Ko je konkretno princip rada PVP-a u tlu?

Svrha PVP-a (polivinilpirolidona) u tlu leži u njegovoj molekularna struktura (polarne grupe i polimerni lanci) i fizičko-hemijska svojstva (rastvorljivost u vodi, adsorpcija i zadržavanje vode) . Kroz "međumolekulske interakcije" ili "fizičku manipulaciju oblikom" sa česticama tla, vodom, hranljivim sastojcima i zagađivačima, indirektno poboljšava fizičku strukturu tla, stanje vlažnosti, dostupnost hranljivih sastojaka i aktivnost zagađivača. Konkretni mehanizam razložen je prema ključnim funkcionalnim scenarijima, objašnjavajući efekte nivo molekula i nivo tla korak po korak:

1. Princip pomoći u sprečavanju zbijanja tla: regulisanje agregacije i vezivanja čestica tla

Suština zbijanja tla je da čestice tla (posebno čestice gline) su čvrsto agregirane usljed elektrostatičkog privlačenja, adhezije vodenih filmova i drugih faktora, što rezultira smanjenjem poroznosti . PVP prekida ovaj proces „raspoređivanjem čestica i izgradnjom mikrostruktura“. Konkretni principi su sljedeći:

• Molekulska adsorpcija i modifikacija površine čestica: Smanjuje direktnu adheziju čestica.
  Pirrolidonski prsten (koji sadrži polarnu amidnu grupu -CONH-) na molekularnom lancu PVP-a ima jaku hidrofilnost i adsorptivna svojstva. Može se čvrsto adsorbirati na površini čestica tla (gline, prašine) putem „vodikovih veza“ ili „van der Waalsovih sila“, formirajući ultra tanki polimerni zaštitni film (nanometarske veličine) :
  • Ova folija "izoluje" susjedne čestice tla, sprječavajući ih da formiraju velike agregate usljed elektrostatske privlačnosti (glinene čestice su negativno naelektrisane i lako apsorbuju katjone i približavaju se jedna drugoj) ili adhezije vodenog filma (vodeni film nestaje tokom sušenja, a čestice dolaze u direktni kontakt).
  • U isto vrijeme, efekat "steričke prepreke" molekularnog lanca PVP-a uzrokovat će da se adsorbovane čestice tla međusobno odbijaju, smanjujući vjerojatnost agregacije, održavajući disperziju čestica (slično efektu "podmazivanja") i smanjujući tvrdoću zbijenosti nakon zbijanja.
• Povezivanje polimernim lancem: izgradnja rastresite mikro-agregatne strukture i povećanje pora u tlu.
  Struktura dugog lanca polimera pVP-a (molekulska težina je obično 10.000 - 1 milion Da) može djelovati kao "molekularni most" koji blago povezuje raspršene fine čestice tla (čestice pijeska, prah) u mikro-agregate veličine mikrona (prečnik 10-100 μm) :
  • Ovi mikroagregati nisu čvrsto agregirane grudvice, već su porozna struktura koju čine labavo povezani PVP lanci. Između agregata formira se veliki broj „kapilarnih pora“ i „ventilacionih pora“. Kapilarne pore zadržavaju vlagu, dok ventilacione pore omogućavaju cirkulaciju zraka, sprječavajući time da se zemljište zatvori i zgusne.
  • Napomena: Mikroagregati su „fizičke privremene strukture“ sa slabom stabilnošću (mogu se raspasti pri jakim kišama ili čestom navodnjavanju). Oni ne mogu zamijeniti „vodootporne agregate“ koji se formiraju korištenjem organskih gnojiva (formirani cementacijom organske tvari i otporni na eroziju u dugom roku). Oni mogu samo privremeno ublažiti zbijenost zemljišta.
• Zadržavanje vode i kontrola isparavanja: sprječava sušenje i otvrdnjavanje površinskog sloja zemljišta.
  Hidrofilna grupa (amidna grupa) PVP-a može apsorbovati slobodnu vodu u zemljištu i formirati hidrogel (sadržaj vode može doseći 10-20 puta više od vlastite težine) i prioniti uz površinu tla:
  • Hidrogel može polako otpuštati vodu, usporavajući brzo isparavanje vode iz površinskog sloja tla (naročito u sušnim ili visokim temperaturnim uslovima);
  • Glavni uzrok zbijanja površine tla je "nagubljeni gubitak vode koji dovodi do skupljanja čestica i prianjanja". Sposobnost zadržavanja vode PVP-a može održavati vlažno stanje površinskog sloja tla, smanjiti stvaranje pukotina uslijed sušenja i indirektno sprečiti zbijanje.

