Soil type and moisture dynamics govern the physicochemical aging of superabsorbent polyacrylic acid hydrogels in soil
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मिट्टी के भीतर पॉलीएक्रिलिक एसिड सुपरएब्जॉर्बेंट हाइड्रोgels में सूजन (स्वेलिंग) की कार्यक्षमता का नुकसान मुख्य रूप से नमी के उतार-चढ़ाव के तहत तीव्र भौतिक-रासायनिक वृद्धावस्था और मिट्टी के खनिजों के साथ संघनन द्वारा संचालित होता है, न कि सूक्ष्मजीवविज्ञानी क्षरण द्वारा, जिसमें इन परिवर्तनों की दर और विस्तार मिट्टी के प्रकार और नमी की गतिशीलता द्वारा नियंत्रित होते हैं।
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सूखे के विरुद्ध युद्ध में, किसान और वैज्ञानिक लंबे समय से एक कृत्रिम सहायक की ओर मुड़ते रहे हैं: प्लास्टिक का एक छोटा सा दाना जो एक सूक्ष्म स्पंज की तरह कार्य करता है। जब इसे सूखी मिट्टी में मिलाया जाता है, तो यह सुपरएब्जॉर्बेंट पॉलीमर फूल जाता है, पानी को सोख लेता है और उसे मजबूती से थामे रखता है, ताकि इसे प्यासी पौधों की जड़ों तक धीरे-धीरे छोड़ा जा सके। यह एक सरल अवधारणा है जिसमें एक शक्तिशाली वादा छिपा है: मिट्टी को नम और स्थिर रखना, तब भी जब वर्षा विफल हो जाए। हालाँकि, एक बार जब ये प्लास्टिक के दाने जमीन में दफन हो जाते हैं, तो वे हमेशा के लिए एक जैसे नहीं रहते। वे बदलने लगते हैं, मिट्टी, पानी और मिट्टी के भीतर रहने वाले सूक्ष्म जीवों के साथ अंतःक्रिया करते हैं। वे समय के साथ क्या करते हैं, यह प्रश्न महत्वपूर्ण है। यदि वे पूरी तरह से टूटकर नष्ट हो जाते हैं, तो वे लुप्त हो जाते हैं। यदि वे केवल अपना आकार बदलकर कठोर हो जाते हैं, तो वे जल जलाशयों के रूप में काम करना बंद कर सकते हैं लेकिन जमीन में स्थायी अवशेष के रूप में बने रह सकते हैं। इस परिवर्तन को समझना यह जानने के लिए आवश्यक है कि क्या ये सामग्रियां एक टिकाऊ समाधान हैं या हमारे खेतों में प्लास्टिक का दीर्घकालिक संचय।
जर्मनी के कैसरस्लौटर्न-लैंडौ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने वास्तविक समय में इस परिवर्तन को देखने के लिए हाथ बढ़ाया। उन्होंने पॉलीएक्रिलिक एसिड से बना एक विशिष्ट प्रकार का सुपरएब्जॉर्बेंट पॉलीमर लिया और उसे दो बहुत ही अलग प्रकार की मिट्टी में रखा: एक खुरदरी, रेतीली मिट्टी और एक महीन, चिकनी मिट्टी (क्ले) युक्त दोमट मिट्टी। वे यह देखना चाहते थे कि विभिन्न परिस्थितियों में प्लास्टिक कैसा व्यवहार करता है। कुछ नमूनों को दस सप्ताह तक स्थिर, नम अवस्था में रखा गया, जबकि अन्य को दस बार सूखने और फिर से गीला होने के कठोर चक्रों के अधीन किया गया, जो गीले मौसम के बाद सूखे दौर की प्राकृतिक लय की नकल करता है। प्रकृति के इन नन्हे श्रमिकों की भूमिका को अलग करने के लिए, उन्होंने समानांतर प्रयोग भी चलाए जहाँ मिट्टी को सूक्ष्मजीवों को हटाने के लिए स्टरलाइज़ (कीटाणुरहित) किया गया था, जिससे यह देखा जा सके कि क्या बैक्टीरिया और कवक मुख्य चालक थे या मिट्टी स्वयं भारी काम कर रही थी।
