Који је конкретни принцип рада PVP-а у земљишту?

Суштина функције ПВП-а (поливинилпиролидона) у земљишту се налази у његовој молекулској структури (поларне групе и полимерни ланци) и физичко-хемијским својствима (растворљивост у води, адсорпција и задржавање воде) . Кроз „међумолекулске интеракције“ или „манипулацију физичким обликом“ са честицама земљишта, водом, хранљивим материјама и загађивачима, индиректно побољшава физичку структуру земљишта, стање влажности, доступност хранљивих материја и активност загађивача. Конкретни механизам разлаже се према кључним функционалним сценаријима, објашњавајући ефекте на молекулском нивоу и нивоу земљишта корак по корак:

1. Принцип помоћи у спречавању запечаћености земљишта: регулација агрегације и везивања честица земљишта

Суштина збијања земљишта је та да честице земљишта (посебно честице глине) су чврсто агрегиране због електростатичке привлачности, прилијепљености водене мембране и других фактора, због чега се смањује порозност . ПВП прекида овај процес „дисперсијом честица и изградњом микроструктура“. Конкретни принципи су следећи:

• Молекулска адсорпција и модификација површине честица: Смањује директну адхезију честица.
  Пиролидонски прстен (садржи поларну амидну групу -CONH-) на ПВП молекулском ланцу има јаку хидрофилност и адсорптивна својства. Може се чврсто адсорбовати на површини честица земљишта (глина, ситне честице) кроз „водоничне везе“ или „ван дер Валсове силе“, формирајући изузетно танку полимерну заштитну филму (нанометарске величине) :
  • Овај филм „изолује“ суседне честице земљишта, спречавајући их да формирају велике агрегате због електростатичке привлачности (честице глине су негативно наелектрисане и лако упијају катионе и прилазе једна другој) или адхезије водене филме (водена филма нестане током сушења и честице дођу у директан контакт).
  • У исто време, „стерни препрека ефекат“ PVP молекулског ланца ће изазвати да се адсорбоване честице земљишта међусобно одбијају, смањују вероватноћу агрегације, одржавају дисперзију честица (слично ефекту „подмазивања“) и смањују чврстоћу збијености након збијања.
• Повезивање полимерних ланаца: изградња ретке микроагрегатне структуре и повећање пора у земљишту.
  Структура дугог ланца полимера pVP-а (молекулска тежина је обично 10.000–1 милион Da) може деловати као „молекулски мост“ који благо повезује дисперзоване ситне честице земљишта (честице песка, ситне честице) у микронске микрогрегате (пречник 10–100μm) :
  • Ови микроагрегати нису чврсто агрегирани груди, већ порна структура формирана лагано повезаним ПВП ланацима. У овом случају, у случају да се укупни материјал одбележе као ватрен, то је потребно да се уједносница избаци у ватрену плочу. Капиларни пори задржавају влагу, док проветривачки пори омогућавају циркулацију ваздуха, спречавајући да тло постане ваздушно чврсто и компактно.
  • Напомена: Микроагрегати су "физичке привремене структуре" са слабом стабилношћу (можу се распаднути у јаким кишама или честим наводњавањем). Они не могу заменити "водно стабилне агрегате" које формирају органска ђубрива (формирана цементирањем органске материје и отпорна на ерозију у дугорочном периоду). Они могу само у краткорочно време олакшати запљешћење.
• Контрола задржавања воде и испаравања: спречавање сушења и тврдоће површинског тла.
  Хидрофилна група (амидна група) ПВП-а може апсорбовати слободну воду у тлу да би формирала хидрогел (унош воде може достићи 10-20 пута своју тежину) и придржавају се површине земљишта:
  • Хидрогел може полако ослобађати воду, успоравајући брзо испаравање воде са површине земљишта (посебно у условима суше или високих температура);
  • Главни разлог за запуштеним површинама земљишта је „нагла губитак воде који доводи до скупљања честица и лепљења“. Ефекат задржавања воде код ПВП-а може одржавати влажно стање површинског земљишта, смањивати формирање пукотина услед сушења и индиректно спречавати запуштање.

