المادة العضوية في التربة: مكوناتها الاساسية وتجزئتها

كيمياء التربة- المحاضرة الثالثة
مدرس المادة: انتصاررحيم عبيد
المادة العضوية في التربة: مكوناتها الاساسية وتجزئتها.
المادة العضوية في التربة : هي احد الاجزاء المهمة المكونة للجزء الصلب من التربة.مصدرها البقايا النباتية بالدرجة الاولى والبقايا الحيوانية والاحياء المجهرية.وقد تكون هذه البقايا النباتية والحيوانية قد جرى عليها بعض التغير والتحول وتحولت تحت تأثير عوامل متعددة الى مواد ابسط او نتج عن هذا التحول مادة تقاوم التحلل تسمى الدبال (Humus) والدبال مادة داكنة اللون تبقى في التربة فتكسبها الكثير من الخصب.
يعد الكاربون المكون الاساسي للمادة العضوية في التربة وكذلك النتروجين.وقد يشمل مجموع الكاربون الكلي في التربة غير المواد العضوية مجموعة كاربونات الكالسيوم وكاربونات المغنسيوم وغاز ثنائي اوكسيد الكاربون المذاب في محلول التربة وجذر البيكاربونات وكاربونات العناصر الانتقالية كل هذه المركبات اللاعضوية الكاربونية الى جانب الكاربون العضوي المركزة والموجودة في باطن الارض امثال الفحم الحجري والكرافيت لاتعد من اصل المجموع الكلي للكاربون العضوي
من الممكن فصل الكاربون في المركبات اللاعضوية والذي يقال له الكاربون المعدني وذلك بمعاملة التربة مع حوامض مخففة لاذابة الاشكال المعدنية لمركبات الكاربونات امثال كاربونات الكالسيوم CaCO3 وكاربونات المغنسيوم (CO3) Mg.Ca)) والكاربونات المزدوجة من الكالسيوم والمغنسيوم.
يعين الكاربون الكلي العضوي- بطريقة الاكسدة الرطبة وتحديد كمية ثاني اوكسيد الكاربون بعد معاملته بحامض الكروميك ثم عملية التسحيح.او قد يعين المجموع الكلي للمادة العضوية بعملية الاكسدة ببيروكسيد الهيدروجين 30% او بالحرق في درجات الحرارة 350م?-400م? لمدة ثماني ساعات حيث يمكن للمادة العضوية ان تتاكسد في هذه الدرجة دون تأثر المركبات المعدنية المكونة للتربة.
المميزات التي تمتاز بها المادة العضوية:
1- ان المادة العضوية ذات وزن نوعي واطئ.
2- المادة العضوية ذات مساحة سطحية نوعية عالية.
3- تكون المادة العضوية بمجموعها نسبة عالية من الغروي (Colloid)
4- تكون المادة العضوية ذات قابلية عالية لمسك الماء .وعليه فان وجودها في التربة وان كان بنسبة واطئة لاتزيد من بين 5و0-3 % فان وجودها يؤثر على بناء التربة وعلى قابلية التربة للاحتفاظ بالماء.
تتوقف كمية المادة العضوية على سطح التربة او في الاعماق على عوامل متعددة فقد تتجمع المادة العضوية بكميات متفاوتة فقد تتجمع المادة العضوية في المناطق الرطبة الباردة ويكون التجمع في هذه المناطق على اشده واكثره نسبة يليه في التجمع المناطق الممطرة المعتدلة وحسب نوع المزروعات ونوع نسجة التربة.
وقد تتميز ترب معينة بنسب عالية جدا في المادة العضوية تختص بها بعض المناطق – تسمى ترب الماك (Muck soils) حيث يكون نسبة المادة العضوية تترواح مابين 30-70% وتمتد الى عمق بضعة اقدام في التربة.المادة العضوية تعتبر مصدر للطاقة- كطعام- للاحياء المجهرية حيث تستمد الاحياء الدقيقة وتحصل على الطاقة بواسطة اكسدة وحرق الكاربون العضوي وتحويله الى ثاني اوكسيد الكاربون وماء وبالنتيجة استهلاك المادة العضوية.

