Свойства гидрогелей и факторы внешней среды, влияющие на скорость их деградации

Водный дефицит является глобальной проблемой для многих сфер деятельности, включая сельское хозяйство и лесомелиоративные работы, которые необходимы для улучшения водного режима почв, уменьшения эрозии и увеличения содержания органического вещества в почве. Сельское хозяйство и лесомелиорация нуждаются в технологиях улучшения водообеспеченности культур и саженцев после пересадки. В качестве такой технологии используют суперабсорбирующие полимеры, или гидрогели. Область применения гидрогелей достаточно широкая: помимо перечисленного, они используются в медицине, строительстве, для очистки сточных вод и рекультивации. Находясь в корнеобитаемом слое, гидрогель накапливает влагу, а затем продолжительное время высвобождает ее, тем самым поддерживая водный баланс прикорневой зоны. Необходимо понимать, что гидрогель, внесенный в почву, остается там настолько, насколько он устойчив к микробиологическому разложению. При этом, оставаясь в почве, гидрогель может утратить свои свойства набухания, то есть потенциально может храниться в почве долгое время, потеряв свои свойства, и придется добавлять новую дозу гидрогеля. Учитывая продолжающееся применение гидрогеля и его постоянное попадание в окружающую среду, особенно в почву, крайне важно знать об устойчивости гидрогеля к биодеградации. Поскольку наше текущее понимание фрагментации гидрогелей в почве ограничено и часто основано на теоретических соображениях, крайне важно исследовать конкретные условия окружающей среды, а также свойства самих гидрогелей, которые определяют его судьбу в почве и его влияние на функционирование экосистемы.

1. Асаматдинов, А.О. Влияние гидрогелей на продуктивность саженцев в различных почвах // Природопользование и охрана природы: Охрана памятников природы, биологического и ландшафтного разнообразия Томского Приобья и других регионов России: мат. IX Всерос. с межд. уч. науч.-практ. конф. Томск, 2020. С. 137-143. DOI: 10.17223/978-5-94621-954-9-2020-33.

2. Баканева А.А. Посадка дуба черешчатого Quercus robur L. однолетними и двулетними саженцами с использованием гидрогеля // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство. 2023. Т. 18, №. 4. С. 508-519.

3. Годунова Е.И., Оганян Л.Р. Экономическая эффективность применения гидрогеля в условиях неустойчивого увлажнения центрального Предкавказья // Земледелие. 2023. №. 5. С. 18-22.

4. Жансенгир Е., Садыкова Р. Разработка получения полимерных материалов на основе крахмала для фиторемедиации почв // Лучшая исследовательская работа 2023: сб. ст. II Межд. науч.-иссл. конкурса. Петрозаводск, 2023. С. 226-234.

5. Максимова Ю.Г., Горшкова А.А., Демаков В.А. Биодеградация полиакриламидов почвенной микрофлорой и штаммами амидазосодержащих бактерий //Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2017. №. 2. С. 200-204.

6. Максимова Ю.Г., Щетко В.А., Максимов А.Ю. Полимерные гидрогели в сельском хозяйстве //Сельскохозяйственная биология. 2023. Т. 58, №. 1. С. 23-42.

7. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В. Биодеструкция сильнонабухающих полимерных гидрогелей и ее влияние на водоудерживающую способность почв //Почвоведение. 2014. №. 6. С. 716-723.

8. Смирнов А.И., Никитин В.Ф., Генералова А.А., Аксенов П.А. Приживаемость и морфологические особенности саженцев ели европейской (Picea abies), обработанных низкочастотным электромагнитным полем и посаженных с внесением гидрогеля//Лесной вестник/Forestry bulletin. 2021. Т. 25, №. 5. С. 22-29.

9. Холназаров Б.А., Тураев Х.Х., Холмуродова С.А., Джалилов А.Т. Синтез и характеристика гидрогелей на основе сополимеров крахмала // Universum: технические науки. 2019. № 11-3(68). С. 62-66.

10. Цепляев А.Н., Непокрытый Р.А. Энергоресурсосберегающие технологии посадки картофеля в орошаемом земледелии с использованием модернизированной картофелесажалки // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2023. № 1(69). С. 472-482.

11. Adjuik T.A., Nokes S.E., Montross M.D. Biodegradability of bio‐based and synthetic hydrogels as sustainable soil amendments: A review // Journal of Applied Polymer Science. 2023. Vol. 140, no. 12. Art. no. e53655.

12. Arbona V., Iglesias J.D., Jacas J., Primo-Millo E., Talon M., Gomez-Cadenas A. Hydrogel Substrate Amendment Alleviates Drought Effects on Young Citrus Plants // Plant and Soil. 2005. Vol. 270, no. 1. P. 73–82.

