• ماده آلی که از طریق رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و سیستم‌های دریایی به زیر سطح زمین راه‌ پیدا می‌کند.

از جمله منابع ماده آلی در آب‌های زیرزمینی، ماده آلی خاک (SOM) و ماده آلی رسوبی است. روند اصلی حرکت مواد آلی در خاک به کمک آب‌های زیرزمینی انجام می‌گیرد اما ماده آلی موجود در خاک نیز به آب‌های زیرزمینی راه پیدا می‌کند. بیشتر مواد آلی موجود در رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های سطحی ناشی از فرسایش مواد در آب و خشکی‌های اطراف آن است.

چنین حرکت‌هایی سبب تشکیل چرخه‌های مختلف می‌شود که در چرخه‌های کربن و آب به این موضوعات پرداخته شده است. موجودات زنده به ماده آلی تجزیه می‌شوند و به طور مجدد به طبیعت برمی‌گردند. برخی از این مواد آلی مهاجرت نمی‌کنند و تنها در طی میلیون‌ها سال، جابجایی‌های کمی را انجام می‌دهند.

ماده آلی خاک

ماده آلی موجود در خاک، ناشی از گیاهان، جانوران و موجودات زنده است. به طور مثال، در جنگل‌ها، شاخ و برگ‌های درختان به سطح جنگل ریخته می‌شوند و بخشی از ماده آلی را به خود اختصاص می‌دهند. زمانی که این مواد به گونه‌ای تجزیه شوند که نتوان شکل قبل آنها را شناسایی کرد، می‌توان نام ماده آلی را به آن‌ها نسبت داد. هنگامی که ماده آلی به مواد پایدارتر و مقاوم‌تری در برابر فرسایش تبدیل (شکسته) شد، به آن «گیاخاک» (Humus) می‌گویند. بنابراین، ماده آلی خاک، به تمامی مواد آلی موجود در خاک، به جز مواد تجزیه نشده اطلاق می‌شود.

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 می‌دهد. به همین دلیل، شرایط بهتری برای رشد گیاهان فراهم می‌شود. از جمله مزایای دیگر گیاخاک این است که سبب چسبندگی مواد خاک به یکدیگر خواهد شد. با این کار، کرم‌های خاکی و باکتری‌ها، ساده‌تر می‌توانند مواد مغذی داخل خاک را تجزیه کنند.

راه‌های 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 می‌دهد.

اثر تحریکی

«اثر تحریکی» (Priming Effect) یا اثر انگیختگی، با تغییر شدید فرآیندهای طبیعی تشکیل (بازده) ماده آلی خاک مشخص می‌شود که این امر به کمک تحریک خاک انجام‌پذیر است. این فرآیند در اثر تغییرات پیوسته یا مقطعی (پالسی) ورود مواد آلی تازه (FOM) به خاک صورت می‌گیرد. بعد از اضافه شدن FOM، میکروارگانیسم‌هایی رشد می‌کنند که سبب تجزیه مواد جدید می‌شوند. اثر تحریکی، بسته به واکنش خاک با مواد اضافه شده، می‌تواند منفی یا مثبت باشد.

اهمیت ماده آلی خاک

خاک حاصلخیز و سالم برای رشد گیاهان، حیوانات و انسان‌ها بسیار حیاتی است که ماده آلی خاک، اولین سنگ بنای این فرآیند را تشکیل می‌دهد. در حقیقت، ممکن است یک گیاه به کمک خاک و بدون مواد آلی اضافه شده رشد کند اما به منظور بهره‌وری 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 مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از: کربن، هیدروژن، اکسیژن، فسفر، پتاسیم، گوگرد، آهن، روی، مس و کلر. گیاهان کربن را از دی‌اکسیدکربن و اکسیژن را از هوا دریافت و سایر عناصر را از خاک دریافت می‌کنند. دسترسی این مواد به طور مستقیم یا غیر مستقیم از طریق ماده آلی خاک تامین می‌شود.

بخش زنده ماده آلی در خاک

بخش زنده ماده آلی شامل تنوع عظیمی از میکروارگانیسم‌ها اعم از باکتری، ویروس، جلبک و جانواران تک‌سلولی هستند. حتی ریشه‌ها درختان و حشرات به همراه حیوانات خاکی همچون موش کور، بخش زنده مواد آلی در خاک را تشکیل می‌دهند که در حدود ۱۵ درصد از کل این ماده در خاک را شامل می‌شوند. میکروارگانیسم‌ها، کرم‌های خاکی و حشرات از پسماند‌ها و کودهای خاک برای تامین انرژی و مواد مغذی تغذیه می‌کنند. در چنین فرآیندی، ماده آلی با خاک معدنی مخلوط می‌شود. علاوه بر این، چنین موجوداتی، مواد مغذی موجود را بازیافت می‌کنند.

مواد چسبناک بر روی پوست کرم‌ها و سایر مواد تولید شده توسط قارچ‌ها سبب چسبیدن مواد مختلف و تشکیل پیوند در آن‌ها 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 کرم‌های خاکی و ایجاد چنین ساختارهایی، کانال‌هایی در خاک ایجاد خواهد شد که امکان گذردهی آب را فراهم می‌کنند.

بسیاری از این موجودات نیز انرژی خود را از طریق شکستن پسماندهای آلی در خاک بدست می‌آورند و از انرژی ذخیره شده برای تولید مواد شیمیایی و سلول‌های جدید بهره می‌گیرند. اما سوالی که پیش می‌آید 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، اتم‌های کربن را به مولکول‌های بزرگتری تبدیل می‌کنند و در اثر تجزیه این مولکول‌ها، انرژی بسیار زیادی تولید می‌شود.

