شیمی خاک؛ بررسی ترکیبات و فرآیندهای زیستی

شیمی خاک، شاخه ای از علم خاک است که به ترکیب شیمیایی، خواص شیمیایی و واکنش های شیمیایی خاک می پردازد. انواع خاک، مخلوط های ناهمگنی از هوا، آب، جامدات معدنی و آلی و میکروارگانیسم ها (با ماهیت گیاهی و حیوانی) هستند. هیچ دو نوع خاک، دقیقاً شبیه هم نیستند. واکنش ها و فرآیندهای خاک در طیف وسیعی از مقیاس های مکانی و زمانی رخ می دهد.

شیمی خاک به واکنش ها و فرآیندهای شیمیایی این مراحل مربوط می شود. به عنوان مثال، دی اکسید کربن موجود در هوا همراه با آب برای هوازدگی فاز جامد و مواد معدنی عمل می کند. واکنش های شیمیایی بین مواد جامد و محلول خاک، بر رشد گیاه و کیفیت آب تأثیر می گذارد.

شیمی خاک به طور کلی بر واکنش های شیمیایی در خاک متمرکز بوده که بر رشد و تغذیه گیاه تأثیر می گذارد. با این حال، با شروع دهه ۱۹۷۰ و قطعاً در دهه ۱۹۹۰ نگرانی ها در مورد فلزات، مواد مغذی (به ویژه نیتروژن و فسفر) و آلاینده های آلی در خاک و تأثیر آنها بر کیفیت آب و سلامت گیاهان، حیوانات و انسان افزایش یافت.

 ما اکنون به این علم تخصصی و زیست محیطی به عنوان “شیمی خاک” اشاره می کنیم، که شامل مطالعه واکنش ها، فرآیندهای شیمیایی بین خاک و مواد مغذی گیاهی مهم، رادیونوکلئیدها، فلزات و مواد شیمیایی آلی است.

دانش تخصصی شیمی خاک، در پیش بینی سرنوشت آلاینده ها در محیط های خاک سطحی و سطوح زیرین، نقش اساسی ایفا می کند. درک شیمی و کانی شناسی اجزای معدنی و آلی در خاک، برای توصیف مجموعه ای از واکنش های شیمیایی که آلاینده ها ممکن است در محیط خاک انجام دهند، ضروری است.

این واکنش ها که شامل فرآیندهای تعادلی و جنبشی مانند انحلال، رسوب، پلیمریزاسیون، جذب واجذب و کاهش اکسیداسیون می باشد، بر حلالیت، تحرک، گونه زایی (شکل)، سمیت و فراهم بودن گونه های زیستی آلاینده ها در خاک و آب های سطحی تأثیر می گذارد. وضعیت آب های زیرزمینی و دانش شیمی خاک نیز در اتخاذ تصمیمات مناسب و مقرون به صرفه در مورد اصلاح خاک های آلوده مفید است.

خدمات ترجمه تخصصی متون شیمی تجزیه را از اولتراشیمی بخواهید

نگاهی بر تاریخچه شیمی خاک

شیمی خاک، به عنوان زیرشاخه ای از علم خاک، برای اولین بار در اوایل دهه ۱۸۵۰ با تحقیقات جی. توماس وی (J. Thomas Way )، شیمیدان مشاور انجمن سلطنتی کشاورزی در انگلستان مطرح شد. وی که پدر علم شیمی خاک به حساب می آید، مجموعه ای از آزمایشات را در مورد توانایی و ظرفیت خاک در تبادل یون انجام داد.

او دریافت که خاک ها می توانند هم کاتیون ها و هم آنیون ها را جذب کنند و این یون ها می توانند با یون های دیگر مبادله شوند. وی ذکر کرد، این تبادل یونی بسیار سریع است، خاک رس یکی از اجزای مهم خاک در جذب کاتیون ها است و گرم کردن خاک یا تیمار آن با اسید قوی، توانایی خاک برای جذب یون ها را کاهش می دهد.

اکثر مشاهدات وی در آینده صحت پیدا کرد و کار او، زمینه‌ای برای بسیاری از مطالعات اولیه در مورد تبادل یون و جذب یون شد؛ چیزی که بعداً توسط شیمی ‌دانان خاک انجام شد. مطالعات Way همچنین تأثیر زیادی بر سایر رشته ‌ها از جمله مهندسی شیمی و علم شیمی داشت. تحقیقات در مورد تبادل یونی واقعاً یکی از ویژگی‌های بارز شیمی خاک بوده است.

