CC BY
1
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
УДК 631.4
DOI:10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-36-49
КИНЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БИОДЕГРАДАБЕЛЬНОСТИ ГЕЛЬ-ФОРМИРУЮЩИХ ПОЧВЕННЫХ КОНДИЦИОНЕРОВ НА БАЗЕ БПК-АНАЛИЗА
А. В. Смагин1'2*, Н. Б. Садовникова1, К. В. Корчагина2, Е. А. Беляева2
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
2 Институт лесоведения РАН, 143030, Россия, Московская обл., Одинцовский г. о., с. Успенское, ул. Советская, 21 * Е-шаП: smagin@list.ru
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°С, 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 ррш 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.
Ключевые слова: биодеградация, инкубационный эксперимент, биологическое поглощение кислорода, биологическая кинетика, процессное моделирование.
Введение
Биодеградация во многом определяет срок службы и эффективность функционирования синтетических полимеров в окружающей среде. Множество факторов контролируют биодеградацию — от химического состава и строения самих органических материалов до наличия организмов-деструкторов и их ферментов, а также подходящих условий окружающей среды, таких как температура, влажность, рН, окислительно-восстановительный потенциал, дисперсность и глубина локализации полимеров в почве [Certini, Scalenghe, 2006; Patel et al., 2011; Rosenkranz, Chamy, 2013; Smagin et al., 2018]. Поэтому нередко химически стабильные полимерные материалы разлагаются неожиданно быстро, попадая в биологически и биохимически активные среды, например, почвы, устройства для компостирования органических отходов, аэро- и метантенки городской водоочистки [Dale, 1978; Rosenkranz, Chamy, 2013; Smagin et al., 2018]. Информация о стойкости органических материалов к биологическому разложению, очевидно, весьма актуальна для искусственно создаваемых полимер-
ных материалов, поскольку она необходима для научного прогнозирования срока их службы и функционирования в окружающей природной среде. Однако лишь немногие синтетические материалы и препараты проходят обязательную количественную сертификацию для оценки их биодеградабельности (периода полураспада) в естественных и антропогенных ландшафтах. Из геоматериалов и препаратов для почв и растительности обычно лишь синтетические пестициды подлежат обязательной сертификации на устойчивость к биодеградации [Linden et al., 2008; Rosenkranz, Chamy, 2013]. Для кондиционеров почвы, включая полимерные композитные гидрогели (суперабсорбенты), подобные исследования пока довольно редки [Smagin et al., 2018, 2022; Adjuik, Nokes, 2023]. Имеющаяся информация о биодеградации синтетических суперабсорбентов противоречива, и традиционное разделение таких материалов на «биоразлагаемые» (обычно биополимеры-полисахариды и композитные гели на их основе) и «не биодеградабельные» (обычно синтетические акриловые, акриламидные, акри-лонитриловые и другие полимеры) рядом авторов ставится под сомнение [Puoci et al., 2008; Smagin et
мшв
© Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Корчагина К.В., Беляева Е.А., 2023 36
al., 2018; Behera, Mahanwar, 2020; Ostrand et al., 2020; Adjuik, Nokes, 2023]. По выбранным в качестве объекта нашего исследования акриловым композитным суперабсорбентам в ряде публикаций сообщается об их чрезвычайно высокой стойкости к биодеградации [Lentz et al., 2008; Ostrand et al., 2020], в то время как другие источники опровергают эти факты и указывают на возможность весьма быстрой биодеградации этих материалов в окружающей среде [Smagin et al., 2018, 2022; Adjuik, Nokes, 2023].
Такая неопределенность может быть объяснена, на наш взгляд, отсутствием унифицированных адекватных методов и моделей для количественной оценки способности органических материалов к биологическому разложению. В частности, хорошо зарекомендовавший себя метод анализа биологического или биохимического поглощения кислорода (БПК) [Dale, 1978; Smagin et al., 2018] для оценки качества водных объектов и биодеструкции органики в сточных водах, иловых осадках с использованием удобного автоматического оборудования практически не применяется для оценки биодеградабельно-сти гель-формирующих синтетических полимеров и композитов, предназначенных для кондиционирования почвы и геоинженерии.
В связи с этим целью нашего исследования была выбрана количественная экспериментальная оценка биодеградации композиционных материалов-суперабсорбентов для улучшения водоудержи-вающей способности почв с использованием автоматических манометрических анализаторов БПК для почв (VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 for Soils). Основные задачи включали адаптацию респирометрической сенсорной системы VELP к исследованиям БПК гидрогелей со стандартизацией условий анализа, разработку и верификацию кинетической модели биодеградации гидрогелей для расчета базового показателя их периода полураспада (халф-лайф), а также сравнительный анализ био-деградабельности различных гель-формирующих почвенных кондиционеров, включая инновационные материалы с серебром, встроенным в полимерную матрицу. Новая методология на основе прецизионных манометрических БПК-анализаторов VELP применена для сравнительной экспериментальной оценки биодеградабельности композитных гель-формирующих почвенных кондиционеров. Эксперименты впервые выявили сильный контраст между значениями периода полураспада чистых гидрогелей, набухших в дистиллированной воде, и гелей аналогичного химического состава, которые набухали в водной среде с добавлением компостного экстракта. Во втором случае устойчивость гидрогелей к биодеградации резко снижается, что позволило высказать гипотезу о возможной биодеградабельности в реальных почвенно-эколо-гических условиях синтетических акриловых гидрогелей, ранее считавшихся большинством исследова-
телей «не биодеградабельными». Также впервые на основе длительных инкубационных экспериментов показано, что введение ионов серебра в полимерную матрицу эффективно ингибирует биодеградацию и продлевает период полураспада композиционных гель-формирующих материалов для кондиционирования почв. Разработанная методология и полученные на ее основе результаты представляют интерес для широкого круга специалистов от химиков-технологов и биохимиков до агротехнологов и ландшафтных инженеров, занимающихся конструированием почв с использованием инновационных композитных материалов-суперабсорбентов для повышения водоудерживающей способности, проти-воэрозионной и антипатогенной защиты почвы, оптимизации водно-минерального корневого питания и продуктивности культурных растений.
