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
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
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?
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น