لأكثر من قرن من الزمان ، قام المزارعون بحماية محاصيلهم باستخدام مواد كيميائية قائمة على النحاس. تعمل هذه المبيدات على درء الحشرات والفطريات التي من شأنها إتلاف النباتات وزيادة المحاصيل. لكن هناك مشكلة. قد تتفاعل هذه المواد الكيميائية أيضًا مع التربة لإطلاق غازات تضر بطبقة الأوزون على الأرض. هذه نتيجة دراسة جديدة.
يقول روبرت رايو:"لقد استخدمنا مركبات النحاس منذ القرن التاسع عشر دون أن ندرك تمامًا بعض الآثار الجانبية". إنه عالم كيمياء جيولوجية حيوية في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي.
وجد فريق Rhew أن تفاعلات التربة النحاسية تنتج مركبين. أحدهما هو بروميد الميثيل الذي يحتوي على البروم. والآخر هو كلوريد الميثيل الذي يحتوي على الكلور. البروم والكلور كلاهما من العناصر شديدة التفاعل تسمى الهالوجينات التي تشترك في العديد من السمات المشتركة. أحدهما هو القدرة على تكوين مركبات تدمر الأوزون. نتيجة لذلك ، يمكن لبروميد الميثيل وكلوريد الميثيل أن يدمروا طبقة الأوزون في الغلاف الجوي للأرض. يحمي هذا الأوزون الحياة على الأرض من أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة.
يقول Rhew:"كان يعتبر النحاس صديقًا للبيئة". "ربما لا يزال كذلك ، مقارنة ببعض البدائل." ولكن ، كما يوضح فريقه الآن ، قد تهدد المواد الكيميائية القائمة على النحاس منطقة حرجة من الغلاف الجوي للأرض. ظهرت النتائج في Nature Communications في 10 يناير .
ضخ الهالوجينات
جاءت فكرة ربط النحاس والتربة والهالوجينات في الغلاف الجوي من دراسة عمرها 20 عامًا. في هذا البحث ، اكتشف فريق ألماني أن الحديد في التربة يتفاعل مع مكونات التربة الأخرى. يمكن أن تنتج هذه التفاعلات بروميد الميثيل وكلوريد الميثيل. النحاس ، مثل الحديد ، معدن. تساءل فريق Rhew عما إذا كان النحاس قد يتفاعل مع التربة لتكوين الهالوجينات نفسها؟
لمعرفة ذلك ، أضافوا كبريتات النحاس - المكون الرئيسي في العديد من مبيدات الآفات النحاسية - إلى التربة. ثم قام الفريق بقياس الغازات المنبعثة من التربة. اختبر الباحثون التربة بالبكتيريا وبدونها. كما درسوا التربة المعرضة لأشعة الشمس أم لا.
في جميع الظروف ، يتفاعل النحاس مع المواد العضوية في التربة للمساعدة في تكوين غازات الهالوجين. ما أدهش الجميع هو الحجم الكبير للغازات. يقول Rhew ، كان "كافيًا أن نتخلص من الجوارب!"
أطلقت تفاعلات النحاس أكثر من تفاعلات الحديد. بناءً على هذه البيانات ، قدر فريق Rhew كمية الغاز التي يمكن أن تطلقها تفاعلات التربة النحاسية في الهواء كل عام. في جميع أنحاء العالم ، يتعلق الأمر بحوالي 4000 طن متري من بروميد الميثيل. علاوة على ذلك ، يمكن أن يقذف 2500 طن متري أخرى من كلوريد الميثيل.
دور النحاس
قبل هذه التجارب ، كان من الصعب تخمين كمية غاز الهالوجين التي سينتجها خليط التربة والنحاس. بعد كل شيء ، تحتوي كبريتات النحاس على ذرات النحاس والكبريت والأكسجين فقط. لا يحتوي على أي كربون أو هيدروجين أو بروم أو كلور. تلك هي الذرات التي يتكون منها بروميد الميثيل وكلوريد الميثيل المنطلق في الهواء. يوضح Rhew أن جزيئات البداية والنهاية ببساطة "لا تشارك أي ذرات مع بعضها البعض".
اتضح أن التربة توفر جميع الذرات اللازمة لتكوين مركبات أساسها الهالوجين. يضع النحاس هذه الجزيئات معًا. تقوم كبريتات النحاس بذلك عن طريق انتزاع بعض إلكترونات التربة. هذا مثال على تفاعل الأكسدة والاختزال.
الشرح:ما الذي يجعل التراب مختلفًا عن التربة
لكن انتظر ، يزداد الأمر سوءًا. يمكن أن تستمر التربة في إطلاق الغازات المحتوية على الهالوجين لفترة طويلة بعد تحلل المواد الكيميائية القائمة على النحاس. لماذا ا؟ يمكن لأشعة الشمس إعادة تنشيط النحاس. هذا يحافظ على استمرار تفاعلات صنع الهالوجين. يوضح Rhew:"مع تأثير ضوء الشمس ، تكون التفاعلات أكبر بكثير وتستمر لفترة أطول".