Материалы и методы
Исследовались полимерные композиционные гель-формирующие материалы для кондиционирования почв, синтезированные в РФ (патенты RU № 2726561, RU № 2639789) под торговой маркой «Aquapastus» [Smagin et al., 2019]. В их состав входили акриловые сополимеры на основе акриламида и солей акриловой кислоты, а также различные наполнители синтетической полимерной матрицы в виде отходов биокаталитического производства акрила-мида, солей гуминовых кислот и диспергированного торфа. Некоторые варианты также включали добавление ионного серебра в полимерную матрицу с целью придания им биоцидных свойств. В качестве сшивающего агента был использован метилен-бис-акриламид. Водопоглощение инновационных продуктов при свободном набухании в дистиллированной воде варьировало от 340 до 500 кг/кг для гранул размером около 1 мм. Гидрогель «Aquapastus-11» (A11) представляет собой базовый сополимер акри-ламида и акрилата аммония, заполненный (28%) твердыми отходами биокаталитического производства акриламида в виде смеси микробных клеток, клеточных агломератов и фильтрующего материала. Рецептура «Aquapastus-11Hm» (A11-Hm) включает, в дополнение к биокаталитическим отходам (12%), гуматы калия и натрия, составляющие 8% сухого вещества. Их модификации включали 0,1-1% добавки ионов серебра (гели A11Ag или A11HmAg) с предположительной целью ингибирования биодеградации композита. Последние два материала A22 и A22Ag из линейки инновационных российских гидрогелей «Aquapastus», наряду с сополимером акриламида и акрилатом натрия, содержали мелкодисперсный торф в качестве наполнителя (23,5%) и 0,1-1% добавки ионного серебра.
В лабораторных экспериментах инновационные российские почвомодификаторы сравнивались с известным международным брендом «Aquasorb», производимым SNF-group [SNF water science]. Этот ани-
онный полимерный суперабсорбент в виде сшитых сополимеров акриламида и акрилата калия характеризуется максимальной степенью набухания не менее 500 кг Н20/кг для гранул размером 0,2-0,8 мм (Aquasorb 3005KM). Подробные описания синтеза, состава и результатов предварительных лабораторных испытаний композитов Aquapastus в сравнении с Aquasorb и другими зарубежными брендами для кондиционирования почв представлены в наших предыдущих публикациях [Smagin et al., 2019, 2022] и патентах RU № 2726561, RU № 2639789.
Перед инкубационными экспериментами из воздушно-сухих препаратов были получены набухшие гелевые структуры в соотношении 1:100 массы абсолютно сухого геля и жидкой фазы. Использовались два типа жидкой фазы — чистая дистиллированная вода и дистиллированная вода с водным экстрактом из компоста, состоящего из гниющих овощей и фруктов (картофель, лук, яблоки, виноград, апельсины) с почвенным перегноем. Гелевые структуры помещали в инкубационные флаконы объемом 1 л БПК-анализаторов VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 for Soils (Италия) [Langdon, 2015]. Для поглощения выделяемого в процессе биодеградации гидрогелей CO2 использовался гранулированный химически чистый гидроксид калия (Россия, ЭКОС-1, Москва, [LLC EKOS-1]), помещаемый в перфорированный резиновый держатель в верхней части флакона. После чего флакон герметично закрывали крышкой со встроенным манометрическим сенсором VELP для автоматического анализа БПК. Закрытые флаконы устанавливали в термостат BINDER ED023-230V (Германия) для длительного экспонирования при постоянной температуре 30°C, оптимальной для аэробной биодеградации.
Для количественной оценки способности композиционных гелеобразующих материалов к биологическому разложению был выбран анализ их БПК на основе оборудования VELP Scientifica. Преимуществом этого анализа является возможность получения непрерывной кривой биологического поглощения кислорода в ходе длительного (до 180 сут.) инкубационного эксперимента. Принцип анализа заключается в непрерывном контроле давления газа внутри герметично закрытого флакона с помощью чувствительного автоматического датчика VELP, предварительно запрограммированного на требуемую частоту измерений давления. Во время аэробного биоразложения органического вещества в закрытой измерительной системе поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Выделяющийся CO2 улавливается щелочью (KOH), поэтому давление газа в замкнутой системе непрерывно снижается пропорционально биологическому поглощению кислорода. Кривая снижения давления манометрического газа, записанная датчиком VELP, легко преобразуется в кривую БПК, которую можно
использовать для расчета кинетических констант биодеградации и показателей периода полураспада органических материалов (см. предлагаемую в работе теорию анализа БПК в разделе «Результаты»).
