كل ما تحتاج معرفته عن الشيتوزان وفوائده الزراعية

الشيتوزان وأهميته

في الآونة الأخيرة، أصبح أحد البوليمرات الحيوية المفضلة فى الاستخدام فى عديد من المجالات الطبية والزراعية وتنقية المياه و لديه فوائد عديدة  نظرًا لكونه مركب حيوي غير سام يحتوي على العديد من مضادات الأكسدة ومضادات السرطان وقابليته للتحلل البيولوجي وخصائصه المضادة للميكروبات وغير السامة بالإضافة إلى كونه مادة اقتصادية يتم إنتاجها من مخلفات المأكولات البحرية.

ما هو الشيتوزان؟

الشيتوزان عبارة عن مادة تتكون أساسا من مادة الكيتين chitin والتي تعتبر سلسلة من الكربوهيدرات (السكريات المتصلة) والتي تستخلص من الهيكل الخارجي للصدفيات والمحار والأسماك الصدفية البحرية مثل “الجمبري” وغيرها من الأسماك الصدفية المختلفة. تشبه الى حد كبير في تركيبتها تركيبة الألياف النباتية والتي تسمى بالسليلوز ،وهى عباره عن بوليمر من الجلوكوزأمين.

كيفية إنتاج الشيتوزان

يتم الحصول عليه من طحن قشور الجمبري والأسماك الصدفية واستخلاصها على مرحلتين، حيث يتم الحصول اولا على الكيتين بطريقتين 

1. الطريقة الكيميائية لاستخلاص الشيتوزان

2. الطريقة بيولوجية لاستخلاص الشيتوزان

• المرحلة الأولى لاستخلاص الشيتوزان 

كيماوية (باستخدام بمحلول مخفف من HCL حمض الهيدروكلوريك) ، أو بيولوجية (باستخدام بكتيريا منتجة انزيم البروتياز(Proteases) 

• المرحلة الثانية لاستخلاص الشيتوزان 

فى المرحلة الثانية الحصول عليه عن طريق نزع مجموعة الأسيتيل De-Acetyaltion كيماويا (عن طريق المعاملة بمحلول دافىء من هيدروكسيد الصوديوم ) او بيولوجيا (باستخدام بواسطة إنزيم  ( Chitin deacetylase). وبعد نزع مجموعة الأسيتيل تصبح مادة الشيتوزان تحمل شحنات موجبة من الأمونيوم والتي تعمل كمغناطيس لجذب جزيئات أي مادة بجانبها أو بقربها تحمل شحنات سالبة، ويصبح مبدأ عملها بهذا الشكل يعتبر بسيط ومفهوم .

أنواع الشيتوزان التجارية

وتختلف مركبات الشيتوزان التجارية طبقا لمعيارين هما 

• الوزن الجزيئيى (Mw) 
•  ودرجة إزالة الأسيتيل (DDA) . 

عادة ما يختلف وزنها الجزيئى بين 20 كيلو دالتون و2000 كيلو دالتون

• التصنيف بحسب الوزن الجزيئي لشيتوزان (Mw):

  • منخفضة: أقل من 100 كيلو دالتون.
  • متوسطة: بين 100 – 1000 كيلو دالتون.
  • مرتفعة: بين 1000 – 2000 كيلو دالتون.

هذا التصنيف يؤثر بشكل كبير على بعض خصائصه. 

• بحسب درجة إزالة الأسيتيل لشيتوزان  (DDA):

  • تتراوح بين 50% و100%، درجة إزالة الأسيتيل من الكيتين والتى  تؤثر على  خصائص الشيتوزان وذوبانه في الظروف الحمضية.

العوامل المؤثرة على النشاط الحيوي للشيتوزان

بشكل عام، هناك ثلاثة أنواع من العوامل التي تؤثر على النشاط الحيوي للشيتوزان: 

1. جزيئات الشيتوزان:

تلك المتعلقة بجزيئات الشيتوزان أنفسهم كمصدر والطريقة المستخدمة للحصول عليه، الوزن الجزيئي (MW)، درجة إزالة الأسيتيل (DD)، نمط الأسيتلة (AP)، وهو الأيون المضاد المرتبط بالبولي إلكتروليت، التركيز، طريقة التطبيق)

2. نوع الكائن الممرض:

 تلك المرتبطة بـنوع ومرحلة تطور الكائن الممرض الخاضعة لتأثيره (البكتيريا والفيروسات والفطريات والحشرات) 

3. البيئة المحيطة للشيتوزان :

