วงจรธาตุอาหารพืช - วัฏจักรไฮโดรเจน ( Hydrogen cycle )

วัฏจักรของไฮโดรเจน (อังกฤษ : Hydrogen Cycle) คือวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีซึ่งอธิบายถึงการแปลงสภาพของธาตุไฮโดรเจน และสารประกอบที่มีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบในธรรมชาติ



ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญทั้งในพืช และสัตว์ ทั้งที่อยู่ในรูปแบบของน้ำ ( H₂O ) น้ำตาล ( C₆H₁₂O₆ ) คาร์โบไฮเดรท ไขมัน เป็นต้น สิ่งมีชีวิตจึงขาดธาตุไฮโดรเจนไม่ได้

วัฏจักรของไฮโรเจนเองนั่นก็มีความสัมพันธ์กับวัฏจักรของน้ำ และออกซิเจนอย่างใกล้ชิด เนื่องจากไฮรโดรเจนเป็นองค์ประกอบของน้ำ ผมจึงจะไม่ขอกล่าวซ้ำกับเรื่องวัฏจักรของออกซิเจน แต่จะนำเสนอประเด็นอื่น

การปลอดปล่อยไฮโดรเจนสู่ชั้นบรรยากาศมีแหล่งหลัก 4-5 ทางดังนี้:

• การสลายโมเลกุลของอาหารแบบใช้ออกซิเจน(การหายใจ)
  ในการหายใจของสัตว์จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อใช้น้ำตาลให้กลายเป็นพลังงาน โดยไฮโดรเจนที่อยู่ในน้ำตาละจะถูกแปลงเป็นไอน้ำ H₂O เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ
  
    C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + พลังงาน
  
  ในเนื้อเยื่อของสัตว์ซึ่งสามารถสลายสารอาหารแบบใช้ออกซิเจนตามสมการข้างบน ในบางกรณีเนื้อเยื่อต้องการ ATP เป็นจำนวนมากในระยะเวลาอันสั้น เช่น เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อในขณะออกกำลังกาย แต่เนื่องจากเลือดลำเลียงออกซิเจนให้ไม่ทัน ทำให้ปริมาณของ ATP ในเซลล์ลดลงอย่างรวดเร็ว เซลล์จะสลายสารอาหารโดย กระบวนการหมักกรดแลกติก (lactic acid fermentation) แทน กรดแลกติก (C₃H₆O₃) เป็นสารที่ร่างกายไม่ต้องการ เมื่อสะสมมากขึ้นกล้ามเนื้อจะล้าจนกระทั่งทำงานไม่ได้ จะต้องได้รับออกซิเจนมาชดเชยเพื่อสลายกรดแลกติกต่อไปจนได้คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำซึ่งร่างกายจะกำจัดออกสู่ภายนอกได้ (ซึ่งไฮโดรเจนก็จะถูกปลดปล่อยสู่อากาศในรูปแบบของไอน้ำเช่นกัน)
  
  แบคทีเรียบางชนิดได้พลังงานจากการสลายสารอาหารโดยไม่ใช้ออกซิเจน ซึ่งจะทำให้เกิดกรดแลกติกเช่นกัน มนุษย์ใช้ประโยชน์จากกระบวนการหมักของจุลินทรีย์ในการผลิตอาหารบางชนิด ได้เแก่ เต้าเจี้ยว เต้าหู้ยี้ นมเปรี้ยว โยเกิร์ต การดอกผัก และผลไม้ดอง ความเป็นกรดของกรดแลกติกจะช่วยหยุดยั้่งการเติบโตของแบคทีเรียหลายชนิดทำให้ช่วยถนอมอาหารได้ในระยะเวลาหนึ่ง แต่กรดแลกติกเป็นสภาพที่ไม่เสถียรมากนักสุดท้ายแล้วจะเกิดขบวนการย่อยสลายต่อกลายเป็นกรดอะซิติก (C₂H₄O₂) และย่อยสลายต่อเป็นก๊าซมีเทน(CH₄)ต่อไป (ซึ่งสุดท้ายแล้วไฮโดรเจนก็จะถูกปลดปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศในรูปแบบของก๊าซมีเทน)
  
  
  
