της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας Χημικού του 1ου Γυμνασίου Δάφνης
υπό κατασκευή
στον φίλο μου τον Στ.
Τα συστατικά του εδάφους
Στο έδαφος θα συναντήσουμε οργανικά υλικά, ανόργανα υλικά, ιόντα και νερό. Είτε είναι διαλυμένα ή στην στερεή φάση όλα βρίσκονται σε μια διαδικασία δυναμικής ανταλλαγής που εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, τους μικροοργανισμούς τα ζώα και τα φυτά. Η κινητικότητα των συστατικών του εδάφους περιγράφεται από τον λεγόμενο γεωμορφολογικό του εδάφους που χρησιμοποιεί έννοιες όπως ο εμπλουτισμός του εδάφους
Η στερεή φάση του εδάφους αποτελείται από ανόργανα υλικά (προϊόντα αποσάρθρωσης πετρωμάτων ) αλλά και οργανικά που προέρχονται κυρίως από την αποσύνθεση της νεκρής ύλης φυτικών και ζωϊκών ιστών και αποτελούν την οργανική ουσία του εδάφους .
Εκτός από την στερεά φάση στο έδαφος υπάρχει και η υγρή φάση (εδαφικό διάλυμα) όπως και η αέρια φάση απαραίτητη για την επιβίωση οργανισμών.
Στο κεφάλαιο αυτό θα μας απασχολήσει η οργανική φάση του εδάφους που το ποσοστό της στην στερεή φάση είναι πολύ χαμηλό, αλλά η συμβολή της στην ποιότητα του εδάφους και τις καλλιέργειες είναι σημαντική.
Όσον αφορά την ανόργανη φάση του εδάφους που αποτελείται κυρίως από πυριγενή πετρώματα αλλά και σχιστόλιθους, ψαμμίτες κι ασβεστόλιθους, με στοιχεία να κυριαρχούν το οξυγόνο, το θείο και το αργιίλιο αποτελείται από εδαφικά στρώματα που είναι αποτέλεσμα σταδιακής αποσάρθρωσης μητρικών υλικών του εδάφους.
Για καλλιέργειες και ανάπτυξη φυτών είναι κατάλληλα τα επιφανειακά στρώματα του εδάφους, όπου η αποσάρθρωση είναι μεγαλύτερη και επίσης υπάρχει περισσότερο οργανικό υλικό.
Τι είναι η κομποστοποίηση και ποιες ουσίες συμμετέχουν.
Κατά την φυσική κομποστοποίηση, τα οργανικά υλικά του εδάφους, που συνήθως αποκαλείται οργανική ουσία του εδάφους (soil organic matter) προέρχονται κυρίως από την μικροβιακή αποσύνθεση πρωτεϊνών τύρφης και λιγνίνη
Περιέχουν χουμικά συστατικά με όξινες ομάδες καρβοξυλίου και φαινολικού υδροξειδίου, που με βάση τις ιδιότητές τους κατατάσσονται σε χουμικά οξέα, φουλβικά οξέα και χουμίνες .
Η τεχνητή κομποστοποίηση μπορεί να γίνει από οργανικά υλικά που θα αποτελούνται κυρίως από:
1. Υδατάνθρακες του φυτικού βασιλείου από φύλλα, ρίζες, κονδύλους, σπόρους κ.α με την μορφή σαχάρων, κυτταρίνης, αμύλου
2. Λίπη, έλαια που βρίσκονται σε φυτικά και ζωϊκά λίπη
3.Πρωτεϊνες από κρέας ψάρι, λαχανικά
4.Λιγνίνες σε μικρό βαθμό, από φύλλα, ξύλα, φλοιούς, λαχανικά
Για την διάσπαση των ουσιών αυτών συμμετέχουν οι μικροοργανισμοί και χρειάζεται οξυγόνο και νερό
Οι ομάδες των μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην κομποστοποίηση είναι οι ακτινομύκητες, τα ετερότροφα βακτήρια, τα μανιτάρια και τα πρωτόζωα
Ο ρυθμός της αποικοδόμησης, είναι μεγαλύτερος στις αρχές της κομποστοποίησης και επίσης εξαρτάται από το είδος των οργανικών που αποικοδομούνται.
Σε πράσινα απόβλητα που περιέχουν σε μεγάλα ποσοστά μή αποικοδομήσιμη ύλη αν σε κάποια χρονική περίοδο ο ρυθμός αποικοδόμησης φτάνει τα 30% σε βιολογικά απόβλητα φτάνει σε 40 έως 70%
Τα οργανο-ορυκτά συμπλέγματα στην διαδικασία της κομποστοποίησης
Τα οργανο-ορυκτά συμπλέγματα είναι κυρίαρχα δομικά συστατικά των περισσότερων εδαφών και είναι αποτέλεσμα μιας φυσικής διαδικασίας της κομοστοποίηση ή λισματοποίηση.
