بخشی از مقاله
چکیده
مواد هیومیکی، ترکیبات ارگانیکی هستند که عمدتا در طبیعت موجود هستند. مواد هیومیکی اثرات مثبتی بروی گیاهان با بهبود و تحریک رشد بیولوژیک و فیزیولوژیک آنها با اثرگذاری بر بهرهوری میکرو و ماکروعناصر غذایی و بر معماری ساختار ساقه و ریشه و حاصلخیزی ساختار خاک دارند. مواد هیومیکی نشان دادهاند که دارای اکسین هستند و فعالیت شبهاکسینی و یا شبههورمونی آنها مطرح شده است اما درواقع این فرضیهها کامل نیستند و مکانیسمهای بیوشیمیایی و مولکولی در اثر این وقایع، فقط بهصورت جزیی مشخص شدهاند. در این تحقیق، ما یک دید کلی از دادههای موجود درباره ساختار مولکولی و فعالیتهای بیولوژیکی مواد هیومیکی با تاکید ویژه بر فعالیتهای شبههورمونی و شبهاکسینی آنها میدهیم.
واژههای کلیدی:مواد هیومیکی، خاک، فعالیتهای بیولوژیکی، کشاورزی پایدار
-1 مقدمه
مواد هیومیکی بزرگترین اجزای مواد آلی خاک - در حدود 60 درصد - هستند و بهعنوان یکی از ترکیبات مهم اکوسیستمهای خاکی و زمینی در نظر گرفته میشوند که مسئول خیلی از واکنشهای شیمیایی پیچیده در خاکها هستند .[1] آنها بهطور آماده تجزیه نمیشوند زیرا فعالیتشان با فازهای معدنی خاک واکنش میدهند و بهصورت شیمیایی برای استفاده میکروارگانیسمها کامپلکس میشوند. با توجه به اینکه امروزه خاکها مورد توجه قرار میگیرند، مهمترین خصوصیات برجسته مواد هیومیکی، تواناییشان برای واکنش با یونهای فلزی، اکسیدها، هیدروکسیدها، ترکیبات آلی و معدنی [2]، شامل آلودگیهای سمی [3-5]، برای تشکیل کامپلکس-های محلول در آب و نامحلول در آب هستند.
از طریق تشکیل این کمپلکسها میتوانند حل کنند، تحرک ببخشند و مواد فلزی و ارگانیک را در خاکها و آبها انتقال بدهند و در لایههای خاک ایجاد توده کنند. تودهای-کردن این کمپلکسها میتواند با کاهش سمیت برای مثال آلومینیوم [6-7] - Al - ، یا برای حذف Gr - VI - از محلولهای آبی [8] در رابطه باشد. اخیرا، وانگ و مولیگان در سال 2009، از مواد هیومیکی در پالایش آرسنیکو فلزات سنگین استفاده کردند و نشان دادند که مواد هیومیکی بهعنوان یک پالایهکننده مناسب برای کاهش و پیشگیری از آلودگیهای بعدی، میتواند مورد استفاده قرار بگیرند. بهرحال مواد هیومیکی میتوانند با مولکول-های ژنوبیوتیکهای آلی مانند پستیسایدها واکنش دهند 9-11] ،[2 و بر دسترسی عناصر غذایی - N, S, P - بویژه عناصر غذایی در غلظتهای خیلی پایین، اثر بگذارند .[12]
بهرحال، آنها همچنین برای ایجاد اثرات مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی مختلفی بروی گیاهان قدبلند، توانا هستند .[13-15]مطالعات بیشماری نشان دادهاند که مواد هیومیکی رشد ریشه، برگ و ساقه را افزایش میدهند، همچنین جوانه-زنی بعضی از گونههای گیاهی را تحریک میبخشد .[16] این اثرات مثبت با یک واکنش بین مواد هیومیکی و فرآیندهای بیولوژیکی و متابولیکی توضیح داده میشوند 17] ،.[15 علاوه بر آن، مواد هیومیکی بهرهوری عناصر غذایی 20] ،[16، نفوذپذیری سلول [21] را تحریک میبخشند و در مکانیسمهای تحریک رشد گیاه نقش موثری دارند .[22-26] این راحت نیست که بین اثرات مستقیم و غیرمستقیم مواد هیومیکی تمایز ایجاد کنیم.
در حقیقت، بعضی از اثرات مثبتشان به یک بهبود کلی حاصلخیزی خاک نسبت داده میشوند که منجر به یک دسترسی بیشتری از عناصر غذایی برای گیاهان میشوند. در دیگر موارد، مواد هیومیکی بهطور مثبتی بر مسیرهای سیگنالی و متابولیکی در توسعه گیاه، با اثر مستقیم بروی اهداف فیزیولوژیکی ویژه، نقش دارند -27] .[28 بههمین دلایل، فهم و دانش از فعالیت فیزیولوژیکی مواد هیومیکی و مکانیسمهای مولکولی از طریق اعمال عملکردشان، یک موضوع اکولوژیکی مهم و یک ابزار قوی در مواجه با مشکلات زیستمحیطی شده است. اهداف این تحقیق، کمک به شفافسازی مهمترین وقایع سیگنالی درباره اثرات فیزیولوژیکی مواد هیومیکی بروی متابولیسم گیاهی در جهت اطلاعات بیشتر در طبیعت ماده، خصوصیات، دینامیک و عملکرد مواد هیومیکی به-عنوان قسمتی از اکوسیستمهای خاک و کشاورزی است.
