Який конкретний принцип дії PVP у ґрунті?

Основою функції ПВП (полівінілпіролідону) в ґрунті є його молекулярна структура (полярні групи та полімерні ланцюги) та фізико-хімічні властивості (розчинність у воді, адсорбція та утримання вологи) . Шляхом «міжмолекулярних взаємодій» або «фізичної модифікації форми» з частинками ґрунту, водою, поживними речовинами та забруднювачами він непрямо покращує фізичну структуру ґрунту, стан вологості, доступність поживних речовин та активність забруднювачів. Конкретний механізм розглядається за основними функціональними сценаріями, пояснюючи ефекти на молекулярному та ґрунтовому рівнях крок за кроком:

1. Принцип сприяння запобіганню ущільненню ґрунту: регулювання агрегації та зв'язування частинок ґрунту

Суть ущільнення ґрунту полягає в тому, що частинки ґрунту (особливо частинки глини) щільно агрегуються завдяки електростатичному притяганню, адгезії водяної плівки та інших факторів, що призводить до зменшення пористості . ПВП перериває цей процес шляхом «диспергування частинок і формування мікроструктур». Конкретні принципи такі:

• Адсорбція молекул і модифікація поверхні частинок: зменшення прямої адгезії частинок.
  Пірролідонове кільце (що містить полярну амідну групу -CONH-) у ланцюзі молекули ПВП має сильні гідрофільність і адсорбційні властивості. Воно може міцно адсорбуватися на поверхні частинок ґрунту (глинистих, пилуватих частинок) за допомогою «водневих зв'язків» або «сил Ван-дер-Ваальса», утворюючи надтонку полімерну захисну плівку (нанорозмірну) :
  • Ця плівка «ізолює» сусідні частинки ґрунту, перешкоджаючи їм утворювати великі агрегати через електростатичне притягання (частинки глини мають негативний заряд і легко поглинають катіони, наближаючись одна до одної) або зчеплення водяної плівки (водяна плівка зникає під час висихання, і частинки входять у безпосередній контакт).
  • У той самий час «ефект просторової затримки» ланцюга молекули PVP призведе до того, що адсорбовані частинки ґрунту відштовхуватимуться одна від одної, зменшуватиметься ймовірність агрегації, зберігатиметься дисперсність частинок (подібно до ефекту «мастила») і знижуватиметься твердість ущільнення після компакції.
• Місткування полімерних ланцюгів: формування рихлої структури мікроагрегатів і збільшення пор ґрунту.
  Довголанцюгова полімерна структура pVP (молекулярна маса зазвичай становить 10 000–1 млн Да) може діяти як «молекулярний міст», трохи з'єднуючи розрізнені дрібні частинки ґрунту (піщані частинки, пилуваті частинки) в мікронні мікроагрегати (діаметром 10–100 мкм) :
  • Ці мікроагрегати — це не щільно злипані грудки, а пориста структура, утворена слабко пов'язаними ланцюгами ПВП. Між агрегатами утворюється велика кількість «капілярних пор» та «пор вентиляції». Капілярні пори утримують вологу, тоді як пори вентиляції дозволяють повітрю циркулювати, запобігаючи утворенню герметичного та ущільненого ґрунту.
  • Примітка: Мікроагрегати є «фізичними тимчасовими структурами» із низькою стійкістю (вони можуть руйнуватися під час сильних дощів або частого поливу). Вони не можуть замінити «водостійкі агрегати», утворені органічними добривами (утворені за рахунок цементації органічної речовини та стійкі до ерозії на довгий термін). Вони можуть лише тимчасово зменшувати ущільнення.
• Утримання вологи та контроль випаровування: запобігання пересиханню та затвердінню верхнього шару ґрунту.
  Гідрофільна група (амідна група) ПВП може поглинати вільну воду в ґрунті, утворюючи гідрогель (вміст води може досягати 10–20 разів від власної ваги) і прилипають до поверхні ґрунту:
  • Гідрогель може повільно виділяти воду, уповільнюючи швидке випаровування води з поверхні ґрунту (особливо в умовах посухи або високих температур);
  • Основною причиною ущільнення поверхні ґрунту є «раптова втрата води, що призводить до зменшення розмірів частинок і їх зчеплення». Здатність PVP утримувати вологу допомагає підтримувати вологий стан поверхневого шару ґрунту, зменшуючи утворення тріщин при пересиханні, і непрямо запобігає ущільненню.