Манометрический анализ БПК на базе оборудования VELP Scientifica выполняется полностью автоматически. Используя беспроводное устройство управления DataBox ™ и программное обеспечение RESPIRO-SOFT респирометрический датчик VELP передает данные непосредственно на компьютер, что позволяет отслеживать кривую БПК-анализа в режиме реального времени. Это очень удобно, особенно для длительных (до 180 сут.) инкубационных экспериментов, которые требуются в случае устойчивых к биологическому разложению синтетических полимеров. В отличие от известных аналогов, которые измеряют БПК в основном в жидких средах (например, датчики OxiTop (Германия) [WTW...], оборудование VELP включает линейку анализаторов для многофазных гетерогенных сред, в частности прибор VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 для анализа почвы, используемый в нашем исследовании. Коническая форма инкубаторов (флаконов) VELP с широким рифленым дном улучшает газообмен, способствуя быстрому поглощению кислорода из воздушного пространства флакона с тонким слоем инкубируемого материала, равномерно распределенного по широкому дну (рис. 1). Чтобы рассчитать оптимальное количество такого материала в случае полимерных гидрогелей, в теоретической части работы предложено стандартизировать анализ БПК так, чтобы масса (количество молей) углерода в образце не превышала имеющуюся исходно в замкнутом объеме инкубатора массу (количество молей) кислорода (подробности см. в разделе «Результаты»).
Манометрический сенсор БПК
Стеклянный конический инкубатор
Инкубируемый гидрогель
Рис. 1. Внешний вид и основные функциональные части автоматической системы VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 for Soils применительно к анализу БПК в гелях
Предварительная адаптация метода анализа БПК на основе VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 for Soils показала, что для получения репрезентативных кривых БПК в случае композитных гелеобразующих почвенных кондиционеров требуется длительное время инкубации порядка 60-120 дней. В этом случае частота измерений может быть сокращена до одного раза в день или раз в два дня, чтобы, с одной стороны, гарантировать репрезентативность измерений, а с другой стороны, не превышать объем памяти БПК-сенсора VELP. Для долговременных анализов в системе VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 for Soils доступно только прямое измерение давления, однако впоследствии эти данные легко преобразуются в кинетическую кривую БПК, которая необходима, согласно предлагаемому в работе методологическому подходу, для оценки биодеградабельности исследуемых материалов.
Необходимая математическая и статистическая обработка результатов, включая аппроксимацию данных нелинейными кинетическими моделями, осуществлялась в компьютерных программах MS Excel, Microsoft Office 2016 (США) и S-Plot 11 (Германия).
Результаты
Теория БПК-анализа биодеградабельности гель-формирующих полимерных материалов.
БПК-анализ использует инкубацию органического вещества в закрытых сосудах с автоматическим контролем динамики поглощения кислорода. Независимо от скорости поглощения кислорода максимальное значение БПК (Um, [г/м3 = мг/л]) в герметично закрытом инкубаторе, очевидно, эквивалентно концентрации кислорода в атмосфере (С0, [г/м3 = мг/л]). Этот показатель зависит от атмосферного давления (P, [Па]) и температуры воздуха (T, [К]) в соответствии с законом Менделеева — Клапейрона:
г _ 20,9 • P • M
С0 = ---- гт, >
100 • R • T
(1)
где V0 (м3) — объем БПК инкубатора; т5 (кг), г5 (кг/м3) — масса и плотность исследуемого материала, соответственно. Вместе с тем максимальная масса (т0 (кг)) кислорода, доступного для биологической абсорбции во время инкубации в закрытом флаконе, очевидно, не может превышать т0 = С0 • V0.
В условиях ограничения кислорода динамика БПК может быть описана следующей кинетической моделью:
(3)
dU = -b • (Um - U),
где 20,9 (%) — объемное содержание кислорода в атмосфере, М = 32 г/моль — молярная масса кислорода, Я = 8,314 Дж/(моль К) — универсальная газовая постоянная. При обычном диапазоне температур 293-303 К и барометрическом давлении 96-104 кПа концентрация кислорода в атмосферном воздухе С0 варьирует от 255 до 285 г/м3 со средним значением около 270 г/м3.
При этом удельный БПК показатель ит, оцениваемый относительно объема исследуемого образца (V8 (г/м3)), очевидно, может сильно меняться в зависимости от используемого в анализе количества вещества (объема или массы) в соответствии с формулой (2) для его расчета:
где и, (г/м3 = мг/л) — текущий БПК; Ь, (сут-1) — кинетическая константа. Если весь кислород инкубатора израсходован (и = ит), скорость его биологического поглощения становится равной нулю (¿и/ & = 0). Тем самым модель (3) описывает механизм ингибирования биодеградации недостатком кислорода, характерный как для водных объектов в связи с низкой растворимостью этого газа, так и в почвах по причине его замедленной диффузии из атмосферы [Smagin, Smagina et а1., 2018].
Решение дифференциального уравнения (3) дает простую релаксационную модель для описания динамики БПК во времени:
и(0 = ит (1 - ехр(-Ь• 0). (4)
Предположим, что при аэробной биодеградации органического вещества 1 моль кислорода связывает 1 моль углерода, образуя 1 моль углекислого газа (С02). Для полимерных гидрогелей на основе акриловой матрицы такое предположение вполне допустимо, исходя из химических формул этих веществ и условия их полной минерализации до углекислого газа и воды. Например, для поли-акриламидного геля с формулой (С3Н^О)п полная минерализация потребует 1,25 моля кислорода на каждый моль углерода полимера, что в принципе близко к нашему допущению. При его выполнении уравнение (4) очевидным образом преобразуется непосредственно в уравнение разложения органического материала:
~ " (5)
*(0 = X - -Ü ЦТ (1 - ехР(-Ъ •
32 Ps
где Х0, Х((), (кг/кг) — массовые доли органического углерода в материале в начале эксперимента (£■ = 0) и на последующих стадиях разложения; 12/32 — соотношение молярных масс углерода и кислорода.