بسیاری از تحقیقات در زمینه شیمی خاک بین سال های ۱۸۵۰ و ۱۹۰۰ گسترش کار J. Thomas Way بود. در طول دهه‌ اولیه قرن بیستم، مطالعات تبادل یونی توسط Gedroiz در روسیه، Hissink در هلند، و Kelley و Vanselow در کالیفرنیا، تحقیقات و نتیجه‌گیری‌های مقدماتی توماس را گسترش دادند. معادلات تبادل یونی متعددی برای توضیح و پیش‌بینی واکنش‌های دوگانه (واکنش‌های شامل دو یون) روی کانی‌های رسی و خاک‌ها توسعه داده شد.

این موارد به افتخار دانشمندانی که آنها را توسعه دادند نامگذاری شدند؛ و شامل معادلات Kerr، وانسلو (Vanselow)، گاپون (Gapon)، اسکوفیلد (Schofield)، کریشنامورتی (Krishnamoorthy) و اورستریت (Overstreet)، دانان (Donnan)، و گینز و توماس (Gaines and Thomas) بودند.

پاولینگ (Pauling) مطالعات اولیه ای را در مورد ساختار سیلیکات های لایه ای انجام داد که پایه و اساس مطالعات گسترده شیمیدانان خاک و کانی شناسان را بر روی کانی های رسی در خاک ها بنا گذاشت. یک کشف بزرگ توسط هندریکس و فرای (Hendricks and Fry) و کلی (Kelley) و همکاران انجام شد؛ کسانی که دریافتند کانیهای رسی در خاک ها در واقع، کریستالی هستند.

مدت کوتاهی پس از آن، مطالعات اشعه ایکس برای شناسایی کانی های رسی و تعیین ساختار آنها انجام شد. بلافاصله مطالعاتی برای بررسی احتباس کاتیون ها و آنیون ها بر روی رس ها، اکسیدها و خاک ها انجام شد و مکانیسم های ماندگاری پیشنهاد شد. به ویژه مطالعات اولیه انجام شده توسط اسکوفیلد و سامسون (Schofield and Samson) و مهلیچ (Mehlich) که برخی از نظریه های قبلی سانته ماتسون (Sante Mattson) در مورد پدیده های جذب را تأیید کردند، قابل توجه بود. این مطالعات پیشرو موضوع مهم دیگری در تحقیقات شیمی خاک، تحت عنوان “شیمی سطح خاک” بودند.

تحقیقات درباره “شیمی اسیدها در خاک”

یکی از تحقیقات جالب و مهم در علوم شیمی خاک، شیمی اسیدیته خاک بوده است. همانطور که Hans Jenny نوشت، تحقیقات در مورد اسیدیته خاک بسیار متنوع و رو به رشد بود. بحث‌های شدیدی در مورد اینکه آیا اسیدیته عمدتاً به هیدروژن یا آلومینیوم نسبت داده می‌شود و مبنای بسیاری از مطالعات در طول قرن گذشته بود، مطرح شد.

محققانی با نام های کلمن (Coleman) و توماس (Thomas) و ریچ (Rich) و همکاران بودند که بر اساس مطالعات متعدد به این نتیجه رسیدند که آلومینیوم، شامل گروه هیدروکسی سه ظرفیتی، ساختار مونومر (شامل یک یون Al) و ساختار پلیمری (بیش از یک یون آلومینیوم)، دلیل اصلی اسیدیته خاک بود.

مقالات زبان تخصصی شیمی را از اینجا بخوانید

مروری بر تاریخچه عوامل آلوده کننده خاک

در دهه ۱۹۷۰، نگرانی های عمده پیرامون آلودگی های محیط زیست، از جمله آلودگی هوا، آلودگی خاک و کاهش کیفیت آب که تحت تأثیر گازهای گلخانه ای، فلزات کمیاب، رادیونوکلئیدها، آفت کش ها و سایر مواد شیمیایی آلی و مواد مغذی مانند نیتروژن قرار داشتند، متمرکز شد. در نتیجه، این علم به مطالعات درباره شیمی و ژئوشیمی خاک تغییر یافت.

در طول ۵۰ سال گذشته، مطالعات عمده ای در مورد اثرات باران اسیدی بر خاک و آب انجام شده است. اثرات فلزات / فلزات کمیاب در مواد لجن روی زمین، و منابع دیگر بر حفظ / رهاسازی فلز / متالوئید در خاک، جذب گیاه و فراهمی زیستی، مهم ترین تحقیقات در این حوزه هستند.

