Mis on konkreetne printsiip, kuidas PVP mullas toimib?

PVP (polüvinüülpyrrolidoon) funktsiooni tuum mullas seisneb selle molekulaarses struktuuris (poläärsed rühmad ja polümeerahelad) ja füüsikokeemilistes omadustes (vees lahustuvus, adsorptsioon ja veehoidlus) . Kasutades „intermolekulaarseid interaktsioone“ või „füüsikalise vormi muutmist“ koos muldosesakestega, veega, toitainetega ja saastajatega, parandab see kaudselt mulla füüsikalist struktuuri, niiskusestaatust, toitainete saadavust ja saastajate aktiivsust. Täpne mehhanism on lagunenud tuumfunktsionaalsete stsenaariumide kaupa, selgitades mõju molekulaarsel ja mullatasandil samm-sammult:

1. Põhimõte mulda tihenemise ennetamisel: reguleerib mullaosakeste aggregeerumist ja sidumist

Pinnase tihenemise olemus on selles, et pinnasesisene osake (eriti savi osakesed) aggregeeruvad tihedalt koos elektrostaatilise tõmbe, veepleegi adhesiooni ja muude tegurite tõttu, mille tulemuseks on vähendatud poorsus . PVP katkestab selle protsessi „osakeste hajutamise ja mikrostruktuuride loomisega“. Konkreetsed põhimõtted on järgmised:

• Molekulaarne adsorptsioon ja osakeste pinna modifitseerimine: vähendada osakeste otsese adhesiooni.
  Pirrolidoonring (mis sisaldab polaarset amiidrühma -CONH-) pVP molekulahelas on tugev hüdrofiilsus ja adsorptsiooniomadused. See võib kinnituda tugevalt pinnaseosakeste (savi-, tolmusingi osakeste) pinnale vesiniksidemete või van der Waalsi jõudude kaudu, moodustades ultraväga õhuke polümeerkaitsmiskile (nanoskaalas) :
  • See film "isoleerib" kõrvuti asetsevad muldosisakesed, takistades neil suuri agregaate moodustamast elektrostaatilise tõmbe tõttu (savi osakesed on negatiivselt laetud ja imenduvad hõlpsasti katioone ning liiguvad teineteisele lähemale) või veekile adhesiooni tõttu (kuivamise ajal kaob veekile ja osakesed puutuvad otseselt kokku).
  • Samal ajal põhjustab PVP molekulketti "steriline tõrjumise efekt", mis toob kaasa adsorbeerunud mullaosakeste vastastikuse tõrjumise, vähendab aggregeerumise tõenäosust, säilitab osakeste hajususe (sarnaselt "libestava" efektiga) ning vähendab tihendamise järel tekkinud kompaktse struktuuri kõvadust.
• Polümeerkettide ühendamine: luuakse lahtine mikroagregeeritud struktuur ja suurendatakse mullapooride hulka.
  Pikaahelaline polümeerstruktuur pVP-d (molekulmass on tavaliselt 10 000–1 miljon Da) saab kasutada "molekulaarsild"ena, et kergelt ühendada hajusaid mulla peenosakesi (liiv, savi) omavahel mikromeetrites mõõdetavaid mikroagregaate (diameeter 10–100 μm) :
  • Need mikroagregaadid ei ole tihedalt kokku pandud pallid, vaid poroosne struktuur, mille moodustavad lahtsalt ühendatud PVP-ahelad. Agregaatide vahel tekib suur hulk "kapillaarpore" ja "ventilatsioonipore". Kapillaarpored hoiavad niiskust, samas kui ventilatsioonipored võimaldavad õhul liikuda, takistades mulda muutumast õhutihkeks ja tihkeneda.
  • Märkus: Mikroagregaadid on "füüsikalised ajutised struktuurid", mille stabiilsus on nõrk (need võivad raskete vihmade või sagedase kastmise korral laguneda). Need ei saa asendada orgaaniliste väetistega moodustunud "veestabiliseeritud agregaatide" (moodustuvad orgaanilise aine sidumisel ja on pikemaajaliselt erosioonikindlad). Nad saavad ainult lühiajaliselt leevendada tihenemist.
• Niiskuse hoidmine ja aurustumise kontroll: takistab pinnase kuivamist ja kõvaks muutumist.
  PVP hüdrofiilne rühm (amiidrühm) võib pinnases olevat vaba vett imendada ning moodustada hüdrogeeli (veesisaldus võib jõuda 10–20 korda üle selle enda kaalu) ja kinnituvad muldade pinnale:
  • Hüdrogeel võib aeglaselt vett vabaneda, mille tõttu aeglustub pinnase kiire aurumine (eriti kuivuse või kõrge temperatuuri tingimustes);
  • Pinnase kompaktseerumise peamiseks põhjuseks on „äkiline veekadu, mis viib osakeste kokkutõmbumiseni ja kleepumiseni“. PVP niisihoidlik toime hoiab pinnase niiske seisundis, vähendades kuivatreisside teket ning vähendab kaudselt kompaktseerumist.

