Physicochemical Characterization of Cassava Peel-Derived Biodegradable Hydrogel for Agricultural Soil Amendment

تخيل أن التربة في حقل الأرز عبارة عن إسفنجة عطشى تتعرض للضغط والاعتصار باستمرار. في أجزاء كثيرة من العالم، يواجه المزارعون مشكلة مزدوجة: المطر لا يسقط بما يكفي، والتربة رملية أو رخوة لدرجة أنها لا تستطيع الاحتفاظ بالمياه التي تحصل عليها بالفعل. وعندما تندفع المياه مباشرة عبر الأرض، فإنها تأخذ معها الغذاء (المغذيات) المخصص للنباتات، مما يترك المحاصيل جائعة وعطشى. ولإصلاح ذلك، بحث العلماء عن "إسفنجة سحرية" تُخلط في التربة. عادةً ما تُصنع هذه الإسفنجات من مواد كيميائية اصطناعية تعمل مثل الحفاضات فائقة الامتصاص، حيث تحتفظ بالماء وتطلقه ببطء. ولكن هنا تكمن المشكلة: تلك الإسفنجات الكيميائية لا تتحلل، بل تبقى في الأرض للأبد، مما قد يحولها إلى ملوثات. لذا، السؤال الكبير هو: هل يمكننا صنع إسفنجة من نفايات الطبيعة نفسها، تشرب الماء، وتغذي النباتات، ثم تختفي بسعادة بمجرد انتهائها من عملها؟

هذا بالضبط ما سعى فريق من الباحثين من تنزانيا لاكتشافه. فقد قرروا التوقف عن إلقاء قشور الكسافا — وهي القشور المتبقية بعد معالجة الجذور النشوية وتحويلها إلى طعام — بدلاً من رميها. وبدلاً من ذلك، تساءلوا: هل يمكن تحويل هذه القشور إلى هيدروجيل قابل للتحلل الحيوي؟ فكر في الهيدروجيل كشبكة صغيرة غير مرئية لحفظ الماء. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم "طهي" شبكة من قشور الكسافا تمتص المطر، وتحتفظ به في التربة لتشرب منه جذور الأرز، ثم تذوب ببطء عائدة إلى الأرض، تاركة وراءها القليل من الغذاء الإضافي للنباتات. لم يكونوا يخمنون فحسب؛ بل أرادوا قياس كمية الماء التي يمكن لهذه الإسفنجة المصنوعة من القشور أن تحتفظ بها بدقة، ومدى سرعة إطلاقها للماء، ومدى سرعة الطبيعة في التهامها.

إسفنجة قشور الكسافا

بدأ الفريق باستخدام نوع "مكومبوزي" (Mkombozi) من الكسافا، وهو نوع محلي مفضل في تنزانيا. لم يستخدموا مواد كيميائية فاخرة لبناء إسفنجتهم؛ بل استخدموا عملية تشبه إلى حد كبير صنع بودينج نشوي سميك جداً. أخذوا القشور الطازجة، وغسلوها، وجففوها في الشمس، وطحنوها إلى مسحوق ناعم. ثم خلطوا هذا المسحوق بالماء وسخنوه. حولت هذه الحرارة النشا الموجود داخل القشور إلى "جل"، ثم جففوه مرة أخرى ليشكل حبيبات صلبة صغيرة. الأمر يشبه أخذ كومة من قشور البطاطس، وتحويلها إلى عجينة لزجة، ثم خبزها لتصبح حصى صغيرة جاهزة لدفنها في التراب.

كم من الماء يمكنها أن تشرب؟

أول شيء أراد العلماء معرفته هو: ما مدى عطش هذه الإسفنجة الجديدة؟ وضعوا الحبيبات المجففة في الماء وراقبوا انتفاخها. كانت النتائج مفاجئة قليلاً إذا كنت تتوقع إسفنجة كيميائية خارقة القوة. يمكن للهيدروجيل المصنوع من قشور الكسافا امتصاص حوالي 0.1375 جرام من الماء مقابل كل 1 جرام من الجل الجاف. ولو وضعت ذلك في الاعتبار، فهي ليست بالونة مائية ضخمة؛ بل هي أشبه بإسفنجة كثيفة وثقيلة تحتفظ بكمية متواضعة من الماء. ومع ذلك، يشير الباحثون إلى أن هذا قد يكون أمراً جيداً في الواقع لحقول الأرز. ففي الحقول المغمورة بالمياه، الإسفنجة التي تتمدد بشكل مفرط قد تتفكك، أما هذه فقد ظلت قوية ومستقرة، حيث عملت كخزان صغير موثوق لا يذوب فوراً.