Уравнения (1), (2) и (5) позволяют стандартизировать аэробный анализ БПК таким образом, чтобы количество углерода в органическом веществе всегда было эквивалентно максимальному количеству кислорода в закрытом сосуде анализатора БПК. Формальным условием стандартизации является выражение (8):
12 ит
32 Ps
(6)
и = С • (Ус - V) = С • (Ур - V) • Ps Um Vs ms '
В этом случае уравнение (5) преобразуется в базовую экспоненциальную модель биодеградации
органических веществ, хорошо известную в почвоведении и экологии [Smagin, 8а^ушкоуа е! а1., 2018]:
X(t) = Xo • exp(-b • t).
(7)
Период полураспада (Т05, [сут]) материала может быть легко рассчитан из этой модели с использованием кинетической константы кривых БПК (Ь):
T = ln2
J0.5 = b ■
(8)
Отметим особо этот важный методологический вывод, следующий из исходной кинетической модели (3), а именно, что кинетическая константа БПК тождественна кинетической константе биодеградации исследуемого материала. Этот вывод остается справедливым при любых молярных соотношениях окисляемого углерода и расходуемого кислорода, а не только при принятом нами для простоты расчетов эквиваленте 1:1. При иных соотношениях в уравнения (5) и (6) просто требуется ввести перед дробью 12/32 поправочный коэффициент, учитывающий эти соотношения. Так, для указанного выше примера с полиакриламидным гелем такой коэффициент будет численно равен 0,8 (1/1,25).
Принимая во внимание уравнение (2) и условие V0>>Vs очевидное для использования небольших количеств органических веществ в их соответствии небольшой исходной массе кислорода в инкубаторе (т0), легко преобразовать (6) в следующую формулу для определения стандартного количества материала при анализе БПК:
12 Ср • Ур
ms
32 Xo
(9)
ms
32 Xo
100
(10)
гибирования биодеградации из-за дефицита кислорода на первых этапах инкубации, а также оценить период полураспада материала непосредственно по кинетическим кривым БПК после их аппроксимации уравнением (4).
Поскольку при долгосрочном анализе БПК используется прямой мониторинг давления газа в закрытом сосуде инкубатора, можно упростить модель (4), заменив текущий БПК содержанием поглощенного кислорода во флаконе (С(0, [г/м3]), оцениваемым по уменьшению манометрического давления фР^), [Па]):
C(t) = О, (1 - exp(-b • t)) =
20.9 • P• M др 100 • R • T ДР«.
(11)
В этом случае точность манометрического анализатора БПК (0,355 кПа) обеспечивает оценку эквивалентной БПК концентрации кислорода C(t) с шагом 1 г/м3 в диапазоне от 1 до 269-278 г/м3 (мг/л) при температуре инкубации 293-303 К и стандартном атмосферном давлении 101,3 кПа.
Для материалов, устойчивых к биологическому разложению с почти линейным трендом C(t) при максимально допустимом в БПК-анализаторах VELP временном интервале инкубации 0-120(180) дней, удобно разложить функцию (11) в ряд Мак-лорена:
C(t) = C0 (1 - exp(-b • t)) = C0 • b • t. (12)
В этом случае аппроксимация экспериментальных данных линейной функцией C(t) = a • t позволяет легко оценить кинетическую константу биодеградации как:
(13)
b = . C0
где ms (кг) = ps • Vs — стандартная масса материала, эквивалентная массе атмосферного кислорода (окислителя) в закрытом флаконе анализатора БПК. Например, для литрового инкубатора VELP RESPIROMETRIC Sensor System 6 for Soils (V0 = 1 л) со средним содержанием кислорода в лабораторной атмосфере C0 = 267 г/м3 = 267 мг/л, стандартная масса акриловых композитов с содержанием углерода 40-50% (X0 = 0,4-0,5 кг/кг), оцениваемая по формуле (9), будет равной 200-250 мг.
Поскольку органические материалы, особенно полимерные гидрогели — суперабсорбенты являются высокогигроскопичными веществами [Smagin et al., 2022], необходимо учитывать содержание гигроскопичной воды (Wh., [%]) при расчете стандартной массы для анализа БПК. В этом случае формула (9) преобразуется в следующее уравнение:
12 О • Ур (100 + Wh)
Показатель концентрации кислорода С0 вычисляется при этом по формуле (1). Константа Ь, полученная таким упрощенным способом, используется далее для оценки периода полураспада материала в соответствии с уравнением (8).
P, гПа
C, г/м3
1000
800 -
600 -
400 -
200 -
0 №
ООО,
ООО,
té"-' п - -дд.-' Линеиныи тренд
поглощения O2:
л4-"
C(t) = 0,1834 t R2 = 0.9838
л**
<A
120
100
80
60
40
20
Использование стандартизированных вышеуказанным способом масс органического вещества при аэробном анализе БПК позволяет избежать ин-
100 200 300 400 500 600 (, час
Рис. 2. Экспериментальный тренд Р(0 и его трансформация в кривую поглощения кислорода (С(0) по формуле (11)
OP дс
0
0
В качестве примера на рис. 2 показан фрагмент автоматического мониторинга динамики давления (Р(Ш в процессе поглощения кислорода гидрогелем Aquasorb с добавлением водного экстракта из компоста, а также эквивалентная ему динамика содержания поглощенного кислорода (С(0), рассчитанная по формуле (11). Этот фрагмент соответствует начальной (линейной) части кривой БПК. Следовательно, для его аппроксимации можно использовать упрощенную линейную модель (12). Параметр линейного тренда или наклон прямой линии (а) для этого примера составил а = 0,1834 г/м3-ч. Начальное содержание кислорода во флаконе (С0) при атмосферном давлении 100 кПа (1000 гПа) и температуре эксперимента 30°С (303 К) в соответствии с уравнением (1) было равным 266 г/м3. В этом случае расчет кинетической константы биодеградации, согласно формуле (13), дает Ь = 0,1834/266 • 24 • 365 = 0,6 год1. Здесь мы предположили, что биодеградация длится с одинаковой скоростью в течение целого года (365 дней). Такое предположение, очевидно, дает максимальную оценку интенсивности биодеградации, поскольку в реальных условиях она может лимитироваться низкими температурами или даже полностью прерываться в зимний сезон. Имея оценку константы биодеградации, легко рассчитать значение периода полураспада исследуемого полимерного материала по формуле (8). Этот показатель не превышал Т0.5 = 0,12 года или менее 1,5 месяцев. То есть в условиях оптимальной температуры 30°С и присутствия почвенных микроорганизмов-деструкторов гидрогель Aquasorb потеряет половину своей массы менее чем за 1,5 месяца по причине биодеградации.
