Kinetic Assessment of the Biodegradability of Gel-Forming Soil Conditioners in Incubation Experiments with Instrumental Monitoring of Carbon Dioxide

A. V. Smagin; Смагин А. В.; N. B. Sadovnikova; Садовникова Н. Б.; E. A. Belyaeva; Беляева Е. А.; K. V. Korchagina; Корчагина К. В.; A. A. Kokoreva; Кокорева А. А.; V. N. Krivtsova; Кривцова В. Н.

doi:10.31857/S0032180X23600932

Кинетическая оценка способности к биодеградации гельформирующих почвенных кондиционеров в инкубационных экспериментах с инструментальным мониторингом диоксида углерода

Авторы: Смагин А.В.¹^,2, Садовникова Н.Б.¹^,2, Беляева Е.А.², Корчагина К.В.², Кокорева А.А.¹^,2, Кривцова В.Н.¹^,2
Учреждения:
1. МГУ им. М.В. Ломоносова
2. Институт лесоведения РАН
Выпуск: № 12 (2023)
Страницы: 1654-1670
Раздел: ФИЗИКА ПОЧВ
URL: https://journals.rcsi.science/0032-180X/article/view/232254
DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X23600932
EDN: https://elibrary.ru/DQVQXA
ID: 232254

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Количественное изучение способности полимерных почвенных кондиционеров к биодеградации необходимо для обоснованного прогноза их устойчивости и функционирования в почвах. Предложен новый методологический подход на базе инструментального оборудования PASCO (США), позволяющего регистрировать непрерывные кинетические кривые эмиссии СО₂ в лабораторных экспериментах по инкубации композитных гельформирующих почвенных кондиционеров. Выявлены несколько характерных типов респирационных кривых и предложены новые физически обоснованные модели для их описания с последующим расчетом периодов полураспада композитных гидрогелей. Впервые показана возможность быстрой биодеградации почвенных кондиционеров – суперабсорбентов влаги на основе полимерной акриловой матрицы, традиционно считающихся не биодеградабельными, при введении в их жидкую фазу биологически активного компостного экстракта. При такой обработке, приближающей лабораторные эксперименты к реальным почвенным условиям, периоды полураспада как известных европейских суперабсорбентов Aquasorb, Zeba, так и российских гидрогелей Aquapastus снижались на порядок от исходных значений 2–6 лет до 0.1–0.3 года. На практике это может негативно сказываться на рентабельности применения таких материалов для кондиционирования почв из-за их быстрого разрушения и потери функциональности. Внедрение ионов серебра в инновационные композитные суперабсорбенты Aquapastus в дозе 0.1% или 10 ppm в набухших гелевых структурах эффективно снижает их биодеградцию, пролонгируя период полураспада до 10 лет и более, что вдвое превышает немецкий стандарт DüMV 05.12.12 к устойчивости полимерных мелиорантов.

Ключевые слова

эмиссия СО₂, гелевые суперабсорбенты, период полураспада, процессное моделирование