سحر التحلل البطيء

بمجرد أن امتلأت الإسفنجة بالماء، أراد الفريق معرفة المدة التي ستتمكن فيها من الاحتفاظ به. وضعوا الحبيبات المبللة في غرفة محكومة وتحققوا منها على مدار أسبوع (168 ساعة). لم يقم الهيدروجيل بتفريغ كل مائه دفعة واحدة، بل عمل مثل صنبور التنقيط البطيء. فعلى مدار أسبوع، أطلق الماء الذي امتصه تدريجياً. وبحلول نهاية الـ 168 ساعة، كان قد أطلق كل ما لديه. وهذا يشير إلى أنه إذا وُضع في حقل، فيمكنه سد الفجوة خلال فترات الجفاف القصيرة، مما يوفر لجذور الأرز شربة مستمرة بدلاً من حدوث فيضان مفاجئ يليه جفاف.

وجبة خفيفة إضافية للنباتات

هنا تصبح القصة أكثر إثارة للاهتمام. أدرك الباحثون أن هذا ليس مجرد إسفنجة للماء؛ بل هو أيضاً "علبة وجبات خفيفة". نظرًا لأن الهيدروجيل مصنوع من قشور الكسافا، فهو غني طبيعياً بالمغذيات. وعندما اختبروه، وجدوا أنه يحتوي على:

• البوتاسيوم: 10.647 ملجم/جم (المعدن الأكثر وفرة)
• النيتروجين: 7.37 ملجم/جم
• الفوسفور: 0.933 ملجم/جم

في عالم الزراعة، يعتبر البوتاسيوم بمثابة "الحارس الشخصي" لنباتات الأرز، حيث يساعدها على التحكم في المياه ومقاومة الأمراض. ومن خلال دمج هذه المغذيات داخل الجل، يعمل الهيدروجل كـ "سماد بطيء التحلل". فبينما يتفكك الجل ويطلق الماء، فإنه يطلق أيضاً هذه المغذيات ببطء في التربة، مما يغذي النباتات دون خطر جرفها بسرعة كبيرة.

الاختفاء العظيم

كان الاختبار النهائي هو معرفة ما إذا كانت الإسफाج ستختفي حقاً، أم أنها ستظل في الأرض مثل الصخرة. قام الفريق بدفن الحبيبات في التربة وتفقدها كل خمسة أيام لمدة شهر. كانت النتيجة مثيرة للإعجاب: بعد 30 يوماً، فقد الهيدروجيل 82.5% من وزنه. لقد كان يتم التهامُه أساساً بواسطة ميكروبات التربة ويتفكك إلى مواد عضوية غير ضارة. وهذا يعد فوزاً كبيراً مقارنة بالإسفنجات الاصطناعية التي يمكن أن تبقى لسنوات. لقد أثبت هيدروجيل قشور الكسافا أنه يمكنه القيام بعمله ثم العودة إلى الأرض، مما يضيف إلى صحة التربة بدلاً من تلويثها.

ماذا يعني هذا

تخلص الورقة البحثية إلى أن تحويل قشور الكسافا إلى هيدروجيل هو فكرة واعدة. فهي تخلق مادة تحتفظ بالماء، وتغذي النباتات، وتتحلل بسرعة. وبينما لا تحتفظ بقدر من الماء مثل الإسفنجات الكيميائية فائقة القوة، فإن استقرارها وقدرتها على العمل كحامل للمغذيات بطيء التحلل يجعلها مرشحاً مثالياً لزراعة الأرز في أماكن مثل تنزانيا. ويقترح الباحثون أن هذه ليست سوى البداية؛ فالخطوة التالية هي أخذ هذه الإسفنجة المصنوعة في المختبر إلى الحقول الحقيقية لمعرفة ما إذا كان بإمكانها حقاً مساعدة المزارعين على زراعة المزيد من الأرز بماء أقل. وفي الوقت الحالي، تظهر العلوم أن منتجاً بسيطاً من نفايات المطبخ قد يكون هو المفتاح لمستقبل أكثر استدامة للزراعة.