2. Pinnase niisihoidmise printsiip: hüdrogeeli „niisihoid – aeglane vabanemine“ veehoidmise mehhanism

PVP niisihoidlik funktsioon pinnases seisneb tegelikult veesisesalduse „hoiutamises“ ja „aeglasel vabanemisel“ „füüsikalise adsorptsiooni + geeliga kapseldamise“ kaudu, parandades seeläbi pinnase niiskuse tõhusust. Täpsemalt toimub see järgmiselt:

• Molekulaarsel tasandil toimuv niiskuse adsorptsioon: vaba vee lukustamine
  PVP molekuli ahelal olev amiidrühm (-CONH-) on tugev hüdrofiilne rühm, mis saab seostuda mullas olevate vabade veemolekulidega (vesi, mida muldosesed ei adsorbeerinud) vesiniksidemetega, "fikseerides" vee polümeerahela ümber ning moodustades nii "seotud veekihist";
  • See seotud vesi ei kao hõlpsasti aurustumise või gravitatsiooni tõttu ja võib mullas säilida kaua aega, võimaldades põllukultuuride juurtele seda aeglaselt imenduda (takistades tavapärast vaba vett kiiresti aurustuma või tungima sügavamatesse mullekihtidesse);
• Makro-hüdrogeeli moodustumine: „veehoidla“ ehitamine
  Kui PVP kontsentratsioon jõuab teatud piirini (tavaliselt 0,1–0,5%, mulla kuivaine kaalu alusel), seostuvad veest paisunud PVP molekulaheled omavahel ja moodustavad kolmemõõtmelise hüdrogeeli võrgustruktuuri (sarnane summutile):
  • Hüdrogeel võib "enkapsuleerida" suure koguse vett (mis moodustab 80–90% selle enda kaalust), lootes nii pinnasesse "mikroveepuhvri";
  • Kui pinnase pinnal on vee kogus ebapiisav, hakkab hüdrogeel aeglaselt vett vabanema osmootse rõhu erinevuse tõttu, täiendab pinnases olevat lahust, hoiab juurtega ümbruses niiske keskkonna ja vähendab põllukultuuride kuivushäiret.
• Vähenda pinnase niiskuse aurustumist: füüsiline barjäärmõju
  Hüdrogeel katteb pinnaseosakeste pinnad või täidab poorid, moodustades "poolläbilaskva membraani", mis takistab niiskuse difundeerumist pinnases sisemisest atmosfääri ja vähendab aurustumise kiirust – eksperimentaalsete andmete kohaselt võib pinnasesse lisatud 0,3% PVP kasutamine vähendada keskmist päevast veeaurustumist 15–25% (võrreldes töötlemata pinnasega).

3. Toitainete/pestitsiidide aeglaselt vabanemise printsiip: polümeerahela "enkapsuleerimis-adsorptsiooni kontrollitud vabanemise" mehhanism

PVP-d saab kasutada „aeglaselt vabaneva kandjana“ vees lahustuvate toitainete (näiteks karbamiid, kaaliumväetis) või väikese toksilisusega pestitsiidide jaoks pinnases, vähendades nende niisutuskaotust ja pikendades mõjukestmist. Põhimõte on järgmine:

• Füüsiline kapseldamine: takistab toitainete kiiret liikumist.
  PVP polümeerahel võib „segasuse“ efekti kaudu sequestreerida vees lahustuvaid toitainete/pestitsiidimolekule oma kolmemõõtmelisse võrgustruktuuri, moodustades „mikrokapsli“ kujul:
  • See katmine võib takistada toitainete/pestitsiidide kiirele tungimisele sügavamatesse pinnasekihtidesse vihmavee või kastmeveega (vältides niisutuskaotust) ning samuti vähendada nende otsese aurustumist atmosfääri (näiteks ammoniaagi aurustumine lämmastikväetistest);
  • Ainult siis, kui vesi aeglaselt tungib pinnasesse pakendistruktuuri või mikroorganismid veidi lagundavad PVP-ahelaid, hakkavad toitained/pestitsiidid järk-järgult vabanema pinnase lahusesse, et taimed neid imendaksid või need avaldaksid oma toimet.
• Keemiline adsorptsioon: suurendab sidumisjõudu toitainete ja pinnase vahel.
  The amiid pVP rühm võib "vesiniksidemetega" või "elektrostaatiliste mõjudega" adsorbeeruda ja seonduda toitaineioonidega (nt NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) ning kinnituda pinnaseosakeste pinnale (kasutades PVP-d "sillana"):
  • See adsorptsioon võib vähendada toitainete "liikuvust" ja takistada nende allavajumist gravitatsiooni tõttu;
  • Kui toitainete kontsentratsioon pinnases väheneb (taimede poolt imenduna ja tarbituna), katkeb adsorptsiooni tasakaal ja toitaineioonid lahenevad aeglaselt ning tagasi pinnase lahusesse, saavutades nii "vajadusel vabanemise".
• Keskkonnale vastav vabanemine: kohandumine pinnase tingimustega
  PVP veelahustuvust ja ristseostumisastet mõjutab pinnase keskkond (näiteks pH, temperatuur ja niiskus):
  • Kui pinnas on niiske, paisuvad PVP-kettad ja kapseldatud toitainete vabanemise kiirus kiireneb; kui pinnas on kuiv, tihenevad kettad ja vabanemise kiirus aeglustub, takistades toitainete liigset kogunemist siis, kui taimed neid ei vaja.
  • Happekses pinnases (pH < 6,0) tugevneb PVP amiidgrupi protoneerumine, katioonsete toitainete (nt K⁺) adsorptsioonivõime paraneb ja aeglane vabanemine kestab kauem.

4. Raskmetallide ioonide adsorptsiooni printsiibid: koordineerbuv side ja laengute neutraliseerimise mehhanism

PVP võib aidata taastada kergelt raskmetallidega (nt Pb²⁺, Cu²⁺ ja Cd²⁺) saastatud pinnaseid, vähendades nende bio-saadavust (vähendades taimede imendumist). Printsiibid on järgmised:

• Koordineerbuv side:
  PVP molekulis olev pürrolidoonring (mis sisaldab lämmastikuaatomeid), mis fikseerib raskmetallioone, omab "erakordselt elektronpaari", mis võib moodustada stabiilse "koordineeritud sideme" raskmetallkatjonidega (näiteks Pb²⁺, Cu²⁺), et moodustada vees lahustumatu kompleks:
  • See kompleks imendub mullaosakeste pinnale või jääb mulla pinnase kihi külge PVP settimisega ja ei saa kultuurtaime juurte poolt imenduda (vähenenud bioväärtus);
  • Katsete kohaselt võib 0,5% PVP vähendada mullas oleva Pb²⁺ bioväärtust 20–30% (kinnitatud kultuurtaime juurtes Pb akumulatsiooni tuvastamise teel).
• Laengute neutraliseerimine: raskmetallionide liikuvuse vähendamine.
  Mullas leiduvad saviosakesed on tavaliselt negatiivselt laetud ja seetõttu hõlpsasti adsorbeeruvad positiivselt laetud raskmetallioonide (näiteks Cd²⁺) peale. Siiski võivad teised mullas esinevad katioonid (näiteks Ca²⁺ ja Mg²⁺) need asendada, mis viib raskmetallide taasaktiveerumiseni.
  • PVP amiidrühm on positiivselt laetud pärast protoneerimist ja saab ühineda savi negatiivselt laetud osakestega. Samal ajal on selle koordineeritud rasvametallioonid "lukus" savi-PVP kompleksis, vähendades teiste katioonide poolt asendamise tõenäosust ning vähendades rasvametallide liikuvust.

Kokkuvõte

PVP rolli olemus mullas seisneb selles, et see kasutab oma molekulaarse struktuuri "polaarühmi" ja "polümeerahelasid", et füüsikaliselt adsorbeeruda, keemiliselt seonduda või morfoloogiliselt reguleerida mulla osakeste, vee, toitainete ja saasteainete suhtes , lõpptulemusena saavutades:

• Parandada mulla füüsilist struktuuri (aitab vältida mulla tihenemist);
• Parandada vee efektiivsust (vee hoidmine);
• Pikeneda toitainete/pestitsiidide toimemist (aeglane vabanemine);
• Vähendada rasvametallide bioloogilist riski (adsorptsioon ja immobiliseerimine).

Tuleb märkida, et kõik need põhimõtted põhinevad PVP "abielemendi" rollil – selle toime sõltub madalast kontsentratsioonist ja seda ei saa kasutada orgaaniliste väetiste, eriliste veehoidjate, muldparandajate jne asendajana ning see sobib ainult konkreetseteks juhtudeks (nt noorte taimede kasvatamine, potitaimed ja kergelt saastunud mulla taastamine).