Τα οργανικά αυτά υλικά (όπως και κάποια πολυσθενή κατιόντα) σχηματίζουν ημιπολικούς δεσμούς μεταξύ των ενεργών ομάδων των χουμικών οξέων και μεταλλικών ιόντων και έτσι δημιουργούν συμπλέγματα με συστατικά του εδάφους και βιολογικούς φορείς
Η διαδικασία της κομποστοποίησης
Όπως αναφέρθηκε οι οργανικές ουσίες που κομποστοποιούνται είναι υδατάνθρακες, πρωτεϊνες, λίπη, λιγνίνη, κελουλόζης και στάχτη.
Oι δυο βασικές διαδικασίες για την μετατροπή οργανικών ουσιών σε κομπόστ είναι η αερόβια μετατροπή και η αναερόβια πέψη
Στην αερόβια κομποστοποίηση. ( Με την παρουσία οξυγόνου )
Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για να πραγματοποιείται ζύμωση κατά την αερόβια πέψη , εφόσον βέβαια έχουμε την αερόβια αποδόμηση. Το χούμο
Η αερόβια μικροβιακή αποσύνθεση της οργανικής ύλης φυτικής, ζωϊκής και μικροβιακής προέλευσης, οδηγεί στην δημιουργία του χούμο.
Το χούμο περιέχει πολύπλοκες αρωματικές ενώσεις με φαινολικά υδροξύλια και καρβοξυλικές ομάδες.
Τα χουμικά συστατικά είναι βιολογικά ζελέ* με καστανό (φουλβικά) και καστανόμαυρο χρώμα (χουμικά). Με εκχύλιση και με βάση την διαλυτότητά τους σε βάσεις και οξέα διακρίθηκαν σε τρεις κατηγορίες : τα χουμικά οξέα (καστανόμαυρο, αδιάλυτο μετά από αλκαλίωση , οξίνιση), τα φουλβικά οξέα (ανοικτόχρωμα καστανά, διαλυμένα) και τις χουμίνες (εξ αρχής δεν εκχυλίζονται)
* Ζελέ είναι μια κατάσταση της ύλης που ονομάζεται κολλοειδής και δεν εντάσεται στις τρεις συνήθεις καταστάσεις που είναι τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια.
Στην κατάσταση αυτή μπορεί να βρεθούν και τα στερεά και τα υγρά και τα αέρια. Δημιουργείται όταν μικρά σωματίδια διασπείρονται μέσα σε αέριο, υγρά, ή στερεό υλικό. σαν ζελέ χαρακτηρίζονται πολλά υλικά όπως το γιαούρτι, η μαγιονέζα, ο καπνός, ο αφρός, τα σπρέι κ.α
Η χημική σύσταση των χουμικών συστατικών. Ο ρόλος της λιγνίνης
Η χημική σύσταση των χουμικών συστατικών είναι δύσκολο να περιγραφεί και το 85% δεν μπορεί να ταξινομηθεί σε οποιαδήποτε ομάδα της οργανικής χημείας, ενώ 10-15% είναι γνωστής χημικής σύστασης.
Τα χουμικά και τα φουλβικά οξέα προέρχονται κυρίως από την αποικοδόμηση της λιγνίνης στο έδαφος
Η λιγνίνης είναι μεγαλομοριακή ένωση, συστατικό των κυτταρικών τοιχωμάτων. Επειδή στο τελικό στάδιο σχηματισμού της δεν ελέγχεται από ένζυμα, η δομή της δεν είναι πλήρως καθορισμένη, και αποτελεί το 20-30% του ξύλου. Περιέχει πάντως πολλές ομάδες κυρίως κυτταρίνης (που αποτελούν σπουδαίους δομικούς πολισακχαρίτες των φυτών) και ημικυτταρίνης
Κατά την αποικοδόμηση της λιγνίνης στο έδαφος, παράγονται τα χουμικά και φουλβικά οξέα που αναφέρθηκαν
Περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο , άζωτο, θείο, οξυγόνο. Όμως η περιεκτικότητα είναι διαφορετική όπως παράδειγμα για το οξυγόνο, μεγαλύτερη σε φουλβικά οξέα. Αποκλίσεις όμως εμφανίζονται και μεταξύ χουμικών ή φουλβικών οξέων λόγω της διαφορετικότητας της προέλευσής τους (οικοσυστήματα που προήλθαν, κλίμα κ.α.)
