Chemia w rolnictwie

CHEMIA I SPOŁECZEŃSTWO
Chemia w rolnictwie
Marek Kwiatkowski
Zakład Dydaktyki Chemii
Wydział Chemii UG
ul. Sobieskiego 18, 80-952 Gdańsk
tel. (058) 3450 462
e-mail: [email protected]
1930: 2 mld
2000: 6 mld
2008: 6,6 mld
Zaludnienie
1800: 1 mld
1600: 0,5 mld
1000: 0,25 mld
2030: 8,1 mld
Rolnictwo a rozwój
ludzkości
Ludzie uprawiali ziemię
od 10 000 BC.
Katon Starszy:
•
•
•
•
•
•
•
selekcja ziarna
stosowanie roślin motylkowych w nawoŜeniu
badanie kwasowości gleb, wapnowanie
kompostowanie
wykorzystanie nawozów zwierzęcych
znaczenie zwierząt gospodarczych
zasady zbioru siana
Rolnictwo a rozwój ludzkości, cd.
• XVIII wiek: podejście naukowe do rolnictwa,
początek eksplozji demograficznej. Arthur Young:
popularyzacja wiedzy rolniczej
• XIX wiek, 1840 rok: Justus von Liebig publikuje
sławną rozprawę Die organische Chemie in ihrer
Anwendung auf Agricultur und Physiologie (Chemia
organiczna w swoich zastosowaniach w rolnictwie i
fizjologii)
Liebig opisał związki chemiczne niezbędne do rozwoju
roślin. Opis ten stał się podstawą rozwoju przemysłu
nawozów sztucznych. Jego prace przyniosły mu
przydomek 'Ojca współczesnej nauki o glebach'.
Rolnictwo a rozwój
ludzkości, cd.
• XIX-wieczna rewolucja
przemysłowa stwarza nowe
narzędzia dla rolnictwa i
pozwala na mechanizację wielu
prac.
Rolnictwo a rozwój
ludzkości, cd.
• XX-wiek: dalszy rozwój nowoczesnego
rolnictwa, niewiarygodny wzrost
produktywności, jednocześnie 2/3 rolnictwa
pozostaje na prymitywnym, zacofanym
poziomie.
• XXI wiek: czy starczy "chleba naszego
powszedniego' dla 10-miliardowej populacji?
Kształtowanie gleby
Gleba jest produktem działalności destrukcyjnych
sił natury.
• meteoryty (od wielkich bolidów do cząstek subatomowych)
• obecność gazów i cieczy
– ruchy konwekcyjne
– cykliczna zmiana faz
– ścieranie
• aktywność wulkaniczna
Warstwy gleby
O Ŝyzności gleby decyduje skład wierzchniej warstwy,
w której znajduje się większość korzeni roślin.
Struktura gleby
Ziarna lub agregaty ziaren
Pory o zróŜnicowanej
wielkości wypełnione
wodą lub powietrzem
Składniki gleby:
•
•
•
•
•
humus
rozdrobniona skała
woda
powietrze
korzenie, Ŝywe organizmy
Powietrze
• Powietrze wypełnia pory pomiędzy
cząstkami gleby
• Zawartość powietrza jest funkcją
kształtu cząstek gleby (płytki, ziarna,
granulki)
• Skład: 15% tlenu, 5% dwutlenku
węgla
czarnoziem, granulki,
do 25% powietrza
gleba piaszczysta, ziarna,
bogata w powietrze
gleba gliniasta, płytki,
uboga w powietrze
Woda
• wypełnia pory pomiędzy cząstkami gleby
• adsorbuje się na powierzchni cząstek gleby
• wchodzi w skład struktury cząstek gleby (hydratacja składników
mineralnych)
Przyczyna sorpcji wody przez glebę: wiązanie wodorowe z jonami i
polarnymi cząsteczkami minerałów zawartych w glebie
Woda, cd.