Результаты кинетического БПК-анализа биодеградабельности гель-формирующих почвенных кондиционеров. На рис. 3 показаны результаты инструментальной оценки стандартизированных БПК-кривых для гель-формирующих почвенных кондиционеров с акриловой полимерной матрицей. Наиболее существенные различия наблюдаются между гелями, набухшими в дистиллированной воде и в растворе, содержащем экстракт компоста. Значения БПК в чистых гелях не превышали 50 г/м3, в то время как добавление компостного экстракта увеличивало БПК до 150-200 г/м3 и более, то есть в 3-4 раза по сравнению с чистыми образцами того же химического состава и с одинаковой стандартной массой. На этом фоне влияние состава суперабсорбентов на БПК было, как правило, меньшим. Максимальные значения БПК наблюдались для материала А11 с амфифильными добавками из отходов биокаталитического производства полиакриламида. Они достигали 70 и 250 г/м3 для образцов, набухших в дистиллированной воде и растворе с экстрактом компоста, соответственно. Минимальные значения БПК были обнаружены для суперабсорбента А22 с амфифильным наполнителем в виде диспергиро-
ванного торфа. БПК в чистом геле А22 не превышало 22 г/м3, а в варианте с компостным экстрактом оно составляло 205 г/м3. Максимальные значения БПК для других типов гелей занимали промежуточные позиции. Таким образом, наибольшие различия между БПК для суперабсорбентов с различным химическим составом не превышали 70/22 = 3,2 раза для чистых водных растворов и 250/205 = 1,2 раза для жидкой фазы с экстрактом компоста. То есть они были меньшими, чем различия между вариантами с чистой водой и компостным экстрактом для одинаковых по составу гелей.
Введение ионного серебра в матрицу акрилового полимера эффективно снижает БПК композиционных гелеобразующих материалов в зависимости от дозы биоцида (рис. 3, средняя и нижняя части). Относительно небольшая доза 0,1% (10 ррт Ag в набухшей 1:100 гелевой структуре) вызывает снижение максимальных значений БПК в конце инкубации до 10-13 г/м3 для чистых гелей и до
о Aqasorb Д A11 о A11-Hm □ A22 -модель (11) или (12)
д A11 о A11-Hm □ A22 -модель (12)
i A11 О A11-Hm □ A22 —модель (12)
Рис. 3. Респирометрические кривые БПК для различных типов гидрогелей и условий их инкубации Название гелей см. «Объекты и методы»; Ag 10, 100 ррт — дозы биоцидов.
28-46 г/м3 для гелей, набухших в воде с компостным экстрактом. По сравнению с исходными гелями без биоцида (рис. 3, верхняя часть) снижение БПК достигает 7-9 раз. Биоцидный эффект существенно перекрывает различия между вариантами с дистиллированной водой и компостным экстрактом, которые в данном случае не превышали 3-3,5 раза.
Использование более высокой дозы 1% серебра (100 ррт Ag в набухшей 1:100 гелевой структуре) усиливает ингибирование БПК (рис. 3, нижняя часть). Для вариантов с экстрактом компоста содержание БПК в конце инкубации не превышало 18-24 г/м3. Это означало снижение БПК в 10-15 раз под действием биоцида по сравнению с аналогич-
ными вариантами композитов без серебра. При набухании гелей в дистиллированной воде содержание БПК под воздействием биоцида снижалось до предела чувствительности респирометрическо-го (манометрического) метода определения БПК (1-2 г/м3) или более чем в 20-30 раз.
