В современном сельском хозяйстве большую роль играет качество используемой почвы, которое неуклонно падает из-за интенсивной ветровой эрозии. Из-за этого в Казахстане и ряде других стран приняты госпрограммы по мелиорации почв и защите сельскохозяйственных земель от опустынивания. (Бимендина Г. А., 2020 136-141) Одним из способов борьбы с эрозией является применение полимерных структурообразователей, которые укрепляют почву. (Novoskoltseva O. et al., 2022) (Wang L., 2023)
В ряде работ рассматривалось применение полимеров и ИПЭК для задач структурирования почвы и борьбы с эрозией.
В данной статье в качестве объекта исследования был взят ИПЭК из Na-КМЦ и хитозана, демонстрирующий высокую прочность своих плёнок. (Klivenko A. et al., 2020) Была измерена его глубина проникновения в почву и эффективность применения в борьбе с эрозией.
Средняя молекулярная масса Na-КМЦ и хитозана была определена вискозиметрическим методом, описанным в источнике. (Klivenko A. et al., 2020)
Степень замещения Na-КМЦ определялась согласно методике, описанной в источнике (Moussa I. et al., 2019), с той разницей, что вместо кислотно-основного титрования количество натрия в образце определяли с помощью пламенного фотометра.
Степень деацетилирования хитозана определяли потенциометрическим титрованием, используя методику, описанную в (Klivenko A. et al., 2020).
Определили, что средняя молекулярная масса натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы – 91551 г/моль, а его степень замещения равна 0.9.
Определили, что средняя молекулярная масса хитозана составляет 228 кДа.
Определили, что степень деацитилирования хитозана составляет 45,92%.
Для дальнейших опытов приготовили флуоресцентно-меченый образец Na-КМЦ. Для приготовления использовали EDAC (Hermanson G., 2008, 215-216), флуоресцеинамин и ацетон. Для этого 0,8920 натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы растворили в 40 мл воды и после растворения этот раствор перенесли в 250 мл колбу. К раствору добавили 0.077 г EDAC и дождались его полного растворения. После этого в реакционную смесь добавили 0.022 г флуоресцеинамина, которые предварительно растворили в 1 мл ацетона. Колбу установили на магнитную мешалку, предварительно покрыв её фольгой, чтобы избежать попадания солнечных лучей. Держали колбу на магнитной мешалке на протяжении 3 часов. После перемешивания содержимое колбы было перемещено в химический стакан с 400 мл ацетона. Образовался осадок, который отделяли с помощью вакуумной фильтрации на бумажном фильтре. После фильтрации фильтрат переносили на диализную мембрану (8 кДа) и выдерживали на протяжении 5 дней. При этом каждые 8-10 часов производилась замена воды. Полученный раствор полимера лиофилизировали (высушили при малой температуре и пониженном давлении). Получили полимер с желтым окрасом и волокнистой структурой.
В качестве почвы брали почву с округа города Семей. Почва была высушена и с помощью сита из почвы были удалены все частицы с размерностью больше 0.5 мм.
Для определения глубины проникновения полимеров в почву провели следующий опыт:
Со стандартного медицинского шприца объёмом 50 мл срезают верхнюю часть. Поршень шприца выдвигается на дистанцию примерно 2,5 см. В шприц через срезанную верхнюю часть засыпается слой почвы высотой примерно 2 см. Почва покрывалась растворами полимеров. Применялись следующие растворы и концентрации:
• 1 мл Na-КМЦ с концентрацией 10 г/л,
• 1 мл Na-КМЦ с концентрацией 1 г/л,
• 0.3 мл хитозана с концентрацией 10 г/л + 0.7 мл Na-КМЦ с концентрацией 10 г//л,
• 0.3 мл хитозана с концентрацией 1 г/л + 0.7 мл Na-КМЦ с концентрацией 1 г/л.