المواد الاساسية المكونة للمواد العضوية التي تدخل كاساس للمادة المضافة الى التربة هي:
1) الكاربوهيدرات:
تكون الكاربوهيدرات الجزء الاكبر من اجسام النباتات والانسجة المكونة لاغلب الخلية النباتية والاوعية الموصلة لها.ان الجزء الاساس المكون لهذا الهيكل هي السكريات المتعددة والسليلوز والهيميسيلزوز.
2) اللكنين:
يتكون اللكنين من سلسلة الفينول وهي بمجموعها سلاسل متغايرة النسب تدخل هذه المادة في بناء النسيج النباتي لتقوية بناء الكاربوهيدرات وتحمي هذا البناء من التمرض للمحيط الخارجي او التاثر به بسولة ولاسيما اثار العوامل المتسببة عن العوامل الكيميائية والبيولوجية .اما من حيث تركيبه فهو عبارة عن وحدات من بروبين الفينول مجتمعة بنسب متفاوتة.


3) البروتين:
ان المادة البروتينية والمجاميع التي تنتمي لها تكون الجزء الاساس للخلية الحية- وهي مكونة من تجمع الحوامض الامينية(polymers of amino acid ) وهي الاساس في تكوين القاعدة الفيزيوكيميائية للخلية الحية.

4) الشحوم والشموع والرزن:( Fats, Waxes, and Resin)
هذه المواد تكون بمجموعها مواد حافظة تحافظ على الانسجة حيث تنظم حركة الماء والغاز خلال الانسجة الوعائية.او قد تسد الشقوق التي تصيب بعض الاجسام النباتية. اما المواد الدهنية فقد تكون بمثابة خزن للطعام خاصة في جزء الحبوب حيث تتجمع هذه المواد في البذور الزيتية.
هناك مواد منها حوامض امينية حرة نشأ حوامض عضوية فينولات (Phenols) وكحولات (Alcohols) ومواد تنينية (Tannins) وصبغات (Pigments) والنتروجين ومواد قلوية (Alkoloides) والتي تتكون بكميات صغيرة نسبيا ولايكون لها شان كبير في تحولات المادة العضوية.
اما المركبات اللاعضوية فمن اهمها مركبات النترات وهي من المركبات سهلة الذوبان وسهلة الغسل من مقد التربة وجاهزة لان تمتص وتؤخذ من قبل النبات.اما مركبات النتريت NO2 فهي مركبات وسط مابين النترات من جهة وفي الظروف الاكسدة ومن الجهة الثانية بالمركبات الامونيا في الظروف الاكثر اختزالا.
NH4+ امونيا NO2- نتريت NO3- نترات
وتعد مرحلة النتريت مرحلة انتقالية قليلة الوجود في حين تمد مركبات الامونيا مركبات ثابتة والايون الموجب الاكثر ثباتا في التربة حيث يسهل تثبينه او تبادله مع المركبات الغروية.
وفي الترب الشديدة الاختزال تستمر المركبات النتروجينية في عملية الاختزال حيث تنتج اكاسيد نتروجينية او غاز النتروجين الذي تخسره التربة عند تحرره منها بشكل غاز. وعليه فان طبيعة المادة العضوية المضافة الى التربة تخلق مشكلة بالنسبة الى كمية الكاربون الى النتروجين حيث تتوقف عملية التحلل وسرعة هذه العملية والنواتج الثانوية على النسبة المشار اليها وهي نسبة الكاربون الى النتروجين بالاضافة الى العوامل المناخية المحددة من درجة حرارة ورطوبة وتهوية.

الخطوات الاساسية لتحولات مكونات المواد العضوية:
1- المواد الكاربوهيدراتية:
والتي تتكون منها المواد السكرية البسيطة والمركبة والمواد النشوية والمواد المشتقة منها والمتجمعة والمكونة للانسجة النباتية كالمواد السليلوزية والهيموسليلوزية. ان المواد السكرية يمكنها التحلل بسهولة بفعل الاحياء المجهرية ويتحرر عن تحللها ماء وغاز ثاني اوكسيد الكاربون وطاقة تستفاد منها الاحياء المجهرية في فعالياتها الحيوية.

ان التحول الحاصل لكافة صور الكاربوهيدرات الى سكر بسيط ذائب ماهو الا عملية تحلل بفضل الاحياء الدقيقة وبمساعدة مواد مساعدة تساعد على عملية التحلل الانزيم (enzyme) تستطيع ان تفرزها البكتريا لكي تحول بعضا من هذه المركبات الغير ذائبة الى مركبات قابلة للذوبان .هذا فضلا عن عملية التحول (Hydrolysis ) التي تصاحبها.
بعدها يتأكسد السكر البسيط (المتحول) بواسطة الاحياء المجهرية ليحرر الطاقة كما تشير المعادلة التالية وتبين مقدار هذه الطاقة:
C6H12O6 (كلوكوز)(180 gm)+6O2(192 gm) 6CO2(164 gm)+6H2O(108 gm)+672kg

