Кинетическая оценка биодеградабельности гель-формирующих почвенных кондиционеров на базе БПК-анализа

Аннотация

Биодеградация является одним из главных факторов, лимитирующих эффективность и срок службы гель-формирующих почвенных кондиционеров. Исследование количественно оценивает этот процесс с использованием лабораторного анализа биологического поглощения кислорода (БПК) в инновационных композитных суперабсорбентах с акриловой полимерной матрицей, амфифильными агентами (гуматы, торф) и ионами серебра в качестве ингибитора биологической активности. Предложена простая кинетическая модель БПК для стандартизации анализа и расчета периода полураспада полимеров после их инкубации в прецизионных респирометрах VELP (Италия). Период полураспада гидрогелей, набухших в дистиллированной воде (1:100) при температуре 30°C, менялся в диапазоне от 0,8±0,2 до 2,4±1,6 лет. Добавление водного экстракта из компоста резко усиливает биодеградацию и уменьшает период полураспада гидрогелей до 40–60 дней. Дозы 0,1–1% серебра в полимерной матрице или 10–100 ppm в набухших гидрогелях увеличивают период их полураспада в 5–20 раз. Новый методологический подход позволяет полностью автоматически оценивать биодеградацию гель-формирующих полимеров в лабораторных условиях, однако для стабильных материалов с периодом полураспада более 2,5–3 лет точность манометрических анализаторов БПК недостаточна для статистически достоверной оценки кинетики биодеградации даже в длительных (120 дней) инкубационных экспериментах.

