Які прынцып дзеяння PVP у глебе?

Аснова функцыі ПВП (палівінілпіралідону) у глебе заключаецца ў яго малекулярнай структуры (палюсныя групы і палімерныя ланцугі) і фізіка-хімічных уласцівасцях (растваральнасць у вадзе, адсорбцыя і ўтрыманне вільгаці) . З дапамогай "міжмалекулярных узаемадзеянняў" або "фізічнага кіравання формай" з часціцамі глебы, вадой, пажыўнымі рэчывамі і забруднільнікамі ён непряма паляпшае фізічную структуру глебы, стан вільгаці, даступнасць пажыўных рэчываў і актыўнасць забруднільнікаў. Канкрэтны механізм разглядаецца па асноўных функцыянальных сцэнарыях, дзе паступова тлумачацца эфекты на малекулярным і глебавым роўнях:

1. Прынцып дапамогі ў прадухіленні згушчэння глебы: рэгуляванне агрэгацыі і злучэння частак глебы

Сутнасць згушчэння глебы заключаецца ў тым, што часціцы глебы (асабліва глинистыя часціцы) шчыльна злучаюцца дзякуючы электрастатычнаму прыцягненню, злепленню вадзяной плёнкі і іншым фактарам, што прыводзіць да памяншэння парыстасці . PVP парушае гэты працэс шляхам "дэфармацыі часціц і стварэння мікраструктураў". Канкрэтныя прынцыпы наступныя:

• Малекулярная адсорбцыя і мадыфікацыя паверхні часціц: зніжае прамое злепленне часціц.
  Піролідонавы цыкл (які змяшчае палярную амідную групу -CONH-) у ланцугу малекулы PVP мае моцныя гідрафільнія і адсорбцыйныя ўласцівасці. Ён можа шчыльна адсорбавацца на паверхні часціц глебы (гліны, пылаватыя часціцы) праз "водневыя сувязі" або "сілы Ван-дэр-Ваальса", фарміруючы вельмі тонкую палімерную абарончую плёнку (нанаметравага памеру) :
  • Гэта плёнка «ізаляе» суседнія часціцы глебы, перашкаджаючы ім утвараць вялікія агрэгаты з-за электрастатычнага прыцягненні (часціцы глины зараджаныя адмоўна і лёгка ўваходзяць у кантакт з катыёнамі) ці злёпвання вадзяной плёнкай (вадзяная плёнка знікае падчас высыхання, і часціцы ўступаюць у прамы кантакт).
  • У той жа час «эфект стэрычнай перашкоды» молекулярнага ланцуга PVP сприяе адштурхванню адсарбаваных часціц глебы адзін ад аднаго, памяншае імавернасць агрэгацыі, захоўвае дысперснасць часціц (падобна да эфекту «змащвання») і памяншае цвёрдасць ущыльнення пасля кампакцыі.
• Палімерны мост: стварэнне рыхлай мікраагрегатнай структуры і павелічэнне пароў у глебе.
  Доўгія палімерныя ланцугі pVP (малекулярная маса звычайна складае 10 000–1 млн Да) могуць выконваць функцыю «малекулярнага моста», слабка злучаючы рассеяныя дробныя часціцы глебы (часціцы пяску, пылаватыя часціцы) у мікраагрегаты памерам у мікронах (дыяметр 10–100 мкм) :
  • Гэтыя мікраагрэгаты — гэта не шчыльна зліплістыя кускі, а паразістая структура, утвораная слаба звязанымі ланцугамі ПВП. Між агрэгатамі ўтвараецца вялікая колькасць "капілярных пароў" і "вентыляцыйных пароў". Капілярныя поры захоўваюць вільгаць, тады як вентыляцыйныя дазваляюць паветру цыркулюваць, перашкоджваючы ўтварэнню шчыльнай і сплённенай глебы.
  • Заўвага: мікраагрэгаты з'яўляюцца "фізічнымі часовымі структурамі" з нізкай стабільнасцю (яны могуць разваліцца пры моцных дажджах або частымя палямі). Яны не могуць замяніць "водастойкія агрэгаты", утвораныя арганічнымі ўгнаеннямі (утвораныя за кошт цемэнтацыі арганічнай рэчывы і стойкія да эрозіі на працягу доўгага часу). Яны могуць толькі часова знізіць сплённенасць глебы.
• Утрыманне вільгаці і кантроль выпарэння: запабяганне высыханню і затвардзенню верхняга слоя глебы.
  Гідрафільная група (амідавая група) ПВП можа ўбіраць свабодную ваду ў глебе і ўтвараць гідрагель (змест вады можа дасягаць 10-20 разоў ад уласнай вагі) і прылягаюць да паверхні глебы:
  • Гідрагель можа паступова высвятляць ваду, спавольняючы хуткае выпарэнне вільготнасці з паверхні глебы (асабліва ў засушлівых ці вельмі жаркіх умовах);
  • Асноўнай прычынай збіцця паверхні глебы з'яўляецца "раптоўная страта вільготнасці, якая прыводзіць да згортвання і зліпання часцінак". Здольнасць PVP захоўваць ваду дазваляе падтрымліваць вільготны стан паверхні глебы, памяншае ўтварэнне трэшчын пры перасыханні і непрама запабягае збіццю.

