Phosphorylated Sugarcane Bagasse Based Poly (AA-Co-AM) Hydrogel for dual water retention and Controlled NPK Release to enhance drought resilience in Lupine

في الزوايا القاحلة من العالم، تواجه الزراعة معضلة مستمرة ومزدوجة. فالمحاصيل تحتاج إلى الماء لتبقى على قيد الحياة، ومع ذلك فإن عملية ريها غالباً ما تؤدي إلى غسل العناصر الغذائية الأساسية التي تحتاجها للنمو. وكثيراً ما تُطبق الأسمدة التقليدية، التي توفر النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم، في دفعات كبيرة لا تستطيع النباتات امتصاصها بالسرعة الكافية؛ مما يؤدي إلى غسل الفائض في التربة، ملوثاً المجاري المائية، أو تبخره في الهواء، مما يهدر الطاقة والمال. وفي الوقت نفسه، تعاني التربة نفسها من أجل الاحتفاظ بالرطوبة خلال فترات الجفاف، مما يترك الجذور عطشى حتى عندما تبدو الأرض رطبة. ولطالما بحث العلماء عن مادة يمكنها حل المشكلتين معاً: مادة تعمل مثل الإسفنج للاحتفاظ بالماء في التربة مع إطلاق العناصر الغذائية ببطء إلى جذور النباتات بمرور الوقت. ومن الناحية المثالية، يجب أن تتحلل هذه المادة طبيعياً بعد أداء مهمتها، بدلاً من ترك نفايات بلاستيكية اصطناعية تظل عالقة في الأرض لعقود.

قام فريق من الباحثين في المركز القومي للبحوث في مصر بتطوير حل جديد يحول النفايات الزراعية إلى محسن تربة عالي التقنية. فقد أخذوا "تفل قصب السكر" (bagasse)، وهو اللب الليفي المتبقي بعد عصر قصب السكر لصنع العصير، وحولوه إلى هيدروجيل قابل للتحلل الحيوي. تم تصميم هذه المادة لتتمكن من الاحتفاظ بكميات هائلة من الماء وإطلاق مزيج متوازن من النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم مباشرة إلى جذور النباتات. ولاختبار فعاليتها، قام العلماء بزراعة نباتات "الترمس"، وهي نوع من البقوليات القوية المعروفة بقدرتها على الازدهار في التربة الرملية الفقيرة، تحت ظروف جفاف محكومة. وتثبت أعمالهم أن هذا الهيدروجيل المستخلص من النفايات يمكن أن يحسن نمو النبات وبقاءه بشكل كبير خلال نقص المياه، مما يوفر طريقة مستدامة لتغذية المحاصيل مع الحفاظ على المياه.

بدأت العملية بتحول كيميائي بسيط وذكي لفضلات قصب السكر. فقد عالج الباحثون ألياف التفل الجافة بحمض الفوسفوريك، وهي خطوة تعمل على ربط مجموعات الفوسفات بهيكل السليلوز لألياف النبات. هذا التعديل يجعل الألياف أكثر استجابة للماء ويخلق نقاط ارتكاز للمرحلة التالية. ثم قاموا بخلط هذه الألياف المعالجة مع لبنتين كيميائيتين شائعتين، وهما الأكريلاميد وحمض الأكريليك، واستخدموا تفاعلاً كيميائياً لربطهما معاً في شبكة ثلاثية الأبعاد. هذه الشبكة، المعروفة باسم "الهيدروجيل"، قادرة على امتصاص الماء بأضعاف وزنها. وقد صنع الفريق عدة نسخ من هذه المادة، عبر تعديل نسبة اللبنتين الكيميائيتين لمعرفة أي مزيج يعمل بشكل أفضل. ووجدوا أن مزيجاً محدداً، يحتوي على أجزاء متساوية من المادتين الكيميائيتين، أنتج جيلاً يمكنه الانتفاخ لقرابة ثلاثين ضعف وزنه الجاف، مما يخلق بنية عالية المسامية قادرة على احتواء خزان ضخم من الماء.

ومن الأهمية بمكان أن الباحثين ضمنوا ألا تصبح هذه المادة ملوثاً دائماً. فخلافاً للعديد من أنواع الهيدروجيل التجارية المصنوعة بالكامل من البلاستيك الاصطناعي التي تستمر في التربة، صُمم هذا الهيدروجيل القائم على تفل قصب السكر ليكون قابلاً للتحلل. فعند دفنه في التربة، بدأ المادة في التحلل خلال أسابيع، حيث فقدت الصيغة الأكثر فعالية ربع وزنها خلال شهر واحد. ويحدث هذا التحلل بفعل ألياف النبات الطبيعية الموجودة في الخليط، والتي يمكن لميكروبات التربة هضمها بسهولة، وبفعل البنية الكيميائية للجل الذي يسمح للماء والإنزيمات بالتغلغل وتفكيك الشبكة. وقد أكدت الدراسة أن المادة نجحت في تحميل نفسها بالنيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم أثناء إنشائها، محولةً بذلك منتج النفايات إلى سماد بطيء التحلل يغذي النبات مع ذوبان الجل ببطء.