تلك التي لها علاقة بالبيئة التي تتم فيها العمليات يتم نقلها (درجة الحموضة، درجة الحرارة، القوة الأيونية، وجود عوامل أخرى) المواد الكيميائية أو الكائنات الحية، وما إلى ذلك)

ونظرا لأهمية الشيتوزان فى مجال الزراعة فسوف نحاول تغطية جزء من أهميته فى مجال الزراعة  وطرق تأثيرها على الصفات المختلفة فى المحاصيل المختلفة من خلال سلسلة من المقالات نبدأها اليوم على بركة الله

ما هي فوائد الشيتوزان؟

هناك العديد من الفوائد الشيتوزان فى المجال الزراعى

اولا – استخدام الشيتوزان كأحد المواد التى تستخدم كوسيلة دفاعية فى النبات ضد الضغوط الحيوية:

 حيث أنه من فوائد الشيتوزان رفع المقاومة المستحثة Induced Resistance  فى النبات فهو مضاد للفطريات والبكتيريا والفيروسات و والنيماتودا وكذلك الحشرات .

1-  فوائد الشيتوزان في مكافحة الامراض الفطرية:

•       يمكن للشيتوزان مقاومة بعض اعفان الثمار الفطرية التى تظهر على الثمار بعد الحصاد مثل الانثركنوز فى الموز والفلفل والمانجو،  والعفن الرمادي في العنب، و الخيار، والفراولة، والعفن الاخضر فى الموالح وعفن الرايزوبيوم فى ثمار الخضر وذلك معاملة الثمار قبل الحصاد عن طريق الرش أو معاملة الثمار بعد الحصاد وقبل التخزين، ومكافحة  العفن الأبيض فى الجزر والفاصوليا بعد الحصاد.
•       مكافحة أمراض التربة الفطرية مثل العفن الأبيض فى الجزر ، والفيوزاريوم  فى الطماطم والفاصوليا، والخيار، والقطن ، النخيل، وفول الصويا ، و الجزر ، و العفن الجاف فى البطاطس بالاضافات الأرضية تحت ظروف الحقل .
•       مكافحة الأمراض الفطرية التى تصيب الأوراق فى الحقل مثل الندوة المبكرة والمتأخرة  فى الطماطم والبطاطس، وتبقع الاوراق السرقسبورى فى البنجر والبياض الدقيقى و الزغبى فى الخيار والعنب والورد والبياض الدقيقيى فى الفلفل عن طريق استخدام الشيتوزان رشا على النباتات.

2-    فوائد الشيتوزان في مكافحة الأمراض البكتيرية :

 قلل من أضرار الإصابة بالذبول البكتيرى الذى يصيب كل من الطماطم والباذنجان والفول السوداني والموز، و التبقع البكتيرى فى أوراق الطماطم، وعفن أقراص البروكولي البكتيرى، و تبقع ثمار البطيخ البكتيرى، وعفن ارونيا الطرى في الخضر . فى تجربة على البطاطس وجد أنه عند معاملة التربة المزروعة بالبطاطس بالشيتوزان كانت نسبة الجرب العادى فى الدرنات الناتجة 4% مقارنة بنسبة الجرب فى الدرنات الناتجة من التربة الغير معاملة والتى بلغت 22%. وعند زراعة الدرنات الناتجة من التربة المعاملة مرة ثانية كانت نسبة الجرب فى المحصول الناتج 9.5% بينما عند زراعة الدرنات الناتجة من التربة غير المعاملة مرة ثانية كانت نسبة الجرب فى المحصول الناتج 21%.

3-    فوائد الشيتوزان في مكافحة الأمراض الفيروسية :

 اثبتت الدراسات المختلفة كفاءة  استخدامه فى مكافحة فيروس تبرقش الفاصوليا المتوسط Bean Mild Mosaic virus (BMMV)  ، فيروس تبرقش الدخان (TMV)، فيروس الفا الفا موزايك (AMV)

4-   فوائد الشيتوزان في  استخدام الشيتوزان فى مكافحة نيماتودا تعقد الجذور فى الطماطم، و الموز، والجزر.

5-    استخدام الشيتوزان كمبيد حشرى حيوي:

 تم تحديث النانوشيتوزان  أيضًا كمبيد حشري  ضد حشرات  المن وخنافس القرون فى فول الصويا حيث أنها تقلل بشكل كبير من عدد البيض الذي وضعته الإناث. كما اظهر كفاءة فى مكافحة دودة الحشد، والعنكبوت الاحمر و نطاطات الأوراق البنية، والمن فى الطماطم والخيار ودودة ورق القطن فى الطماطم.

