حاصلخیزی خاک و تغذیه گیاه

کاربرد انرژی هسته ای در کشاورزی

کاربرد انرژی هسته ای در کشاورزی (Applications of Nuclear Technology in Agriculture)

جمعیت دنیا در حال افزایش است و تأمین مواد غذایی اهمیت ویژه ای دارد. محققین همواره تلاش می کنند تا از تکنیک های آسان و کارآمد در جهت افزایش عملکرد و بهبود کیفیت محصولات کشاورزی استفاده کنند. در سال‌های اخیر با پیشرفت دانش و فنون هسته ای و کاربرد این تکنیک ها، انقلابی در کشاورزی ایجاد شده است.
در سال 1964 سازمان خواروبار و کشاورزی جهانی (FAO) و آژانس بین المللی انرژی اتمی (IAEA) پیمان استفاده از تکنیک های هسته ای در کشاورزی و صنایع غذایی را امضا کردند. بیش از 40 سال است که در کشورهای پیشرفته (آمریکا، روسیه ...) و حدود 30 سال است که در کشورهای پاکستان و هندوستان از روش های هسته ای بطور کاربردی در کشاورزی استفاده می شود.

در ایران دولت محور اصلی اقتصاد را کشاورزی قرار داده است. با توجه به این که تنها قسمت محدودی از تکنولوژی کشاورزی مرسوم در کشورهای پیشرفته در دیگر نقاط قابل استفاده می باشد، حل مسائل کشاورزی نیاز به تحقیقات محلی در جهت استفاده از تکنولوژی متناسب با شرایط اقلیمی و نیاز کشور دارد.
تکنیک های هسته ای در کنار سایر روش ها می توانند به عنوان وسیله کمکی در حل موثر و سریع بسیاری از مسائل کشاورزی مورد بهره برداری قرار گیرند.
انتقال دانش و فنون پیچیده و قدرتمند تکنولوژی هسته ای با کاربردهای مفید و استفاده صلح جویانه آن خصوصاً در علوم کشاورزی هنوز در کشور ما بیگانه است.

تاریخچه‌ای مختصر:
انرژی هسته ای برای اولین بار در سال 1934 توسط انریکو فرمی کشف شد.
اولین بمب هسته ای در سال 1945 به عنوان یک نتیجه از پروژه بدنام منهتن ساخته شد.
در 6 آگوست سال 1945 اولین بمب اورانیوم روی هیروشیما منفجر شد. سه روز بعد یک بمب پلوتونیوم بر روی ناکازاکی منفجر شد.
بیش از 200 هزار نفر در ارتباط با این انفجارات جان خود را از دست دادند.
انرژی الکتریسیته تا سال 1951 از انرژی هسته ای تولید نشده بود.
اولين ايستگاه هسته ای در 24 ژوئن 1954 در شهر ابنيسك در شوروي سابق تأسيس شد.

تاریخچه در ایران
استفاده از انرژی هسته‌ای در دوران سلطنت محمدرضا شاه پهلوی مطرح شد و با ایجاد سازمان انرژی اتمی ایران در سال ۱۳۵۳ آغاز پروژه راکتور اتمی بوشهر و مشارکت مالی ایران در طرح‌های فناوری سوخت اتمی فرانسه شروع شد.
ایران در سال ۱۹۵۸، به عضویت آژانس بینالمللی انرژی اتمی I.A.E.A درآمد و در سال ۱۹۶۸، پیمان عدم تکثیر سلاحهای هسته ای (N.P.T) را امضا کرد و در سال ۱۹۷۰، آن را در مجلس شورای ملی به تصویب رساند. در تاریخ ۹ فوریهٔ سال ۲۰۰۳ میلادی محمد خاتمی، رئیس جمهور وقت ایران، خبر از تهیهٔ سوخت هسته‌ای توسط متخصصین ایرانی برای نیروگاه‌های هسته‌ای ایران داد و در آوریل سال ۲۰۰۶ ایران اعلام کرد که موفق به غنی‌سازی اورانیوم به میزان ۳.۵ درصد شده است.

مقدمه ای بر فیزیک هسته ای
بر اساس مدل رادفورد : ساختمان اتم از دو ناحیه تشکیل شده است :
1- ناحیه مرکزی بنام هسته که شامل پروتونها و نوترونها (نوکلئونها) به شعاع بیش از 10 به توان 15- متر می باشد .
2- ناحیه خارجی اتم و اطراف هسته که شامل الکترونها به شعاع 10 به توان 10- متر است .
با توجه به اینکه اتمها از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، فضای اطراف هسته دارای ذره هایی با بار (--) است که همان الکترونها هستند که تعداد آنها با پروتونها برابر است .
پروتون دارای بار مثبت، الکترون دارای بار منفی و نوترون بدون بار (خنثی) است.