Литература

1.Abdelmagid H.M., Tabatabai M.A. Decomposition of Acrylamide in Soils // Journal Environ Quality. 1982. Vol. 11.F
2.Adjuik T.A., Nokes S.E., Montross M.D. Biodegradability of bio-based and synthetic hydrogels as sustainable soil amendments: A review // Journal Appl. Polym. Sci. 2023. e53655. https://doi.org/: 10.1002/app.53655
3.Behera S., Mahanwar P.A. Superabsorbent Polymers in Agriculture and Other Applications: a review // Polym.-Plast. Technol. Mat. 2020. Vol. 59. https://doi.org/: 10.1080/25740881.2019.1647239
4.Campos E.V.R., de Oliveira J.L., Fraceto L.F. et al. Polysaccharides as Safer Release Systems for Agrochemicals // Agron. Sustain. Dev. 2015. Vol. 35.
5.Certini G., Scalenghe R. (ed). Soils: Basic Concepts and Future Challenges. Cambridge, UK, 2006.
6.Cloutier M., Mantovani D., Rosei F. Antibacterial Coatings: Challenges, Perspectives, and Opportunities // Trends Biotechnol. 2015. Vol. 33. https://doi.org/: 10.1016/j.tibtech.2015.09.002
7.Dale T. Total, chemical and biological oxygen consumption of the sediments in Lindaspollence, Western Norway // Mar. Biol. 1978. Vol. 49.
8.De Lucca J., Boue S., Sien T. et al. Silver Enhances the in Vitro Antifungal Activity of the Saponin, CAY-1 // Mycoses. 2011. Vol. 54, e1–e8. 
9.Fontaine S., Mariotti A., Abbadie L. The priming effect of organic matter: A question of microbial competition // Soil Biol. Biochem. 2003. Vol. 35.
10.Rosenkranz F., Chamy R. (ed). Biodegradation – Life of Science // IntechOpen. 2013. https://doi.org/: 10.5772/56222
11.Hiroki A., Hong P.T.T., Nagasawa N. et al.  Biodegradability of Blend Hydrogels Based on Carboxymethyl Cellullose and Carboxymethyl Stach // Trans. Mater. Res. Soc. 2011. Vol. 36. 
12.Kay-Shoemake J.L., Watwood M.E., Sojka R.E. et al. Polyacrylamide as a Substrate for Microbial Amidase in Culture and in Soil // Soil Biol. Biochem. 1998. Vol. 30.
13.Kim S.W., Jung J.H., Lamsal K. et al. Antifungal effect of silver nanoparticles (AgNPs) against various plant pathogenic fungi // Mycobiology. 2001. Vol. 40.
14.Lande S.S., Bosch S.J., Howard P.H. Degradation and Leaching of Acrylamide in soil // Journal Environ. Qual. 1979. Vol. 8.
15.Langdon K.A., McLaughlin M.J., Kirby J.K. et al. Influence of Soil Properties and Soil Leaching on the Toxicity of Ionic Silver to Plants // Env. Toxicol. Chem. 2015. Vol. 34. https://doi.org/: 10.1002/etc.3067
16.Lentz R.D., Andrawes F.F., Barvenik F.W. et al. Acrylamide Monomer Leaching from Polyacrylamide-treated Irrigation Furrows. // Journal Environ. Qual. 2008. Vol. 37. https://doi.org/:10.2134/jeq2007.0574
17.Linden A.M.A., van der Boesten J.J.T.I., Brock T.C.M. et al. Evaluation of the 2006 proposal for risk assessment of persistence of plant protection products in soil. RIVM Report 601712002/2008. https://www.rivm.nl, 2008.
18.LLC EKOS-1. https://www.ekos-1.ru (accessed on 01 Feb. 2023).
19.Ostrand M.S., DeSutter T.M., Daigh A.L.M. et al. Superabsorbent polymer characteristics, properties, and applications // Agrosyst Geosci Environ. 2020. Vol. 3. e20074. https://doi.org/: 10.1002/agg2.20074
20.PASCO Scientific.  https://www.pasco.com (accessed on 21 Feb. 2023).
21.Patel P.N., Parmar Kh.G. Nakum A.N. et al. Biodegradable Polymers: An Ecofriendly Approach. In: Newer Millenium // Asian J. Biomed. Pharm. Sci. 2011. Vol. 1.
22.Puoci F., Iemma F., Spizzirri U.G. et al. Polymer in Agriculture: А Review // Am. J. Agri. & Biol. Sci. 2008. Vol. 3. https://doi.org/: 10.3844/ajabssp.2008.299.314
23.Rai M.K., Deshmukh S.D., Ingle A.P. et al. Silver Nanoparticles: Тhe Powerful Nanoweapon Against Multidrug-Resistant Bacteria // Journal of Applied Microbiology. 2012. Vol. 112. https://doi.org/: 10.1111/j.1365-2672.2012.05253.x
24.Sannino A., Demitri Ch., Madaghiele M. Biodegradable Cellulose-based Hydrogels: Design and Applications // Materials. 2009. Vol. 2. https://doi.org/:10.3390/ma2020353
25.Shanker R., Ramakrishna C., Seth P.K. Microbial Degradation of Acrylamide Monomer // Arch. Microb. 1990. Vol. 154.
26.Schlich K., Klawonn Th., Terytze K. et al. Effects of Silver Nanoparticles and Silver Nitrate in the Earthworm Reproduction Test // Env. Toxicol. Chem. 2013. Vol. 32. https://doi.org/: 10.1002/etc.2030 
27.Smagin A.V., Smagina M.V., Sadovnikova N.B. Biological Oxygen Demand in Soils and Litters // Eurasian Soil Science. 2018. Vol. 51. https://doi.org/: 10.1134/S1064229318010143
28.Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Vasenev V.I. et al. Biodegradation of Some Organic Materials in Soils and Soil Constructions: Experiments, Modeling and Prevention // Materials. 2018. Vol. 11, ID 1889. https://doi.org/:10.3390/ma11101889
29.Smagin A., Sadovnikova N., Smagina M. Synthetic Gel Structures in Soils for Sustainable Potato Farming // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. ID 18588. https://doi.org/:10.1038/s41598-019-55205-8
30.Smagin A.V., Budnikov V.I., Sadovnikova N.B. et al. Gel-Forming Soil Conditioners of Combined Action: Laboratory Tests for Functionality and Stability // Polymers. 2022. Vol. 14. ID 4665. https://doi.org/: 10.3390/polym14214665
31.Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Belyaeva E.A. Hygroscopicity of gel-forming composite materials: thermodynamic assessment and technological significance // Journal Compos. Sci. 2022. Vol. 6. https://doi.org/: 10.3390/jcs6090269
32.SNF water science. https://www.snf.com (accessed on 01 Feb. 2023).
33.Sojka R.E., Entry J.A. Influence of Polyacrylamide Application to Soil on Movement of Microorganisms in Runoff Water // Environ. Pollut. 2000. Vol. 108.
34.Turioni C., Guerrini G., Squartini A. et al. Biodegradable Hydrogels: Evaluation of Degradation as a Function of Synthesis Parameters and Environmental Conditions // Soil Syst. 2021. Vol. 5. ID 47. https://doi.org/: 10.3390/soilsystems5030047
35.VELP Scientifica. https://www.velp.com/en-us/respirometric-sensor-system-for-soil-analysis.aspx (accessed on 01 Feb. 2023).
36.Venkatachalam D., Kaliappa S. Superabsorbent polymers: A state-of-art review on their classification, synthesis, physicochemical properties, and applications // Rev. Chem. Eng. 2021. Vol. 39. https://doi.org/: 10.1515/revce-2020-0102
37.WTW – Laboratory & Process Instrumentation. https://www.wtw.com (accessed on 01 Feb. 2023).
38.Xiong B., Loss R.D., Shields D. et al. Polyacrylamide degradation and its implications in environmental systems // Clean Water. 2018. Vol. 1. https://doi.org/: 10.1038/s41545-018-0016-8
39.Xue Y., Xiao H., Zhang Y. Antimicrobial Polymeric Materials with Quaternary Ammonium and Phosphonium Salts // Int. J. Mol. Sci. 2015. Vol. 16. https://doi.org/: 10.3390/ijms16023626
40.Zohuriaan-Mehr M. J., Kabiri K. Superabsorbent polymer materials: A review // Iran. Polym. Journal. 2008. Vol. 17.