Fabrication and Comparative Evaluation of PVA-Ninhydrin and PVA-Nano ZnO-Ninhydrin Composite films as Colourimetric Sensors for Soil Fertility Assessment

إن صحة الأرض تحت أقدامنا هي حوار صامت بين التربة والنباتات التي تنمو فيها. فبالنسبة للمزارع أو البستاني، فإن معرفة ما إذا كانت تلك التربة غنية بما يكفي لدعم المحصول هي مسألة بقاء واستدامة. وفي قلب هذه الخصوبة يكم-ن النيتروجين، وهو عنصر غذائي حيوي لا تستطيع النباتات إنتاجه بمفردها؛ فهو اللبنة الأساسية للبروتينات ومحرك النمو، ويوجد بوفرة في المواد العضوية مثل روث الحيوانات أو المخلفات النباتية المتحللة. تقليديًا، كانت عملية قياس هذا العنصر مهمة محصورة في المختبرات، تتطلب آلات معقدة وفنيين مهرة لمعالجة العينات. وهذا يخلق حاجزًا أمام أولئك الذين هم في أمس الحاجة إلى هذه المعلومات: وهم الأشخاص الذين يعملون مباشرة مع الأرض. لذا، فإن التحدي يكمكمن في إيجاد طريقة لرؤية ما لا يُرى، أي تحويل الوجود الكيميائي للنيتروجين إلى شيء يمكن للإنسان ملاحظته بأم عينيه، مباشرة في الحقل.

لقد لجأ الباحثون إلى تفاعل كيميائي كلاسيكي لحل هذه المشكلة. فهناك مادة معروفة تسمى "النينهيدرين"، استُخدمت لفترة طويلة للكشف عن وجود الأحماض الأمينية، وهي الوحدات الأساسية للبروتينات. عندما تلتقي هذه المادة بحمض أميني، فإنها تخضع لتحول، حيث تتحول إلى لون أرجواني عميق ونابض بالحياة. ويعد هذا التغير في اللون إشارة موثوقة على وجود مركبات تحتوي على النيتروجين. ومع ذلك، فإن استخدام النينهيدرين السائل في بيئة ميدانية أمر فوضوي وصعب الإدارة. ولجعل هذه الأداة عملية للاستخدام اليومي، سعى فريق من العلماء إلى حبس هذا الكاشف الكيميائي داخل شريحة صلبة ومرنة. لقد هدفوا إلى إنشاء مستشعر يمكن لمسه، وحمله، وضغطه مقابل التربة، بانتظار ظهور اللون كعلامة على الخصوبة.

بدأ العلماء بصنع نوعين مختلفين من هذه الأفلام الاستشعارية. كان النوع الأول عبارة عن خليط مباشر من كحول البولي فينيل (polyvinyl alcohol)، وهو بلاستيك شائع وآمن يُستخدم غالبًا في الغراء والتغليف، وكاشف النينهيدرين. قاموا بإذابة البلاستيك في ماء ساخن، وأضافوا المادة الكيميائية، ثم تركوا السائل يجف ليتحول إلى شريحة رقيقة وشفافة. صُمم هذا الفيلم ليكون كاشفًا بسيطًا ومباشرًا. لكن الباحثين أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم جعل المستشعر أفضل. فقد اشتبهوا في أن إضافة جزيئات دقيقة من أكسيد الزنك، وهي مادة معروفة بقوتها وقدرتها على محاربة البكتيريا، قد تحسن متانة الفيلم وأداءه. ولاختبار ذلك، قاموا بتخليق هذه الجزيئات المجهرية وخلطها في محلول البلاستيك قبل إضافة النينهيدرين، مما أدى إلى إنشاء فيلم ثانٍ أكثر تعقيدًا.

بمجرد صنع الأفلام، احتاج الفريق إلى فهم ما يعملون عليه. فقاموا بفحص الشرائح تحت مجاهر قوية وباستخدام أدوات ضوئية متنوعة لرؤية كيفية ترتيب المواد. وجدوا أن الفيلم البسيط كان ناعمًا وواضحًا، بينما كان الفيلم الذي يحتوي على جزيئات الزنك عكرًا قليلاً وله سطح أكثر خشونة، وهو نتيجة طبيعية لتشتت الجزيئات الصغيرة للضوء. ورغم هذه الاختلافات البصرية، فقد تماسك كلا الفيلمين بشكل جيد. ثم اختبر الباحثون كيفية سلوكهما تحت تأثير الحرارة والإجهاد؛ وأظهرت النتائج أن الفيلم الذي يحتوي على جزيئات الزنك كان أكثر متانة بشكل ملحوظ، حيث استطاع تحمل درجات حرارة أعلى قبل التحلل، وكان أصعب بكًاثير في التمدد أو التمزق مقارنة بالنسخة البسيطة. علاوة على ذلك، أظهر الفيلم المحتوي على الزنك قدرة أكبر على وقف نمو البكتيريا الشائعة، وهي سمة مفيدة لأداة قد تُستخدم في بيئات عضوية ملوثة.