ایزوتوپ ها و ویژگی آن:
ایزوتوپ های یک عنصر، اتم هایی هستند که تعداد بارهای مثبت (پروتون) آنها (عدد اتمی) یکسان اما تعداد نوترون های آن (عدد جرمی) متفاوت است.
اکثر عناصر شیمیایی دارای ایزوتوپ های مختلف می باشند. این ایزوتوپ ها از لحاظ خواص شیمیایی یکسان ولی از لحاظ وزن هسته با یکدیگر متفاوت هستند. به همین علت هسته بعضی ازاین ایزوتوپ ها ناپایدار هستند. ایزوتوپ های پایدار می توانند برای مدت طولانی حتی در شرایط بسیار متغیر محیطی که تحت تأثیر تغییرات دما، میزان co2 جو و بارندگی قرار دارند در مطالعات مربوط به چرخه بیوژئوشیمیایی مواد و تحقیقات اکولوژیکی مورد استفاده قرار گیرند.

رادیو ایزوتوپ:
ماده ای نظیر سنگ معدن اورانیوم که نوعی اشعه نامرئی ساطع می کند را رادیواکتیو (Radioactive)می گویند. اشعه نامرئی حاصل را اشعه رادیواکتیو (Radioactive Radiation) و این پدیده را رادیو اکتیویته (Radioactivity) گویند. در واقع قابلیت یک ماده در گسیل کردن پرتو را گویند.
واپاشی پدیده ای است که در خلال آن یک اتم ناپایدار، انرژی اضافی خود را به خارج گسیل می کند.
رادیو اکتیویته از خصوصیات هسته است بنابراین در ویژگی های شیمیایی و فیزیکی مثل حالت جامد، مایع و گازی جسم تأثیری نمی گذارد.

بشر علاقه زیادی به کشف حقایق و همچنین دریافت پاسخ مناسب با فعالیت خود دارد. لذا به منظور دستیابی به آنها اقدامات مختلفی انجام می دهد. مثلاً: سرعت رشد ریشه گیاه، مسافت پیموده شده گرده گیاه، میزان مدت انتقال مواد غذایی به معده دام، عمق نفوذ و فعالیت کرم ها و... مهمترین ابزار برای این منظور اتم های رادیو اکتیو و ایزوتوپ ها هستند. زیرا
• بسیار کوچک و غیرقابل رویت اند،
• فرمان براند،
• قابلیت انتقال اند،
• قابلیت حل شدن اند،
• مقاوم در برابر آتش و آبشویی اند،
• قابلیت جابجایی و تحرک دارند،
• قابل بررسی با استفاده از ادوات مخصوص اند.

از مهمترین مزايای انرژی هسته ای
1. انرژي متراكم و بسیار زياد
2. عدم انتشار گازهاي گلخانه ای و غبارهاي آلوده

برخی معايب استفاده از انرژی هسته ای
1. نياز به معادن اورانيوم
2. احتياج به آب سرد فراوان
3. تشعشعات راديواكتيو
4. بالا بودن هزينه احداث نيروگاه
5. مشكل زباله هاي اتمي
6. سوانح احتمالي همانند: حادثه تري مايل آيلند در آمریکا در مارس 1979، و ياحادثه چرنوويل، اتحاد جماهير شوروي سابق در آوريل 1986.

کاربرد رادیو ایزوتوپ ها:
1. کاربرد صنعتی: سنجش گرهای رادیوایزوتوپی برای اندازه گیری ضخامت، چگالی، دما، ارتفاع سطح مواد در کوره، سیلو ...
2. مولدهای قدرت: برای تولید انرژی الکتریکی از رادیو ایزوتوپ ها می توان استفاده کرد. 9 ایزوتوپ مناسب برای تولید انرژی الکتریکی وجود دارد.
3. عمرسنجی با C14: امواج کیهانی باعث تولید ایزوتوپ های کربن، هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن ... شده و ترکیبات رادیوایزوتوپ در طبیعت بوجود می آیند و وارد چرخه حیات می شوند. عمر مواد در طبیعت با استفاده از این ایزوتوپ ها قابل ارزیابی است.
4. کاربرد در پزشکی: کاربرد رادیوایزوتوپ ها در سه زمینه، تشخیص، درمان و تحقیق متمرکز است. (Na24 در ردیابی و بررسی گردش خون، Ga67 در شناسایی تومورهای مغزی، P32 در درمان بیماری های خونی و Pu238 در درمان بیماری های قلبی).
5. کاربرد در کشاورزی: در زمینه های زراعت و اصلاح نباتات، تغذیه گیاهی، مدیریت آب و خاک، آفات، صنایع غذایی، دامپروری و محیط زیست و غیره کاربرد دارد.