  ขบวนการย่อยสลายโมเลกุลของอาหารเหล่านี้สามารถเกิดจากจุลินทรีย์ได้เช่นกัน ในขบวนการหมักแบบใช้ออกซิเจนยีสต์ก็จะมีการแปลงน้ำตาลจนกลายเป็นแอลกอฮอล์ (C₂H₅OH) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ยีสต์ก็เหมือนสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่มีความทนทานต่อปริมาณของแอลกอฮอล์ แต่ถ้าปริมาณแอลกอฮอล์สูงมากยีสต์ก็ตายเหลือเพียงแอลกอฮอล์ ผลผลิตของกระบวนการหมักแบบนี้ที่สำคัญ คือ เบียร์ สุรา ไวน์ต่างๆ ในปัจจุบันมีผู้นำความรู้นี้ไปผลิตแอลกอฮอล์จากวัสดุเหลือใช้ เช่น การผลิตแอลกอฮอล์จากกากน้ำตาล นอกจากลดปัญหามลภาวะของกากน้ำตาลแล้ว แอลกอฮอล์ยังเป็นสารที่มีพลังงานสูงอยู่มาก สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้
  
  หากเราหมักแอลกอฮอล์ที่มีดีกรีไม่สูงมากนักในสภาพที่ไม่มีออกซิเจนเพียงพอจุลินทรีย์บางชนิดก็จะย่อยสลายแอลกอฮอล์ในขบวนการ Acetogenesis ไปเป็น Acetic Acid (เราจะสังเกตุได้ว่าการเก็บไวน์ไว้นานๆ Alcohol จะถูกย่อยสลายเปลี่ยนไปเป็นกรดอะซิติก (C₂H₄O₂) ทำให้ไวน์มีรสชาติเปรี้ยวได้)  ซึ่งในขบวนการ Acetogenesis นั้นจะเกิดก๊าซไฮโดรเจน และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ปลดปล่อยออกมา และกรดอะซิติกจะถูกย่อยสลายต่อเป็นก๊าซมีเทน(CH₄)ต่อไป (ซึ่งสุดท้ายแล้วไฮโดรเจนก็จะถูกปลดปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศในรูปแบบของก๊าซมีเทน)
• การสลายโมเลกุลของอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน
  ในขบวนการย่อยสลายโมเลกุลของอาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจนนั้นจะมีขบวนการ Hydrolysis ย่อยสลายอาหารโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น คาร์โบไฮเดรต  ไขมัน หรือโปรตีน ให้กลายเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำเอาไปใช้งานได้  จากโมเลกุลอาหารขนาดเล็กก็จะมีการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Acidogenesis) ซึ่งอาจจะย่อยสลายได้ 2 แบบ คือ (1)กลายเป็นแอลกอฮอล์ และ Carbonic Acid หรือ (2) กลายเป็นแอมโมเนีย ก๊าซไฮโดรเจน และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
  
  
  
  ในธรรมชาติการย่อยสลายอาจจะไม่ได้เป็นไปตามขั้นตอนเสมอไป เช่น อาจจะมีการย่อยสลายโมเลกุลอาหารขนาดใหญ่กลายเป็นกรดอะซิติกโดยตรงเลยโดยไม่ผ่านกระบวนการ Hydrolysis และ Acidogenesis ก็ได้
  
  
  ในขั้นตอนสุดท้ายก๊าซมีเทนสามารถเกิดได้จากหลายปฏิกิริยาทางเคมีคือ
  
  1. ย่อยสลายกรดอะซิติกกลายเป็นก๊าซมีเทน
  CH₃COOH → CH₄ + CO₂
  
  2. ย่อยสลายแอลกอฮอล์กลายเป็นก๊าซมีเทน
  2CH₃CH₂OH + CO₂ → CH₄ + 2CH₃COOH
  
  3. เกิดการรวมตัวของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดเจนที่เกิดจากขบวนการย่อยสลาย กลายเป็นก๊าซมีเทน
  CO₂ + 4H₂ → CH4₄ + 2H₂O
  
  สุดท้ายแล้วก็จะมีก๊าซมีเทน CH₄ ปลดปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ประเด็นปัญหาคือในขบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนนั้นแทนที่ไฮโดรเจนจะถูกปลดปล่อยออกมายังชั้นบรรยากาศในรูปแบบของน้ำ (H₂O) แต่กลับถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของก๊าซไฮโดรเจน (H₂) หรือก๊าซมีเทน (CH₄) ซึ่งจะกล่าวถึงประเด็นนี้ในลำดับถัดไป
  
  นอกเหนือจากก๊าซมีเทนแล้วในบางโมเลกุลของอาหารก็จะมีธาตุกำมะถันเป็นองค์ประกอบ ซึ่งเมื่อผ่านกระบวนการย่อยสลายแล้วก็อาจจะเกิดก๊าซไข่เน่า (H₂S) เป็นอีกทางหนึ่งในการปลดปล่อยไฮโดรเจนออกสู่ชั้นบรรยากาศจากขบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน
  
