CHEMIA I SPOŁECZEŃSTWO. Chemia w rolnictwie. Marek Kwiatkowski

Transkrypt

1 CHEMIA I SPOŁECZEŃSTWO Chemia w rolnictwie Marek Kwiatkowski Zakład Dydaktyki Chemii Wydział Chemii UG ul. Sobieskiego 18, Gdańsk tel. (058) kwiatm@chem.univ.gda.pl

2 1930: 2 mld 2000: 6 mld 2008: 6,6 mld Zaludnienie 2030: 8,1 mld 1800: 1 mld 1600: 0,5 mld 1000: 0,25 mld

3 Rolnictwo a rozwój ludzkości Ludzie uprawiali ziemię od BC. Katon Starszy: selekcja ziarna stosowanie roślin motylkowych w nawoŝeniu badanie kwasowości gleb, wapnowanie kompostowanie wykorzystanie nawozów zwierzęcych znaczenie zwierząt gospodarczych zasady zbioru siana

4 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'.

5

6 Rolnictwo a rozwój ludzkości, cd. XIX-wieczna rewolucja przemysłowa stwarza nowe narzędzia dla rolnictwa i pozwala na mechanizację wielu prac.

7 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?

8 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

9 Warstwy gleby O Ŝyzności gleby decyduje skład wierzchniej warstwy, w której znajduje się większość korzeni roślin.

10 Struktura gleby Ziarna lub agregaty ziaren Pory o zróŝnicowanej wielkości wypełnione wodą lub powietrzem Składniki gleby: humus rozdrobniona skała woda powietrze korzenie, Ŝywe organizmy

11 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

12 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

13 Woda, cd. Gleba pozbywa się wody poprzez: transpirację roślin parowanie powierzchniowe zbieranie plonów perkolację (przepływ pomiędzy ziarnami gleby do niŝszych warstw) Perkolacja zaleŝy od wielkości cząstek gleby. Gleby przepuszczalne dla wody są jednocześnie dobrze napowietrzone.. wyjątek: ryŝ Perkolacja: niezbędny warunek wzrostu roślin (produkcja 1 kg plonu wymaga kilkuset litrów wody) wymywanie składników odŝywczych rozpuszczalnych w wodzie

14 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.

15 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.

16 Kwasowość gleby Naturalne procesy fizykochemiczne zachodzące w glebie sprzyjają jej zakwaszaniu. Rozkład substancji organicznych w glebie: źródło CO 2 CO 2 (g) + H 2 O(l) HCO 3- (aq) + H + (aq) Wymywanie soli wapnia i magnezu z gleby, hydroliza jonów glinu i Ŝelaza: Al 3+ (aq) + H 2 O(l) Al(OH) 2+ (aq) + H + (aq) Fe 3+ (aq) + H 2 O(l) Fe(OH) 2+ (aq) + H + (aq) Zapobieganie: wapnowanie gleby, Ca(OH) 2, CaCO 3

17 Składniki odŝywcze dla roślin

18 Składniki niemineralne Węgiel Wodór Tlen Źródła: CO 2 z powietrza, woda H 2 O

19 Składniki podstawowe: azot Rośliny potrafią przyswajać azot w formie jonów azotanowych NO 3- oraz (rzadziej) amonowych NH 4 + Obieg azotu w przyrodzie: Wiązanie azotu atmosferycznego: wyładowania elektryczne N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO(g) 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) 2 NO 2 (g) + H 2 O(l) HNO 3 (aq) + HNO 2 (aq) rośliny motylkowe, Ŝyjące w symbiozie z bakteriami Rhizobium, niektóre sinice Cyanobacteria N 2 (g) + 10 H + (aq) + 8 e - 2 NH 4 + (aq) + H 2 (g)

20 Rośliny motylkowe Koniczyna, łubin, groch, fasola, soja, wyka... Korzenie z brodawkami zawierającymi symbiotyczne bakterie Rhizobium, znaczna zawartość leghemoglobiny.

21 Składniki podstawowe: azot cd. Obieg azotu w przyrodzie: Nitryfikacja: bakterie Nitrosomonas NH 4 + (aq) + O 2 (g) NO 2 (aq) + 4 H + (aq) + 2 e bakterie Nitrobacter NO 2 (aq) + H 2 O(l) NO 3 (aq) + 2 H + (aq) + 2e Denitryfikacja: bakterie Pseudomonas fluorescens, warunki beztlenowe 2 NO 3 (aq) + 12 H + (aq) + 10 e - N 2 (g) + 6 H 2 O(l)

22 Składniki podstawowe: azot cd. Formy przyswajalnego azotu: NH 3, NH 4+, NO 3-, NH 2 CONH 2 Źródła: próchnica nawozy naturalne zielone rośliny motylkowe kompost nawozy zwierzęce guano nawozy sztuczne azotany (np. NH 4 NO 3 ) amoniak (ciekły, roztwór) mocznik 2 NH 3 (g) + CO 2 (g) NH 2 COO - NH 4 + (s) NH 2 CONH 2 (s) + H 2 O(l)

23 Problemy: Składniki podstawowe: azot cd. 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

24 Składniki podstawowe: fosfor, potas Formy przyswajalnego fosforu: HPO 4 2-, H 2 PO 4 - Źródła fosforu: minerały zawarte w glebie (apatyty) nawozy naturalne nawozy sztuczne: superfosfat Ca(H 2 PO 4 ) 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: KNO 3 Biologiczne znaczenie: bierze udział w biosyntezie dwucukrów i polisacharydów

25 wapń magnez Składniki dodatkowe i mikroskładniki siarka bor chlor miedź Ŝelazo mangan molibden sód wanad cynk

26 Środki ochrony roślin - pestycydy 30-40% plonów tracimy rocznie z powodu szkodników

27 DDT Story t 1/2 = 8 lat zakaz 90% degradacji do 2000 roku

28 Rodzaje pestycydów Insektycydy CCl 3 DDT, t 1/2 = 8 lat Cl Cl CCl 3 metoksychlor, t 1/2 = dni H 3 CO OCH 3 O S O O Cl Cl Cl Cl endosulfan, t 1/2 = 3-7 dni

29 Rodzaje pestycydów cd. Herbicydy nieselektywne: CaNCN, arseniany, siarczany, borany... selektywne: o działaniu hormonów roślinnych Cl O O C OH Cl 2,4,6-T Cl Cl atrazyna N N N H N N H H 3 C Cl - Cl - N + N + CH 3 paraquat

30 Agent Orange Cl O O C OH Cl Cl 2,4,6-T

31 Rodzaje pestycydów, cd. Rodenticydy OH O C CH 3 O O warfaryna (antykoagulant)

32 Rodzaje pestycydów, cd. NH 2 Awicydy repelenty insektycydy wchłaniane przez stopy substancje wywołujące czasową niepłodność detergenty N avitrol endrin H 3 C N N CH 3 CH 3 ornitrol HO

33 moluscydy Rodzaje pestycydów, cd. ślimaki są nosicielami róŝnych pasoŝytów, które są szkodliwe dla zwierząt gospodarczych i ludzi CH 3 O O H 3 C CH 3 O O CH 3 metaldehyd

34 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