تکنیک های هسته ای در کشاورزی به سه گروه تقسیم می گردد:
1. تکنیک پرتوتابی
2. تکنیک ردیابی
3. تکنیک تجزیه به روش اکتیو کردن

تکنیک پرتوتابی
پرتوهای یون ساز، از ایزوتوپ های رادیو اکتیو، دستگاه اشعه ایکس، رآکتور و شتاب دهنده ها تولید می شود و در تحقیقات کشاورزی برای موارد زیر استفاده می شود:
• ایجاد موتاسیون (جهش) در گیاهان
• کنترل حشرات از طریق عقیم کردن آنها
مبارزه با آفات انباری و نگهداری فرآورده های کشاورزی
• تولید واکسن از پارازیت های تضعیف شده توسط تشعشع
• تحریک میزان رشد گیاه

از تکنیک ردیابی در تحقیقات کشاورزی برای موارد زیر استفاده می شود:
• جذب، حرکت و تجمع کود در گیاه
• بررسی حرکت و تجمع کود مصرف شده در خاک
• تعیین نوع منبع غذائی گیاه (نیتروژن خاک یا هوا)
• نشان دار کردن سموم و بررسی دقیق مسائلی نظیر جذب
• تعیین زمان پایداری سم در گیاه
• بقایای سم در گیاه یا خاک

تکنیک تجزیه به روش اکتیو کردن
ابتدا نمونه گیاهی یا حیوانی درون راکتور در معرض نوترون های حرارتی قرار می گیرند، سپس نوترون توسط عناصر موجود در نمونه جذب شده و رادیواکتیو می شوند و امکان تشخیص و اندازه گیری کمی عناصر موجود در نمونه فراهم می‌گردد. از ویژگی های آن دقت بالا و امکان تعیین مقادیر بسیار جزئی از عناصر موجود در بافتهای گیاهی و حیوانی است.

اصلاح نباتات از طریق ایجاد موتاسیون
اصلاح نباتات هنر بهبود ژنتیکی گیاهان است و هدف کلی آن بهبود و ارتقاء صفات کمی و کیفی گیاه زراعی است. که در ارزش اقتصادی آنها نقش دارد.
موتاسیون یا جهش، منشا اصلی تنوع ژنتیکی است و تنوع ژنتیکی به منزله بنیان فعالیت های اصلاح نباتات در طبیعت است. به طوری که بدون آن موجودات زنده قادر به سازش با شرایط اکولوژی متفاوت نمی شدند.

موتاسیون از Mutatio به معنای یک تغییر عمده و اساسی و ناگهانی مشتق شده است. و دارای انواع زیر است: موتاسیون طبیعی یا خودبخودی: اغلب در اثر پرتوهای کیهانی و با فرکانس کم در طبیعت به وقوع می پیوندند.
موتاسیون القایی: که به وسیله موتاژن (جهش زا) می توان به طور مصنوعی موتاسیون القایی را در موجودات ایجاد نمود.
برخی از تغییرات موتاسیونی بر سرنوشت موجود زنده اثر می گذارند و موجب مرگ موجود می گردند، که به آنها موتاسیون مهلک گویند. برخی دیگر از تغییرات موتاسیونی سبب مرگ ژنتیکی موجود یعنی توقف تولید مثل یا عقیمی در موجودات بالاتر می شوند.

پرتوهای موتاژنیک (α, β, γ, X ray, UV) بر گیاهان هدف تابانده شده و گیاهان دچار جهش می شوند.
نوع پرتو، دز پرتو، مدت زمان تابش، نوع بافت، شرایط محیطی در میزان جهش گیاهان موثر است.
ارقام گیاهی و خصوصیاتی که از این طریق قابل تغییراند عبارتند از :پرمحصولی، زودرسی، مقاومت به تنش شوری و خشکی، مقاومت به سرما، مقاومت به ورس، مقاومت به ریزش، مقاومت به بیماریها و ... .

برخی فعالیت های انجام شده در مرکز تحقیقات کشاورزی هسته ای:
• تولید لاین های مقاوم به ورس از گندم طبسی
• لاین های مقاوم به ریزش دانه در گندم آزادی
• لاین های زودرس و مقاوم به ورس از گندم امید
• لاین های مقاوم به سرما در جو والفجر
• لاین های زودرس و مقاوم به ورس در ارقام برنج آمل-3، طارم، موسی طارم
• لاین های مقاوم سویا به بیماری ویروس موزائیک
• لاین های پنبه مقاوم به بیماری قارچی ورتیسلیوز

نمونه ای از کاربرد ایزوتوپ ها در مطالعات خاکشناسی
استفاده از ایزوتوپ سزیم-137 در مطالعات فرسایش خاک:
سزیم-137 یکی از رادیو ایزوتوپ های سزیم می باشد و به دلیل نیمه عمر کوتاهی که دارد هیچگونه سزیم-137 طبیعی قابل اندازه گیری در طبیعت وجود ندارد و سزیم -137 موجود در طبیعت حاصل دو پدیده فعالیت بشری است:
• آزمایشات اتمی که در سال های 1950-1960 آغاز و تا سال 1970 ادامه یافت.
• انفجار نیروگاه هسته ای چرنوبیل در 1986 باعث ورود سزیم-137 به لایه استراتوسفر و تروپوسفر شد و بر اثر نزولات این ایزوتوپ وارد خاک گردید.

