พลังการใส่ปุ๋ยของ N และ P

นิยายวิทยาศาสตร์มักอธิบายว่าโลกเป็นที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ นั่นอาจเป็นความจริง

แต่การเรียกพวกมันว่ารูปแบบชีวิตที่มีไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัสอาจแม่นยำพอๆ กัน เช่นเดียวกับคาร์บอน ทั้งไนโตรเจนและฟอสฟอรัสมีความจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด น้อยเกินไป เช่น พืชหรือสัตว์จะไม่เติบโต รับมากเกินไปและระบบนิเวศอาจประสบ — ครั้งใหญ่

อะตอมของไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับโมเลกุลของกรดอะมิโนที่ประกอบเป็นโปรตีนในทุกเซลล์บนโลก ทั้งพืช สัตว์ และจุลินทรีย์

อะตอมของไนโตรเจนเป็นตัวสร้าง DNA ของเรา พวกเขายังปรากฏอยู่ในคลอโรฟิลล์ที่ช่วยให้พืชเปลี่ยนพลังงานของดวงอาทิตย์ให้เป็นอาหาร

อะตอมของฟอสฟอรัสสวมหมวกเซลลูลาร์หลายตัวเช่นกัน พวกมันอยู่ใน DNA ของเรา และพวกมันประกอบขึ้นเป็นส่วนสำคัญของโมเลกุลอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (Ah-DEN-oh-seen Try-FOS-fate) หรือ ATP สารเคมีขนาดเล็กแต่ทรงพลังนี้มีอะตอมสามกลุ่มที่เรียกว่ากลุ่มฟอสเฟต

กลุ่มฟอสเฟตแต่ละกลุ่มประกอบด้วยห้าอะตอม: หนึ่งฟอสฟอรัสและออกซิเจนสี่ตัว ATP ทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ของเซลล์

การแฮ็กกลุ่มฟอสเฟตออกหนึ่งกลุ่มจะปล่อยพลังงานในพันธะเคมี การเลือกกลุ่มฟอสเฟตใหม่ช่วยให้สามารถฟื้น (และเก็บ) พลังงานที่สูญเสียไปอีกครั้ง

หากไม่มีไนโตรเจนและฟอสฟอรัส จะไม่มี DNA ไม่มีพลังงานที่จะให้พลังงานแก่เซลล์ของเรา ไม่มีโปรตีน ไม่มีพืช และไม่มีมนุษย์ แท้จริงจะไม่มีชีวิตบนโลก

โชคดีที่ผู้อยู่อาศัยของโลกรายล้อมไปด้วยธาตุทั้งสอง ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบ 80 เปอร์เซ็นต์ของก๊าซในชั้นบรรยากาศของเรา ฟอสฟอรัสเป็นส่วนหนึ่งของแร่ธาตุหลายชนิดในดิน แต่อะตอมของ N และ P ส่วนใหญ่ไม่อยู่ในรูปแบบที่พืช (หรือสัตว์) สามารถใช้ได้

เมื่อพูดถึงไนโตรเจน โชคดีที่มีจุลินทรีย์เข้ามาช่วยเหลือ

พวกเขาให้บริการที่เรียกว่าการตรึงไนโตรเจน ในกระบวนการนี้ พวกมันจะเปลี่ยนไนโตรเจนในบรรยากาศของเรา (อะตอมของไนโตรเจนสองอะตอมที่ผูกเข้าด้วยกัน) ให้อยู่ในรูปแบบที่สิ่งมีชีวิตอื่นสามารถใช้ได้ (หนึ่งไนโตรเจนที่มีไฮโดรเจนสามอะตอมจับกับไนโตรเจน) พืชยังสามารถรับไนโตรเจนจากสิ่งมีชีวิตอื่นที่ตายและสลายตัวได้

ฟอสฟอรัสมีแนวโน้มที่จะผูกมัดคล้าย ๆ กัน ผูกติดกับแร่ธาตุและอยู่ห่างจากพืช

อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อดินแตกตัว ฟอสฟอรัสนั้นจะค่อยๆ เข้าสู่แบคทีเรีย จากนั้นพ่อค้าคนกลางของจุลินทรีย์จะเปลี่ยนเป็นรูปแบบที่เป็นมิตรกับพืช

จุลินทรีย์กำลังตรึงไนโตรเจนอย่างต่อเนื่อง ดินมักจะปล่อยฟอสฟอรัสออกมาบ้าง ถึงกระนั้น ระบบนิเวศส่วนใหญ่ยังคงหิวกระหายมากขึ้น