Αν και τα χουμικά οξέα είναι ετερογενή οργανικά υλικά υψηλού μοριακού βάρους έγινε προσπάθεια και έχουν αναγνωριστεί δομές σε αυτά πολλά από αυτά όπως κινόνων, φαινολών, κετόνες, κατεχόλων, σαχάρων, αλειφατικές ομάδες όπως αλκένια, λιπαρά οξέα, κυκλικές ενώσεις, . Οι χαρακτηριστικές ομάδες που συμβάλουν κυρίως στην δράση τους, πιστεύεται πως είναι οι φαινολικές και οι καρβοξυλικές.
Γενικά ο διαχωρισμός βάσει της χημικής σύστασης είναι δύσκολος και έτσι περιοριζόμαστε στον διαχωρισμό βάσει ιδιοτήτων όπως της διαλυτότητας
Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε παλιότερα για να περιγράψει τα χουμικά οξέα είναι κάτι αντίστοιχο με των οργανικών πολυμερών (μακρομόρια) κι αυτό λόγω των ιδιοτήτων τους (οπτικές, ιονοανταλλαγής, κολλοειδή, διόγκωση, διαλυτοποίηση μη πολικών μορίων). Τελευταία όμως προτάθηκε το μοντέλο της υπερμοριακής δομής, σύμφωνα με το οποίο τα χουμικά οξέα αποτελούνται απο μικρότερα μόρια που συσσωματώνονται ή αποσυσσωματώνονται με υδρόφοβες αλληλοεπιδράσες και δεσμούς υδρογόνου.
Η σημασία και η αξία των χουμικών συστατικών
Τα χουμικά και φουλβικά οξέα είναι ενδιάμεσα χηλικά μέσα. Προσκολλώνται σε ιόντα και έτσι δύσκολα μπορεί τα ιόντα αυτά να παρασυρθούν από το έδαφος και να χαθούν. Αντίθετα εύκολα περνούν σε φυτά τροφωδοτώντας τα με πολύτιμα ιχνοστοιχεία.
Ακόμα, τα οργανικά αυτά υλικά (όπως και κάποια πολυσθενή κατιόντα) σχηματίζουν δεσμούς και δημιουργούν συμπλέγματα με :
1. αυστατικά του εδάφους με λεπτούς κόκκους , κυρίως αργίλλου, με κολλοειδείς ιδιότητες και αρνητικό φορτίο ενδείκνυνται
2. σχηματίζουν δεσμούς επίσης δια μέσου βιολογικών φορέων όπως τα μυκήλια των μυκήτων και τα περιττώματα γεοσκωλήκων
Τα οργανο-μεταλλικά συμπλέγματα, επιρεάζουν την βιολογική δραστηριότητα και κατανομή οργανικών ουσιών.
Το Νερό της κομποστοποίησης
Νερό παράγεται κατά την διάλυση του οργανικού υλικού αλλά εξατμίζεται ένα ποσό λόγω εξώθερμων αντιδράσεων της κομποστοποίησης. Ένα μέρος του νερού αυτού περιβάλει τα στερεά σωματίδια του λιπάσματος που σχηματίζονται και εκεί βρίσκονται και οι μικροοργανισμοί.
Στην αναερόβια πέψη (χωρίς την παρουσία οξυγόνου)
Για να ξεκινήσει η κομποστοποίηση, το αρχικό οργανικό υλικο ( υπόστρωμα) πρέπει να υδρολυθεί και οι πολυμερείς ενώσεις να δώσουν μονομερείς ενώσεις μικρότερου μοριακού βάρους.
Στην αναερόβια πέψη οι αρχικές ουσίες διασπώνται απουσία οξυγόνου, καταλήγουν σε τελικά προϊόντα, που είναι το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα.
Στην αναερόβια χώνευση, η υδρόλυση μεγαλομοριακών ουσιών γίνεται με την βοήθεια ενζύμων των μικροοργανισμών (εξωένζυμα) που είναι πρωτόζωα, βακτήρια και μύκητες: βιομάζα + Η2Ο -> μονομερή + Η2
Τα μονομερή αυτά προϊόντα (Σάχαρα, αμινοξέα πεπτίδια) θα μπορέσουν να εισέλθουν στα κύτταρα των μικροοργανισμών για να υποστούν τις μεταβολές που θα δώσουν το τελικό αποτέλεσμα.