گونه زایی آلاینده ها در خاک با استفاده از استخراج شیمیایی و تکنیک های مقیاس مولکولی، بررسی و اندازه گیری مقادیر نیترات و فسفات، مواد شیمیایی آلی و انتقال رادیونوکلئید در آب های سطحی و زیرزمینی، موضوعات به روز و جدید تحقیقات این حوزه هستند. شامل عناوین عبارتند از: تسهیل انتقال کلوئیدی فلزات و مواد شیمیایی آلی؛ توضیح ساختار مواد هیومیک و جداسازی کربن؛ اثرات زمان ماند بر جداسازی آلاینده ها؛ تغییرات اکسایش – کاهش و مکانیسم آلاینده های معدنی و آلی در خاک؛ توسعه مدل های کمپلکس سطحی، بر اساس نظریه کلاسیک لایه دوگانه، برای توصیف جذب فلز و لیگاند در خاک و اجزای خاک؛ اصلاح خاک با استفاده از روش های شیمیایی و گیاه پالایی، شیمی سطحی ریزوسفر (گیاه، خاک)، و تبدیل آلاینده ها با واسطه میکروبی.

تحقیقات دهه ۷۰ و ۸۰ در مورد شیمی و فیزیک خاک

در دهه ۱۹۷۰ و به ویژه دهه ۱۹۸۰، تکنیک های تحلیلی پیشرفته برای مطالعه واکنش ها در سطح مشترک آب و معدنی خاک در دسترس قرار گرفت. تکنیک ‌هایی در مقیاس مولکولی که در آن واکنش ‌های شیمیایی خاک را بتوان در محیط‌های آبی بررسی کرد، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بود.

در واقع یک رشته جدید از علوم خاک و محیط زیست که اغلب از تکنیک های فوق استفاده می کند، علم محیط زیست در مقیاس مولکولی است. علم محیط زیست مولکولی (Molecular environmental science) را می توان به عنوان مطالعه اشکال فیزیکی و شیمیایی و توزیع آلاینده ها در خاک، رسوبات، مواد زائد، آب های طبیعی و جو در سطح مولکولی تعریف کرد.

بدون شک، استفاده از تکنیک‌های مقیاس مولکولی، همراه با مطالعات ماکروسکوپی، تعادلی و جنبشی، انقلابی در تحقیقات شیمی خاک و محیط زیست ایجاد کرده است. همراه با پیشرفت های سریع در ابزارهای تحلیلی، تحقیقات شیمی خاک بین چند رشته گسترده شده است. شیمیدانان خاک با شیمیدانان، فیزیکدانان، زیست شناسان، ژئوشیمیدانان، مهندسان، دانشمندان مواد و دانشمندان علوم دریایی مانند قبل همکاری می کنند. این تعاملات و پیشرفت‌های خیره ‌کننده در تکنیک‌های تحلیلی، فناوری اطلاعات، جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها و بیوتکنولوژی برای همیشه حوزه شیمی خاک را تغییر خواهد داد.

ترجمه تخصصی علوم مهندسی خاک، ترجمه متون محیط زیست و متون شیمی را به صورت تخصصی از ما بخواهید. کافیست با ما تماس بگیرید.

اجزای مهم خاک را بشناسیم

۱-ترکیبات معدنی، از مهم ترین اجزای خاک

خاک، مجموعه های پیچیده ای از جامدات، مایعات و گازها هستند. به عنوان مثال، در یک خاک لومی سیلت معمولی که برای رشد گیاه ایده آل است، جزء جامد در سطح فوقانی، حدود ۵۰ درصد حجم را نشان می دهد (حدود ۴۵ درصد مواد معدنی و ۵ درصد مواد آلی)، گازها (هوا) حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد را تشکیل می دهند؛ و آب معمولاً ۲۰-۳۰٪ باقی مانده را تشکیل می دهد. البته توزیع گازها و آب در فضای منافذ، بسته به شرایط آب و هوایی و مجموعه ای از عوامل دیگر می تواند به سرعت تغییر کند.

ترکیبات معدنی خاک بیش از ۹۰ درصد اجزای جامد را تشکیل می دهند. خواص آنها مانند اندازه، مساحت سطح و رفتار بارهای منفی و مثبت، بر بسیاری از واکنش ها و فرآیندهای تعادلی و جنبشی مهم در خاک تأثیر می گذارد. اجزای معدنی خاک شامل مواد معدنی مختلف است که در اندازه (=قطر ذرات) کلوئیدی با اندازه رس (<2 میکرومتر یا ۰.۰۰۲ میلی‌متر) تا سایز شن (بیش از ۲ میلی‌متر) و سنگ متغیر است.