2. Прынцып утрымання вільготнасці ў глебе: Механізм гідрагелю «Захаванне – Павольнае высвятленне» вады

Функцыя PVP па ўтрыманні вільготнасці ў глебе па сутнасці дасягае «захавання» і «павольнага высвятлення» вады шляхам «фізічнага ўсмоктвання + гелевага інкапсулявання», тым самым паляпшаючы эфектыўнасць вільготнасці глебы. Канкрэтныя прынцыпы наступныя:

• Усмоктванне вільготнасці на ўзроўні малекул: фіксаванне свабоднай вады
  Амідная група (-CONH-) у молекулярным ланцугу ПВП — гэта моцная гідрафільная група, якая можа злучацца з вольнымі малекуламі вады ў глебе (вада, якая не абсмоктваецца часцінкамі глебы) праз «водневыя сувязі», «фіксуючы» ваду вакол палімернага ланцуга і ўтвараючы «слой звязанай вады»;
  • Гэтая звязаная вада не лёгка страчаецца праз выпарэнне ці пад дзеяннем сілы цяжарэння і можа захоўвацца ў глебе доўгі час, што дазваляе караням раслін паступова яе ўсмоктваць (запабягаючы хуткаму выпарэнню звычайнай вольнай вады ці яе пранікненню ў глыбокія слоі глебы).
• Утварэнне макра-гідраґелю: стварэнне «рэзервуара для захоўвання вады»
  Калі канцэнтрацыя ПВП дасягае пэўнага парогу (звычайна 0,1%–0,5%, у адносінах да сухой вагі глебы), малекулярныя ланцугі ПВП пасля ўсмоктвання вады злучаюцца паміж сабой і ўтвараюць трэхмерную сеткавую структуру гідраґелю (падобна да губкі):
  • Гідрагель можа «інкапсуляваць» вялікую колькасць вады (да 80%–90% ад уласнай вагі), ствараючы ў глебе «мікрашматак для захоўвання вады»;
  • Калі на паверхні глебы недастаткова вады, гідрагель паступова высвятляе ваду з-за рознасці ў асматачным ціску, папаўняе глебавы раствор, падтрымлівае вільготне асяроддзе вакол каранёў і зніжае стрэс засухі ў раслін.
• Змяншэнне выпарэння вільгаці з глебы: фізічны бар'ер
  Гідрагель пакрывае паверхню глебных часціц або запаўняе пары, утвараючы «паўпропуснальную мембрану», якая перашкаджае дыфузіі вільгаці ўнутры глебы ў атмасферу, і зніжае хуткасць выпарэння — эксперыментальныя дадзеныя паказваюць, што даданне 0,3% PVP у глебу дазваляе знізіць сярэдняядобавую страчу вады на выпарэнне на 15%–25% (у параўнанні з неабпрацаванай глебай).

3. Прынцып павольнага высвятлення мінеральных удобраў/пестыцыдаў: механізм «інкапсуляванне-адсорбцыя-кантраванае высвятленне» па ланцугах палямера

PVP можа выкарыстоўвацца як «каштоўнасць з павольным высвятленнем» для водарасчынных пажыўных рэчываў (такіх як сечавіна, калійныя ўгнаені) ці малатоксічных пастыкаў у глебе, памяншаючы іх вымыванне і падоўжваючы тэрмін дзеяння. Прынцып наступны:

• Фізічная інкапсуляцыя: перашкоджванне хуткаму міграванню пажыўных рэчываў.
  Палімерны ланцуг PVP можа інкапсуляваць малекулы водарасчынных пажыўных рэчываў/пастыкаў у сваёй трохмернай сеткавай структуры праз эфект «заплятання», фарміруючы форму «мікра капсулы»:
  • Гэта пакрыццё можа перашкодзіць пажыўным рэчывам/пастыкам хутка пранікаць глыбока ў глебу разам з дошчавой або паліўнай вадой (укранаючы стратаў ад вымывання) і таксама можа паменшыць іх прамое выпарэнне ў атмасферу (напрыклад, выпарэнне аміяку ад азотных ўгноенняў);
  • Толькі калі вада ў глебе паступова пранікае ў структуру ўпакоўкі, або калі мікраарганізмы паступова разлаляюць ланцугі PVP, пажыўныя рэчывы/пестыцыды паступова высвятляюцца ў глебавы раствор для ўсмоктвання раслінамі ці праяўлення сваёй эфектыўнасці.
• Хімічнае адсарбцыя: падмацаванне сувязі паміж пажыўнымі рэчывамі і глебай.
  У амід група PVP можа адсарбцыраваць і звязваць іёны пажыўных рэчываў (напрыклад, NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) праз "вадародныя сувязі" ці "электрастатычныя эфекты" і фіксаваць іх на паверхні частак глебы (з дапамогай PVP як "моста"):
  • Гэта адсарбцыя можа зніжаць "рухальнасць" пажыўных рэчываў і перашкаджаць іх стратачцы ўніз пад уплывам гравітацыі;
  • Калі канцэнтрацыя пажыўных рэчываў у глебе паніжаецца (усмоктваюцца і спажываюцца раслінамі), роўнасць адсарбцыі парушаецца, і іёны пажыўных рэчываў паступова адсарбцыруюцца і зноў трапляюць у глебавы раствор, забяспечваючы "вылучэнне паводле патрэбы".
• Адкликальнае вылучэнне ў залежнасці ад навакольнага асяроддзя: прыстасаванне да ўмоў глебы
  Водная растваральнасць і ступень звязнання PVP падобдаюцца ад умоваў глебы (напрыклад, pH, тэмпература і вільготнасць):
  • Калі глеба вільготная, ланцугі PVP пухнуць, і хуткасць высвятляння ўключаных пажыўных рэчываў паскорваецца; калі глеба сухая, ланцугі сціскаюцца, і хуткасць высвятляння спавольваецца, што перашкаджае надмернаму накапленню пажыўных рэчываў, калі расліны іх не патрэбуюць.
  • У кіслых глебах (pH < 6,0) падвышаная пратанізацыя аміднай групы PVP паляпшае здольнасць да зваротнага ўтрымання катыённых пажыўных рэчываў (напрыклад, K⁺), а перыяд павольнага высвятляння становіцца доўжэйшым.