ثانيا استخدام الشيتوزان فى تحفيز نمو النبات عن طريق مقاومة الاجهاد اللاحيوي.

1-    تأثير الشيتوزان على الإجهاد الناتج عن الجفاف:

يعتبر الإجهاد الناتج عن الجفاف أحد أهم الضغوط البيئية التي تؤثر على النباتات، مما يسبب أضرارًا فسيولوجية ويؤثر على خصائصها الكيميائية الحيوية وسماتها الجزيئية.

على سبيل المثال، في التفاح، أدى الرش الورقي به إلى تعزيز نشاط مضادات الأكسدة، وخفض تسرب الإلكتروليت، واستعادة محتوى الرطوبة تحت ضغط الجفاف المستمر لمدة 35 يومًا.

كما ثبت أنه يحفز المقاومة ضد إجهاد الجفاف في عدة محاصيل، مثل البطاطس، والأرز، والذرة، والبرسيم، والعنب، واللوبيا. يتم ذلك من خلال الأنشطة المضادة للأكسدة المستحثة، وزيادة محتوى فوق أكسيد الهيدروجين (H₂O₂) الداخلي، وتعزيز أنشطة الشيتوزان الداخلية، وتطور نظام الجذر.

علاوة على ذلك، يعمل على تحفيز نشاط هرمون الإبسيسيك، الذي يلعب دورًا رئيسيًا في تنظيم فتحة الثغور وتقليل معدل النتح أثناء الإجهاد. لذلك، يُقترح أن يكون مضادًا محتملًا للنتح، مما يساعد المحاصيل البستانية على التكيف مع الإجهاد الناتج عن الجفاف.

2-     تأثير الشيتوزان على الإجهاد الحراري:

 غالبًا ما يكون الإجهاد الحراري مشكلة معقدة في الأنواع الزراعية لأنه يحدث عادةً في وقت واحد مع الإجهاد الجفاف. وهذا يجعل من الصعب التمييز بين الاثنين. أكدت الدراسات كفاءة استخدامه  في إنتاج الفاصوليا الجافة والخيار ، والذرة تحت ظروف  الضغط الحراري. عن طريق مشاركة حمض الأبسيسيك في التعامل مع الإجهاد الحراري ومن خلال الحث في إنتاج الجينات المرتبطة بـ HS ، وزيادة محتوى البرولين الحر في الأوراق

3-     تأثير الشيتوزان على التقليل من أضرار الملوحة :

 استخدامه على نباتات دوار الشمس، والقمح، والذرة، والحلبة. قلل من التأثير الضار للملوحة  وجد ان لديه القدرة على إزالة الأنيونات فوق الأكسجينية بسبب وجود أحماض الهيدروكسيل والأمين. المجموعات التي تتفاعل مع أنواع أنواع الأكسجين التفاعلية ( ROS]. علاج الشيتوزان يقلل من مستويات المالونديالدهيد ويزيد من أنشطة إنزيم مضادات الأكسدة أثناء الإجهاد الملحي، مما يقلل التأثيرات السلبية للإجهاد الملحي على النباتات بسبب استقرار غشاء الخلية.

4-     تأثير الشيتوزان على التقليل من أضرار البرودة:

استخدامه عن طريق الرش ومعاملة البذور يعمل على تحسين نمو النباتات تحت تأثير درجات الحرارة المنخفضة. يتم ذلك من خلال تحسين نشاط الإنزيمات الوقائية وتقليل منتجات بيروكسيد الدهون الغشائية، مما يساعد في الحفاظ على مستوى منخفض من الشوادر الحرة في الخلايا.

كما يقلل من الضرر الناتج عن انخفاض درجة الحرارة لغشاء الخلية، مما يقلل من تسرب الإلكتروليت ويحد من تلف الخلايا. هذا يحافظ على قدرة الخلايا على التجدد والتعديل، ويساهم في الحفاظ على محتوى الكلوروفيل في أنسجة النبات تحت درجات الحرارة المنخفضة، مما يساعد على استمرار التمثيل الضوئي.

بالإضافة إلى ذلك، يعمل على تحسين نشاط جذور النباتات المتضررة من البرد، مما يمكنها من امتصاص العناصر الغذائية حتى في درجات الحرارة المنخفضة، وبالتالي الحفاظ على التمثيل الغذائي الطبيعي وتحسين قدرة النباتات على مقاومة البرد بفعالية.