टीम ने जो खोजा वह यह था कि प्लास्टिक गायब नहीं हुआ या हानिरहित घटकों में नहीं टूटा। इसके बजाय, इसने एक गहन भौतिक और रासायनिक उम्र बढ़ने (एजिंग) की प्रक्रिया से गुजरते हुए खुद को एक नरम, पानी से भरे जेल से प्लास्टिक और मिट्टी के एक घने, कठोर सम्मिश्र (कंपोजिट) में बदल लिया। शुरुआत में, पॉलीमर एक ढीला, खुला नेटवर्क था जो पानी से भरा था। लेकिन जैसे ही इसने मिट्टी को छुआ, इसके अंदर फंसा पानी अलग तरह से व्यवहार करने लगा। संवेदनशील उपकरणों का उपयोग करते हुए जो यह मापते हैं कि पानी के अणु कितनी स्वतंत्र रूप से चलते हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि पानी तुरंत फंस गया और प्रतिबंधित हो गया। चिकनी मिट्टी युक्त दोमट मिट्टी में, यह बहुत तेजी से, मात्र तीन दिनों के भीतर हुआ। पॉलीमर की श्रृंखलाएं, जो कभी फैलने के लिए स्वतंत्र थीं, आपस में उलझने और जुड़ने लगीं, जिससे एक बहुत ही सघन संरचना बन गई। यह कसाव मिट्टी द्वारा संचालित था। मिट्टी के खनिज, विशेष रूप से मिट्टी के कण (क्ले पार्टिकल्स), लंगर की तरह कार्य करते हैं, जो प्लास्टिक की श्रृंखलाओं को पकड़ते हैं और उन्हें एक सघन द्रव्यमान में खींच लेते हैं।
मिट्टी के प्रकार ने इस परिवर्तन के unfolding (प्रकट होने) में महत्वपूर्ण अंतर पैदा किया। रेतीली मिट्टी में, जिसमें मिट्टी के कण कम होते हैं और आयनों को पकड़ने की क्षमता कम होती है, परिवर्तन धीमा और क्रमिक था। प्लास्टिक व्यक्तिगत रेत के कणों को लेपित करने लगा, जिससे उनके बीच एक सेतु बन गया। दोमट मिट्टी में, परिवर्तन तीव्र और नाटकीय था। उच्च मिट्टी सामग्री और खनिजों की प्रचुरता के कारण प्लास्टिक तेजी से एक घने, कठोर पिंड में सिमट गया जो मिट्टी के कणों के साथ गहराई से गुंथा हुआ था। जब शोधकर्ताओं ने नमूनों को बार-बार सूखने और फिर से गीला होने के चक्रों के अधीन किया, तो प्रभाव और भी स्पष्ट हो गया। सूखने की क्रिया ने प्लास्टिक से पानी को बाहर निकाल दिया, जिससे यह सिकुड़ गया और इसमें दरारें पड़ गईं। जब पानी वापस आया, तो प्लास्टिक पूरी तरह से पुन: विस्तारित नहीं हो सका क्योंकि यह मिट्टी के खनिजों के साथ रासायनिक रूप से लॉक हो गया था। अपने मूल फुल्की अवस्था में वापस लौटने के बजाय, यह सिकुड़ा हुआ और सख्त रहा, जिससे एक कठोर परत बन गई जो पृथ्वी से मजबूती से जुड़ी हुई थी।