ولرؤية كيفية أداء هذه المادة في سيناريو واقعي، أجرى العلماء تجربة استمرت موسمين لزراعة نباتات الترمس في أصص مملوءة بتربة رملية. وقد قسموا النباتات إلى مجموعات مختلفة: بعضها تلقى الكثير من الماء، بينما تعرض البعض الآخر لجفاف شديد، حيث تلقوا نصف كمية المياه التي يحتاجونها عادة. وضمن هذه المجموعات، زُرعت بعض النباتات في تربة عادية، بينما زُرعت أخرى في تربة ممزوجة بالهيدروجيل الجديد بتركيزات مختلفة. وكانت النتائج مذهلة؛ ففي ظل ظروف الجفاف، نمت نباتات الترمس المعالجة بالهيدروجيل بشكل أكبر بكثير وأنتجت كتلة خضرية أكثر بكثير من النباتات غير المعالجة التي كانت تعاني في التربة الجافة. فقد وصل طول ساق النباتات المعالجة بالهيدروجيل إلى أكثر من أربعة وأربعين سنتيمتراً، وأنتجت كتلة خضرية طازجة تقارب أربعة وعشرين جراماً لكل نبات، بينما ظلت النباتات المجهدة بدون الجل قزمة وضعيفة.

لم يقتصر دور الهيدروجيل على مساعدة النباتات على النمو فحسب، بل غير بشكل جوهري كيفية استجابة النباتات للإجهاد. فعندما تنفد المياه من النباتات، فإنها تدخل عادةً في "وضع الذعر"، حيث تنتج مستويات عالية من مواد الإجهاد الكيميائية وتزيد من أنظمة الدفاع الداخلية لديها للبقاء على قيد الحياة. وهذه عملية مكلفة تستنزف الطاقة بعيداً عن النمو. ووجد الباحثون أن النباتات التي تلقت الهيدروجيل لم تضطر للدخول في وضع الذعر هذا؛ إذ ظلت مستويات علامات الإجهاد لديها، مثل بيروكسيد الهيدروجين والبيروكسيد الدهني، منخفضة، على غرار النباتات التي سُقيت جيداً. لقد عمل الهيدروجيل كعازل، حيث حافظ على رطوبة التربة بما يكفي لكي لا تشعر النباتات بالصدمة الكاملة للجفاف. وبالتالي، لم تضطر النباتات لإهدار طاقتها في إنتاج مركبات واقية أو هرمونات إجهاد مفرطة، بل تمكنت من تركيز طاقتها على بناء الأوراق والسيقان، مما أدى إلى نمو كثيف وصحي حتى عندما كانت إمدادات المياه محدودة.

كما كشفت الدراسة أن الهيدروجيل ساعد النباتات على الحفاظ على لونها الأخضر وقدرتها على التمثيل الضوئي. فالعادة في حالات الجفاف هي أن تتحول الأوراق إلى اللون الأصفر وتفقد الكلوروفيل، وهو الصبغة المسؤولة عن التقاط ضوء الشمس. لكن نباتات الترمس المعالجة بالهيدروجيل احتفظت بلونها الأخضر النابض بالحياة ومستويات عالية من الكلوروفيل، مما سمح لها بالاستمرار في إنتاج الغذاء للنبات بكفاءة. وهذا يشير إلى أن المادة لم توفر الماء فحسب، بل ضمنت أيضاً إمداداً ثابتاً من النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم اللازمين لاستمرار العمليات البيولوجية للنبات بسلاسة. وأشار الباحثون إلى أن أفضل النتائج تحققت باستخدام كمية قليलीلة نسبياً من الهيدروجيل، أي جرام أو جرامين فقط لكل كيلوغرام من التربة، مما يثبت أن القليل منه يصنع فرقاً كبيراً.

يعمل هذا العمل على جسر الفجوة بين إدارة النفايات والابتكار الزراعي. فمن خلال تحويل منتج ثانوي منخفض القيمة من صناعة السكر إلى أداة زراعية عالية الأداء، خلق الباحثون حلاً دائرياً يعالج كلاً من التلوث البيئي والأمن الغذائي. يقلل الهيدروجيل من الحاجة إلى الري المتكرر، مما يجعله أداة قوية للزراعة في المناطق القاحلة أو خلال مواسم الجفاف. كما يقلل من هدر الأسمدة باهظة الثمن، مما يضمن تسليم العناصر الغذائية تماماً حيث ومتى يحتاجها النبات. وبينما أجريت هذه الدراسة في تجارب أصص محكومة، فإن النتائج تشير إلى مسار واعد نحو زراعة مستدامة. فالمادة قابلة للتحلل الحيوي، وفعالة، ومشتقة من موارد متجددة، مما يقدم طريقة عملية لتعزيز قدرة المحاصيل على مواجهة الجفاف دون ترك بصمة سامة في التربة. وسيحتاج البحث المستقبلي إلى اختبار هذه النتائج في ظروف ميدانية واسعة النطاق، لكن القدرة الكامنة لهذا الهيدروجيل القائم على تفل قصب السكر على تغيير كيفية زراعة الغذاء في ظل مناخ متغير باتت واضحة بالفعل.