Формы экспериментальных респирометриче-ских кривых С(0 визуально отличались в зависимости от вариантов опыта (рис. 2). При высоких значениях стандартного БПК (200-250 г/м3 и более) кривые имели выпуклую форму, как следует из теории анализа БПК (модель (4)). Однако для материалов с небольшим содержанием БПК (20-50 г/м3 и ниже) респирометрические кривые в большей сте-
Таблица
Параметры аппроксимации и их статистики для моделей БПК (11) и (12)
Жидкая фаза Нелинейная модель (11) Линейная модель (12)
И2 8 Со 103хЬ р-уа1ие И2 8 а= С0хЬ р-уа1ие
ЛдиаБогЬ
Экст.* 0,998 2,2 278±2 17,8±0,3 0,0001 0,783 31,7 2,494±0,585 0,0001
Дист.** 0,999 0,4 278±33 1,5±0,2 0,0001 0,996 0,8 0,385±0,015 0,0001
А11
Экст. 0,998 3,2 278±2 20,3±0,3 0,0001 0,716 37,6 2,631±0,693 0,0001
Дист. 0,981 2,8 278±70 2,5±0,7 0,0008 0,962 3,9 0,629±0,071 0,0001
A11-Ag 10 ррт
Экст. 0,999 0,3 278±56 0,9±0,2 0,0001 0,998 0,4 0,239±0,007 0,0001
Дист. 0,998 0,2 278±206 0,3±0,2 0,0008 0,998 0,1 0,083±0,002 0,0001
А11^ 100 ррт
Экст. 0,997 0,3 278±140 0,6±0,3 0,0583 0,996 0,3 0,156±0,006 0,0001
Дист. 0,913 0,1 289±686 0,03±2,0 0,9874 0,913 0,1 0,009±0,002 0,0001
А11-Нт
Экст. 0,997 2,9 278±3 14,3±0,3 0,0001 0,851 24,7 2,245±0,454 0,0001
Дист. 0,987 1,6 278±90 1,7±0,6 0,0061 0,943 2,1 0,441±0,038 0,0001
A11-Hm-Ag 10 ррт
Экст. 0,999 0,5 278±31 1,5±0,2 0,0001 0,997 0,7 0,402±0,014 0,0001
Дист. 0,997 0,2 278±206 0,4±0,3 0,1891 0,997 0,2 0,100±0,003 0,0001
A11-Hm-Ag 100 ррт
Экст. 0,998 0,3 278±96 0,7±0,3 0,0071 0,998 0,3 0,191±0,006 0,0001
Дист. 0,989 0,1 289±353 0,1±0,9 0,9353 0,979 0,1 0,020±0,002 0,0001
A22
Экст. 0,998 2,3 278±3 11,6±0,2 0,0001 0,917 17,4 2,011±0,321 0,0001
Дист. 0,952 1,4 278±375 0,8±1,1 0,4773 0,943 1,5 0,205±0,027 0,0001
A22-Ag 10 ррт
Экст. 0,998 0,5 278±44 1,4±0,2 0,0001 0,996 0,8 0,365±0,015 0,0001
Дист. 0,998 0,2 278±184 0,4±0,3 0,1427 0,997 0,2 0,109±0,004 0,0001
A22-Ag 100 ррт
Экст. 0,998 0,53 278±79 0,8±0,2 0,0013 0,997 0,4 0,208±0,007 0,0001
Дист. 0,905 0,1 289±683 0,03±2,1 0,9886 0,905 0,1 0,009±0,002 0,0001
*Экст.; **Дист. — варианты жидкой фазы в виде добавки компостного экстракта и чистой дистиллированной воды, соответственно.
пени соответствовали линейному тренду. Поэтому при их математической обработке были применены обе модели анализа БПК, представленные в теоретической части уравнениями (11) и (12). Параметры аппроксимации экспериментальных данных этими моделями и соответствующие статистики представлены в таблице.
Их анализ показывает довольно высокую адекватность обеих моделей экспериментальным данным. Коэффициенты детерминации в большинстве случаев достигали значений 0,996-0,999 при небольшой стандартной ошибке аппроксимации (0,2-3,2 г/м3). Однако для линейных трендов с низким БПК двухпараметрическая модель (11) часто давала статистически недостоверные параметры аппроксимации с неприемлемыми доверительными интервалами (близкими к средним значениям оцениваемых параметров или даже превышающими их) и показателями p-va1ue (0,1427-0,9886). В таких случаях расчеты кинетической константы (Ь) для
To.5, год
10 ТЕ
1 -Е
0.1 -Е
0.01
r^i
rfl
Без биоцидов
Aquasorb
To.5, год
10 т
A11 A11-Hm
Гидрогели
Ag 10 ppm
A22
1 А—L-a-A11
To.5, год 100 т
10 -:
JXL
-Ь-
A11
A11-Hm A11-Hm A22 Гидрогели
Ag 100 ppm
A22
—a- Ь a Ь a
A11 A11 A11-Hm A11-Hm Гидрогели
A22
A22
Рис. 4. Периоды полураспада композитных гель-формирующих почвенных кондиционеров без биоцидов и с добавками ионного серебра в полимерной матрице Жидкая фаза гелей в эксперименте по инкубации: а — с компостным экстрактом, b — чистая дистиллированная вода
оценки периода полураспада материалов проводились с использованием упрощенной линейной модели (12). И, наоборот, для кривых с высокими конечными значениями БПК линейная модель (12) была неадекватной из-за низких значений R2 (0,716-0,851) и высоких стандартных ошибок (s = 25-32 г/м3). Поэтому для них необходимо было использовать базовую модель (4) при математической обработке данных и получении оценок кинетической константы b.
Рассчитанные по константам b периоды полураспада для исследуемых гель-формирующих почвенных кондиционеров и вариантов их межми-целлярного раствора для набухания представлены на рис. 4. Они изменялись в широких пределах от 35-65 дней до 10-30 лет и более, в зависимости от химического состава материалов и условий инкубации (состав жидкой фазы для набухания). Распространенное в химии полимеров мнение о высокой стабильности акриловых полимерных гидрогелей, относящихся к классу «не биодеградабельных» [Puoci et al., 2008; Patel et al., 2011; Campos et al., 2015; Behera, Mahanwar, 2020; Ostrand et al., 2020; Smagin et al., 2022; Adjuik et al., 2023;], подтверждается при использовании дистиллированной воды в качестве жидкой фазы для приготовления гелевых структур. В этом случае период полураспада чистых гелей (без биоцидов) варьировал от 0,81±0,06 лет (материал А11 с гидрофильными биокаталитическими наполнителями) до 2,50±0,06 лет (композит А22 с амфифильным торфяным наполнителем). Для гидрогеля Aquasorb период полураспада составлял 1,33±0,05 года, что в пересчете на 95% деградацию в соответствии со стандартной экспоненциальной моделью (7) дает срок службы полимера в почве около 5,5-6 лет. Однако все эти оценки основаны на экспериментах в биологически чистых, почти стерильных лабораторных условиях.