  
• การเผาไหม้ก๊าซมีเทน(CH₄) และโฮโดรคาร์บอนอื่นๆ
  
  ก๊าซชีวภาพ หรือ ไบโอก๊าซ คือ ก๊าซที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการหมักย่อยสลายของสารอินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ปราศจากออกซิเจน(anaerobic digestion) โดยทั่วไปจะหมายถึง ก๊าซมีเทน ที่เกิดจาก การหมัก (fermentation) ของ สารอินทรีย์ โดยกระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในหลุมขยะ กองมูลสัตว์ และก้นบ่อแหล่งน้ำนิ่ง กล่าวคือเมื่อไหร่ก็ตามที่มีสารอินทรีย์หมักหมมกันเป็นเวลานานก็อาจเกิดก๊าซชีวภาพ
  
  องค์ประกอบส่วนใหญ่ของก๊าซชีวภาพจะเป็นแก๊สมีเทน(CH₄) ประมาณ 50-70% และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(CO₂)ประมาณ 30-40% ส่วนที่เหลือเป็นแก๊สชนิดอื่น ๆ เช่น ไฮโดรเจน (H₂) ออกซิเจน(O₂) ไฮโดรเจนซัลไฟด์(H₂S)หรือก๊าซไข่เน่า ไนโตรเจน(N) และไอน้ำ (H₂O)  ซึ่งก๊าซจะเห็นว่าสัดส่วนใหญ่ยังเป็นก๊าซมีเทนซึ่งสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในการเผาไหม้ได้   แต่ประเด็นคือก๊าซมีเทนเบากว่าอากาศ ถ้าหากเราไม่เก็บเกี่ยวก๊าซมีเทนมาใช้งานก๊าซเหล่านี้ก็ลอยสูงขึ้นสูงชั้นบรรยากาศชั้นบน ในปัจจุบันมนุษย์ได้พัฒนาเทคโนโลยีก๊าซชีวภาพขึ้นมาเก็บเกี่ยวก๊าซมีเทนจากขบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้อ๊อกซิเจนมาใช้เป็นพลังงาน ในขบวนการเผาไหม้ก๊าซมีเทนจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีดังนี
  
  CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
  
  ทำให้เกิดการปลดปล่อยไฮโดรเจนสู่ชั้นบรรยกาศในรูปแบบของไอน้ำแทน
• การเผาชีวมวล
  
  เพื่อนๆ ที่เคยอ่านเรื่องเตาชีวมวลใน http://my-experimental-farm.blogspot.com/2014/01/1.html แล้วคงจะพอจำรูปภาพด้านล่างได้  ขบวนการเผาไหม้ชีวมวลจะเกิด Char Gas (ซึ่งคือไอของคาร์บอน)  และ Wood Gas ซึ่งจะมีองค์ประกอบเป็น Nitrogen N2: 50.9% Carbon monoxide CO: 27.0% Hydrogen H2: 14.0% Carbon dioxide CO2: 4.5% Methane CH4: 3.0% และ Oxygen O2: 0.6%
  
  ซึ่งถ้ามีออกซิเจนเพียงพอก็จะเกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ธาตุไฮโรเจนจะกลายเป็นไอน้ำทั้งหมด หากเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ก็จะมีก๊าซมีเทน  ก๊าซไฮโดรเจน รวมถึงไอของสารไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ ออกไปยังชั้นบรรยากาศ  ปัญหาแบบเดียวกันเกิดขึ้นจากการเผาน้ำมัน หรือสารไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ
  
  

โดยสรุปขยายการย่อยสลายโมเลกุลของสารอินทรีย์ และขบวนการเผาไหม้ชีวมวล มักจะปลดปล่อยธาตุไฮโดรเจนสู่ชั้นบรรยากาศในรูปแบบของไอน้ำหากมีออกซิเจนเพียงพอ  ซึ่งไม่ค่อยจะทำให้เกิดปัญหามากนัก  ส่วนในสภาวะที่มีออกซิเจนไม่เพียงพอก็จะปลดปล่อยธาตุไฮโดรเจนสู่อากาศในรูปของ ก๊าซไฮโดรเจน ก๊าซมีเทน ก๊าซไข่เน่า แอมโมเนีย หรือสารไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ

สิ่งที่ทำให้เป็นปัญหาคือก๊าซมีเทนมีค่าการกักความร้อนมากกว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 23 เท่า ทำให้อากาศของโลกร้อนขึ้น ถ้าอ่านข้อมูลข้างบนดีๆ เราจะพบว่าก๊าซมีเทนจะมีการปลดปล่อยออกมาจาก 2 แหล่งหลักๆคือ