كان فرانك كيبلر عالم كيمياء جيولوجية في الفريق الألماني. يقول:"لقد استغرق الأمر 20 عامًا ، لكنني كنت سعيدًا حقًا لرؤية عملنا يتطور." يعمل كيبلر في جامعة هايدلبرغ. يقول كيبلر إن حداثة دراسة النحاس كانت ربط الغازات المهلجنة بالنشاط البشري. ركزت دراسة الحديد التي أجرتها مجموعته على التفاعلات الطبيعية في التربة.
التهديدات البشرية لأوزون الستراتوسفير
في عام 1985 ، اكتشف العلماء أن طبقة الأوزون الموجودة في طبقة الستراتوسفير على الأرض كانت ضعيفة. كان هذا صحيحًا بشكل خاص فوق القارة القطبية الجنوبية. أشار العلماء إلى هذا التخفيف بأنه "ثقب" في طبقة الأوزون. (كان هناك دائمًا بعض الأوزون هناك. لكنه كان أقل بكثير من المعتاد.) لعقود من الزمان ، كانت الهالوجينات تدمر طبقة الأوزون عالية التحليق. علم العلماء أن المصادر الرئيسية لتلك الهالوجينات هي الغازات التي أطلقها البشر على سطح الأرض.
كان أحد المساهمين الرئيسيين هو نوع من المبردات المستخدمة في مكيفات الهواء. كان لهذه المواد الكيميائية اسم طويل:مركبات الكربون الكلورية فلورية (Klor-oh-FLOOR-oh-kar-bunz). تُعرف باسم مركبات الكربون الكلورية فلورية باختصار. كانت مركبات الكربون الكلورية فلورية وغيرها من المواد الكيميائية تلتهم الكثير من الأوزون الجوي لدرجة أنه في عام 1987 ، وافق جميع أعضاء الأمم المتحدة البالغ عددهم 198 عضوًا على حظرها. أصبحت هذه المعاهدة ، التي أطلق عليها اسم بروتوكول مونتريال ، الأولى في التاريخ التي تحصل على دعم من جميع البلدان.
من المحتمل أن يكون الحظر قد أدى إلى كارثة. بدأ ثقب طبقة الأوزون في الالتئام منذ ذلك الحين. تشير سوزان تيغتمير إلى أن طبقة الأوزون تستغرق وقتًا طويلاً لتتعافى. هي عالمة مناخ في جامعة ساسكاتشوان في كندا. تقول:"ما زلنا نرى ثقبًا في طبقة الأوزون فوق القطب الجنوبي كل شتاء".
الشرح:ما هو المحفز؟
إن إطلاق الكلور والبروم المستمر لن يساعد. هذه الهالوجينات هي مدمرات الأوزون فعالة للغاية. هذا لأنه عندما تدمر الهالوجينات الأوزون ، يوضح تيجتمير ، "أنها تفعل ذلك بشكل محفز." أي أن الهالوجينات تنجو من رد الفعل. لذلك يمكن للهالوجينات الموجودة في الغلاف الجوي تدمير جزيئات الأوزون مرارًا وتكرارًا.
بعد حظر مركبات الكربون الكلورية فلورية ، أصبح بروميد الميثيل وكلوريد الميثيل المصادر الرئيسية الجديدة للهالوجينات في الغلاف الجوي. يمكن أن تقذف البراكين بعضها. لكن هذا لا يكفي لشرح المستويات التي شوهدت في الغلاف الجوي. تظهر الدراسة الجديدة أن المواد الكيميائية القائمة على النحاس قد تمثل حوالي 10 في المائة من مصادر الغازات الغامضة. قد تضيف مصادر النحاس الأخرى المزيد من الغازات المهلجنة إلى الغلاف الجوي. قد تشمل هذه المصادر الدهانات المضادة للفطريات القائمة على النحاس للقوارب.
ما التالي؟
يقول تيجتمير:"قد تكون بعض الدراسات الميدانية رائعة". لديها فضول لمعرفة مدى حدوث تفاعلات التربة النحاسية في الطبيعة. بعد كل شيء ، بيئة المختبر بسيطة ويمكن التحكم فيها. الطبيعة ليست كذلك. قد يكون للتربة المختلفة حول العالم تفاعلات مختلفة مع المواد الكيميائية النحاسية. "السؤال الكبير" ، كما تقول ، "ماذا يعني هذا عالميًا؟"
إذا كانت مبيدات الآفات التي أساسها النحاس تنتج غازات مدمرة للأوزون ، فيجب على المجتمع إدارة هذه المواد الكيميائية بعناية أكبر. يحتاج بروميد الميثيل إلى اهتمام خاص. البروم لديه القدرة على تدمير الأوزون أكثر مما يفعل الكلور. أحد جزيئات بروميد الميثيل في الستراتوسفير يساوي تقريبًا "50 كلوريد الميثيل" ، كما يقول مارتين شيبرفيلد. إنه كيميائي غلاف جوي غير مشارك في الدراسة. يعمل في جامعة ليدز في إنجلترا.
بالنسبة إلى Rhew ، فإن المغزى الكبير هو أنه حتى المواد الكيميائية التي يُفترض منذ فترة طويلة أنها صديقة للبيئة يمكن أن تضر بالبيئة. للمضي قدمًا ، يقول Rhew ، "عندما نتحدث عن التأثيرات البيئية لإضافة شيء ما إلى الطبيعة ، لا يمكننا افتراض أننا نعرف كل شيء على الفور. بعض العواقب غير مرئية ".