هنگامی که سزیم از طریق نزولات آسمانی به سطح خاک می رسد به شدت جذب سطحی ذرات خاک می شود و در طی هر بارندگی لایه معینی از خاک مرطوب می شود و این امر باعث می شود سزیم وارد شده در خاک ابتدا در لایه های سطحی و بتدریج در لایه های پایین تر جذب می شود.
سزیم به عنوان ردیابی برای اندازه گیری فرسایش
• به صورت طبیعی در محیط وجود ندارد بنابراین هنگام ورود آن به طبیعت تا به حال به عنوان سال پایه برای اندازه گیری فرسایش مورد استفاده قرار می گیرد
• توزیع و گستردی آن در تمام مناطق
• دارای قابلیت بالا در جذب سطحی و قابلیت غیر قابل تبادل آن
• ساطع کردن اشعه گاما و سهولت اندازه گیری آن
• نیمه عمر مناسب

کاربرد ایزوتوپ ها در بررسی تغذیه گیاهی:
نیتروژن، فسفر و کربن از مهمترین عناصر غذایی در تغذیه گیاه به شمار می روند و نقش چشم گیری در تولید فرآورده های کشاورزی دارند انتخاب صحیح نوع و مقدار کودهای حاوی این عناصر برای افزایش تولید ضروری است.
• استفاده از ایزوتوپ N15: بررسی چرخه نیتروژن در خاک، آبشویی، جذب توسط ریشه، فعالیت های فیزیولوژیک گیاه ، تثبیت بیولوژیک نیتروژن، همزیستی میکروارگانیسم ها و غیره.
• استفاده از ایزوتوپ P32: تعیین میزان فسفر جذب شده از خاک و یا کود، نحوه تسهیم آن به بخش های مختلف گیاهی و...
• استفاده از ایزوتوپ C14: اندازه گیری توزیع کربن در اندام های گیاهی، اندازه گیری میزان فتوسنتز و تنفس و مسیر آنها و بررسی متابولیسم گیاهی و....

استفاده از ذرات نوترون در مطالعه رطوبت خاک:
• با استفاده از دستگاه نوترون متر میزان رطوبت خاک را مشخص می کنند.
• نوترون بر اثر برخورد با مولکول آب منعکس شده و سرعت آن به واسطه اتم هیدروژن کند می شود. تعداد و سرعت نوترون های برگشتی میزان آب خاک را نشان می دهد.

کاربرد تکنیک های هسته ای در کنترل آفات:
جهت مطالعه اثرات پرتو بر روی موجودات زنده عمدتاً از حشرات استفاده می شود که دلایل آن را می توان سادگی کار و در دسترس بودن، کوتاه بودن سیکل زندگی، قدرت باروری زیاد و سایر خصوصیات بیولوژیکی مناسب دانست.

مطالعه زندگی حشرات:
1. نشاندار کردن حشرات با مواد رادیواکتیو (Co60)
2. استفاده از غذاهای نشاندار شده با رادیو ایزوتوپ ها

مبارزه با آفات:
1. نابودی آفات با استفاده از تابش پرتوهای ایزوتوپ سزیم-137 و کبالت-60
2. نر عقیم کردن آفات با استفاده از پرتوهای گاما، ایکس و ماورا بنفش

کاربرد تکنیک های هسته ای در صنایع غذایی:
• خسارت ناشی از فساد مواد غذایی بسیار زیاد است.
• استریل کردن و نابودی میکروارگانیسم های فاسد کننده مواد غذایی بهترین راه مبارزه است.
• نمک سود کردن، پختن، دود دادن، کنسرو کردن، منجمد کردن نگهداری به وسیله مواد شیمیایی و امروزه روش پرتو دهی

پرتودهی مواد غذایی:
• قرار دادن مواد غذایی در مقابل مقدار دقیق و معینی از پرتوهای یون ساز
• پرتوهای یون ساز می توانند میکروارگانیسم ها از جمله باکتری ها را نابود کنند و ماندگاری مواد غذایی افزایش می یابد.
• پرتوهای یون ساز ویتامین ها را نابود می کنند.
• مواد لبنی در مقابل پرتوها حساس هستند.