• การย่อยสลายตามธรรมชาติ คิดเป็นประมาณ 40% โดยเฉพาะตามป่าพุ การย่อยสลายโดยปลวก หรือแมลงใต้ดินต่างๆ และการย่อยสลายตามแหล่งน้ำ/ทะเล
• การกระทำโดยมนุษย์ คิดเป็นประมาณ 60% ได้แก่ การนำเอาสารไฮโดรคาร์บอนต่างๆ (ทีอยู่ใต้ดิน) ขึ้นมาเผาไหม้ (คิดเป็น 18%), การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมมากินเนื้อสัตว์มากกว่าผักทำให้มีการเลี้ยงสัตว์เป็นจำนวนมากขึ้นกว่าเดิม ทำให้มีก๊าซมีเทนจากมูลของสัตว์มากขึ้น(คิดเป็น 19%), การตัดไม้ทำลายป่าแล้วเผาทำให้ไฮโดรคาร์บอนที่เคยสะสมในต้นไม้ถูกปลดปล่อยออกมาเป็นก๊าซมีเทน(คิดเป็น 7%), การแปลงพื้นแห้งที่เป็นป่ามาทำนา เพิ่มพื้นที่ Wet Land ซึ่งจะมีย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนมากขึ้น ปลดปล่อยก๊าซมีเทนออกมามากขึ้น(คิดเป็น 6%), การขุดดินมาถมที่ทำให้ก๊าซมีเทนที่ถูกเก็บอยู่ใต้ดินถูกปลดปล่อยออกมา(คิดเป็น 7%) และผลิตน้ำเสียจำนวนมากจากพฤติกรรมการหันมาอยู่รวมกันจำนวนมากในสังคมเมือง ทำให้เกิดก๊าซมีเทนมากขึ้นกว่าวิถีชีวิตเดิมๆ (คิดเป็น 4%) เป็นต้น

จะเห็นว่าวิถีชีวิตในปัจจุบันของมนุษย์ทำให้เกิดการปลดปล่อยก๊าซมีเทนมากขึ้นกว่าในอดีต จนกระทั่งในปัจจุบันอัตราการปลดปล่อยก๊าซมีเทนออกมาในชั้่นบรรยากาศนั้นมากกว่า การนำเอาก๊าซมีเทนกลับลงไปในพื้นดิน ทำให้เรามีปัญหาก๊าซมีเทนสะสมในบรรยากาศมากขึ้นเรื่อยๆ ทุกๆ ปี เมื่อมีก๊าซมีเทนมากขึ้นอากาศก็จะกักความร้อนได้มากขึ้น (ประมาณ 23 เท่าของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์) ทำให้อากาศร้อนขึ้น เมื่ออากาศร้อนมากขึ้นก็จะมีการละลายของน้ำแข็งในแถบใกล้ขั้วโลกมากขึ้น เมื่อน้ำแข็งละลายก็จะมีก๊าซมีเทนที่ถูกเก็บไว้ในน้ำแข็งถูกปลดปล่อยออกมาในชั้นบรรยากาศมากขึ้นเรื่อยๆ ปัจจุบันมนุษย์ยังไม่สามารถจัดการกับปัญหานี้ได้ ทำให้โลกมีสภาวะร้อนขึ้นทุกปี

ในขณะที่ขบวนการนำเอาก๊าซมีเทนจากชั้นบรรยากาศกลับลงไปในพื้นโลกนั้นใช้เวลาประมาณ 9.6 ปีภายหลังจากที่ถูกปลดปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ Troposphere โดยจะมีปฏิกิริยาเคมีดังนี้

CH₄ + ·OH → H₂O + ·CH₃

ในทำนองเดียวก๊าซไฮโดรเจนก็จะเกิดปฏิกิริยาแบบนี้

H₂ + ·OH → H₂O + ...