นักวิทยาศาสตร์มักอธิบายพื้นที่ต่างๆ เช่น ป่าไม้ พื้นที่ชุ่มน้ำ และทุ่งทุนดราว่าจำกัดไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัส โดยนั่นหมายความว่าหากมีไนโตรเจนและ/หรือฟอสฟอรัสมากขึ้น พืชในพื้นที่เหล่านี้จะเติบโตใหญ่ขึ้นหรือเร็วขึ้น

ตัวอย่างเช่น บางพื้นที่อาจมีดินที่เพิ่งสัมผัสกับอากาศ ดินใหม่นี้มีจุลินทรีย์ที่ผลิตไนโตรเจนน้อย โดยปกติจะจำกัดไนโตรเจน ในทางกลับกัน พื้นที่ที่มีดินซึ่งพืชใช้มาเป็นเวลานาน อาจสูญเสียฟอสฟอรัสไปมาก ทำให้มีฟอสฟอรัสจำกัด

เกษตรกรมักจะเติมธาตุอาหารทั้งสองลงในนาของตนเป็นปุ๋ย โดยพื้นฐานแล้วปุ๋ยเป็นอาหารจากพืช คุณอาจใส่ปุ๋ยพืชในร่มหรือสวน

ปุ๋ยมักจะมีส่วนผสมของไนโตรเจนและฟอสฟอรัส (ส่วนใหญ่มีองค์ประกอบอื่นๆ เช่นกัน เช่น โพแทสเซียมและอาจมีทองแดงหรือสังกะสีเล็กน้อย) การใส่ปุ๋ยเป็นวิธีที่รวดเร็วในการเติมปุ๋ยในดินเพื่อให้พืชกินดีและเติบโต

แต่อาหารมากเกินไปไม่จำเป็นต้องเป็นสิ่งที่ดี เมื่อดินได้รับไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัสมากเกินไป — มากกว่าที่พืชต้องการ — สารอาหารเหล่านี้สามารถชะลงไปในน้ำฝนได้ ตอนนี้สามารถบรรทุกลงทะเลสาบและลำธารได้ ในตอนแรก อาหารจากพืชที่เพิ่มขึ้นจะทำให้สาหร่ายในน้ำบานและขยายพันธุ์อย่างรวดเร็ว

แต่ไม่ช้าก็เร็วมวลของสาหร่ายเหล่านั้นจะตายและจมลงสู่ก้นบึ้ง ที่นั่นจุลินทรีย์จะทำลายพวกมัน

ตอนนี้ประชากรของพวกเขาจะเพิ่มจำนวนขึ้น สิ่งมีชีวิตเหล่านี้จะดูดออกซิเจนในน้ำเป็นจำนวนมาก เมื่อมีออกซิเจนเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในน้ำอาจหายใจไม่ออก กระบวนการนี้เรียกว่ายูโทรฟิเคชัน

วัยรุ่นแปลงมลพิษทางน้ำเป็นปุ๋ยพืช
วอชิงตัน ดีซี — เกษตรกรให้ปุ๋ยพืชผลเพื่อเพิ่มขนาดการเก็บเกี่ยว แต่เมื่อใส่ปุ๋ยมากเกินไป ปุ๋ยบางส่วนก็จะไหลลงแม่น้ำและทะเลสาบใกล้เคียง ที่อาจเป็นอันตรายต่อชีวิตที่นั่นได้

สเตฟาน วาน วัย 17 ปี ได้พัฒนาวิธีการดูดซับส่วนเกินนี้ก่อนที่จะก่อให้เกิดอันตรายได้ และวิธีการของเขาไม่เพียงแค่ดูดซับสารเคมีเหล่านั้นเท่านั้น แต่ยังปล่อยสารเคมีเหล่านั้นออกมาด้วย นั่นหมายความว่าสามารถนำปุ๋ยกลับมาใช้ใหม่ได้

ผู้อาวุโสที่ Alexander W. Dreyfoos School of the Arts ใน West Palm Beach, Fla. ได้แสดงเทคนิคการรีไซเคิลปุ๋ยของเขาที่ Regeneron Science Talent Search ในแต่ละปี การแข่งขันครั้งนี้จะนำผู้อาวุโส 40 คนจากทั่วประเทศมาแสดงโครงการวิทยาศาสตร์ของตนต่อสาธารณะชน