13. Azzam R.A.I. Tailoring polymeric gels for soil reclamation and hydroponics // Communications in soil science and Plant Analysis. 1985. Vol. 16, no. 10. P. 1123-1138.

14. Bai M., Wilske B., Buegger F., Esperschütz J., Bach M., Frede H.-G., Breuer L. Relevance of nonfunctional linear polyacrylic acid for the biodegradation of superabsorbent polymer in soils // Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. Vol. 22. P. 5444–5452. DOI: 10.1007/s11356-014-3772-0.

15. Buchmann C., Neff J., Meyer M., Bundschuh M., Steinmetz Z. Superabsorbent polymers in soil: The new microplastics? // Cambridge Prisms: Plastics. 2024. Vol. 2. No. e3. P. 1-14.

16. Bumpus J.A., Tien M., Wright D., Aust S.D. Oxidation of persistent environmental pollutants by a white rot fungus // Science. 1985. Vol. 228, no. 4706. P. 1434-1436.

17. Guilherme M.R., Aouada F.A., Fajardo A.R., Martins A.F., Paulino A.T., Davi M.F., Rubira A.F., Muniz E.C. Superabsorbent hydrogels based on polysaccharides for application in agriculture as soil conditioner and nutrient carrier: A review // European Polymer Journal. 2015. Vol. 72. P. 365-385.

18. Lars P., Till H., Ernst B., Gisela C., Sascha L., Ute H. Biodegradation of Hydrogels from Oxyethylated Lignins in Model Soils // ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2015. Vol. 3, iss. 9. P. 1955-1964.

19. Leštan D., Leštan M., Lamar R.T. Growth and viability of mycelial fragments of white-rot fungi on some hydrogels // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 1998. Vol. 20, no. 3-4. P. 244-250.

20. Liang D., Du C., Ma F., Shen Y., Wu K., Zhou J. Degradation of polyacrylate in the outdoor agricultural soil measured by FTIR-PAS and LIBS // Polymers. 2018. Vol. 10, iss. 12. Art. no. 1296. DOI: 10.3390/polym10121296.

21. Matsuoka H., Ishimura F., Takeda T., Hikuma M. Isolation of polyacrylamidedegrading microorganisms from soil // Biotechnology and bioprocess engineering. 2002. Vol. 7. P. 327-330.

22. Nyyssola A., Ahlgren J. Microbial degradation of polyacrylamide and the deamination product polyacrylate // International Biodeterioration & Biodegradation. 2019. Vol. 139. P. 24-33.

23. Ostrand M.S., DeSutter T.M., Aaron L.M.D., Limb R.F., Steele D.D. Superabsorbent polymer characteristics, properties, and applications // Agrosystems, Geosciences & Environment. 2020. Vol. 3, no. 1. Art. no. e20074.

24. Oksinska M.P., Magnucka E.G., Lejcus K., Jakubiak-Marcinkowska A., Ronka S., Trochimczuk A.W., Pietr S.J. Colonization and biodegradation of the cross-linked potassium polyacrylate component of water absorbing geocomposite by soil microorganisms // Applied Soil Ecology. 2019. Vol. 133. P. 114-123.

25. Phang Y.N., Chee S.Y., Lee C.O., Teh Y.L. Thermal and microbial degradation of alginate-based superabsorbent polymer // Polymer degradation and stability. 2011. Vol. 96, no. 9. P. 1653-1661.

26. Saha A., Rattan B., Sekharan S., Manna U. Quantifying the combined effect of pH and salinity on the performance of water absorbing polymers used for drought management // Journal of Polymer Research. 2021. Vol. 28. P. 1-14.

27. Silva J.S., Braulio C.D.S., Jesus D.S.D., Leite E.D.S., Nóbrega R.S.A., Martins R.P., Nóbrega J.C.A. Hydrogel associated with soil moisture levels in the cultivation of Eucalyptus urograndis //Ciência Florestal. 2024. Vol. 34. Art. no. e73403.

28. Stahl J.D., Cameron M.D., Haselbach J., Aust S.D. Biodegradation of superabsorbent polymers in soil // Environmental Science and Pollution Research. 2000. Vol. 7. P. 83-88.

29. Wilske B., Bai M., Lindenstruth B., Bach M., Rezaie Z., Frede H.-G., Breuer L. Biodegradability of a polyacrylate superabsorbent in agricultural soil // Environmental Science and Pollution Research. 2014. Vol. 21. P. 9453-9460.

30. Zohuriaan-Mehr M.J., Omidian H., Doroudiani S., Kabiri K. Advances in nonhygienic applications of superabsorbent hydrogel materials // Journal of materials science. 2010. Vol. 45. P. 5711-5735.