מהו העיקרון הספציפי של פעולת ה-PVP באדמה?

ליבת תפקידו של PVP (פוליווינילפירולידון) בקרקע טמונה ב... מבנה מולקולרי (קבוצות פולריות ושרשראות פולימריות) ו תכונות פיזיקוכימיות (מסיסות במים, ספיחה ושימור מים) באמצעות "אינטראקציות בין-מולקולריות" או "מניפולציה של צורה פיזית" עם חלקיקי קרקע, מים, חומרי הזנה ומזהמים, הדבר משפר בעקיפין את המבנה הפיזי של הקרקע, את מצב הלחות, את זמינות חומרי ההזנה ואת פעילות המזהמים. המנגנון הספציפי מפורק לפי תרחישים פונקציונליים מרכזיים, תוך הסבר של ההשפעות ברמה המולקולרית וברמת הקרקע שלב אחר שלב:

1. עקרון הסיוע במניעת דחיסת קרקע: ויסות הצבירה וההיקשרות של חלקיקי קרקע

עקרון הדחיסה של קרקע הוא ש גרגירי קרקע (ובמיוחד גרגירי חימר) מתאחדים בצורה צפופה בעקבות משיכה אלקטרוסטטית, דבקות סרט מים וגורמים אחרים, מה שמוביל להפחתת הנפח הפנוי . פוליויניל פירולידון (PVP) מפריע לתהליך זה על ידי "פיזור חלקיקים ובניית מבנים זעירים". העקרונות הספציפיים הם כדלקמן:

• הספיגה המולקולרית ושינוי פני השטח של החלקיקים: 줄לת הדבקות הישירה בין החלקיקים.
  החוג של הפירולידון (שכולל קבוצה אמיד קוטבית -CONH-) בשרשרת המולקולרית של ה-PVP ישנה הידרופיליות חזקה ותכונות ספיגתיות. הוא יכול להיספג בצורה חזקה על פני שטח חלקיקי הקרקע (חלקיקי חימר, אבק), באמצעות "קשרי מימן" או "כוחות ואן דר 발ס", וליצור סרט מגן פולימרי דק ביותר (ברמה ננומטרית) :
  • שכבה זו "מבודדת" חלקיקי קרקע סמוכים, ומונעת מהם ליצור צברים גדולים עקב משיכה אלקטרוסטטית (חלקיקי חרסית טעונים שלילית וסופגים בקלות קטיונים ומתקרבים זה לזה) או הידבקות שכבת מים (שכבת המים נעלמת במהלך הייבוש והחלקיקים באים במגע ישיר).
  • במקביל, אפקט ההפרעה הסטרית של שרשרת ה-PVP יגרום לחלקיקי הקרקע שנספגו לדחוף זה את זה, יפחית את הסיכוי לאגטגרציה, ישמר על פיזור החלקיקים (דומה לאפקט של "שמן") ויפחית את הקשיחות של הדחיסה לאחר דחיסה.
• יצירת גשרים על ידי שרשרת פולימר: בניית מבנה של אגטגרטים מיקרוסקופיים רופפים וגדילה של נקבוביות בקרקע.
  המבנה של שרשרת הפולימר הארוך של PVP (משקל מולקולרי בדרך כלל בין 10,000 ל-1 מיליון דלטון) יכול לפעול כ"גשר מולקולרי" כדי לחבר באופן קל חלקיקי קרקע זעירים מפוזרים (חלקיקי חול, חלקיקי סילט) ל- איגודים מיקרוסקופיים בגודל מיקרון (קוטר 10-100 מיקרומטר) :
  • אגרגטים מיקרוסקופיים אלו אינם גושים דחוסים, אלא מבנה סpongiform שנוצר על ידי שרשרות PVP מחוברות בצורה רופפת. בין האגרגטים נוצרים מספר גדול של "מיקרו-פוקים" ו"פוקים לאוורור". הפוקים הקפילריים שומרים על הלחות, בעוד שפוקי האוורור מאפשרים לזרום אוויר, ובכך מונעים מהאדמה להפוך לאטומה ודחוסה.
  • הערה: האגרגטים המיקרוסקופיים הם "מבנים פיזיים זמניים" בעלי יציבות חלשה (יכולים להתפרק בממטר כבד או בהשקיה תכופה). הם אינן יכולים להחליף את "האגרגטים היציבים בפני מים" שנוצרים על ידי שמרי אורגניים (שנוצרים באמצעות צמנטציה של חומר אורגני ועמידים frente to התדרדרות לאורך זמן). הם יכולים רק להקל על דחיסות לתקופה קצרה.
• אגירת מים ובקרת אידוי: מונעים התייבשות והתקשות של אדמת השטח.
  הקבוצה ההידרופילית (קבוצת האמיד) של PVP יכולה לספוג את המים החופשיים בקרקע וליצור הידרוג'ל (תכולת המים עשויה להגיע ל-10–20 פעמים ממשקל החומר עצמו) והדבקות לפני השטח של הקרקע:
  • הידרוגל יכול לשחרר אטום אטום מים, ולאט את האבידה המהירה של מים מפני שטח הקרקע (במיוחד בסביבות יבשות או בטמפרטורות גבוהות);
  • הסיבה העיקרית לדיקדוק פני השטח של הקרקע היא "איבוד פתאומי של מים שמוביל לצניחה ודבקות של חלקיקים". אפקט החזקה במים של PVP יכול לשמור על מצב רטוב של קרקע פני השטח, להפחית את היווצרות סדקים יבשים, ולמנוע באופן עקיף דיקדוק.