Список литературы

Долгоносов Б.М. Нелинейная динамика экологических и гидрологических процессов. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2009. 440 с.
Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 294 с.
Abdelmagid H.M., Tabatabai M.A. Decomposition of Acrylamide in Soils // J. Environ Qual. 1982. V. 11. P. 701–704.
Adjuik T.A., Nokes S.E., Montross M.D. Biodegradability of bio-based and synthetic hydrogels as sustainable soil amendments: A review // J. Appl. Polym. Sci. 2023. P. e53655. https://doi.org/10.1002/app.53655
Al-Darby A.M. The hydraulic properties of a sandy soil treated with gel-forming soil conditioner // Soil Technol. 1996. V. 9. P. 15–28.
Al-Darby A.M., Al-Asfoor S.I., El-Shafei Y.Z. Effect of soil gel-conditioner on the hydrophysical properties of sandy soil // J. Saudi Soc. Agric. Sci. 2002. V. 1. P. 14–40.
Baldera-Moreno Y., Pino V., Farres A., Banerjee A., Gordillo F., Andler R. Biotechnological aspects and mathematical modeling of the biodegradation of plastics under controlled conditions // Polymers. 2022. V. 14. P. 375. https://doi.org/10.3390/polym14030375
Banedjschafie S., Durner W. Water retention properties of a sandy soil with superabsorbent polymers as affected by aging and water quality // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2015. V. 178. P. 798–806.
Behera S., Mahanwar P.A. Superabsorbent polymers in agriculture and other applications: a review // Polym. Plast.Technol. Mat. 2020. V. 59. P. 341–356. https://doi.org/10.1080/25740881.2019.1647239
Campos E.V.R., de Oliveira J.L., Fraceto L.F. applications of controlled release systems for fungicides, herbicides, acaricides, nutrients, and plant growth hormones: a review // Adv. Sci. Eng. Med. 2014. V. 6. P. 373–387. https://doi.org/10.1166/asem.2014.1538
Campos E.V.R., de Oliveira J.L., Fraceto L.F., Singh B. Polysaccharides as safer release systems for agrochemicals // Agron. Sustain. Dev. 2015. V. 35. P. 47–66.
Cloutier M., Mantovani D., Rosei F. Antibacterial coatings: challenges, perspectives, and opportunities // Trends Biotechnol. 2015. V. 33. P. 637–651. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.09.002
Croll B.T., Arkell G.M., Hodge R.P.J. Residues of acrylamide in water // Water Research. 1974. V. 8. № 11. P. 989–93.
De Lucca J., Boue S., Sien T., Cleveland T.E., Walsh T.J. Silver Enhances the in Vitro Antifungal Activity of the Saponin, CAY-1 // Mycoses. 2011. V. 54. P. e1–e8.
El-Rehim H.A.A., Hegazy E.S.A., El-Mohdy H.L.A. Radiation Synthesis of Hydrogels to Enhance Sandy Soils Water Retention and Increase Plant Performance // J. Appl. Polym. Sci. 2004. V. 93. P. 1360–1371.
Fontaine S., Mariotti A., Abbadie L. The priming effect of organic matter: A question of microbial competition? // Soil Biol. Biochem. 2003. V. 35. P. 837–843.
Hennecke D., Bauer A., Herrchen M., Wischerhoff E., Gores F. Cationic polyacrylamide copolymers (PAMs): environmental half life determination in sludgetreated soil // Environ. Sci. Eur. 2018. V. 30. P. 16. https://doi.org/10.1186/s12302-018-0143-3
Hiroki A., Hong P.T.T., Nagasawa N., Tamada M. Biodegradability of blend hydrogels based on carboxymethyl cellullose and carboxymethyl stach // Trans. Mater. Res. Soc. 2011. V. 36. P. 397–400
Kingsland S. The RefractoryModel: the logistic curve and the history of population ecology // Q. Rev. Biol. 1982. V. 57. P. 29–52.
Kim S.W., Jung J.H., Lamsal K., Kim Y.S., Min J.S., Lee Y.S. Antifungal effect of silver nanoparticles (AgNPs) against various plant pathogenic fungi // Mycobiology. 2012. V. 40. P. 53–58.
Lande S.S., Bosch S.J., Howard P.H. Degradation and Leaching of Acrylamide in soil // J. Environ. Qual. 1979. V. 8. P. 133–137.
