Care este principiul specific al modului de acțiune al PVP în sol?

Nucleul funcției PVP (polivinilpiridinonă) în sol constă în structura moleculară (grupuri polare și lanțuri polimerice) și proprietățile fizico-chimice (solubilitatea în apă, adsorbția și retenția apei) . Prin „interacțiuni intermoleculare” sau „manipularea formei fizice” cu particulele de sol, apa, nutrienții și poluanții, aceasta îmbunătățește indirect structura fizică a solului, starea de umiditate, disponibilitatea nutrienților și activitatea poluanților. Mecanismul specific este detaliat pe scenarii funcionale cheie, explicând efectele la nivel molecular și la nivelul solului, pas cu pas:

1. Principiul ajutorului în prevenirea compactării solului: reglarea agregării și legăturii particulelor de sol

Esenta compactării solului constă în faptul că particulele de sol (în special particulele de argilă) sunt strâns agregate datorită atracției electrostatice, adeziunii peliculei de apă și altor factori, ceea ce duce la reducerea porozității . PVP întrerupe acest proces prin «dispersarea particulelor și formarea microstructurilor». Principiile specifice sunt următoarele:

• Adsorbție moleculară și modificarea suprafeței particulelor: reducerea aderenței directe a particulelor.
  Inelul de pirrolidonă (care conține grupa amida polară -CONH-) din lanțul molecular al PVP are proprietăți puternic hidrofile și de adsorbție. Poate fi adsorbit strâns pe suprafața particulelor de sol (particule de argilă, praf) prin «legături de hidrogen» sau «forțe van der Waals», formând un film protector polimeric ultrarău (la scală nanometrică) :
  • Acest film „izolează” particulele de sol adiacente, împiedicându-le să formeze agregate mari datorită atracției electrostatice (particulele de argilă sunt încărcate negativ și absorb ușor cationi și se apropie una de alta) sau adeziunii peliculei de apă (pelicula de apă dispare în timpul uscării și particulele intră în contact direct).
  • În același timp, efectul de „împiedicare sterică” al lanțului molecular de PVP va determina particulele de sol adsorbite să se respingă reciproc, va reduce probabilitatea de agregare, va menține dispersia particulelor (similar cu efectul de „lubrifiant”) și va reduce duritatea compactării după comprimare.
• Legarea prin lanț polimeric: formarea unei structuri micro-agregate slabe și creșterea porilor din sol.
  Structura polimerică cu lanț lung a PVP (masa moleculară este de obicei între 10.000 și 1 milion Da) poate acționa ca un „pod molecular” pentru a conecta ușor particule fine de sol dispersate (particule de nisip, particule de praf) în micro-agregate de dimensiuni micronice (diametru 10-100μm) :
  • Aceste microagregate nu sunt ghemuri strânse, ci o structură poroasă formată din lanțuri PVP slab conectate. Între agregate se formează un număr mare de „pori capilari” și „pori de ventilație”. Pori capilari rețin umiditatea, în timp ce porii de ventilație permit circulația aerului, împiedicând solul să devină etanș și compactat.
  • Notă: Microagregatele sunt „structuri fizice temporare” cu stabilitate redusă (pot disparea în cazul ploilor abundente sau a irigațiilor frecvente). Ele nu pot înlocui „agregatele stabile în apă” formate de îngrășămintele organice (formate prin cimentarea materiei organice și rezistente la eroziune pe termen lung). Acestea pot doar ameliora temporar compacționarea.
• Reținerea apei și controlul evaporării: previne uscarea și întărirea solului la suprafață.
  Grupul hidrofil (grup amidic) al PVP poate absorbi apa liberă din sol pentru a forma un hidrogel (conținutul de apă poate atinge 10-20 de ori greutatea sa proprie) și aderă la suprafața solului:
  • Hidrogelul poate elibera încet apa, încetinind evaporarea rapidă a apei din stratul superficial al solului (în special în condiții de secetă sau temperaturi ridicate);
  • Cauza principală a compactării suprafeței solului este „pierderea bruscă a apei, care duce la micșorarea particulelor și la aderența acestora”. Efectul de retenție a apei al PVP poate menține starea umedă a solului la suprafață, reduce formarea crăpăturilor uscate și indirect previne compactarea.

