طلاءات قابلة للتحلل مُعدَّلة بالبلازما لإطلاق النيتروجين من اليوريا بشكل مُتحكم

تغذية المحاصيل من دون تلويث المياه

تعتمد الزراعة الحديثة بشكل كبير على سماد النيتروجين لزراعة طعامنا، لكن جزءًا كبيرًا من هذا النيتروجين لا يصل إلى المحصول. فهو يفلت إلى الهواء على هيئة غازات أو يُغسل إلى الأنهار والمياه الجوفية، حيث يساهم في ازدهار الطحالب وانبعاثات احتباس الحرارة. تستكشف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الطلاءات «الذكية» للسماد مصنوعة من بلاستيك قابل للتحلل ومعالجة كهربائية رقيقة تُسمى البلازما، مصممة للحفاظ على النيتروجين في التربة لفترة أطول، وإطلاقه عندما تحتاجه النباتات، ثم التحلل بأمان.

لماذا يهدر السماد العادي النيتروجين

يُعد سماد اليوريا التقليدي رخيصًا وقويًا، لكنه يذوب بسرعة بمجرد وصوله للتربة الرطبة. خلال أيام يتحول نيتروجينه إلى أشكال يمكن أن تمتصها النباتات أو تُفقد عبر الغسل وإطلاق الغازات. غالبًا ما يستجيب المزارعون بتطبيق سماد إضافي تحسبًا لهذه الخسائر، ما يرفع التكاليف والأثر البيئي. حاولت منتجات الإطلاق البطيء السابقة حل المشكلة بتغليف اليوريا ببلاستيك صناعي قوي. هذه الطلاءات تبطئ الإطلاق، لكنها لا تتحلل بسهولة، وقد تتراكم في التربة وتساهم في تلوث الميكروبلاستيك.

غلاف قابل للتحلل جديد حول كل حبة

عالج الباحثون هذا المفاضلة بتطوير طلاء مكوَّن من نوعين معروفين من البلاستيك القابل للتحلل، PBS وPCL. بمفردها لا تمتزج هذه المواد البلاستيكية بسلاسة وقد تكون أفلامها ضعيفة ومرقعة. لتعزيز الطلاء أضاف الفريق جزيئًا صغيرًا، MDI، يربط سلاسل البوليمر معًا، ثم عالج السطح بالبلازما التي تخشنه بلطف وتضيف مجموعات كيميائية محبة للماء. أظهرت التقنيات المخبرية التي تفحص ترتيب الذرات أن هذه المعالجات جعلت البلاستيك أقل بلّورية وأكثر ترابطًا، مكوّنة غلافًا متماسكًا ومع ذلك قابلًا للتحلل حول كل حبة يوريا.

تتبع النيتروجين عبر أعمدة التربة

لمعرفة كيف تتصرف هذه الطلاءات في ظروف واقعية، حزم الفريق تربة في أعمدة شفافة وأضافوا إما يوريا غير مغطاة أو يوريا مغلفة بنسخ مختلفة من الفيلم القابل للتحلل. على مدى 90 يومًا، سكّبوا الماء بانتظام خلال الأعمدة لمحاكاة هطول الأمطار وقاسوا مقدار النيتروجين المغسول بنوعين رئيسيين: الأمونيوم (الذي يظهر بعد ذوبان اليوريا بقليل) والنترات (التي تتكون لاحقًا ويسهل غسلها). في العينة غير المغطاة ارتفع مستوى الأمونيوم خلال خمسة أيام تقريبًا ثم تكاد تختفي بحلول اليوم 45، بينما بلغ تركيز النترات ذروته حول اليوم 30. بالمقابل، مدت جميع الأسمدة المغلفة إطلاق النيتروجين إلى ما يقرب من ثلاثة أشهر، مع انتقال الذروات إلى نحو اليوم 70 وكميات قابلة للقياس لا تزال موجودة عند اليوم 85.

البلازما والروابط المتقاطعة تضبطان الإطلاق بدقة

أنتجت وصفات الطلاء المختلفة أنماط إطلاق مميزة. الأفلام المقواة فقط بـMDI احتفظت بالنيتروجين لفترة أطول، محافظةً على توافر الأمونيوم والنيتروجين الكلي في الجزء المتأخر من التجربة. الأفلام المعالجة بالبلازما، والتي تبتل بالماء بسهولة أكبر، أطلقت النيتروجين مبكرًا قليلًا لكنها لا تزال أبطأ بكثير من اليوريا العارية. النسخة الأكثر تقدمًا، التي جمعت بين MDI والبلازما، قدمت ملفًا متوازنًا: تجنبت الطَفرة المبكرة المرصودة في اليوريا غير المغطاة وفي الوقت نفسه حافظت على تدفق ثابت من الأمونيوم والنترات طوال اختبار الـ90 يومًا. عند نمذجة البيانات رياضيًا، اتبعت جميع الأسمدة المغلفة منحنى أملس على شكل S مع فتور أولي، وصعود مُتحكم به، وهضبة لطيفة، ما يطابق النمط المثالي لمواءمة إمداد السماد مع احتياجات المحصول.

ماذا يعني هذا للحقول والمجاري المائية

من منظور القارئ غير المتخصص، تشير هذه النتائج إلى سماد يتصرف أكثر مثل مكعب ثلج يذوب ببطء منه مثل سكر يختفي فورًا في الماء. الطلاء القابل للتحلل يمنع اندفاع النيتروجين دفعة واحدة، فيغذي المحاصيل على مدى أسابيع بدلًا من أيام ويقلل الحصة التي تنتهي بتلويث البيئة. وبما أن الغلاف البلاستيكي مصمم ليتحلل، فإنه يتجنب التراكم طويل الأمد للشظايا البوليمرية المستمرة في التربة. بينما لا تزال الجوانب الاقتصادية بحاجة للاختبار على نطاق المزرعة، تُظهر الدراسة أن الطلاءات القابلة للتحلل المعدلة بالبلازما والمصممة بعناية يمكن أن تجعل سماد النيتروجين أكثر كفاءة للمزارعين وأكثر لطفًا بالكوكب.

الاستشهاد: Chung, W., Choi, J., Song, JS. et al. Plasma-modified biodegradable coatings for controlled nitrogen release from urea. Sci Rep 16, 10516 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-23866-3

الكلمات المفتاحية: سماد بطئ الإطلاق, طلاء قابل للتحلل, تسرب النيتروجين, سماد اليوريا, معالجة سطحية بالبلازما