2. עיקרון החזקה של מים בקרקע: מנגנון ה"שמורה-שחרור איטי" של מים בהידרוגל

תפקוד החזקה במים של PVP בקרקע הוא למעשה הגעה ל"שמורה" ו"שחרור איטי" של מים באמצעות "השעיה פיזיקלית + כיסוי ג'לי", ובכך שיפור יעילות הלחות בקרקע. העקרונות הספציפיים הם כדלקמן:

• השעיה ברמת המולקולות: נעילה של מים חופשיים
  הקבוצה האמידית (-CONH-) על שרשרת ה-PVP היא קבוצה הידרופילית חזקה שיכולה להתחבר עם מולקולות מים חופשיות בקרקע (מים שלא נספגו על ידי חלקיקי הקרקע) באמצעות "קשרי מימן", ול"לכוד" את המים סביב שרשרת הפולימר וליצור "שכבת מים קשורה";
  • מים קשורים אלו אינם אובדים בקלות על ידי התפוצצות או כוח המשיכה, ויכולים להישמר בקרקע למשך זמן רב, מה שמאפשר לשורשים של הצמחים לספוג אותם באיטיות (כדי למנוע מהמים החופשיים הרגילים להאדות במהירות או לחדור לשכבות קרקע עמוקות).
• יצירת הידרו-겔 מקרוסקופי: בניית "מכל אחסון מים"
  כאשר ריכוז ה-PVP מגיע לסף מסוים (בדרך כלל 0.1%-0.5%, בהתבסס על המשקל היבש של הקרקע), שרשראות המולקולות של ה-PVP לאחר ספיגת מים יקשרו זו עם זו וייצרו... מבנה רשת תלת-ממדי של הידרו-겔 (דומה לספוג):
  • הידרוגל יכול "לכד" כמות גדולה של מים (80%-90% ממשקל עצמו), ומייצר מחסן מיקרו לאחסון מים בתוך הקרקע;
  • כאשר יש חוסר במים בשכבת פני הקרקע, הידרוגל משחרר מים באיטיות בעקבות הפרש בלחץ האוסמוטי, ממלא מחדש את תמיסת הקרקע, שומר על סביבה רטובה מסביב לשורשים, ומצמצם את דחק היבוש של הצמח.
• הפחתת התפוצצות רטיבות מהקרקע: אפקט של מחסום פיזי
  הידרוגל מכסה את פני חלקיקי הקרקע או ממלא את הנקבוביות ויוצר "ממברנה חצי חדירה" שמונעת את התפשטות הרטיבות הפנימית בקרקע לאטמוספירה, ומצמצמת את קצב ההתפוצצות – נתוני ניסויים מראים כי הוספת 0.3% PVP לקרקע יכולה להפחית את ממוצע התפוצצות המים היומית ב-15%-25% (בהשוואה לקרקע לא מעובדת).

3. עקרון השחרור האיטי של חומרי הזנה/חומרי הדברה: מנגנון "כימוס-ספיחה-שחרור מבוקר" של שרשרת הפולימר

PVP יכול לשמש כ"נושא שחרור איטי" לnutrients מסיסים במים (כגון אוריאה, דשן פוטאש) או חומרי רתיחה עם רעילות נמוכה באדמה, ובכך 줄 את אובדן הסחיפה ומאורך את תוחלת הפעולה. העיקרון הוא כדלקמן:

• הטמנה פיזיקלית: עיכוב של תזוזה מהירה של חומרי תזונה.
  שרשרת הפולימר של PVP יכולה לכבול מולקולות חומרי הזנה/חומרי הדברה מסיסים במים במבנה הרשת התלת-ממדי שלה באמצעות אפקט ה"הסתבכות", ויוצרת צורת "מיקרו-קפסולה":
  • ציפוי זה יכול למנוע חדירת חומרי הזנה/חומרי הדברה במהירות לעומק האדמה עם מי גשמים או מי השקיה (ותוך הימנעות מאובדן שטיפה) ויכול גם להפחית את התנדפותם הישירה לאטמוספרה (כגון התנדפות אמוניה מדשני חנקן);
  • רק כאשר מים בקרקע חודרים לאט למבנה האריזה, או כאשר מיקרואורגניזמים פוגעים מעט בשרשראות ה-PVP, החומרים המזינים/pesticides ישתחררו בהדרגה לפתרון הקרקע כדי שצמחי החקלאות יספידו או יוכלו להפעיל את פעילותם.
• ספיגת כימית: הגברת כוח הקישור בין חומרי תזונה לקרקע.
  ה אמיד הקבוצה של PVP יכולה לספוג ולצרף יוני תזונה (כגון NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) באמצעות "קשרי מימן" או "אפקטים אלקטרוסטטיים", ולקבע אותם על פני שכבת חלקיקי הקרקע (באמצעות PVP כ"גשר"):
  • ספיגה זו יכולה להפחית את "הניידות" של חומרי התזונה ולמנוע מהם להיסחף כלפי מטה בגלל כוח הכובד;
  • כאשר ריכוז החומרים המזינים בקרקע יורד (נספגים ונצרכים על ידי הצמחים), שווי המשקל של הספיגה נשבר, והיוני תזונה ישתחררו לאט ויחזרו לפתרון הקרקע, ובכך יושגו שחרור לפי דרישה.
• שחרור בתגובה לסביבה: התאמה לתנאי הקרקע
  המסיסות במים ודרגת הקросс-לינקינג של PVP מושפעות מסביבת הקרקע (כגון pH, טמפרטורה וرطوبة):
  • כאשר הקרקע רטובה, שרשרות ה-PVP מתנפחות ומתרחבת, וקצב שחרור החומרים המזינים הכלואים בתוכן מאיץ; כאשר הקרקע יבשה, השרשראות מתכווצות וקצב השחרור зам slowing down, ובכך מונע הצטברות מוגזמת של חומרי תזונה כשלא נדרשים על ידי הצמח.
  • בקרקע חומצית (pH < 6.0), מתרחשת הגברה של פרוטונציה של קבוצת האמיד של ה-PVP, מהמשפר את יכולת הספיחה של יוני מינרלים חיוביים (כגון K⁺), והתקופת שחרור איטי ארוכה יותר.

4. עקרונות ספיגת יוני מתכות כבדות: קישור באמצעות קשר קואורדינציה ומנגנון נטרול מטען

PVP יכול לסייע בשיקום קרקעות הזוהמות במתכות כבדות ברמה קלה (כגון Pb²⁺, Cu²⁺, ו-Cd²⁺), ובכך להפחית את הפיזיוביליות שלהן (ולהקטין את ספיגת הצמח). העקרונות הם כדלקמן:

• קשר קואורדינציה:
  החוגה של הפירולידון (המכילה אтомי חנקן) במולקולת ה-PVP שמגיבה עם יוני מתכות כבדות בעלת "זוג אלקטרונים חופשי" ויודעת ליצור קשר קואורדינציה יציב עם קטיונים של מתכות כבדות (כגון Pb²⁺, Cu²⁺), ובכך יוצרת מורכב שאינו מסיס במים:
  • המכלול הזה נספג על פני שטח חלקיקי הקרקע או נשאר בשכבת פני השטח יחד עם שיקוע ה-PVP ואינו יכול להיספג לשורשים של יבולים (פחת בזמינות הביולוגית);
  • ניסויים הראו כי PVP בריכוז 0.5% יכול להפחית את הזמינות הביולוגית של Pb²⁺ בקרקע ב-20%-30% (אומתו על ידי מדידת הצטברות עופרת בשורשי יבולים).
• הנייטרליזציה של מטען: הפחתת ניידות של יוני מתכות כבדות.
  חלקיקי חימר בקרקע הם בדרך כלל טעונים שלילית ונשאבים בקלות לקטיונים חיוביים של מתכות כבדות (כגון Cd²⁺). עם זאת, ספיגת החומרים האלה עלולה להוחלף על ידי קטיונים אחרים בקרקע (כגון Ca²⁺ ו-Mg²⁺), מה שגורם להחייה מחודשת של המתכות הכבדות.
  • הקבוצה האמידית של PVP טעונה חיובית לאחר פרוטון ויכולה להתחבר למטען השלילי של חלקיקי חימר. במקביל, יוני המתכות הכבדות שמתואמים בה הם 'נעולים' במורכב החימר-PVP, מה שמצמצם את הסיכוי להחלפה על ידי קטיונים אחרים ופוחת את ניידות המתכות הכבדות.

סיכום

המהות של התפקיד של PVP בקרקע היא שהוא משתמש ב"קבוצות קוטביות" וב"שרשראות פולימריות" שבמבנה המולקולרי שלו כדי לבצע "ספיגת פיזית", "קשירת כימית" או "רגולציה מורפולוגית" עם חלקיקים, מים, חומרי תזונה וملوثים בקרקע , ובכך מגשים בסופו של דבר:

• שיפור המבנה הפיזי של הקרקע (לסייע במניעת דחיסות הקרקע);
• שיפור יעילות המים (אחסון מים);
• הארכת תקופת פעילות של חומרי תזונה/מبيدים (שחרור איטי);
• הפחתת הסיכון הביולוגי של מתכות כבדות (ספיגה והשבתה).

יש לציין כי עקרונות אלה מבוססים כולם על התפקיד ה"עזר" של PVP - השפעתו תלויה בשימוש בריכוז נמוך, והוא אינו יכול להחליף דשנים אורגניים, חומרים מיוחדים לאגירת מים, מרככי קרקע וכו', ומתאים רק לתרחישים ספציפיים (כגון גידול שתילים, צמחים בעציצים וטיפולי קרקע מזוהמים קלות).