Добавление водного экстракта из компоста к набухающему раствору резко (в 8-15 раз) усиливало биодеградацию исследуемых полимерных материалов. Для наиболее устойчивого гидрогеля A22 период полураспада сократился в 15 раз до 0,17±0,06 года, т.е. до 50-70 дней. Периоды полураспада других полимерных материалов были еще меньше и варьировали от 34±11 суток для наиболее биоразлагаемого геля A11 до 48±11 суток для композита A11-Hm с амфифильным гуматным наполнителем. Гель Aquasorb характеризовался в этом эксперименте периодом полураспада 39±10 дней, то есть в 12 раз меньше исходного показателя для геле-вой структуры, набухшей в чистой дистиллированной воде. Все эти результаты, по нашему мнению, ставят под сомнение идею о высокой устойчивости акриловых полимерных гидрогелей к биодеградации в реальной почвенной среде и инициируют задачу создания более стабильных композитов для кондиционирования почвы.
Ь
Ь
Ь
Ь
a
a
a
a
Ь
Ь
Ь
Одним из возможных способов снижения способности композитных полимерных материалов к биологическому разложению является введение биоцидных добавок в полимерную матрицу. Введение ионов серебра эффективно увеличивало период полураспада гелевых композитов пропорционально дозе биоцида (рис. 4). Доза серебра 0,1% (10 ppm в набухшем геле) повышает устойчивость к биологическому разложению в 5-10 раз, а более высокая доза 1% (100 ppm в набухшем геле) — в 20-35 раз и более. В результате период полураспада чистых гелей, набухающих в дистиллированной воде, достигал 5-6 лет при 0,1%-ной дозе серебра и 30-60 лет при использовании 1%-ной дозы биоцида. Аналогичные значения для гелевых структур в водном растворе, содержащем компостный экстракт, варьировали в пределах 1,3-2,1 года и 2,4-3,3 года соответственно.
Гель-формирующий композит А22 с торфяным наполнителем обладал наибольшей устойчивостью к биологическому разложению. Для дистиллированной воды период его полураспада составил 5,8±1,9 года при концентрации серебра 10 ppm и 63±24 года при концентрации 100 ppm в набухшей 1:100 гелевой структуре. Использование компостного экстракта снизило эти показатели до 1,4±0,2 и 2,4±0,7 лет соответственно. Наиболее биоразлага-емым оказался композит A11-Hm с гуматным наполнителем, вероятно, из-за частичного связывания ионного серебра гуматами, что могло приводить к биоцидной дезактивации.
Обсуждение
Сравнение полученных результатов с известными данными. Общепринятая точка зрения подчеркивает высокую устойчивость полимерных акриловых гидрогелей к биологическому разложению. Эта точка зрения отражена во многих современных публикациях по гидрогелям путем разделения их на «биоразлагаемые» и «не биоде-градабельные» [Puoci et al., 2008; Patel et al., 2011; Campos et al., 2015; Behera, Mahanwar, 2020; Ostrand et al., 2020; Smagin et al., 2022; Adjuik et al., 2023]. При этом экологически чистые «биоразлагаемые», преимущественно биополимерные полисахаридные гели или, реже, их композиции с синтетическими акриловыми полимерами обычно противопоставляются устойчивым к биодеградации чисто синтетическим полимерам, чуждым окружающей среде [Puoci et al., 2008; Campos et al., 2015; Behera, Mahanwar, 2020]. Мы не будем обсуждать здесь экологические преимущества или риски синтетических акриловых гелей, которые уже давно эффективно используются в медицине (импланты), сельском хозяйстве и ландшафтном дизайне, несмотря на потенциальную канцерогенность и опасность акриламида в качестве сырья для их производства [Zohuriaan-Mehr, Kabiri, 2008; Ostrand et al., 2020]. Нет никаких сомнений в том, что полимеров, абсолютно устойчивых
к биодеградации, априори не существует, поэтому необходимо правильно оценить срок их службы в зависимости от химического состава и условий окружающей среды при биодеградации.
Известные опубликованные источники дают противоречивую информацию о биодеградации гелеобразующих полимеров, в основном касающуюся акриламида и полиакриламида (ПАА), а также биополимерных, преимущественно полисахаридных гидрогелей. Например, Ленц и др. [Lentz et al., 2008] сообщают о довольно медленном разложении ПАА, не более чем на 10% в год, главным образом за счет сдвигового разрыва полимерной цепи и фотодеградации. Используя стандартную экспоненциальную модель (7) и выражение (9) для периода полураспада, нетрудно получить следующую формулу для оценки периода полураспада на основе данных о проценте разложения (%D) за известный период времени (Ti):
T = T_—__(14)
J°5 T —[100 / (100 - %D)] ' (14)
Согласно этой формуле и данным [Lentz et al., 2008], период полураспада ПАА превышает 6,5 лет. Близкие оценки периода полураспада в 5-7 лет для суперабсорбирующих гелеобразующих полимеров приведены в [Ostrand et al., 2020]. Эти данные значительно выше наших оценок T05 = 1-1,2 года для радиационно-сшитого технического ПАА, полученных в предыдущей публикации [Smagin et al., 2018], а также результатов настоящего исследования для различных акриловых композитов (см. рис. 4). Вместе с тем существуют публикации, в которых сообщается, что акриламид и ПАА очень быстро разлагаются в почвах с периодом полураспада всего в несколько суток [Lande et al., 1979; Abdelmagid, Tabatabai, 1982; Shanker et al., 1990; Kay-Shoemake et al., 1998; Sojka, Entry, 2000]. Так, в исследовании [Sojka, Entry, 2000] ПАА полностью разлагался в течение 5 дней после внесения 0,05% в садовую почву. Ланде и др. [Lande et al., 1979] оценили период полураспада мономера акриламида в сельскохозяйственных почвах в диапазоне от 18 до 100 часов при концентрации 25-500 мг/кг и температуре 20-22°C. Почвенные микроорганизмы способны использовать ПАА или акриламид в качестве источника азота [Abdelmagid, Tabatabai, 1982; Kay-Shoemake et al., 1998; Sojka, Entry, 2000]. Биодеградация ПАА происходит по мере того, как микроорганизмы используют амидную группу полимера в качестве источника азота и/или углеродную основу в качестве источника углерода. Многие микроорганизмы (Enterobacter aerogenes, Rhodococcus sp., Helicobacter pylori, Bacillus sp., Acinetobacter sp., Azomonas sp., Pseudomonas sp., Chlostridium sp. и др.) способны генерировать внеклеточные амидазы, которые успешно утилизируют амидные группы полиакриламида. Алифатическая амидаза (cd07565) от Pseudomonas putida приводит к деградации ПАА на 46% через семь дней при 39°C, как сообщается в обзоре [Xiong
et al., 2018]. Это соответствует периоду полураспада ПАА не более восьми дней, согласно формуле (14).