2. Principiul retenției de apă în sol: Mecanismul hidrogelului de „retenție – eliberare lentă” a apei

Funcția de retenție a apei a PVP în sol constă, în esență, în realizarea „retenției” și „eliberării lente” a apei prin intermediul „adsorbției fizice + încapsulării sub formă de gel”, îmbunătățind astfel eficiența umidității din sol. Principiile specifice sunt următoarele:

• Adsorbție a umidității la nivel molecular: Blocarea apei libere
  Grupul amidic (-CONH-) de pe lanțul molecular al PVP este un grup hidrofil puternic care poate combina moleculele libere de apă din sol (apă neadsorbită de particulele de sol) prin „legături de hidrogen”, „fixând” apa în jurul lanțului polimeric pentru a forma un „strat de apă legată”;
  • Această apă legată nu se pierde ușor prin transpirație sau gravitație și poate fi reținută în sol pentru o perioadă lungă de timp, permițând rădăcinilor culturilor să o absoarbă treptat (împiedicând astfel ca apa liberă obișnuită să se evapore rapid sau să pătrundă în straturile adânci ale solului).
• Formarea macro-hidrogelului: construirea unui „rezervor de stocare a apei”
  Când concentrația PVP atinge un anumit prag (de obicei 0,1%-0,5%, în funcție de greutatea uscată a solului), lanțurile moleculare ale PVP după absorbția apei se vor lega între ele pentru a forma o structură tridimensională de hidrogel (asemănătoare cu o spumă):
  • Hidrogelul poate „încapsula” o cantitate mare de apă (reprezentând 80%-90% din greutatea sa proprie), formând un „micro-rezervor de stocare a apei” în sol;
  • Atunci când există o cantitate insuficientă de apă la suprafața solului, hidrogelul va elibera încet apa datorită diferenței de presiune osmotică, va reumple soluția din sol, va menține un mediu umed în jurul rădăcinilor și va reduce stresul cauzat de secetă asupra culturilor.
• Reducerea evaporării umidității din sol: efect de barieră fizică
  Hidrogelul acoperă suprafața particulelor de sol sau umple porii, formând o „membrană semipermeabilă” care împiedică difuzia umidității din interiorul solului în atmosferă și reduce rata evaporării – datele experimentale arată că adăugarea a 0,3% PVP în sol poate reduce evaporația medie zilnică a apei cu 15%-25% (comparativ cu solul netratat).

3. Principiul eliberării lente a nutrienților/pesticidelor: mecanismul lanțului polimeric de „încapsulare-adsorbție-control al eliberării”

PVP poate fi utilizat ca un „transportator cu eliberare lentă” pentru nutrienți solubili în apă (cum ar fi ureea, îngrășământul de potasiu) sau pesticide cu toxicitate scăzută în sol, reducând pierderile prin lixiviere și prelungind perioada de acțiune. Principiul este următorul:

• Încapsulare fizică: împiedicarea migrației rapide a nutrienților.
  Lanțul polimeric al PVP poate încapsula moleculele de nutrienți/pesticide solubile în apă în structura sa tridimensională prin efectul de „înghesuire”, formând o formă de „microcapsulă”:
  • Acest strat de acoperire poate preveni pătrunderea rapidă a nutrienților/pesticidelor în straturile profunde ale solului odată cu apa de ploaie sau de irigație (evitând pierderile prin lixiviere) și poate reduce, de asemenea, volatilizarea directă în atmosferă (cum ar fi volatilizarea amoniacului din îngrășămintele azotoase);
  • Doar atunci când apa din sol pătrunde încet în structura ambalajului, sau când microorganismele degradează ușor lanțurile de PVP, nutrienții/pesticidele vor fi eliberați treptat în soluția solului pentru a fi absorbiți de culturi sau pentru a-și exercita eficacitatea.
• Adsorbție chimică: Sporește forța de legare dintre nutrienți și sol.
  The amidă grupul de PVP poate adsorbi și lega ionii de nutrienți (cum ar fi NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) prin intermediul „legăturilor de hidrogen” sau „efectelor electrostatice” și îi fixează pe suprafața particulelor de sol (prin PVP ca un „pod”):
  • Această adsorbție poate reduce „mobilitatea” nutrienților și îi poate preveni pierderea prin antrenarea în adâncime datorată gravitației;
  • Atunci când concentrația de nutrienți din sol scade (absorbiți și consumați de culturi), echilibrul de adsorbție este perturbat, iar ionii de nutrienți vor desorbi lent și se vor reintroduce în soluția solului, realizând astfel o „eliberare la cerere”.
• Eliberare răspunzătoare la factorii de mediu: Adaptarea la condițiile solului
  Solubilitatea în apă și gradul de reticulare al PVP sunt influențate de mediul solului (precum pH-ul, temperatura și umiditatea):
  • Când solul este umed, lanțurile de PVP se umflă și rata de eliberare a nutrienților încapsulați crește; când solul este uscat, lanțurile se contractă și rata de eliberare scade, prevenind acumularea excesivă a nutrienților atunci când cultura nu are nevoie de ei.
  • În soluri acide (pH < 6,0), protonarea grupului amidic al PVP este intensificată, ceea ce îmbunătățește capacitatea de adsorbție a nutrienților cationici (cum ar fi K⁺) și prelungește perioada de eliberare lentă.

4. Principiile adsorbției ionilor de metale grele: legarea prin legături de coordinație și mecanismul de neutralizare a sarcinii

PVP poate ajuta la remedierea solurilor ușor contaminate cu metale grele (cum ar fi Pb²⁺, Cu²⁺ și Cd²⁺), reducându-le biodisponibilitatea (reducând absorbția de către culturi). Principiile sunt următoarele:

• Legarea prin legături de coordinație:
  Inelul de pirrolidonă (care conține atomi de azot) din molecula PVP care fixează ionii de metale grele are un „cuplu de electroni neparticipanți” și poate forma o „legătură de coordinație” stabilă cu cationii de metale grele (de exemplu Pb²⁺, Cu²⁺), formând un complex insolubil în apă:
  • Acest complex va fi adsorbit pe suprafața particulelor de sol sau va rămâne la suprafața solului odată cu sedimentarea PVP și nu poate fi absorbit de rădăcinile culturilor (biodisponibilitate redusă);
  • Experimentele au arătat că 0,5% PVP poate reduce biodisponibilitatea Pb²⁺ din sol cu 20%-30% (verificat prin detectarea acumulării de plumb în rădăcinile culturilor).
• Neutralizare de sarcină: reducerea mobilității ionilor de metale grele.
  Particulele de argilă din sol sunt de obicei încărcate negativ și adsorb ușor ionii pozitivi de metale grele (de exemplu Cd²⁺). Totuși, această adsorbție poate fi înlocuită ușor de alți cationi din sol (de exemplu Ca²⁺ și Mg²⁺), ceea ce duce la reactivarea metalelor grele.
  • Grupul amid al PVP este încărcat pozitiv după protonare și se poate combina cu încărcătura negativă a particulelor de lut. În același timp, ionii săi coordonați ai metalelor grele sunt "blocați" în complexul argilă-PVP, reducând probabilitatea de a fi înlocuiți de alți cationi și reducând mobilitatea metalelor grele.

Rezumați

Esenţa rolului PVP în sol este că folosește "grupurile polare" și "lanțurile polimerice" în structura sa moleculară pentru a "adsorbi fizic", "lega chimic" sau "regula morfologic" cu particulele, apa, substanțele nutritive și poluanții din sol , realizând în cele din urmă:

• Îmbunătăți structura fizică a solului (ajută la prevenirea compactării solului);
• Îmbunătățirea eficienței apei (retenția apei);
• Prelungirea perioadei de acțiune a substanțelor nutritive/pesticidelor (eliberare lentă);
• Reducerea riscului biologic al metalelor grele (adsorbție și imobilizare).

Trebuie remarcat faptul că aceste principii se bazează pe rolul "auxiliar" al PVP - efectul său depinde de utilizarea în concentrație scăzută și nu poate înlocui îngrășămintele organice, agenții speciali de retenție a apei, conditionatorii solului etc. și este potrivit numai pentru scenarii speci