После этого пробу почвы оставляли высыхать на протяжении 8 часов. Высохшие пробы с помощью поршня шприца выдавливали на предметное стекло. При этом проба ложилась на предметное стекло своей верхней частью, на которую был нанесён полимер. После вынимания пробы из шприца пробу разрезали лезвием бритвы с помощью резкого движения сверху вниз, дабы избежать размазывания полимера. После этого пробу фотографировали в свете ультрафиолетовой лампы. На основе визуальной оценки срезов полимеров определили, что полимеры проникаю в почву на глубину менее 10 миллиметра (рис. 1).
В ряде работ рассматривалось применение полимеров и ИПЭК для задач структурирования почвы и борьбы с эрозией.
В данной статье в качестве объекта исследования был взят ИПЭК из Na-КМЦ и хитозана, демонстрирующий высокую прочность своих плёнок. (Klivenko A. et al., 2020) Была измерена его глубина проникновения в почву и эффективность применения в борьбе с эрозией.
Средняя молекулярная масса Na-КМЦ и хитозана была определена вискозиметрическим методом, описанным в источнике. (Klivenko A. et al., 2020)
Степень замещения Na-КМЦ определялась согласно методике, описанной в источнике (Moussa I. et al., 2019), с той разницей, что вместо кислотно-основного титрования количество натрия в образце определяли с помощью пламенного фотометра.
Степень деацетилирования хитозана определяли потенциометрическим титрованием, используя методику, описанную в (Klivenko A. et al., 2020).
Определили, что средняя молекулярная масса натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы – 91551 г/моль, а его степень замещения равна 0.9.
Определили, что средняя молекулярная масса хитозана составляет 228 кДа.
Определили, что степень деацитилирования хитозана составляет 45,92%.
Для дальнейших опытов приготовили флуоресцентно-меченый образец Na-КМЦ. Для приготовления использовали EDAC (Hermanson G., 2008, 215-216), флуоресцеинамин и ацетон. Для этого 0,8920 натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы растворили в 40 мл воды и после растворения этот раствор перенесли в 250 мл колбу. К раствору добавили 0.077 г EDAC и дождались его полного растворения. После этого в реакционную смесь добавили 0.022 г флуоресцеинамина, которые предварительно растворили в 1 мл ацетона. Колбу установили на магнитную мешалку, предварительно покрыв её фольгой, чтобы избежать попадания солнечных лучей. Держали колбу на магнитной мешалке на протяжении 3 часов. После перемешивания содержимое колбы было перемещено в химический стакан с 400 мл ацетона. Образовался осадок, который отделяли с помощью вакуумной фильтрации на бумажном фильтре. После фильтрации фильтрат переносили на диализную мембрану (8 кДа) и выдерживали на протяжении 5 дней. При этом каждые 8-10 часов производилась замена воды. Полученный раствор полимера лиофилизировали (высушили при малой температуре и пониженном давлении). Получили полимер с желтым окрасом и волокнистой структурой.
В качестве почвы брали почву с округа города Семей. Почва была высушена и с помощью сита из почвы были удалены все частицы с размерностью больше 0.5 мм.
Для определения глубины проникновения полимеров в почву провели следующий опыт:
Со стандартного медицинского шприца объёмом 50 мл срезают верхнюю часть. Поршень шприца выдвигается на дистанцию примерно 2,5 см. В шприц через срезанную верхнюю часть засыпается слой почвы высотой примерно 2 см. Почва покрывалась растворами полимеров. Применялись следующие растворы и концентрации:
• 1 мл Na-КМЦ с концентрацией 10 г/л,
• 1 мл Na-КМЦ с концентрацией 1 г/л,
• 0.3 мл хитозана с концентрацией 10 г/л + 0.7 мл Na-КМЦ с концентрацией 10 г//л,
• 0.3 мл хитозана с концентрацией 1 г/л + 0.7 мл Na-КМЦ с концентрацией 1 г/л.
После этого пробу почвы оставляли высыхать на протяжении 8 часов. Высохшие пробы с помощью поршня шприца выдавливали на предметное стекло. При этом проба ложилась на предметное стекло своей верхней частью, на которую был нанесён полимер. После вынимания пробы из шприца пробу разрезали лезвием бритвы с помощью резкого движения сверху вниз, дабы избежать размазывания полимера. После этого пробу фотографировали в свете ультрафиолетовой лампы. На основе визуальной оценки срезов полимеров определили, что полимеры проникаю в почву на глубину менее 10 миллиметра (рис. 1).