4. Прынцыпы адсарбцыі іонаў цяжкіх металаў: сувязь праз каардынацыйныя сувязі і механізм нейтралізацыі зараду

PVP можа дапамагчы ў рэмедыяцыі глеб, слаба забруджаных цяжкімі металамі (напрыклад, Pb²⁺, Cu²⁺ і Cd²⁺), зніжаючы іх біядаступнасць (здольнасць раслін да ўсмоктвання). Прынцыпы наступныя:

• Каардынацыйная сувязь:
  Піралідонавы цыкл (які змяшчае атамы азоту) у малекуле PVP, які фіксуе іоны цяжкіх металаў, мае "непадзеленую пару электронаў" і можа ўтвараць стабільную "каардынацыйную сувязь" з катыёнамі цяжкіх металаў (напрыклад, Pb²⁺, Cu²⁺), утвараючы воданерастворны камплекс:
  • Гэты камплекс будзе адсмоктвацца на паверхні часціц грунту або заставацца на паверхні грунту разам з асаджэннем PVP і не можа быць усмоктаны каранямі раслін (зніжаная біядаступнасць);
  • Даследаванні паказалі, што 0,5% PVP можа знізіць біядаступнасць Pb²⁺ у грунце на 20%-30% (падцверджана выяўленнем назапашвання Pb у каранях раслін).
• Нейтралізацыя зараду: зніжэнне рухомасці іонаў цяжкіх металаў.
  Часціцы гліністага грунту звычайна зараджаныя адмоўна і лёгка адсмоктваюць станоўча зараджаныя іоны цяжкіх металаў (напрыклад, Cd²⁺). Аднак гэтае адсмоктванне лёгка можа быць заменена іншымі катыёнамі ў грунце (напрыклад, Ca²⁺ і Mg²⁺), што прыводзіць да рэактывацыі цяжкіх металаў.
  • Амідная група PVP мае станоўчы зарад пасля пратанавання і можа злучацца з адмоўным зарадам часціц глины. Адначасова ягоныя звязаныя цяжкія металы «закрыты» ў камплексе глина-PVP, што памяншае імавернасць замены іншымі катыёнамі і зніжае рухомасць цяжкіх металаў.

Крыціўка

Сутнасць ролі PVP у глебе заключаецца ў тым, што ён выкарыстоўвае «палярныя групы» і «палімерныя ланцугі» сваёй малекулярнай структуры для «фізічнага адсорбцыі», «хімічнага звязвання» або «марфалагічнай рэгуляцыі» з часціцамі, вадой, пажыўнымі рэчывамі і забруднільнікамі ў глебе , што ў канчатковым выніку дазваляе дасягнуць:

• Палепшэнне фізічнай структуры глебы (дапамагае прадухіліць звярданне глебы);
• Палепшэнне эфектыўнасці выкарыстання вады (удрыжанне вільгаці);
• Працягванне тэрміну дзеяння пажыўных рэчываў/песціцыдаў (павольнае высвятленне);
• Змяншэнне біялагічнага рызыкі цяжкіх металаў (адсорбцыя і імабілізацыя).

Варта адзначыць, што ўсе гэтыя прынцыпы заснаваны на «дапаможнай» ролі PVP — яго эфект залежыць ад выкарыстання ў невялікіх канцэнтрацыях, і ён не можа замяніць арганічныя ўгнаені, спецыяльныя сродкі для ўтрымання вільгаці, паляпшальнікі глебы і г.д., прыдатны толькі для пэўных сцэнараў (напрыклад, вырошчванне рассады, гаршачковыя расліны і рэмедыяцыя слабазагрязнёных глеб).