2. Принцип задржавања воде у земљишту: Хидрогелов механизам „задржавања – полаког ослобађања“ воде

Функција задржавања воде ПВП-а у земљишту у основи постиже „задржавање“ и „полако ослобађање“ воде кроз „физичку адсорпцију + гел инкапсулацију“, на тај начин побољшавајући ефикасност влажности земљишта. Конкретни принципи су следећи:

• Адсорпција влаге на нивоу молекула: закључавање слободне воде
  Amidna grupa (-CONH-) na PVP molekularnom lancu je jaka hidrofilna grupa koja se može povezivati sa slobodnim molekulima vode u zemljištu (voda koju ne adsorbuju čestice zemljišta) putem „vodoničnih veza“, „fiksirajući“ vodu oko polimernog lanca i formirajući „sloj vezane vode“;
  • Ova vezana voda se ne gubi lako isparenjem ili pod uticajem gravitacije i može dugo ostati u zemljištu, omogućavajući korenovima biljaka da je postepeno apsorbuju (sprječavajući običnu slobodnu vodu da brzo ispari ili prodre 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 spužvi):
  • Хидрогел може да „енкапсулира“ велику количину воде (која чини 80%–90% његове тежине), стварајући „микро резервоар за складиштење воде“ у земљишту;
  • Када је на површини земљишта недовољно воде, хидрогел постепено ослобађа воду услед разлике у осмотском притиску, допуњавајући растворо у земљишту, одржавајући влажну средину око корена и смањујући стрес код биљака изазван сушењем.
• Смањење испаравања влаге из земљишта: ефекат физичке баријере
  Хидрогел прекрива површину честица земљишта или попуњава поре, формирајући „полупропусну мембрану“ која спречава дифузију влаге из земљишта у атмосферу и смањује брзину испаравања — експериментални подаци показују да додавање 0,3% ПВП-а у земљиште може смањити просечно дневно испаравање воде за 15%–25% (у поређењу са нетретираним земљиштем).

3. Принцип спорог ослобађања нутријената/пестицида: механизам полимерних ланаца „енкапсулација-адсорпција-контролисано ослобађање“

PVP se može koristiti kao „nosilac sa sporim oslobađanjem“ za vodootporne hranljive materije (poput mочevine, đubriva od kalijuma) ili pesticidе sa niskom toksičnošću u zemljištu, smanjujući njihov ispiranje i produžavajući period dejstva. Princip je sledeći:

• Fizičko inkapsuliranje: sprečavanje brze migracije hranljivih materija.
  Polimerna lanac PVP-a može inkapsulisati vodootporne molekule hranljivih materija/pesticida u svojoj trodimenzionalnoj mrežnoj strukturi kroz efekat „zapetljavanja“, formirajući oblik „mikrokapsule“:
  • Ovaj premaz može sprečiti da hranljive materije/pesticidi brzo prodru duboko u zemljište zajedno sa kišnicom ili navodnjavanjem (izbegavajući gubitak usled ispiranja), a takođe može smanjiti njihovo direktno isparavanje u atmosferu (poput isparavanja amonijaka iz đubriva sa azotom);
  • Само када вода из земљишта споро продре у структуру паковања, или када микроорганизми благо разграде PVP ланце, нутријенти/пестициди ће постепено бити ослобађани у растворо земљишта како би били усвојени од стране култура или испунили своју функцију.
• Хемијска адсорпција: Повећава силику везивања између хранљивих материја и земљишта.
  The амид група PVP може адсорбовати и везати јоне хранљивих материја (на пример NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) путем „водоничних веза“ или „електростатичких ефеката“, и фиксирати их на површини честица земљишта (користећи PVP као „мост“):
  • Ова адсорпција може смањити „покретност“ хранљивих материја и спречити њихов губитак низом услед гравитације;
  • Када концентрација хранљивих материја у земљишту опадне (усвојена и потрошена од стране култура), равнотежа адсорпције се наруши, а јони хранљивих материја ће споро десорбовати и поново ући у раствор земљишта, остварујући „олакање по захтеву“.
• Реагујуће ослобађање на основу услова у земљишту
  Растворљивост у води и степен напредне везе ПВП-а зависе од земљишног окружења (као што су pH, температура и влажност):
  • Када је земљиште влажно, ланци ПВП-а се напуштају и брзина ослобађања инкапсулираних хранљивих материја се повећава; када је земљиште суво, ланци се скупљају и брзина ослобађања се успорава, чиме се спречава превелико накупљање хранљивих материја када биљке нису у потреби за њима.
  • У киселом земљишту (pH < 6,0), побољшана је протонизација амидне групе ПВП-а, побољшана је способност адсорпције катјонских хранљивих материја (као што је К⁺) и период контролисаног ослобађања је дужи.