2. Принцип утримання вологи в ґрунті: механізм гідрогелю «Утримання — повільне виділення» води

Функція PVP щодо утримання вологи в ґрунті полягає, по суті, у досягненні «утримання» та «повільного виділення» води за рахунок «фізичного адсорбування + гелевої інкапсуляції», тим самим підвищуючи ефективність вологості ґрунту. Конкретні принципи такі:

• Адсорбція вологи на молекулярному рівні: утримання вільної води
  Амідна група (-CONH-) у молекулярному ланцюзі ПВП є сильною гідрофільною групою, яка може зв'язуватися з вільними молекулами води в ґрунті (вода, що не адсорбується частинками ґрунту) за допомогою «водневих зв'язків», «фіксуючи» воду навколо полімерного ланцюга та утворюючи «шар зв'язаної води»;
  • Ця зв'язана вода не втрачається легко через випаровування чи дію сили тяжіння і може довго зберігатися в ґрунті, даючи можливість кореням рослин повільно її засвоювати (запобігаючи швидкому випаровуванню звичайної вільної води або її проникненню в глибші шари ґрунту).
• Утворення макрогідрогелю: створення «резервуару для зберігання води»
  Коли концентрація ПВП досягає певного порогу (звичайно 0,1–0,5 %, від сухої ваги ґрунту), молекулярні ланцюги ПВП після поглинання води зв'язуються один з одним, утворюючи тривимірну сітчасту структуру гідрогелю (подібно до губки):
  • Гідрогель може «енкапсулювати» велику кількість води (вона становить 80%-90% власної ваги), утворюючи «мікрорезервуар для зберігання води» в ґрунті;
  • Коли на поверхні ґрунту недостатньо води, гідрогель повільно виділяє воду через різницю осмотичного тиску, поповнює ґрунтовий розчин, підтримує вологе середовище навколо коренів і зменшує посуховий стрес у рослин.
• Зменшення випаровування вологи з ґрунту: фізичний бар'єрний ефект
  Гідрогель покриває поверхню ґрунтових частинок або заповнює пори, утворюючи «напівпроникну мембрану», яка перешкоджає дифузії вологи всередині ґрунту в атмосферу, і знижує швидкість випаровування — експериментальні дані показують, що додавання 0,3% PVP до ґрунту може знизити середньодобове випаровування води на 15%-25% (порівняно з необробленим ґрунтом).

3. Принцип повільного виділення поживних речовин/пестицидів: механізм полімерного ланцюга «енкапсулювання-адсорбція-контрольоване виділення»

PVP може використовуватися як «повільновиділяючий носій» для водорозчинних поживних речовин (наприклад, сечовини, калійного добрива) або малотоксичних пестицидів у ґрунті, зменшуючи їх вимивання та подовжуючи термін дії. Принцип такий:

• Фізичне інкапсулювання: перешкоджає швидкому переміщенню поживних речовин.
  Ланцюг полімеру PVP може інкапсулювати молекули водорозчинних поживних речовин/пестицидів у своїй тривимірній сітчастій структурі за рахунок ефекту «ентанглменту», утворюючи форму «мікрокапсули»:
  • Це покриття може запобігти швидкому проникненню поживних речовин/пестицидів глибоко в ґрунт разом із дощовою або поливною водою (усунення втрат від вимивання), а також зменшити їх безпосереднє випаровування в атмосферу (наприклад, випаровування аміаку з азотних добрив);
  • Лише коли вода в ґрунті повільно проникає в структуру упаковки або коли мікроорганізми трохи розкладають ланцюги ПВП, поживні речовини/пестициди поступово виділятимуться в ґрунтовий розчин для засвоєння рослинами або прояву своєї дії.
• Хімічне адсорбування: посилює зв'язок між поживними речовинами та ґрунтом.
  The амід група ПВП може адсорбувати та зв'язувати поживні іони (наприклад, NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) за допомогою «водневих зв'язків» або «електростатичних ефектів» та фіксувати їх на поверхні ґрунтових частинок (через ПВП як «міст»):
  • Це адсорбування може зменшити «рухливість» поживних речовин і запобігти їх вимиванню вниз під дією сили тяжіння;
  • Коли концентрація поживних речовин у ґрунті знижується (поглинаються та використовуються рослинами), адсорбційна рівновага порушується, і поживні іони повільно десорбуються та знову потрапляють у ґрунтовий розчин, забезпечуючи «виділення за потребою».
• Чутливе до умов навколишнього середовища виділення: адаптація до стану ґрунту
  Розчинність у воді та ступінь зшивання PVP залежать від ґрунтового середовища (такого як pH, температура та вологість):
  • Коли ґрунт вологий, ланцюги PVP набухають, і швидкість виділення інкапсульованих поживних речовин прискорюється; коли ґрунт сухий, ланцюги стискаються, і швидкість виділення уповільнюється, запобігаючи надмірному накопиченню поживних речовин, коли рослинам вони не потрібні.
  • У кислих ґрунтах (pH < 6,0) посилюється протонування амідної групи PVP, покращується адсорбційна здатність катіонних поживних речовин (наприклад, K⁺), а період повільного виділення подовжується.

4. Принципи адсорбції іонів важких металів: зв'язування координаційними зв'язками та механізм нейтралізації заряду

PVP може сприяти відновленню ґрунтів, слабо забруднених важкими металами (наприклад, Pb²⁺, Cu²⁺ та Cd²⁺), зменшуючи їх біодоступність (знижуючи поглинання рослинами). Принципи наступні:

• Зв'язування координаційними зв'язками:
  Піролідонове кільце (що містить атоми азоту) в молекулі ПВП, яке фіксує іони важких металів, має «неподілену пару електронів» і може утворювати стабільний «координаційний зв'язок» з катіонами важких металів (наприклад, Pb²⁺, Cu²⁺), утворюючи водонерозчинний комплекс:
  • Цей комплекс буде адсорбуватися на поверхні ґрунтових частинок або залишатися на поверхні ґрунту разом із осадженням ПВП і не може бути поглинений коренями культур (знижена біодоступність);
  • Експерименти показали, що 0,5% ПВП може знизити біодоступність Pb²⁺ в ґрунті на 20%-30% (підтверджено шляхом визначення накопичення свинцю в коренях культур).
• Нейтралізація заряду: зменшення рухливості іонів важких металів.
  Частинки глинистого ґрунту зазвичай мають негативний заряд і легко адсорбують позитивно заряджені іони важких металів (наприклад, Cd²⁺). Однак ця адсорбція легко може бути замінена іншими катіонами в ґрунті (наприклад, Ca²⁺ та Mg²⁺), що призводить до реактивації важких металів.
  • Амідна група ПВП після протонування набуває позитивного заряду і може зв'язуватися з негативним зарядом частинок глини. У той же час, пов'язані іони важких металів «закріплюються» в комплексі глина-ПВП, що зменшує ймовірність їх заміщення іншими катіонами та знижує рухливість важких металів.

Підсумувати

Суть ролі ПВП у ґрунті полягає в тому, що він використовує «полярні групи» та «полімерні ланцюги» у своїй молекулярній структурі для «фізичного адсорбування», «хімічного зв'язування» або «морфологічної регуляції» з частинками, водою, поживними речовинами та забруднювачами в ґрунті , остаточно досягаючи:

• Покращення фізичної структури ґрунту (сприяє запобіганню ущільненню ґрунту);
• Покращення ефективності води (удержання води);
• Подовження терміну дії поживних речовин/пестицидів (повільне виділення);
• Зменшення біологічного ризику важких металів (адсорбція та імобілізація).

Слід зазначити, що ці принципи всі базуються на «допоміжній» ролі ПВП — його дія залежить від використання в низькій концентрації, і він не може замінити органічні добрива, спеціальні водозатримуючі агенти, поліпшувачі ґрунту тощо, а придатний лише для певних сценаріїв (наприклад, вирощування розсади, кімнатні рослини та рекультивація слабко забруднених ґрунтів).