یک کانی را می توان به عنوان یک ترکیب معدنی طبیعی با خواص فیزیکی، شیمیایی و کریستالی مشخص تعریف کرد. یک کانی اولیه کانی است که از زمان رسوب و تبلور آن از گدازه مذاب، از نظر شیمیایی تغییر نکرده است. نمونه هایی از کانی های اولیه رایج در خاک عبارتند از کوارتز و فلدسپات. سایر مواد معدنی اولیه که در مقادیر کمتر در خاک یافت می شوند عبارتند از پیروکسن ها، میکاها، آمفیبول ها و الیوین ها.

کانی‌های اولیه عمدتاً در بخش ‌های ماسه (قطر ذرات ۲ تا ۰.۰۵ میلی‌متر) و سیلت (قطر ذرات ۰.۰۵-۰.۰۰۲ میلی‌متر) خاک‌ها وجود دارند، اما ممکن است در بخش‌هایی با اندازه رس، با هوازدگی اندک نیز یافت شوند.

کانی ثانویه، به کانی های حاصل از هوازدگی یک کانی اولیه گفته می شود. کانی های ثانویه می توانند با تغییر در ساختار یا در اثر رسوب مجدد محصولات هوازدگی (انحلال) یک کانی اولیه نیز تشکیل شوند. کانی های ثانویه رایج در خاک عبارتند از: کانی های آلومینوسیلیکات مانند کائولینیت و مونتموریلونیت، اکسیدهایی مانند گیبسیت، گوتیت و برنسیت، مواد آمورف مانند ایموگولیت و آلوفان و کانی های گوگرد و کربناته. کانی های ثانویه عمدتاً در بخش رسی خاک یافت می شوند، اما می توانند در بخش سیلت نیز قرار گیرند.

۲- اجزا و ترکیبات آلی در خاک

همانند اجزای معدنی خاک، ماده آلی خاک یا soil organic matter، (SOM) نقش مهمی در خصوصیات و ویژگی های شیمی خاک دارد. بر خلاف فیلوسیلیکات ها و اکسیدهای فلزی، هیچ ساختار منحصر به فردی برای SOM وجود ندارد. با این حال، نقش آن در این تأثیرات، تقریباً بر هر واکنش و فرآیند خاک بسیار زیاد است.

محتوای ترکیبات آلی در خاک، از ۰.۵٪ تا ۵٪ بر اساس وزن در سطح خاک های معدنی تا ۱۰۰٪ و در خاک های آلی (Histosols) متغیر است. ساختار خاک، ظرفیت نگهداری آب، هوادهی و تجمع را بهبود می بخشد. خاک ها منبع مهمی از درشت مغذی‌ها مانند N، P و S و ریز مغذی‌ هایی مانند B و Mo است.

SOM سطح ویژه بالایی دارد (به اندازه ۸۰۰-۹۰۰ مترمربع بر گرم) و ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) که از ۱۵۰ تا ۳۰۰ مول در کیلوگرم متغیر است. بنابراین، اکثر مقادیر CEC خاک سطحی در واقع به SOM نسبت داده می شود. به دلیل سطح ویژه و CEC بالای مواد آلی در خاک، این ترکیبات به عنوان جاذب های مهم برای درشت مغذی ها و ریز مغذی های گیاهی، کاتیون های فلزات سنگین و مواد آلی مانند آفت کش ها محسوب می شوند.

SOM، یک جزء در خاک با بار متغیر است. از آنجایی که نقطه بار صفر آن (PZC)، که به ‌عنوان pH تعریف می‌شود (در آن ذره کلوئیدی، بار خالص ندارد) تقریباً ۳ است، SOM در مقادیر pH بیشتر از ۳، بار منفی دارد. با افزایش pH، بار منفی به دلیل پروتونه شدن یا تفکیک H+ از گروه های عاملی افزایش می یابد.

گروه‌های عاملی اسیدی اصلی کربوکسیل‌ها (۵pKa <)، کینون‌ها هستند که ممکن است به آسانی گروه ‌های کربوکسیل جدا شوند و دارای pKa، گروه‌های OH فنلی و انول‌ها باشند. از آنجایی که گروه‌های کربوکسیل و فنلی می‌توانند در pHهای متداول، در بسیاری از خاک‌ ها پروتونه‌زدایی کنند، این گروه‌ها سهم عمده‌ای در بار منفی خاک‌ها دارند.

تخمین زده شده است که تا ۵۵٪ از CEC در ترکیبات آلی خاک، به دلیل گروه های کربوکسیل است؛ و حدود ۳۰٪ از CEC SOM تا PH= 7 به دلیل گروه های کوئینیک، فنولیک و انولیک است.