Gleba pozbywa się wody poprzez:
• transpirację roślin
• parowanie powierzchniowe
• zbieranie plonów
• perkolację (przepływ pomiędzy
ziarnami gleby do niŜszych
warstw)
Perkolacja:
• niezbędny warunek wzrostu
roślin (produkcja 1 kg plonu
wymaga kilkuset litrów wody)
• wymywanie składników
odŜywczych rozpuszczalnych
w wodzie
Perkolacja zaleŜy od wielkości cząstek
gleby. Gleby przepuszczalne dla wody
są jednocześnie dobrze napowietrzone..
wyjątek: ryŜ
Próchnica (humus)
Produkt mikrobiologicznego rozkładu roślin
i zwierząt:
•
•
•
źródło mineralnych składników odŜywczych
nadaje właściwą strukturę glebie
niezbędna dla wzrostu roślin
'Sztuczne' wzbogacanie w próchnicę:
wprowadzanie do gleby materiału
organicznego: torfu, nawozu
zwierzęcego, roślin zielonych,
kompostu, liści, trocin.
Uwaga: zakwaszenie gleby!
Powstawanie próchnicy wymaga
swobodnego przepływu wody przez glebę.
W przeciwnym razie powstaje torf.
Składniki mineralne
Produkty wietrzenia skał, głównie kwarc oraz róŜnego rodzaju
krzemiany i glinokrzemiany, głównie wapnia, magnezu, Ŝelaza.
Gliniaste gleby
nieprzepuszczalne dla
wody często mają
strukturę warstwową
Czerwony kolor gleby jest
związany z wysoką
zawartością związków Ŝelaza.
Kwasowość gleby
Naturalne procesy fizykochemiczne
zachodzące w glebie sprzyjają jej
zakwaszaniu.
• Rozkład substancji organicznych w glebie: źródło CO2
CO2(g) + H2O(l) → HCO3-(aq) + H+(aq)
• Wymywanie soli wapnia i magnezu z gleby, hydroliza
jonów glinu i Ŝelaza:
Al3+(aq) + H2O(l) → Al(OH)2+(aq) + H+(aq)
Fe3+(aq) + H2O(l) → Fe(OH)2+(aq) + H+(aq)
Zapobieganie: wapnowanie gleby, Ca(OH)2, CaCO3
Składniki odŜywcze dla roślin
Składniki niemineralne
• Węgiel
• Wodór
• Tlen
Źródła: CO2 z powietrza, woda H2O
Składniki podstawowe: azot
Rośliny potrafią przyswajać azot w
formie jonów azotanowych NO3- oraz
(rzadziej) amonowych NH4+
Obieg azotu w przyrodzie:
• Wiązanie azotu atmosferycznego:
– wyładowania elektryczne
N2(g) + O2(g) → 2 NO(g)
2 NO(g) + O2(g) → 2 NO2(g)
2 NO2(g) + H2O(l) → HNO3(aq) + HNO2(aq)
– rośliny motylkowe, Ŝyjące w
symbiozie z bakteriami Rhizobium,
niektóre sinice Cyanobacteria
N2(g) + 10 H+(aq) + 8 e- → 2 NH4+(aq) + H2(g)
Rośliny motylkowe
Koniczyna, łubin, groch, fasola, soja, wyka...
Korzenie z brodawkami zawierającymi symbiotyczne
bakterie Rhizobium, znaczna zawartość
leghemoglobiny.
Składniki podstawowe: azot cd.
Obieg azotu w przyrodzie:
• Nitryfikacja:
– bakterie Nitrosomonas
NH4+(aq) + O2(g) → NO2−(aq) + 4 H+(aq) + 2 e−
– bakterie Nitrobacter
NO2−(aq) + H2O(l) → NO3−(aq) + 2 H+(aq) + 2e−
• Denitryfikacja:
– bakterie Pseudomonas fluorescens,
warunki beztlenowe
2 NO3−(aq) + 12 H+(aq) + 10 e- → N2(g) + 6 H2O(l)
Składniki podstawowe: azot cd.