इस अध्ययन का एक प्रमुख निष्कर्ष यह था कि जीवित सूक्ष्मजीव इस प्रक्रिया में आश्चर्यजनक रूप से मामूली भूमिका निभाते हैं। शोधकर्ताओं ने जीवित मिट्टी की तुलना स्टरलाइज़ की गई मिट्टी से की, जिसमें कोई जीवन नहीं था। हालांकि प्लास्टिक के सख्त होने के तरीके में कुछ छोटे अंतर थे, लेकिन उम्र बढ़ने का समग्र पैटर्न दोनों में समान था। प्लास्टिक घना, कठोर और खनिज-बद्ध हो गया, चाहे बैक्टीरिया और कवक मौजूद हों या नहीं। यह सुझाव देता है कि सक्रिय मुख्य बल भौतिक और रासायनिक अंतःक्रियाएं थीं जो प्लास्टिक और मिट्टी के खनिजों के बीच हुईं, न कि जैविक पाचन। सूक्ष्मजीवों ने शायद मिश्रण में थोड़ा अतिरिक्त गोंद जोड़ा होगा, संभवतः उनके द्वारा उत्पादित चिपचिपे पदार्थों के माध्यम से, लेकिन वे मुख्य वास्तुकार नहीं थे। मिट्टी स्वयं, अपने खनिजों और जल गतिशीलता के साथ, उस नरम जेल को एक कठोर अवशेष में बदलने के लिए पर्याप्त थी।
इस कार्य का सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष 'कार्य खोने' और 'लुप्त होने' के बीच का अंतर है। जब प्लास्टिक पानी को प्रभावी ढंग से रोकने में विफल हो जाता है, तो अक्सर यह मान लिया जाता है कि यह विघटित या टूट गया है। अध्ययन दिखाता है कि ऐसा नहीं है। सामग्री अभी भी वहीं है, लेकिन इसने अपना स्वरूप पूरी तरह से बदल लिया है। इसने एक उपयोगी जल जलाशय से एक घने, मिट्टी-बद्ध अवशेष में संक्रमण कर लिया है जो अब फूलता नहीं है। इसका अर्थ यह है कि क्षेत्र में प्रदर्शन की हानि इस बात का संकेत नहीं है कि प्लास्टिक चला गया है; बल्कि यह इस बात का संकेत है कि यह मिट्टी की संरचना का हिस्सा बन गया है जो इसे काम करने से रोकता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि दस सप्ताह के बाद, सामग्री मूल जेल जैसी बिल्कुल नहीं दिख रही थी। एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे, यह एक सघन, फटी हुई द्रव्यमान के रूप में दिखाई दिया जहाँ मिट्टी के कण प्लास्टिक के भीतर धंसे हुए थे, जिससे एक एकल, ठोस इकाई बन गई थी।
इस परिवर्तन के कृषि के प्रति इन सामग्रियों के दीर्घकालिक भाग्य को देखने के हमारे दृष्टिकोण पर निहितार्थ हैं। अध्ययन दर्शाता है कि वातावरण इन पॉलिमरों को या तो बहा ले जाता है या इन्हें शून्य में तोड़ देता है। इसके बजाय, मिट्टी का मैट्रिक्स और गीले और सूखे मौसम के चक्र एक प्रेस की तरह कार्य करते हैं, जो प्लास्टिक को एक नए, स्थायी रूप में दबा देते हैं। जल धारण क्षमता इसलिए नहीं खोती क्योंकि प्लास्टिक गायब हो जाता है, बल्कि इसलिए खोती है क्योंकि यह एक कठोर, खनिज-जुड़े ठोस में बदल जाता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि इन सामग्रियों के भविष्य के आकलन को सरल प्रदर्शन मेट्रिक्स से परे देखना चाहिए। भले ही कोई पॉलीमर स्पंज के रूप में काम करना बंद कर दे, इसका मतलब यह नहीं है कि वह पर्यावरण से गायब हो गया है। यह केवल एक घने, स्थिर अवशेष के रूप में उम्रदराज हो गया है जो मिट्टी में बना रहता है, उस पृथ्वी से बंधा हुआ जिसे मदद करने के लिए इसे बनाया गया था।
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