Η ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ. Κεφάλαιο 2ο. Η κομποστοποίηση οργανικού υλικού, βασικός παράγοντας για την φυσική λίπανση και γονιμότητα του εδάφους

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.

Στα επιφανειακά στρώματα του εδάφους, η αποσάρθρωση είναι μεγαλύτερη και επίσης υπάρχει περισσότερο οργανικό υλικό.

Τα οργανο-ορυκτά συμπλέγματα


Ποιες είναι οι κύριες ιδιότητες του εδάφους; - Δευτεροβάθμια εκπαίδευση και  σχολεία 2021


Τα οργανο-ορυκτά συμπλέγματα είναι κυρίαρχα δομικά συστατικά των περισσότερων εδαφών και είναι αποτέλεσμα μιας φυσικής  διαδικασίας που λέγεται κομοστοποίηση ή λισματοποίηση. 

 

Τι είναι η κομποστοποίηση και ποιες ουσίες συμμετέχουν. 

Τα οργανικά υλικά του εδάφους, που συνήθως αποκαλείται οργανική ουσία του εδάφους (soil organic matter) προέρχονται κυρίως από την μικροβιακή αποσύνθεση πρωτεϊνών τύρφης και  λιγνίτη 

 Περιέχουν χουμικά συστατικά με όξινες ομάδες καρβοξυλίου και φαινολικού υδροξειδίου, που με βάση τις ιδιότητές τους κατατάσσονται σε χουμικά οξέα, φουλβικά οξέα και χουμίνες

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ

Τα χουμικά συστατικά είναι βιολογικά ζελέ με  καστανό (φουλβικά) και καστανόμαυρο χρώμα (χουμικά

 

 

Χουμικά ή φουλβικά οξέα; Τι χρειάζονται τα φυτά σας; - Farmacon - Blog - Η  #1 online αγροτική εφαρμογή

Κομποστοποίηση μπορεί να γίνει και τεχνητά 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%

 

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

 

Η ικανότητα και η συμβολή των μικροοργανισμών στην διάσπαση μεγαλομοριακών ουσιών είναι κοθοριστική για τον ρυθμό της αποικοδόμησης και στην συνέχεια της  κομποστοποίησης.

Ο ρυθμός της αποικοδόμησης, είναι μεγαλύτερος στις αρχές της κομποστοποίησης και επίσης εξαρτάται από το είδος των οργανικών που αποικοδομούνται.

 

Στην αναερόβια πέψη 

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

12.1 Anaerobic Digestion | EGEE 439: Alternative Fuels from Biomass SourcesΚατά την διάρκεια τη οξινογένεσης υπάρχει παραγωγή  οξέων βραχέας αλυσίδας, (προποιονικό μυρμηγκικό, γαλακτικό  κ.α.) κενονών και αλκοολών.  C6H12O6  +2H2  -> 2CH3CH2COOH + 2H2O

C6H12O6  -> 2CH3CH2OH + 2CO2  +

Κατά την ακετογένεση, τα ενδιάμεσα προσβάλλονται από ακετογόνα βακτήριαю Αντιδράσεις ακετογένεσης είναι:

C6H12O6  +2H2Ο  -> 2CH3COOH + 2CO2  + 4H2

CH3CH2OH + 2H2O  -> CH3COO-  + 2H2  + H+

CH3CH2COO-  +3H20  -> CH3COO-  + H+  +HCO3-  +3H2  

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:

2CH3CH2OH + CO2 → 2CH3COOH + CH4
 
(9) CH3COOH → CH4 + CO2
 
(10) CH3OH → CH4 + H2O
 
(11) CO2 + 4Η2 → CH4 + 2Η2Ο
 
(12) CH3COO- + SO42- + H + → 2HCO3 + H2S

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.

Στην αερόβια κομποστοποίηση

Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για τις διασππραγματοποιείται ζύμωση κατά την αερόβια πέψη αυτές, εφόσον βέβαια έχουμε την αερόβια αποδόμηση.

 

Η αερόβια μικροβιακή αποσύνθεση της οργανικής ύλης φυτικής, ζωϊκής και μικροβιακής προέλευσης, οδηγεί στην δημιουργία του  χούμο. Το χούμο αποτελείται από χουμικά οξέα, φουλβικά οξέα και χουμίνες. Τα χουμικά οξέα είναι ετερογενή οργανικά  υλικά υψηλού μοριακού βάρους που διακρινουμε σε αυτά πολλά συστατικά που φέρουν ομάδες  κινόνων, φαινολών, κατεχόλων σαχάρων. Οι χαρακτηριστικές ομάδες που συμβάλουν στην δράση τους, πιστεύεται πως είναι οι φαινολικές και οι καρβοξυλικές.

Humus - an overview | ScienceDirect Topics

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 γεωσκωλήκων    

Τα οργανο-μεταλλικά συμπλέγματα, επιρεάζουν την βιολογική δραστηριότητα και κατανομή οργανικών ουσιών.

 

Νερό παράγεται κατά την διάλυση του οργανικού υλικού αλλά εξατμίζεται ένα ποσό λόγω εξώθερμων αντιδράσεων της κομποστοποίησης. Ένα μέρος του νερού αυτού περιβ΄άλει τα στερεά σωματίδια του λιπάσματος που σχηματίζονται και εκεί βρίσκονται και οι μικροοργανισμοί. 

 

 

Μαζί με τα οργανο-ορυκτά συμπλέγματα υπάρχουν και ανόργανα υλικάιόντα προσκολλημένα στην στερεή φάση ή διαλυμένα στο νερό.  

 

Για την διάσπαση των ουσιών αυτών οι μικροοργανισμοί που , χρειάζεται οξυγόνο και νερό 

Οι ομάδες των μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην κομποστοποίηση είναι οι ακτινομύκητες, τα ετερότροφα βακτήρια, τα μανιτάρια και τα πρωτόζωα

 

Τα χουμικά και φουλβικά οξέα είναι ενδιάμεσα χηλικά μέσα. Προσκολλώνται σε ιόντα και έτσι δύσκολα μπορεί να παρασυρθούν από το έδαφος αλλά εύκολα περνούν σε φυτά.

Πιο συγκεκριμένα, 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. σχηματίζονται επίσης δια μέσου βιολογικών φορέων όπως τα μυκήλια των μυκήτων και τα περιττώματα γεωσκωλήκων    

Τα οργανο-μεταλλικά συμπλέγματα, επιρεάζουν την βιολογική δραστηριότητα και κατανομή οργανικών ουσιών.

 

 

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

δημιουργία οργανο-ορυκτών συμπλέγματων σε εδάφη αργίλου

The Science of Composting - ppt download

Τα Ορυκτά της Αργίλου - eClass