Formy przyswajalnego azotu: NH3, NH4+, NO3-, NH2CONH2
Źródła:
• próchnica
• nawozy naturalne
–
–
–
–
zielone rośliny motylkowe
kompost
nawozy zwierzęce
guano
• nawozy sztuczne
– azotany (np. NH4NO3)
– amoniak (ciekły, roztwór)
– mocznik
2 NH3(g) + CO2(g) → NH2COO-NH4+(s) → NH2CONH2(s) + H2O(l)
Składniki podstawowe: azot cd.
Problemy:
• azotany są łatwo wymywane z gleby przez wodę
• sole amonowe i mocznik ulegają hydrolizie uwalniając
amoniak
• stosowane w nadmiarze azotany gromadzą się zielonych
częściach roślin, częściowo przekształcając się w
szkodliwe azotyny
Składniki podstawowe: fosfor, potas
• Formy przyswajalnego fosforu:
HPO42-, H2PO4• Źródła fosforu:
– minerały zawarte w glebie
(apatyty)
– nawozy naturalne
– nawozy sztuczne: superfosfat
Ca(H2PO4)2
• Cechy szczególne:
– fosforany są trudno wymywalne
– dostępność fosforu zaleŜy od pH
• Formy przyswajalnego potasu:
K+
• Źródła potasu:
–
–
–
–
próchnica
nawozy naturalne
popiół drzewny
nawozy sztuczne: KNO3
• Biologiczne znaczenie:
– bierze udział w biosyntezie
dwucukrów i polisacharydów
• wapń
• magnez
• siarka
Składniki dodatkowe i mikroskładniki
•
•
•
•
•
•
•
•
•
bor
chlor
miedź
Ŝelazo
mangan
molibden
sód
wanad
cynk
Środki ochrony roślin - pestycydy
30-40% plonów
tracimy rocznie z
powodu szkodników
DDT Story
• t1/2 = 8 lat
• 1973 - 1980 zakaz
• 90% degradacji do
2000 roku
Rodzaje pestycydów
• Insektycydy
CCl3
DDT, t1/2 = 8 lat
Cl
Cl
CCl3
metoksychlor,
t1/2 = 20 - 200 dni
H3CO
OCH3
O
O
S
Cl
Cl
O
endosulfan,
t1/2 = 3-7 dni
Cl
Cl
Rodzaje pestycydów cd.
• Herbicydy
nieselektywne: CaNCN, arseniany,
siarczany, borany ....
selektywne: o działaniu hormonów
roślinnych
Cl
O
O
C
OH
Cl
Cl
2,4,6-T
atrazyna
N
H
H3C
ClN+
paraquat
Cl
N
N
N
N
H
ClN+
CH3
Agent Orange
Cl
O
O
C
OH
Cl
Cl
2,4,6-T
Rodzaje pestycydów, cd.
• Rodenticydy
OH
O
C
CH3
O
O
warfaryna
(antykoagulant)
Rodzaje pestycydów, cd.
NH2
N
• Awicydy
–
–
–
–
avitrol
repelenty
insektycydy wchłaniane przez stopy
substancje wywołujące czasową niepłodność
detergenty
endrin
H3C
CH3
N
N
CH3
ornitrol
HO
Rodzaje pestycydów, cd.
• moluscydy
ślimaki są nosicielami róŜnych pasoŜytów, które są szkodliwe dla zwierząt
gospodarczych i ludzi
CH3
O
O
H3C
CH3
O
O
CH3
metaldehyd
Regulatory wzrostu
kwas
giberelinowy
• auksyny: stymulują
wydłuŜanie się komórek w
pędzie wierzchołkowym
• cytokininy: indukują podział
komórek
• gibereliny: regulują wzrost i
dojrzewanie
• spowalniacze wzrostu
• generatory etylenu
• inhibitory