4. Принципи адсорпције тешких металних јона: везивање координационим везама и механизам неутрализације набоја

ПВП може помоћи у очишћавању земљишта која су благо контаминирана тешким металима (као што су Pb²⁺, Cu²⁺ и Cd²⁺), смањујући њихову биодоступност (смањујући унос код биљака). Принципи су следећи:

• Везивање координационим везама:
  Pirolidonski prsten (koji sadrži atom azota) u molekulu PVP-a koji vezuje jone teških metala ima "slobodni par elektrona" i može da stvori stabilnu "koordinacionu vezu" sa kationima teških metala (npr. Pb²⁺, Cu²⁺), formirajući vodom neotopljiv kompleks:
  • Ovaj kompleks će biti adsorbovan na površini čestica zemljišta ili će ostati na površini zemljišta taloženjem PVP-a i neće moći da bude upijen korenima useva (smanjena biodostupnost);
  • Eksperimenti su pokazali da 0,5% PVP može smanjiti biodostupnost Pb²⁺ u zemljištu za 20–30% (potvrđeno merenjem akumulacije olova u korenju useva).
• Neutralizacija naelektrisanja: smanjenje pokretljivosti jona teških metala.
  Čestice glinastog zemljišta obično su negativno naelektrisane i lako adsorbuju pozitivno naelektrisane jone teških metala (npr. Cd²⁺). Međutim, ovakva adsorpcija se lako može zameniti drugim kationima u zemljištu (npr. Ca²⁺ i Mg²⁺), što dovodi do reaktivacije teških metala.
  • Амидна група PVP-а је позитивно наелектрисана након протонизације и може да се комбинује са негативним набојем честица глине. У исто време, тешки метални јони које координише су „закључани“ у комплексу глина-PVP, чиме се смањује вероватноћа замене другим катјонима и смањује мобилност тешких метала.

Sažeti

Суштина улоге PVP-а у земљишту је та што он користи „поларне групе“ и „полимерне ланце“ у својој молекулској структури за „физичку адсорпцију“, „хемијско везивање“ или „регулацију морфологије“ са честицама, водом, хранљивим материјама и загађујућим супстанцама у земљишту , коначно остварујући:

• Побољшање физичке структуре земљишта (помоћ у спречавању запањивања земљишта);
• Побољшање ефикасности воде (задржавање воде);
• Проужење периода деловања хранљивих материја/пестицида (спорo ослобађање);
• Смањење биолошког ризика од тешких метала (адсорпција и имобилизација).

Треба напоменути да су сви ови принципи засновани на „помоћној“ улози ПВП-а – његов ефекат зависи од употребе у ниским концентрацијама, не може заменити органска ђубрива, специјалне агенте за задржавање воде, побољшаче земљишта итд., те је погодан само за одређене сценарије (као што су гајење садница, биљке у посудама и рекултивација благо загађених земљишта).