Langdon K.A., McLaughlin M.J., Kirby J.K., Merrington G. Influence of soil properties and soil leaching on the toxicity of ionic silver to plants // Env. Toxicol. Chem. 2015. V. 34. P. 2503–2512. https://doi.org/10.1002/etc.3067
Larson R.L. Estimation of biodegradation potential of xenobiotic organic chemicals // Appl. Environ. Microbiol. 1979. V. 38. № 6. P. 1153–1161.
Lentz R.D., Andrawes F.F., Barvenik F.W., Koehn A.C. Acrylamide Monomer leaching from polyacrylamide-treated irrigation furrows // J. Environ. Qual. 2008. V. 37. P. 2293–2298. https://doi.org/10.2134/jeq2007.0574
Nyyssola A., Ahlgren J. Microbial degradation of polyacrylamide and the deamination product polyacrylate // Int. Biodeterioration Biodegradation. 2019. V. 139. P. 24–33. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2019.02.005
Novoskoltseva O.A., Panova I.G., Loiko N.G., Nikolaev Y.A., Litmanovich E.A., Yaroslavov A.A. Polyelectrolytes and Polycomplexes for Stabilizing Sandy Grounds // Polym. Sci. Ser. B. 2021. V. 63. P. 488–495. https://doi.org/10.1134/S1560090421050092
Oksinska M.P., Magnucka E.G., Lejcus K., Pietr S.J. Biodegradation of the cross-linked copolymer of acrylamide and potassium acrylate by soil bacteria // Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2016. V. 23. № 6. P. 5969. https://doi.org/10.1007/s11356-016-6130-6
Ostrand M.S., DeSutter T.M., Daigh A.L.M., Limb R.F., Steele D.D. Superabsorbent polymer characteristics, properties, and applications. // Agrosyst Geosci Environ. 2020. V. 3. P. e20074. https://doi.org/10.1002/agg2.20074
Patel P.N., Parmar Kh.G., Nakum A.N., Patel M.N., Patel P.R., Patel V.R., Sen D.J. Biodegradable polymers: an ecofriendly approach in newer millenium // Asian J. Biomed. Pharm. Sci. 2011. V. 1. № 3. P. 23–39.
Puoci F., Iemma F., Spizzirri U.G., Cirillo G., Curcio M., Picci N. Polymer in agriculture: a review // Am. J. Agri. Biol. Sci. 2008. V. 3. P. 299–314. https://doi.org/10.3844/ajabssp.2008.299.314
Rai M.K., Deshmukh S.D., Ingle A.P., Gade A.K. Silver Nanoparticles: the powerful nanoweapon against multidrug-resistant bacteria // J. Appl. Microbiol. 2012. V. 112. P. 841–852. https://doi.org/10.1111/j.13652672.2012.05253.x
Rosenkranz F., Chamy R. (ed.) Biodegradation – life of science. pontificial catholic university of valparaiso publ // Chile. 2013. https://doi.org/10.5772/56222
Sannino A., Demitri Ch., Madaghiele M. Biodegradable cellulose-based hydrogels: design and applications // Materials. 2009. V. 2. P. 353–373. https://doi.org/10.3390/ma2020353
Shahid S.A., Qidwai A.A., Anwar F., Ullah I., Rashid U. Improvement in the water retention characteristics of sandy loam soil using a newly synthesized poly(acrylamide-co-acrylic acid)/AlZnFe2O4 superabsorbent hydrogel nanocomposite material // Molecules 2012. V. 17. P. 9397–9412. https://doi.org/10.3390/molecules17089397
Shanker R., Ramakrishna C., Seth P.K. Microbial degradation of acrylamide monomer // Arch. Microb. 1990. V. 154. P. 192–198.
Schlich K., Klawonn Th., Terytze K., Hund-Rinke K. Effects of silver nanoparticles and silver nitrate in the earthworm reproduction test // Env. Toxicol. Chem. 2013. V. 32. P. 181–187. https://doi.org/10.1002/etc.2030
Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Smagina M.V. Biodestruction of strongly swelling polymer hydrogels and its effect on the water retention capacity of soils // Eurasian Soil Sci. 2014. V. 47. № 6. P. 591–597. https://doi.org/10.1134/S1064229314060088
Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Vasenev V.I., Smagina M.V. Biodegradation of some organic materials in soils and soil constructions: experiments, modeling and prevention // Materials. 2018. V. 11. P. 1889. https://doi.org/10.3390/ma11101889
Smagin A., Sadovnikova N., Smagina M. Synthetic Gel structures in soils for sustainable potato farming // Scientific Reports. 2019. V. 9. P. 18588. https://doi.org/10.1038/s41598-019-55205-8
Smagin A.V., Budnikov V.I., Sadovnikova N.B., Kirichenko A.V., Belyaeva E.A., Krivtsova V.N. Gel-forming soil conditioners of combined action: laboratory tests for functionality and stability // Polymers. 2022. V. 14. P. 4665. https://doi.org/10.3390/polym14214665
Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Belyaeva E.A., Krivtsova V.N., Shoba S.A., Smagina M.V. Gel-forming soil conditioners of combined action: field trials in agriculture and urban landscaping // Polymers. 2022. V. 14. P.5131. https://doi.org/10.3390/polym14235131
Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Belyaeva E.A. Hygroscopicity of gel-forming composite materials: thermodynamic assessment and technological significance // J. Compos. Sci. 2022. V. 6. P. 269. https://doi.org/10.3390/jcs6090269
Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Budnikov V.I. Biodegradation of aqueous superabsorbents: kinetic assessment using biological oxygen demand analysis // J. Compos. Sci. 2022. V. 7. P. 164. https://doi.org/10.3390/jcs7040164
Sojka R.E., Entry J.A. Influence of polyacrylamide application to soil on movement of microorganisms in runoff water // Environ. Pollut. 2000. V. 108. P. 405–412.
Turioni C., Guerrini G., Squartini A., Morari F., Maggini M., Gross S. Biodegradable Hydrogels: Evaluation of degradation as a function of synthesis parameters and environmental conditions // Soil Syst. 2021. V. 5. P. 47. https://doi.org/10.3390/soilsystems5030047
Venkatachalam D., Kaliappa S. Superabsorbent polymers: A state-of-art review on their classification, synthesis, physicochemical properties, and applications // Rev. Chem. Eng. 2021. V. 39. P. 1–45. https://doi.org/10.1515/revce-2020-0102
Wilske B., Bai M., Lindenstruth B., Bach M., Rezaie Z., FredeH.-G., Breuer L. Biodegradability of a polyacrylate superabsorbent in agricultural soil // Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. V. 21. №16. P. 9453–9460. https://doi.org/10.1007/s11356-013-2103-1
Wu L., Liu M., Rui-Liang R.L. Preparation and Properties of a Double-coated slow-release NPK compound fertilizer with superabsorbent and water-retention // Biores. Technol. 2008. V. 99. P. 547–554. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.12.027
Xiong B., Loss R.D., Shields D., Pawlik T., Hochreiter R., Zydney A.L., Kumar M. Polyacrylamide degradation and its implications in environmental systems. Clean Water. 2018. V. 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41545-018-0016-8
Xue Y., Xiao H., Zhang Y. Antimicrobial polymeric materials with quaternary ammonium and phosphonium salts // Int. J. Mol. Sci. 2015. V. 16. P. 3626–3655. https://doi.org/10.3390/ijms16023626
Yang L., Yang Y., Chen Z. Influence of super absorbent polymer on soil water retention, seed germination and plant survivals for rocky slopes eco-engineering // Ecol. Eng. 2014. V. 62. P. 27–32. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2013.10.019
Zhao L., Bao M., Yan M., Lu. J. Kinetics and thermodynamics of biodegradation of hydrolyzed polyacrylamide under anaerobic and aerobic conditions // Bioresour. Technol. 2016. V. 216. P. 95–104. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.05.054
Zohuriaan-Mehr M.J., Kabiri K. Superabsorbent polymer materials: A review // Iran. Polym. J. 2008. V. 17. P. 451–477.