استخدامه ساهم في رفع معدل بقاء شتلات الباذنجان والخيار تحت ظروف النمو في الجو البارد. كما أن معاملة بذور الفلفل به حسنت من إنبات البذور في ظل الظروف الباردة، ويُعتقد أن ذلك يعود إلى تحفيز المقاومة الجهازية المكتسبة في البذور من خلال زيادة نشاط إنزيمات الكيتيناز والجلوكاناز.

ثالثا – فوائد الشيتوزان كمحفز لنمو النباتات :

 هو يوصى به لتعزيز النشاط التمثيلي الضوئي ونمو النبات وأنشطة مضادات الأكسدة والثمار والصفات النوعية والنمو الإجمالي وإنتاجية المحصول.   

•       فى هذا الصدد وجد ان معاملة بذور الفلفل والخرشوف والكرنب بالشيتوزان  حسن إنبات البذور ويزيد من سرعة الإنبات ويؤدى إلى زيادة طول النبت وتنشيط  نمو الجذور وزيادة الوزن الجاف للمجموع الخضرى والجذرى . ولقد فسر التأثير المحفز للنمو نتيجة معاملة البذور والاضافات الارضية الى مكافحة أمراض التربة، وتخليب ونقل العناصر الغذائية داخل النبات، زيادة احتفاظ التربة بالماء، وتشجيع تكاثر الخلايا الجذرية عن طريق تنشيط الأوكسين والسيتوكينات، مما يعزز امتصاص الجذور للعناصر الغذائي’
•       استخدامه رشا على النباتات أدى الى  تحسين وزن الثمار والمحصول الإجمالي فى الطماطم والخيار، وزاد من مدة صلاحية الفراولة بعد الحصاد ، و ارتفاع النبات وعدد الأوراق وكمية الثمار فى الباميا، و زيادة الوزن الطازج للدرنة والمحصول  الكلي لدرنات البطاطس. كما أدى الرش الورقي  للشيتوزان على أشجار المانجو إلى تحسين النمو الخضري  ووزن وحجم الثمرة، والى زيادة عدد العقد والسلاميات على سيقان العنب
•       عند إستخدامه رشاً على الأوراق فإنه يقوم بتحفيز النمو من خلال آليات مختلفة مثل تقليل الضرر الناتج عن الإجهاد في الخلايا النباتية عن طريق تقليل النتح  بغلق الثغور النباتية ، وتكوين طبقة على الأوراق تعمل كحاجز بين الأوراق والجو المحيط وهى الأكثر تأثيراً.. يزيد من كفاءة امتصاص النيتروجين للنبات، و التمثيل الضوئى الناتج من زيادة مستويات الكلوروفيل في الأوراق (بنسبة 13.4٪ مقارنة بالنباتات المقارنة) ، ويعمل كمصدر للطاقة ومصدر كربون إضافي لتخليق الكربوهيدرات ، وتحليل مكونات الغذاء الاحتياطية، بما في ذلك البروتين والنشا وبالتالي فهو يعمل كمنشط لمختلف العمليات الفسيولوجية للنبات . الشيتوزان يعمل على تخليق الأوكسين والسيتوكينات ،التى تعمل على تشجيع استطالة الخلايا، وانقسام الخلايا، التنشيط الأنزيمي، وتخليق البروتين و تحفيز الإنزيمات التحليلية المطلوبة لتعبئة. يمكن للكيتوزان أن يعزز ، على سبيل المثال، امتصاص العناصر الغذائية،

رابعا – فوائد الشيتوزان  كمعاملة من معاملات ما بعد الحصاد Edible coating أى الأغلفة الصالحة للأكل.

وجد أن معاملة الثمار بعد الحصاد رشاً أو غمساً يعمل كمانع Barrier لفقد الماء وتعديل الجو الغازى للثمار(Modifying Atmosphere)  لخفض معدل تنفس الثمار أثناء التخزين، كما يعمل كمضاد للميكروبات Antimicrobial التى تسرع من تلف الثمار أثناء التخزين .

المصادر

Magdi A.E. Abdellatef, Eman Elagamey and Said M. Kamel

Chitosan Is the Ideal Resource for Plant Disease Management under Sustainable Agriculture

DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.107958

Sharif, R. , Mujtaba, M.; Rahman, M.U. ; Shalmani , A. ; Ahmad, H. ; Anwar. T.; Tianchan , D. and Wang, X.

The Multifunctional Role of Chitosan in Horticultural Crops; A Review

Molecules 2018, 23, 872; doi:10.3390/molecules23040872