2. Princip zadržavanja vode u tlu: Hidrogelov mehanizam „zadržavanje – polagano otpuštanje“ vode

Funkcija zadržavanja vode PVP-a u tlu u suštini postiže "zadržavanje" i "polagano otpuštanje" vode kroz "fizičku adsorpciju + gel kapsulaciju", na taj način poboljšavajući učinkovitost vlažnosti tla. Konkretni principi su sljedeći:

• Adsorpcija vlage na molekularnom nivou: zaključavanje slobodne vode
  Amidna grupa (-CONH-) na PVP molekularnom lancu je jaka hidrofilna grupa koja se može povezati s slobodnim molekulama vode u zemljištu (voda koju čestice zemljišta ne adsorbiraju) putem "vodikovih veza", "fiksirajući" vodu oko polimernog lanca i formirajući "sloj vezane vode";
  • Ova vezana voda se ne gubi lako isparavanjem ili gravitacijom i može dugo ostati u zemljištu, što omogućava korijenju biljaka da je polako apsorbiraju (sprječavajući običnu slobodnu vodu da brzo ispari ili prodira u duboke slojeve zemljišta).
• Formiranje makro-hidrogela: izgradnja "rezervoara za skladištenje vode"
  Kada koncentracija PVP-a dostigne određenu granicu (obično 0,1–0,5%, u odnosu na suvu težinu zemljišta), PVP molekularni lanci nakon upijanja vode međusobno će se povezivati i formirati trodimenzionalnu mrežastu strukturu hidrogela (slično kao spužva):
  • Hidrogel može „zarobiti“ veliku količinu vode (čineći 80%-90% njegove vlastite težine), formirajući „mikroskopsko skladište vode“ u zemljištu;
  • Kada na površini zemljišta nema dovoljno vode, hidrogel će polako otpuštati vodu usljed razlike u osmotskom pritisku, obnavljati rastvor u zemljištu, održavati vlažnu sredinu oko korijenja i smanjivati stres kod biljaka uzrokovan sušom.
• Smanjenje isparavanja vlage iz zemljišta: fizički barijerni efekt
  Hidrogel prekriva površinu čestica zemljišta ili popunjava pore stvarajući „polupropusnu membranu“ koja sprječava difuziju vlage iz unutrašnjosti zemljišta u atmosferu i smanjuje brzinu isparavanja – eksperimentalni podaci pokazuju da dodavanje 0,3% PVP-a u zemljište može smanjiti prosječno dnevno isparavanje vode za 15%-25% (u odnosu na neobrađeno zemljište).

3. Princip sporog otpuštanja hranljivih materija/pesticida: mehanizam polimernog lanca „zatvaranja-adsorpcije-kontrolisanog otpuštanja“

PVP se može koristiti kao "nosilac sporog oslobađanja" za hranljive sastojke rastvorljive u vodi (poput uree, gnojiva od kalijevih soli) ili pesticida niske toksičnosti u tlu, smanjujući njihov ispiranje i produžavajući trajanje djelovanja. Princip je sljedeći:

• Fizičko inkapsuliranje: onemogućavanje brze migracije hranljivih sastojaka.
  Polimerna lanac PVP-a može inkapsulirati molekule hranljivih sastojaka/pesticida rastvorljivih u vodi u svojoj trodimenzionalnoj mrežnoj strukturi kroz efekat "zapetljavanja", formirajući oblik "mikrokapsule":
  • Ovaj premaz može spriječiti da hranljivi sastojci/pesticidi brzo prodru duboko u tlo zajedno sa kišnicom ili navodnjavanjem (izbjegavajući gubitak uslijed ispiranja), a također može smanjiti njihovo direktno isparavanje u atmosferu (poput isparavanja amonijaka iz đubriva sa azotom);
  • Samo kada voda u tlu polako prodira u strukturu pakovanja, ili kada mikroorganizmi djelomično razgrade PVP lance, hranjive tvari/pesticidi će postepeno biti otpušteni u rješenje tla kako bi biljke mogle apsorbirati ili ostvariti svoj efekat.
• Hemijska adsorpcija: Povećava silu veze između hranjivih tvari i tla.
  The amid grupa PVP-a može adsorbirati i vezati hranjive jone (kao što su NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) putem "vodikovih veza" ili "elektrostatičkih efekata", te ih fiksirati na površini čestica tla (kroz PVP kao "most"):
  • Ova adsorpcija može smanjiti "pokretljivost" hranjivih tvari i spriječiti njihov gubitak naniže uslijed gravitacije;
  • Kada koncentracija hranjivih tvari u tlu opadne (apsorbirane i iskorištene od strane biljaka), ravnoteža adsorpcije se remeti, a joni hranjivih tvari će polako desorbirati i ponovo ući u rješenje tla, ostvarujući "otpustanje po potrebi".
• Otpuštanje u skladu sa okolinom: Prilagođavanje uslovima tla
  Rastvorljivost u vodi i stepen umrežavanja PVP-a zavise od okruženja tla (poput pH, temperature i vlažnosti):
  • Kada je tlo vlažno, PVP lanci se šire i brzina oslobađanja inkapsuliranih hranljivih materija ubrzava; kada je tlo suho, lanci se skupljaju i stopa oslobađanja usporava, čime se sprečava prekomjerno nakupljanje hranljivih materija kada biljke nisu u potrebi za njima.
  • U kiselim tlima (pH < 6,0), pojačana je protonacija amidne grupe PVP-a, poboljšava se sposobnost adsorpcije kationskih hranljivih materija (poput K⁺) i produžava se period sporog oslobađanja.

4. Principi adsorpcije jona teških metala: vezivanje koordinacionom vezom i mehanizam neutralizacije naelektrisanja

PVP može pomoći u remedijaciji tla blago zagađenog teškim metalima (poput Pb²⁺, Cu²⁺ i Cd²⁺), smanjujući njihovu bioraspoloživost (smanjujući apsorpciju kod biljaka). Principi su sljedeći:

• Koordinaciono vezivanje:
  Pirrolidonski prsten (koji sadrži atom azota) u PVP molekuli koji fiksira jone teških metala ima "par slobodnih elektrona" i može stvoriti stabilnu "koordinacionu vezu" s kationima teških metala (npr. Pb²⁺, Cu²⁺), čime nastaje vodom neotopljiv kompleks:
  • Ovaj kompleks će se adsorbirati na površini čestica tla ili ostati na površini tla uz taloženje PVP-a i ne može biti upijen kroz korijenje biljaka (smanjena biološka dostupnost);
  • Eksperimenti su pokazali da 0,5% PVP može smanjiti biološku dostupnost Pb²⁺ u tlu za 20–30% (potvrđeno mjerenjem akumulacije Pb u korijenju biljaka).
• Neutralizacija naboja: smanjenje pokretljivosti iona teških metala.
  Čestice glinastog tla obično su negativno nabijene i lako adsorbiraju pozitivno nabijene jone teških metala (npr. Cd²⁺). Međutim, ovu adsorpciju lako mogu zamijeniti drugi katjoni u tlu (poput Ca²⁺ i Mg²⁺), što dovodi do ponovne aktivacije teških metala.
  • Amidna grupa PVP-a je pozitivno nabijena nakon protonacije i može se povezati s negativnim nabojem čestica gline. U isto vrijeme, njegovi koordinirani teški metalni ioni su "zaključani" u kompleksu gline i PVP-a, smanjujući vjerojatnost zamjene drugim kationima te smanjujući pokretljivost teških metala.

Rezimiraj

Suština uloge PVP-a u tlu je ta da on koristi "polarnе grupe" i "polimernе lance" u svojoj molekularnoj strukturi za "fizičku adsorpciju", "hemijsko vezivanje" ili "morfološku regulaciju" sa česticama, vodom, hranjivima i zagađivačima u tlu , što na kraju dovodi do:

• Poboljšanja fizičke strukture tla (pomaže u sprečavanju zbijanja tla);
• Poboljšanja učinkovitosti vode (zadržavanje vlage);
• Produženja trajanja djelovanja hranjiva/pesticida (spora razgradnja);
• Smanjenja biološkog rizika od teških metala (adsorpcija i imobilizacija).

Trebalo bi napomenuti da svi ovi principi počivaju na „pomoćnoj“ ulozi PVP-a – njegovo djelovanje ovisi o upotrebi u niskim koncentracijama, ne može zamijeniti organska đubriva, specijalne agense za zadržavanje vode, poboljšivače tla itd., te je prikladan samo za određene scenarije (poput uzgoja sadnica, biljaka u loncima i sanacije blago zagađenih tala).