Рис. 1 Срез образца почвы, покрытой флуоресцентно-меченной Na-КМЦ
Влияние покрытий на ветровую эрозию почвы проверяли с помощью специальной ветровой установки, создающей ветер со скоростью до 12 метров в секунду. Для опыта приготовили 21 пробу почвы и обработали их следующим образом:
3 пробы равномерно покрыли 20 мл воды и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 20 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 20 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 5*10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 20 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-3 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 6 мл раствора хитозана с концентрацией 10-4 моль/л, затем покрыли 14 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 6 мл раствора хитозана с концентрацией 5*10-4 моль/л, затем покрыли 14 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 5*10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 6 мл раствора хитозана с концентрацией 10-3 моль/л, затем покрыли 14 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-3 моль/л и сушили на протяжении 8 часов.
После подготовки каждую из проб устанавливали в ветровую установку и держали в ней на протяжении 1 минуты при максимально сильном ветре. Замеряли массы проб до и после опыта. Полученные данные обработали по формуле:
3 пробы равномерно покрыли 20 мл воды и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 20 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 20 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 5*10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 20 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-3 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 6 мл раствора хитозана с концентрацией 10-4 моль/л, затем покрыли 14 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 6 мл раствора хитозана с концентрацией 5*10-4 моль/л, затем покрыли 14 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 5*10-4 моль/л и сушили на протяжении 8 часов;
3 пробы равномерно покрыли 6 мл раствора хитозана с концентрацией 10-3 моль/л, затем покрыли 14 мл раствора Na-КМЦ с концентрацией 10-3 моль/л и сушили на протяжении 8 часов.
После подготовки каждую из проб устанавливали в ветровую установку и держали в ней на протяжении 1 минуты при максимально сильном ветре. Замеряли массы проб до и после опыта. Полученные данные обработали по формуле:
Где m1 и m2 - массы до и после опыта, R – радиус чашки Петри, в которой была проба почвы, а x –удельный унос массы почвы. Полученные значения нанесли на график (рис. 2), который наглядно показывает эффект полимеров в защите почвы от эрозии. Структурообразователь из смеси хитозана и Na-КМЦ в концентрации 10-3 моль/л обладает наилучшим эффектом в борьбе с ветровой эрозией.
Рис. 2 Влияние полимеров на устойчивость почвы к ветровой эрозии
Список использованной литературы:
1. Hermanson G. Bioconjugate Techniques, 2nd Edition, Rockfold, USA, Elsevier, 2008, pages 215-216
2. Klivenko A, Orazzhanova L, Mussabayeva B, Yelemessova G, Kassymova Z. Soil structuring using interpolyelectrolyte complexes of water-soluble polysaccharides. Polym Adv Technol. 2020;1–10. https://doi.org/10.1002/pat.5053
3. Moussa, Ibtissem & Khiari, Ramzi & Moussa, Ali & Belgacem, Naceur & Mhenni, M.F.. (2019). Preparation and Characterization of Carboxymethyl Cellulose with a High Degree of Substitution from Agricultural Wastes. Fibers and Polymers. 20. 933-943. 10.1007/s12221-019-8665-x.
4. Novoskoltseva, O.A.; Belov, A.A.; Loiko, N.G.; Nikolaev, Y.A.; Panova, I.G.; Yaroslavov, A.A. Biodegradable Interpolycomplexes for Anti-Erosion Stabilization of Soil and Sand. Polymers 2022, 14, 5383. https://doi.org/10.3390/polym14245383
5. Wang, L.; Yao, Y.; Li, J.; Liu, K.; Wu, F. A State-of-the-Art Review of Organic Polymer Modifiers for Slope Eco-Engineering. Polymers 2023, 15, 2878. https://doi.org/10.3390/polym15132878
6. Сводный аналитический отчёт о состоянии и использовании земель Республики Казахстан за 2019 год, Нур-Султан, 2020