วัยรุ่นยังแข่งขันกันเพื่อชิงเงินรางวัลเกือบ 2 ล้านเหรียญ การแข่งขันดำเนินการโดย Society for Science & the Public และได้รับการสนับสนุนจาก Regeneron ซึ่งเป็นบริษัทที่พัฒนายา (Society for Science & the Public ยังเผยแพร่ Science News for Students และบล็อกนี้ด้วย)

สเตฟานมีชีวิตที่เต็มไปด้วยวิทยาศาสตร์มาโดยตลอด แม่ของเขา Jianchang Cai เป็นวิศวกร และพ่อของเขา Yongshan Wan เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเรื่องดิน

แต่วัยรุ่นคนนั้นไม่ได้หลงใหลในวิทยาศาสตร์จนกระทั่งเกรด 10 เมื่อเรียนวิชาเคมี “ผมตกหลุมรักวิชานี้และอยากทำมากกว่านี้” เขากล่าว เขาต้องการใช้ความรักในวิชาเคมีที่เพิ่งค้นพบเพื่อแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อม วัยรุ่นเพียงแค่ต้องการปัญหาที่ถูกต้อง

และพบที่หนึ่งใกล้ๆ ฟาร์มใกล้กับบ้านเกิดของเขาที่เมืองเวลลิงตัน รัฐฟลอริดา ให้ปุ๋ยพืชผลด้วยไนเตรตและฟอสเฟต ซึ่งเป็นสารเคมีสองชนิดที่พืชต้องการในการเจริญเติบโต

เมื่อฝนตก ปุ๋ยส่วนเกินสามารถไหลลงสู่แหล่งน้ำใกล้เคียงได้ ที่นั่น สารอาหารเหล่านั้นอาจกระตุ้นการเติบโตของสาหร่ายที่เรียกว่าดอกบาน

เมื่อดอกบานในเวลาต่อมา แบคทีเรียจะทำลายสาหร่าย สิ่งนี้จะช่วยกระตุ้นการเติบโตของแบคทีเรียซึ่งต้องการออกซิเจนในการทำงาน ออกซิเจนที่ใช้สามารถปล่อยปลาและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ได้น้อยลง ทำให้หลายคนหายใจไม่ออกและตาย กระบวนการนี้เรียกว่า eutrophication (YU-trow-fih-KAY-shun)

หลายครั้งเกิดขึ้นในฤดูร้อนปี 2016 ที่แม่น้ำ Caloosahatchee ในรัฐบ้านเกิดของ Stefan เด็กวัยรุ่นคิดว่าเขาอาจสามารถช่วยป้องกันดอกบานในอนาคตได้โดยการพัฒนาวิธีการดูดซับปุ๋ยบางชนิดที่ไหลออกจากฟาร์ม

พ่อของเขาช่วยให้เขาติดต่อกับ Yuncong Li นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาดินและน้ำ Li ทำงานที่ศูนย์การศึกษาวิจัยเขตร้อนของมหาวิทยาลัยฟลอริดาในโฮมสเตด

หลังจากอ่านเอกสารทางวิทยาศาสตร์ที่หลี่แนะนำ สเตฟานก็คิดแผนขึ้นมา เขาเริ่มต้นด้วยไบโอชาร์ นี่คือถ่านชนิดหนึ่ง เกษตรกรเพิ่มลงในดินเพื่อช่วยกักเก็บน้ำและสารอาหาร

เนื่องจากถ่านไบโอชาร์ทำมาจากพืช จึงไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม Stefan กล่าว

Biochar มีประโยชน์ แต่ไม่ดูดซับฟอสเฟตหรือไนเตรต ไฮดรอกไซด์สองชั้น (หรือ LDH) เป็นสารเคมีที่มีอะตอมที่มีประจุบวกเป็นคู่

สิ่งเหล่านี้อาจเป็นแมกนีเซียมและอลูมิเนียมหรือแมกนีเซียมและเหล็ก ประจุไฟฟ้าบวกทำให้ LDH สามารถดึงดูดสารเคมีที่มีประจุลบ เช่น ฟอสเฟต แต่ LDH ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพในเรื่องนี้ สเตฟานกล่าวว่าด้วยตัวของมันเอง พวกเขา “ก่อตัวเป็นตะกอน” นั่นหมายความว่าไซต์ที่มีประจุบวกจะไม่ถูกเปิดเผยและสามารถกำจัดฟอสเฟตได้

LDH ไม่สามารถกระจายออกเป็นชั้นเดียวได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับการกรองฟอสเฟตออก อย่างไรก็ตาม Biochar ทำงานได้ดีในตัวกรอง