إلا أن الاختبار الحقيقي كان ما إذا كانت هذه الأفلام قادرة بالفعل على "قراءة" التربة. جمع الباحثون أربعة أنواع متميزة من الأرض ليروا كيف ستستجيب المستشعرات. أخذوا تربة غنية بفضلات الدجاج، وتربة مختلطة بروث الأبقار، وتربة سوداء داكنة وغنية طبيعيًا، وتربة قياسية غير مضافة إليها مواد. وضعوا قطعًا صغيرة من كلا نوعي الفيلم مباشرة على هذه الترب المختلفة وراقبوا ما يحدث على مدار يوم كامل.

كانت النتيجة واضحة ومتسقة؛ فقد تفاعلت الأفلام مع النيتروجين الموجود في التربة عبر التحول إلى اللون الأرجواني، مما أكد أن المستشعرات تعمل بنجاح. وقد حكت سرعة وكثافة هذا التغير في اللون قصة عن جودة التربة. فالتربة المعالجة بفضلات الدجاج، وهي غنية جدًا بالنيتروجين، جعلت الأفلام تتحول إلى اللون الأرجواني في أسرع وقت، وذلك خلال ساعات قليلة فقط. وتلتها تربة روث الأبقار، التي تحولت أيضًا إلى اللون الأرجواني بسرعة. أما التربة السوداء فقد استغرقت وقتًا متوسطًا لإظهار اللون، بينما كانت التربة العادية غير المضافة إليها مواد هي الأبطأ استجابة، حيث أنتجت تغيرًا لونيًا باهتًا أو متأخرًا فقط. وقد طابق هذا النمط تمامًا الخصوبة المعروفة لكل عينة، مما أثبت أن الأفلام يمكنها التمييز بين التربة الغنية والفقيرة بمجرد مراقبة سرعة تغير لونها.

وعند مقارنة النوعين من الأفلام، ظهر فرق طفيف؛ فقد كان الفيلم البسيط بدون جزيئات الزنك يتفاعل بشكل أسرع قلي، حيث يتحول إلى اللون الأرجواني بسرعة أكبر من نظيره المعزز. أما الفيلم الذي يحتوي على جزيئات الزنك فقد استغرق وقتًا أطول قليلاً لإظهار اللون، ويرجع ذلك على الأرجى إلى أن الجزيئات المضافة جعلت بنية البلاستيك أكثر كثافة، مما أبطأ حركة المواد الكيميائية من التربة إلى داخل الفيلم. ومع ذلك، جاء هذا التأخير الطفيف مقابل مقايضة كبيرة؛ فالفيلم المعزز بالزنك كان أكثر متانة، ومقاومًا للحرارة، وأفضل في منع النمو البكتيري. وبينما كان الفيلم البسيط أسرع في التفاعل، كان الفيلم المعزز أكثر قدرة على الصمود، مما يوفر أداة أكثر قوة لمتطلبات العمل الميداني.

تخلص الدراسة إلى أن كلا الفيلمين يعدان أدوات فعالة للفحص السريع لخصوبة التربة، حيث يقدمان طريقة لتقييم الخصوبة دون الحاجة إلى معدات باهظة الثمن، محولين عملية كيميائية معقدة إلى تغيير لوني بسيط. وقد وجد الباحثون أنه بينما أدت إضافة أكسيد الزنك إلى إبطاء التفاعل بجزء بسيط، إلا أنها خلقت مستشعرًا أقوى، وأكثر استقرارًا، وأكثر مقاومة للبيئة. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة للاستخدام العملي طويل الأمد في الزراعة، قد يكون الفيلم المعزز هو الخيار الأفضل، حيث يوفر وسيلة موثوقة ومنخفضة التكلفة للمزارعين لفهم احتياجات أراضيهم وإدارة محاصيلهم بشكل أكثر استدامة.