با توجه به نگرانی شدید در مورد افزایش دی اکسید کربن در جو (تقریباً بالای ۴۰۰ ppm) و تاثیر مخرب بر تغییرات آب و هوایی، نقش مهمی که ترکیبات آلی خاک در ترسیب کربن از طریق فرآیندهای تشکیل کمپلکس و تجمع مواد معدنی-SOM ایفا می کنند، در کمک به کاهش تغییرات آب و هوایی جهانی بسیار مهم است.

برای ترجمه تخصصی شیمی آلی با ما تماس بگیرید.

مروری بر فرآیندهای جذب در خاک

یکی از مهمترین فرآیندهای کنترل کننده تحرک گونه های معدنی و آلی در خاک، جذب و جذب سطحی است. جذب را می توان به صورت تجمع یک ماده در سطح مشترک بین سطح جامد و محلول تعریف کرد. جذب سطحی می تواند شامل حذف مولکول های املاح (ماده ای محلول در حلال) از محلول، حلال از سطح جامد (فاز پیوسته محلول، که در آن املاح حل می شود)، و اتصال مولکول املاح به سطح (محلول) باشد.

جذب سطحی (adsorption) شامل فرآیندهای رسوب سطحی یا پلیمریزاسیون (تشکیل گونه های معدنی چند هسته ای کوچک مانند دیمرها یا تریمرها) نمی شود. جذب سطحی، رسوب سطحی و پلیمریزاسیون همگی نمونه هایی از جذب (sorption) هستند؛ یک اصطلاح کلی که زمانی استفاده می شود که مکانیسم نگهداری در یک سطح ناشناخته باشد. مکانیسم های جذب مختلفی وجود دارد که می تواند در سطوح معدنی خاک رخ دهد و شامل فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی می شود.

اجزای خاک می توانند دو نوع بار مثبت یا منفی نشان دهند؛ یا شارژ دائم یا ثابت و بار متغیر یا وابسته به pH را داشته باشند که بر فرآیندهای جذب تأثیر می گذارد. در بیشتر خاک ها، ترکیبی از بار ثابت و متغیر وجود دارد. بار ثابت با pH خاک، ثابت است و در نتیجه جایگزینی ایزومورف است. بنابراین، مؤلفه بار، هنگام تشکیل ماده معدنی ایجاد می شود. نمونه هایی از اجزای غیر آلی خاک که بار ثابتی از خود نشان می دهند عبارتند از: اسمکتیت، ورمیکولیت، میکا و کلریت.

مولفه بار متغیر در خاک به دلیل پروتونه شدن و پروتون زدایی گروه های عاملی بر روی کانی های معدنی خاک مانند کائولینیت، مواد آمورف، اکسیدهای فلزی، اکسی هیدروکسیدها و هیدروکسیدها و سیلیکات های لایه پوشش داده شده با اکسیدهای فلزی و اجزای آلی خاک، با pH، تغییر می کند.

نیروهای فیزیکی و شیمیایی هر دو در جذب املاح از محلول دخیل هستند. نیروهای فیزیکی شامل پیوندهای واندروالس و الکترواستاتیک (مثلاً تبادل یونی) است. نیروهای شیمیایی ناشی از فعل و انفعالات کوتاه است که شامل کمپلکس با مکانیسم تبادل لیگاند، پیوند کووالانسی و پیوند هیدروژنی است.

نیازهای آینده درباره شیمی خاک

اهمیت شیمی خاک هرگز مهمتر از این نبوده که تا کنون به آن پرداخته شده است. می توان آن را به عنوان “عصر طلایی” برای این حوزه مهم علم در نظر گرفت. بسیاری از چالش‌های جهانی که امروزه با آن روبرو هستیم – تغییرات آب و هوایی، آلودگی خاک، کمیت و کیفیت آب و امنیت غذایی، به‌ طور جدایی‌ناپذیری با خاک و واکنش‌ها و فرآیندهای شیمیایی که در طیف وسیعی از مقیاس‌های مکانی و زمانی رخ می‌دهند، مرتبط هستند.

در حالی که پیشرفت های زیادی در طول ۱۶۷ سال گذشته از زمانی که جی. توماس وی، مطالعات برجسته خود را در مورد تبادل یونی در خاک انجام داد، انجام شده، اما هنوز کارهای زیادی برای انجام باقی مانده است. آینده برای پیشرفت های بزرگ، بسیار روشن است. مطالعات علوم خاک شناسی و شیمی، به یک رویکرد بین رشته ای و فرا رشته ای نیاز دارند.

برای ثبت سفارش ترجمه متون تخصصی مهندسی محیط زیست، ترجمه متون علوم زیستی، ترجمه تخصصی مهندسی خاک و … می توانید با ما تماس بگیرید.