สเตฟานจึงตั้งสมมติฐานว่าหากเขาสามารถให้ LDH ติดกับถ่านไบโอชาร์ LDH จะกระจายออกเป็นชั้นบางๆ จากนั้นก็ควรจะสามารถเอาฟอสเฟตออกได้

สเตฟานกล่าวว่า “การรวมสองตัวนี้จะทำให้คุณฆ่านกสองตัวด้วยหินก้อนเดียวได้” เขาหมายความว่า biochar จะ “ทำให้ LDH ทำงานได้มากขึ้นโดยการแพร่กระจายออกไป”

เพื่อทดสอบแนวคิดของเขา เด็กวัยรุ่นเริ่มต้นด้วยการผสมถ่านไบโอชาร์และ LDHs เขาทดสอบ LDH สองประเภท หนึ่งบรรจุแมกนีเซียมและอลูมิเนียม อีกอันมีแมกนีเซียมและเหล็ก เขาใส่สิ่งเหล่านี้ลงในสารละลายของฟอสฟอรัสและวัดว่าส่วนผสมแต่ละอย่างสามารถขจัดออกจากน้ำได้มากน้อยเพียงใด

การจับคู่แมกนีเซียมและอะลูมิเนียมทำงานได้ดีที่สุด และสูตรที่ดีที่สุดคือทำจากถ่านไบโอชาร์ 60 เปอร์เซ็นต์และ 40 เปอร์เซ็นต์ของ LDH นี้ มันดูดซับฟอสเฟตได้ดี มันอิ่มตัวด้วยฟอสเฟต 95 เปอร์เซ็นต์ในเวลาเพียงหนึ่งชั่วโมง

สเตฟานสงสัยว่าส่วนผสมของถ่านไบโอชาร์สามารถปลดปล่อยฟอสเฟตที่สะสมไปในภายหลังได้หรือไม่ แล้วธาตุอาหารนั้นก็จะกลับคืนสู่ดินเป็นปุ๋ยพืช เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ เด็กวัยรุ่นเตรียมทรายถ้วยเล็กๆ ไว้สำหรับเพาะเมล็ดผักกาดหอม บางถ้วยมีแต่ทราย

สิ่งเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมของเขา ส่วนอื่นๆ ยังมีส่วนผสมที่บรรจุฟอสเฟตไว้ด้วย หลังจากผ่านไป 12 วัน เด็กวัยรุ่นวัดขนาดต้นกล้าผักกาดหอมที่โตแล้ว

ต้นกล้าที่ปลูกในถ้วยที่มีถ่านไบโอชาร์ที่บรรจุฟอสเฟตด้วยนั้นหนักกว่าต้นกล้าที่ปลูกในทรายเพียง 20 มิลลิกรัม (0.0007 ออนซ์) ถ่านไบโอชาร์ได้ปลดปล่อยฟอสเฟตบางส่วน ซึ่งเมล็ดผักกาดหอมเคยเติบโต

Stefan และนักวิทยาศาสตร์จาก University of Florida สามคนเพิ่งตีพิมพ์ผลการวิจัยใหม่ในวารสาร March Journal of Industrial and Engineering Chemistry

การทดสอบครั้งต่อไปคือเพื่อดูว่าส่วนผสมของถ่านไบโอชาร์ทำงานได้ดีในฟาร์มหรือไม่ “ฉันยังคิดว่าจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติม” สเตฟานกล่าว

ส่วนผสมอื่นของ LDH และ biochar อาจทำงานได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ เขายังทดสอบถ่านไบโอชาร์เพียงชนิดเดียวเท่านั้น มันถูกทำมาจากไม้ไผ่ เขาต้องการทดสอบถ่านชีวภาพที่ทำจากอ้อยหรือพันธุ์ไม้ชนิดหนึ่งด้วย

เมื่อเขาทำเสร็จแล้ว สเตฟานหวังที่จะปรับปรุงการบำบัดน้ำของเขา “[ฟอสเฟต] เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดภาวะยูโทรฟิเคชั่น” เขาอธิบาย “แต่ไม่ใช่คนเดียว” เขาต้องการทำการบำบัดมลพิษที่สามารถดูดซับไนเตรตได้เช่นกัน

โครงงานนี้แสดงให้เห็นว่าแม้แต่วัยรุ่นก็สามารถทำวิจัยเพื่อเสนอผลประโยชน์ที่อาจมีความสำคัญในโลกแห่งความเป็นจริงได้

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ mayfieldscleaners.com