وبالنسبة للكمية الهائلة من الطاقة المتحررة في هذا التفاعل بالذات فان المواد السكرية والكاربوهيدراتية والتي يمكن لها ان تتحول بسهولة ويفعل الاحياء المجهرية الى كلوكوز او الى أي شكل من اشكال السكريات البسيطة السهلة التاكسد يقال لمثل هذه المركبات –مواد مزودة للطاقة وحيث يعتبر الكلوكوز كأساس ضروري لمد الاحياء المجهرية بالطاقة في عملياتها الحيوية في بناء البروتين اثناء نموها وتكاثرها.
والحالات الاتية توضح نوع المركب الكاربوهيدراتي ونوع الانزيم المؤثر وناتج التحلل المائي له بعد فعل الانزيم والذي تحدث في الترب في اكثر الاحوال وهي التالية حسب تسلسلها:
1- تحول السكروز الى كلوكوز بفعل انزيم السكريز.
Sucrose+H2O(in presence of sucrase) Glucose

2- تحول وتحلل النشا الى مالتوز بفعل انزيم الاميلاس
Starch+H2O(in presence of amylase) maltose
3- والمالتوز هذا بدوره يتحلل الى سكر بسيط كلوكوز بفعل انزيم المالتيز كماهوموضح في المعادلة التالية:
Maltose +H2O(in presence of maltase) Glucose
4- تحلل السليلوزات بفعل انزيم السليلوليز والتحلل المائي الى سليبيوز كمرحلة وسطية ومن ثم يتحلل السليبيوزبفعل انزيم السليبيز الى سكر بسيط هو الكلوكوز.وفي حالة السليلوز النقي فهو عبارة عن وحدات من الكلوكوز اندمجت برابطة من نوع (بيتا-? في الموقع (1) و(4) لتكون مرحلة وسطية هي Biner cellulose والتي بدورها تندمج برابطة ثانية لتكون وحدات من بضعة مئات من جزيئة الكلوكوز المتصلة ببعضها.
علما ان سرعة تحلل المواد السليلوزية النقية تعتمد على طول السلسلة وعلى حالة التربة العامة من محيط تفاعل معتدل ونسبة رطوبة مناسبة وتهوية جيدة وتواجد اوكسجين ودرجة حرارة مرتفعة نوعا ما هذه العوامل بمجموعها تؤثر على نمو ونشاط مجاميع الاحياء المجهرية ودرجة نشاطها.


2- مركبات اللكنين: Lignin
وهي المادة المصاحبة للسليلوز من المواد الكاربوهيدراتية والتي تعمل على تصلب الهيكل في النبات من حيث الكمية بعد مادة الخشب والسكريات المتعددة . ان مادة اللكنين تنعزل من باقي مكونات النباتات ولاتتحلل بسهولة مكونة المادة الاساس لمركب الهيومس (Humus) .ان اللكنين هو شكل بوليمر من وحدات مشتقة من الفينول بروبين .

C3H7
عند تحول اللكنين نفسه يحدث لهذا المركب المعقد تغيرات كثيرة وهو ما يحدث من تعويض في الفينول بروبين فضلا عن التحول في حلقة البنزين وان ذرة النتروجين خارجة عن هذا المركب تبدء بدخول هذا المركب عند تحلل اللكنين لتحول جزءا منه الى دبال.
3- المواد البروتينية:
ان البقايا النباتية تحوي جزءا من البروتين في تركيب انسجتها ويكون النتروجين العنصر الاساس في تركيب البروتين .ان مجموعة البروتينات تميل للتحلل تحت تأثير فعل البكتريا ونواتج التحلل تختلف باختلاف نوع المركب البروتيني والعوامل المؤثرة اثناء عملية التحلل. ان البروتين يحتوي على الحوامض الامينية ومنها الحوامض الامينية من نوع الفا متحدة مع بعضا باصرة ببتيدية .
ان معظم البروتينات تختلف في تركيبها وهناك اعدادا كبيرة من مجموعة الحوامض الامينية قد تزيد على 24 نوعا من هذه الحوامض السائدة.ان سلسلة البروتين قد تنفصم الى اجزاء البباتايد خلال عملية التحلل المائي (Hydrolysis) والى حوامض امينية في السلسلة الواحدة المكونة للبروتين مع انبعاث الامونيا.
ان معظم البروتين الموجود في التربة اذا ماارتبط مع مركبات اللكنين مكون المركب المعروف بروتين لكيني. يصبح مقاوما لعملية التحلل بفعل البكتريا ومقاوما للتحلل المائي فان الخطوات الاساسية للتحولات الجارية على البروتين قبل ارتباطه باللكنين قد جرى دراستها بالوسائل الحديثة مثل استعمل الكروموتوغرافيا اواستعمال المذيبات ومن ثم التعرف على المراحل المتعددة لهذاالنوع من التحول ولكن تبقى المشكلة كون هذه العملية مستمرة وتتحكم فيها عوامل ومتغيرات عديدة.