ซึ่งจะนำเอาธาตุไฮโดรเจนกลับสู่พื้นโลกในรูปแบบของน้ำฝน  แต่หากก๊าซมีเทนลอยขึ้นไปสู่ชั้น Stratosphere จะไปทำปฏิกิริยากับก๊าซโอโซนเกิดปฏิกิริยาดังนี้

CH₄ + O₃ → 2H₂O + CO₂

ซึ่งก็จะนำธาตุไนโดรเจนกลับสู่พื้นดินในรูปแบบของน้ำฝนเช่นกัน แต่ปัญหาที่ตามมาคือในปฏิกิริยาดังกล่าวจะต้องใช้ก๊าซโอโซนในชั้นบรรยากาศ Stratosphere แต่ก๊าซโอโซนเองทำหน้าที่ดูดซึมซับรังสีอุลตร้าไวโอเลต ไม่ให้ส่องกระทบโดยตรงยังพื้นผิวโลก การสูญเสียโอโซนไปจึงเป็นอีกปัจจัยหนึ่งในการเร่งให้โลกร้อนมากขึ้นเรื่อย

ดังนั้นโดยสรุปแล้วหากมนุษย์ต้องการหยุดสภาวะโลกร้อน เราจะต้องลดการปลดปล่อยก๊าซมีเทนออกสู่ชั้นบรรยากาศลงไปจนกระทั่งอัตราการปลดปล่อย และการนำเอาธาตุไฮโดรเจนกลับสู่พื้นโลกเกิดความสมดุล โดยกิจกรรมที่กระทำโดยมนุษย์ที่ปลดปล่อยก๊าซมีเทนหลักๆ ที่เราต้องรีบลดโดยด่วนคือ ลดการเผาไหม้น้ำมัน(18%) ลดการบริโภคเนื้อสัตว์(17%) ลดการเผาชีวมวล (คิดเป็น 7%) ลดพื้นที่ทำนาเพิ่มพื้นที่ปลูกป่า (คิดเป็น 6%) เป็นต้น  นอกจากนั้นการเพิ่มปริมาณออกซิเจนเองก็จะช่วยในขบวนการต่างๆ ที่จะลดการเกิดก๊าซมีเทน ซึ่งเราต้องช่วยกันปลูกต้นไม้เพื่อแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับมาเป็นก๊าซออกซิเจน  ฟังๆ ดูแล้วผมยังหวั่นใจว่าพวกเราจะทำกันได้หรือไม่...


วัฏจักรชีวธรณีเคมี (อังกฤษ: Biogeochemical cycle) คือวงจรหรือแนวกระบวนการที่เกี่ยวกับการที่ธาตุหลักทางเคมีหรือโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมของระบบนิเวศทั้งที่มีชีวิต (ชีวภาพ) และไม่มีชีวิต (ธรณีภาพ) โดยหลักการแล้ว วัฏจักรทุกวัฏจักรย่อมซ้ำกระบวนการเสมอ แม้ว่าในบางวัฏจักร จะใช้เวลาซ้ำกระบวนการนานมาก โดยการเปลี่ยนรูปนี้จะเกิดผ่านทั้งบรรยากาศ น้ำ และบนบก รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปัจจัยทางกายภาพและชีวภาพ สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีส่วนร่วมในวัฏจักร

วัฎจักรหลักที่เราสนใจศึกษาสำหรับเกษตรธรรมชาติ คือ วัฏจักรของธาตุอาหารหลักของพืช ได้แก่ ไฮโดรเจน(H) ออกซิเจน(O) คาร์บอน(C) ไนโตรเจน(N) ฟอสฟอรัส(P) โพแทสเซียม (P) แคลเซียม(Ca) และกำมะถัน(S) ซึ่งความเข้าใจในวัฏจักรเหล่านี้จะเป็นพื้นฐานในความพยายามที่จะรักษาสมดุลให้มีแร่ธาตุต่างๆ หมุนเวียนในธรรมชาติที่เพียงพอสำหรับพืชที่เราปลูก โดยมนุษย์ไม่ต้องเข้าไปแทรกแซงมากจนเกินไป ผมจึงได้รวบรวมเรื่องราวของวัฏจักรสำคัญๆ ไว้ดังนี้ :

• วัฏจักรของน้ำ
• ฝนเอย..ทำไมจึงตก?
• ต้นไม้สายฝน - บทบาทของต้นไม้กับสายฝน
• แกะรอยน้ำฝน...น้ำฝนหายไปไหนเมื่อตกมาถึงพื้น?
• การระเหยของน้ำ
• ทำไมต้องเก็บน้ำลงใต้ดิน?
• วัฏจักรออกซิเจน (O)
• วัฏจักรคาร์บอน (C)
• วัฏจักรไนโตรเจน (N)
• วัฏจักรแคลเซียม (Ca)
• วัฏจักรฟอสฟอรัส (P)
• วัฏจักรโพแทสเซียม (K)
• วัฏจักรกำมะถัน (S)
• Dynamic Accumulator ผู้ช่วยในการหมุนเวียนของวัฏจักร
• เรากำลังคุกคามการอยู่รอดในอนาคตของพวกเราเองหรือไม่?

วัฏจักรไฮโดรเจน