Τα βακτήρια μετατρέπουν τα υλικά αυτά σε τελικά προϊόνται που είναι το μεθάνιο και το υδρογόνο μέσα από διαδικασίες που εκτός από την υδρόλυση είναι η οξυγένεση, η ακετογένεση και η μεθανογένεση: ΄πως βλέπουμε και στο παρακάτω σχήμα
Οξινογένεσης
Κατά την διάρκεια τη οξινογένεσης υπάρχει παραγωγή οξέων βραχέας αλυσίδας, (προποιονικό μυρμηγκικό, γαλακτικό κ.α.) κενονών και αλκοολών. C6H12O6 +2H2 -> 2CH3CH2COOH + 2H2O
C6H12O6 -> 2CH3CH2OH + 2CO2 +
Ακετογένεση
Κατά την ακετογένεση, τα ενδιάμεσα προσβάλλονται από ακετογόνα βακτήρια. Αντιδράσεις ακετογένεσης είναι:
C6H12O6 +2H2Ο -> 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
CH3CH2OH + 2H2O -> CH3COO- + 2H2 + H+
CH3CH2COO- +3H20 -> CH3COO- + H+ +HCO3- +3H2
Μεθανογένεσης
Κατά την τελευταία φάση της μεθανογένεσης τελικό προϊόν είναι
το μεθάνιο. Κάποιες αντιδράσεις μεθανογένεσης είναι:
2CH3CH2OH + CO2 → 2CH3COOH + CH4
CH3COOH -> CH4 + CO2
CO2 + 4H2 ->CH4 + 2H2O
CH3COO- +SO4-2 + H+ -> 2HCO3 + H2S
Κάποια άλλα στοιχεία που έχουμε για την αναερόβια πέψη είναι:
1. Άναερόβια πέψη συμβαίνει φυσικά στα έλη, στα ιζήματα των λιμνών, ωκεανών και στους πεπτικούς σωλήνες μυρηκαστικών. Αλλά και το στομάχι των αγελάδων γίνεται αντίστοιχη αναερόβια πέψη.
2.Τα υλικά που κομποστοποιούνται με αναερόβια πέψη είναι πολλά όπως πράσινα απόβλητα, κοπριά, βιομάζα φυτών , λάσπη λυμάτων.
3. Μερικά από τα οργανικά υλικά αποικοδομούνται με αργό ρυθμό, άλλα περιορισμένα (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη) κι άλλα καθόλου (λιγνίνης, πεπτιδογλυκάνες και πρωτεϊνες που σχετίζονται με την μεμβράνη
4. Τα αέρια που τελικά παράγονται κατά την αναερόβια πέψη, το υδρογόνο και το μεθάνιο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν καύσιμη ύλη (βιαέριο)
5. Γενικά η παραγωγή λιπάσματος με αναερόβια κομποστοποίηση, είναι ανεπιθύμητη εφόσον παράγεται το επιβλαβές αέριο μεθάνιο που είναι επιβαρυντικό και για το περιβάλλον, και εφόσον δεν υπάρχει ενδιαφέρον για την παραγωγή βιαερίου από αυτήν.
Μαζί με τα οργανο-ορυκτά συμπλέγματα υπάρχουν και ανόργανα υλικά, ιόντα προσκολλημένα στην στερεή φάση ή διαλυμένα στο νερό.
Οργανισμοί που συμμετέχουν στην κομποστοποίηση
Για την διάσπαση των ουσιών αυτών οι μικροοργανισμοί που , χρειάζεται οξυγόνο και νερό
Οι ομάδες των μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην κομποστοποίηση είναι οι μύκητες, οι ακτινομύκητες, τα ετερότροφα βακτήρια, τα μανιτάρια και τα πρωτόζωα.
Οι μύκητες συναντώνται σε φτωχά, όξινα εδάφη και δημιουργούν ένα ακατέργστο χούμο
Τα σκουλήκια, οι ακτινομύκητες, τα βακτήρια, δημιουργούν ευνοϊκότερες συνθήκες και παράγουν κατεργασμένο χούμο
Αλλά υπάρχουν επίσης και πολλά μικρά ζώα του εδάφους που συμμετέχουν στην δημιουργία χούμος όπως ακάρεα, σκαθάρια, σαρανταποδαρούσες, σαλιγκάρια k.a
Δήμητρα Σπανού
πηγές
https://www1.aegean.gr/environment/antoniadis/courses/SoilScience/SoilScience.pdf
https://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/bitstream/10889/4428/1/Sofikitis%20Master%20Thesis.pdf
https://blog.farmacon.gr/katigories/texniki-arthrografia/threpsi-lipansi/item/1987-xoumika-i-foulvika-oksea-ti-xreiazontai-ta-fyta-sas
https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Kompostierung
https://slideplayer.com/slide/12409652/
https://www.e-education.psu.edu/egee439/node/727
https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/humus
https://eurodomik.ru/el/postrojjki/chto-takoe-peregnoi-i-gde-ego-vzyat-vse-o-peregnoe-sostave.html
https://eclass.emt.ihu.gr/modules/document/file.php/FD111/%CE%9A%CE%B5%CF%86%CE%B1%CE%BB%CE%B1%CE%B9%CE%BF%205%20-%20%CE%95%CE%B4%CE%B1%CF%86%CE%BF.pdfΚυτταρίνη - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
δημιουργία οργανο-ορυκτών συμπλέγματων σε εδάφη αργίλου