طبيعة وصفات الدبال (Humus)
ان الدبال يتالف في الغالب من مركب داكن اللون يدعى بروتين الكنين (Ligno-protenates) وهي على مختلف مراحل التحلل مع قليل من مركبات كاربوهيدراتية .ان الصفات الفيزيائية التي يتصف بها هذا المركب انخفاض الوزن النوعي والوزن الحجمي ارتفاع نسبة المسام بالنسبة للمعادن الطينية الاخرى.وتوجد انواع من الدبال:

أ‌- حامض الهيومك (Humic acid)
هو بروتينات اللكنوبروتيك مشبعة بالهيدروجين وهو حامض حقيقي يمكن لهذا الحامض ان يتأين منتجا جذرسالب وهيدروجين موجب ويمكن لهذا الجذر السالب ان يتحد مع أي من العناصر الموجبة الشحنة كالكالسيوم والبوتاسيوم مكونا ملح الهيوميت – للكالسيوم وله قابلية التجمع او ملح الهيوميت- البوتاسيوم القابل للانتشار.حيث يلاحظ ان مياه البزل المنبعثة عن مناطق الدرين الحامضية غالبا ماتكون ذات لون داكن لاننتشار الحامض الدبالي في محلول هذا النوع من الترب العضوية الحامضية.

ب‌- الهيومات (Humates)
وهي املاح حامض الهيومك المشبع بعناصر معينة كالكالسيوم والمغنسيوم.

اما في حالة تجزئة الدبال فهناك العديد من الطرق المتبعة لفصل مكونات هذا المركب المعقد الى اجزاء قد يمكن فصلها عن بعضها لفرض تحديدها وتنقيتها وتحديد صفاتها عند التحليل .والمخطط التالي يوضح الاسلوب المتبع في فصل هذه المكونات باستعمال المحاليل القلوية لفصل الدبال من بقايا الاجزاء النباتية الغيرتامة ومن ثم فصل حوامض الفلوفيك عن الهيوميك باستعمال محاليل حامضية.
مخطط يوضح تجزئة مادة الدبال في التربة
مستخلص N NaOH



نفايا نباتية غير ذائبة واملاح مترسبة هيومس ذائب (داكن اللون)



الجزء الذائب من الهيومس هيومس غير ذائب
(معاملته مع حامض H2SO4)



ترسب حامض الهيوميك حامض الفولفيك الغير مرسب


استخلاص بالكحول تعديل PH الوسط الى 8و4 بواسطة اضافة
NaOH
استخلاص بالكحول
جزء غير ذائب من حامض الهيوميك غير ذائب من الهيومس مترسب بيتا هيومس هيومس ذائب


علما ان هناك طرق روتينية تستعمل عادة في المختبر لفصل الدهون وانواع الشموع والشحوم والاملاح والريزن والسكريات من المادة العضوية باستعمال سلسلة من مستخلصات متعددة ومن هذه المستخلصات مايلي:
المفصولات المعاملات
1- دهن,شمع,شحوم الاستخلاص بالايثر
2- ملح,سكر الاستخلاص بالماء البارد
3- الريزن الاستخلاص بالكحول
4- السكريات المتعددة الاستخلاص بالماء الحار
5- السليلوز الاستخلاص بالحامض المخفف2
% حامض الهيدروكلوريك يتبعه
عملية (Hydrolysis)
6- ليكنين وبروتينات الباقي مركبات الدبال

ان مستخلص التربة من الزيوت والشحوم والشمع التي تقع ضمن المواد العضوية من الممكن استخلاصها بواسطة الايثر والكحول او خليط من الكحول والبنزين. ان الجزء المستخلص هذا عبارة عن مجموعة خليط يمتلك صفات واحدة كارهة للماء (Hydropholic character) وهذا الجزء عبارة عن جزء صغير من مجموعة المواد العضوية الموجودة في التربة .ان المواد المستخلصة بالايثر تتكون في مجملها من الزيوت والشحوم والكلسريد مع حوامض شحمية وكحولية طويلة السلسلة والتي تكون المجاميع البسيطة منها تتحلل بالاحياء المجهرية.