کربن سیاه

نوع دیگری از ماده آلی که در سال‌های اخیر، توجه بیشتری را به خود جلب کرده، موسوم به کربن سیاه است. تقریبا در همه خاک‌ها، مقادیری از زغال را می‌توان یافت که در نتیجه آتش‌سوزی‌های گذشته تولید شده‌اند. علاقه به بررسی زغال سبب مطالعه خاک‌های شامل زغال، تحت عنوان «زمین سیاه‌» (Dark Earth) شد. این خاک‌ها که رنگ تیره‌تری نیز دارند، حاوی مواد مغذی بیشتری در خاک هستند.

شناسایی ماده آلی

سنجش‌های مواد آلی به طور کلی شامل اندازه‌گیری ترکیب آلی یا کربن می‌شود و در نتیجه، تنها تقریبی از مقدار ماده تجزیه شده خواهند بود و منشا ماده در نظر گرفته نمی‌شود. به عبارت دیگر، تمامی ترکیبات آلی از موجودات زنده بوجود نیامده‌اند و موجودات زنده نیز تنها مواد آلی از خود به جای نمی‌گذارند. به طور مثال، پوسته یک صدف، کربن آلی زیادی در خود ندارد و نمی‌توان آن‌را به عنوان یک ماده آلی در نظر گرفت. در مقابل، اوره یکی از ترکیبات آلی است که بدون فعالیت‌های 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

وزن‌های مولکولی این ترکیبات، بسته به امکان پلیمریزاسیون مجدد، تغییرات بسیار زیادی دارند. در حدود یک‌سوم کربن موجود را می‌توان در ترکیبات آروماتیک یافت کرد که شامل حلقه‌های شش‌عضوی هستند. این حلقه‌ها به دلیل ساختار رزونانسی، پایداری بسیار زیادی دارند و شکسته شدن آن‌ها دشوار است. همچنین، این حلقه‌های آروماتیک به دلیل برهم‌کنش‌های هسته‌دوست یا الکترون‌دوست و انجام فرآیند پلیمریزاسیون، مولکول‌های بزرگتری از ماده آلی را می‌سازند.

علاوه بر این، واکنش‌های دیگری نیز بین ماده آلی و سایر مواد در خاک رخ می‌دهند که ترکیبات جدید را بوجود می‌آورند. البته از آن‌جایی که اطلاعات بشر در خصوص منشا این مواد کافی نیست، مشخصه‌سازی چنین ترکیباتی با دشواری‌های 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 می‌کنند:

• ماده آلی حل‌شده (DOM)
• ماده آلی ذره‌ای (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 روش‌های رصد کوتاه‌مدت و بلند‌مدت در شناسایی و مشخصه‌سازی ماده آلی، اقداماتی انجام داد. برای شناسایی این مواد از انواع روش‌های طیف‌سنجی همچون طیف‌سنجی مادون قرمز و NMR کمک می‌گیرند.

تصفیه آب

همانطور که پیش‌تر ذکر شد، وجود ماده آلی سبب نگهداری آب در خاک می‌شود که از جمله نقاط قوت آن به شمار می‌آید. همین امر برای تصفیه آب، مشکلاتی به همراه خواهد داشت. در آب، مولکول‌های آلی با یون‌های فلزی و مواد معدنی پیوند تشکیل می‌دهند. چنین پیوندهایی در فرآیند تصفیه آب از بین نمی‌روند. با وجود این‌که این پیوندها برای انسان، گیاهان و جانوران خطرناک نیست اما به دلیل واکنش‌پذیری بالای ماده آلی، «فرآورده‌های فرعی» (by-Product) حاصل، هیچ ماده مغذی به همراه ندارند.

این فرآورده‌های فرعی موجب تشکیل «رسوب‌های زیستی» (Biofouling) و گرفتگی سیستم فیلتراسیون در تاسیسات تصفیه آب می‌شوند زیرا اندازه این فرآورده‌ها از اندازه غشای فیلترها بزرگ‌تر هستند. برای رفع این مشکل از ضدعفونی با کلر بهره می‌گیرند تا ساختار این مواد شکسته شود اما همین کار نیز فرآورده‌های فرعی دیگری تولید می‌کند.

آب‌های شامل ماده آلی را می‌توان به کمک واکنش‌های رادیکالی اوزون، ضدعفونی کرد چراکه اوزون، خاصیت اکسندگی بالایی دارد و به هنگام تجزیه، رادیکال‌های هیدروکسیل تشکیل می‌دهد که با ماده آلی برای رفع رسوب زیستی واکنش خواهد داد.

جمع بندی

در این آموزش به بررسی ماده‌ آلی پرداختیم و نحوه تشکیل و چرخه آن را در خاک و آب بررسی کردیم. علاوه بر این، از نگاه شیمی آلی نیز به بررسی ماده آلی پرداختیم و دیدیم که به کمک انواع روش‌های طیف‌سنجی می‌توان این ماده را شناسایی و رصد کرد. همچنین، یاد گرفتیم که برای داشتن خاک مناسب و حاصلخیز، باید به میزان کافی ماده آلی در خاک داشته باشیم. علاوه بر این، باید یادآور شویم که ماده آلی، تاثیر بسزایی در انجام چرخه‌های کربن، آب و نیتروژن دارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های زیست‌شناسی
• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• آموزش شیمی آلی ۱
• چرخه آب — از صفر تا صد
• چرخه کربن — به زبان ساده