-2 ساختار مولکولی مواد هیومیکی
نکته مهم این موضوع برای تحقیق در وجود یک رابطه بین ساختار و خصوصیات بیولوژیکی مواد هیومیکی است .[29] تاکنون ساختار مواد هیومیکی تحت مطالعات بیشماری قرار گرفته است. مانع اصلی، فقدان یک ترتیب تکراری و متنوع از واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی در مرحلهی پیدایششان است، که مواد هیومیکی را به مولکولهای پیچیده و چندوجهی بدل کرده است و آنها را قادر میسازد عملکردهای سیگنالی و تغذیهای را در سیستم خاک-گیاه ارائه دهند. از این نقطهنظر، بیشتر مباحث در مورد طبیعت پلیمری و اتحاد ابرمولکولی مواد هیومیکی بوده است. محققان مختلفی، مواد هیومیکی را یک ماده پلیمری با وزن مولکولی بالا 100-300 - کیلودالتون - 31-32] ،29 ،[1 عنوان کردهاند که از تجزیه لیگنین [33] و از کاتالیستهای آبیوتیک مانند مواد معدنی اولیه و سیلیکاتهای لایهای بوجود میآیند .[34]
آلوارز پوئبلا و همکارانش [35]، یک مدل ماکرومولکولی از مواد هیومیکی در واحدهای مونومری ساده - بهصورت ناهمگن - را پیشنهاد دادند که بهطور پیشرفته به پلیمرهای با وزن مولکولی بالا بوسیلهی فرآیندهای فشردگی تصادفی و اکسیداسیونٌ تبدیل میشوند - شکل. - 1 در این مدل، نشان داده شده است که زنجیرههای پلیمری خطی و شاخهای در چندین ترکیب درهم آمیخته شدهاند که میتواند مقاومت بیشتری به مواد هیومیکی به تجزیه میکروبی و تغییرات طولانی در خاک بدهند .[35] اتحاد ابرمولکولی این مولکولهای ناهمگن با واکنشهای آبگریز - واندر والز، π-π، دوقطبی یونی - و پیوندهای هیدروژنی درکنار همدیگر قرار گرفتهاند که توسط پیکولو [37-38]، سیمپسون و همکارانش [39] و شومان [40] پیشنهاد شدهاند.
تمام این نیروها، ساختار تجمعی مولکولها را پایدار میکنند. بهرحال، پایداری تجمعی مواد هیومیکی در محلول بهصورت یک طبیعت دینامیکی وانمود میکند و تحت تاثیر مقاومت یونی محلول و pH قرار میگیرند .[41-42] در pH قلیایی، مواد هیومیکی بهفرم پخششده هستند زیرا پیوندهای هیدروژنی درونمولکولی بهطور کامل ازهم گسیخته هستند .[43] اسیدیکردن مواد هیومیکی با اسیدهای ضعیف مانند محلولهای اسید استیک، باعث ایجاد کاهش در اندازه مولکولی و تفکیک گسیختگی واکنشهای بدون ظرفیت ضعیف مانند واندر والز، π-π و CH-π میشود .[43-44] در پایینترین مقادیر pH - کمتر از - 3، مواد هیومیکی به تودههای کوچکتر متلاشی میشوند.
این پدیده عمدتا از پروتونیشدن گروههای کربوکسیلات ناشی میشود که علاقمند به افزایش در تعداد پیوندهای هیدروژنی برون و درونمولکولی در داخل ماکرومولکول-های هیومیکی هستند 45 - ،. - 38 از نقطهنظر شیمیایی، مواد هیومیکی تودههای مولکولی تشکیلشده از قندها، اسیدهای چرب، پلیپپتیدها، زنجیرههای آلیفاتیک و حلقههای آروماتیک هستند .[39] مواد هیومیکی بهطور عملکردی به هیومین، هیومیک و فولویک اسید با توجه به حلالیت در pH قلیایی و اسیدی دستهبندی میشوند .[1] این دستهبندی فقط براساس معیارهای سطحی بوده و هیچ استنباطی از رفتار شیمیایی و ساختار مواد هیومیکی را نشان نمیدهد .[1]شکل.1 دو طرحواره - با سطوح وندر والز - از دو مونومر تودهایشده مواد هیومیکی. - A - دایرهها نشاندهنده منافذ و اندازهشان هستند. - B - نتایج بدستآمده از دو پلیمر با 23 واحد در شرایط یکسان .[35]
-3 فعالیتهای بیولوژیکی مواد هیومیکی
محققان مختلفی، فرض کردهاند که مواد هیومیکی ممکن است بوسیلهی ریشه گیاهان جذب شوند، حتی اگر اجزای با وزن مولکولی بالا - HMW - و با وزن مولکولی پایین - LMW - رفتارهای مختلفی داشته باشند 71] ،46 ،21 ، 18، .[15 تا به امروز، هنوز بهطور کامل مکانیسمهای واکنش مواد هیومیکی با سلولهای ریشه مشخص نشده است که ممکن است بعدا بر رشد و فیزیولوژی گیاهان اثر بگذارد. در میان اصلاحات ایجادشده توسط مواد هیومیکی بروی گیاهان، تغییرات در اندازه و توسعه ریشه بهصورت تحلیلی مطالعه شده است. تحت شرایط ویژه، مواد هیومیکی میتوانند رشد گیاه را در ترمهایی از افزایش طول و وزن خشک و تر گیاه تحریک ببخشند .[47-48] این اثرات بهنظر میرسد که به غلظت [49] و به منبع مواد [50]، به نوع گونهی گیاهی [47-48] و سن و همچنین شرایط کشت و نوع آزمایش بستگی داشته باشند. اخیرا بعضی مطالعات، فرضیه اثرات مستقیم مواد هیومیکی بروی فیزیولوژی گیاهان، بهطور ویژه در مورد تشکیل مویچههای ریشه [51] و توسعه جانبی ریشه 52] ،24 ،[23 را مطرح کردهاند - شکل. - 2