В статье [Turioni et al., 2021] оценивалось разложение новых биоразлагаемых гелеобразующих составов для кондиционирования почвы на основе природного сырья (целлюлозы, глинистых минералов и гуминовых кислот) в зависимости от параметров синтеза (степени набухания и состава) и условий окружающей среды, включая тип почвы и водной среды, количество воды, доступное для гидратации гидрогелей. Результаты [Turioni et al., 2021] показали, что рабочий диапазон значений степени набухания, количество гуминовых кислот, а также параметры синтеза мало влияли на стабильность гидрогелей по сравнению с показателями окружающей среды, которые, по-видимому, являются основными факторами, влияющими на деградацию этих гидрогелей. Если необработанный контроль (чистые гели) оставался стабильным в течение восьми дней инкубационного эксперимента (потеря массы до 3-5%, статистически значимо не отличающаяся от нуля), то контакт с лесной почвой приводил к потерям 30-40%, а с сельскохозяйственной почвой — к потерям 60-70% полимерных композитов из-за биодеградации. Такие потери в переводе на период полураспада составляют T0,5 от 6 до 15 дней, или значительно меньше одного месяца. Этот пример независимо подтверждает важнейший вывод нашего исследования: способность гель-формирующих полимерных композитов к биологическому разложению в большей степени зависит от почвенно-биоло-гических условий, а не от химического состава самих материалов. Основными причинами значительного увеличения биодеградации после непосредственного контакта с почвами и растениями или после добавления водных экстрактов из них, безусловно, являются почвенные микроорганизмы-биодеструкторы и экзоферменты. Также можно предположить действие прайминг-эффекта, хорошо известного в биохимии почвы [Fontaine et al., 2003].
В обзоре этого года [Adjuik et al., 2023] представлены данные из 22 недавних публикаций о способности гидрогелей к биологическому разложению, выраженные в процентах разложения за определенный интервал времени. Для удобства сравнения мы преобразовали все эти данные в универсальный показатель периода полураспада, используя формулу (14). Аналогичные значения для европейского стандарта биодеградабельности полимеров EN 13432 (90% разложения за 180 дней) и американского стандарта ASTM 6400 (60% за 180 дней) [Patel et al., 2011] были использованы в качестве эталонных значений, что дает «стандартный период полураспада» 54 и 136 дней, соответственно. Для всего массива данных, приведенных в [Adjuik et al., 2023] (n = 33), период полураспада полимерных гидрогелей варьировал в широком диапазоне от двух дней до 285 лет. Используя европейские и аме-
риканские стандарты, мы рассчитали вероятность того, что конкретный гидрогель попадет в класс «биоразлагаемых» (период полураспада составляет менее 54 или 136 дней). Из всего набора данных [Adjuik et al., 2023] 61% материалов были условно биоразлагаемыми по американской и 33% по европейской классификации. Если проанализировать только композитные суперабсорбенты с акриловыми компонентами (акрилаты и полиакриламид в различных сочетаниях друг с другом и природные биополимеры), то вероятность их принадлежности к «биоразлагаемым» составила 57% по американскому стандарту и 24% по европейскому стандарту. Для других, в основном биополимерных гелеобра-зующих композитов на основе полисахаридов без добавления акриловых сополимеров, такие вероятности биоразлагаемости были несколько выше (67 и 58% соответственно). Следовательно, согласно формальному критерию США, более половины ге-леобразующих суперабсорбентов, приведенных в обзоре [Dale, 1978], являются биоразлагаемыми, и присутствие акриловых сополимеров в их составе слабо влияет на этот показатель, снижая вероятность биоразлагаемости всего на 10%. Согласно более строгому европейскому критерию, только 24% гелей с акриловыми компонентами способны к биологическому разложению, по сравнению с 58% «биоразлагаемых» композитов на основе природных биополимеров (в основном полисахаридов).
Для почвенных гелеобразующих кондиционеров можно ввести референтный показатель периода полураспада в один год, поскольку если 50% кондиционера разлагается в течение года, то маловероятно, что его использование для увеличения вла-гоудерживающей способности или защиты почвы от эрозии будет экономически целесообразным. Анализ обзора [Adjuik et al., 2023] и других публикаций [Hiroki et al., 2011, Ostrand et al., 2020; Smagin et al., 2018; Smagin et al., 2022, Turioni et al., 2021] показывает, что не более 30% суперабсорбентов проходят такой тест на устойчивость к биологическому разложению, а в других случаях материалы теряют половину своего веса (и, следовательно, функциональности) в течение одного года использования. Эта серьезная проблема ставит перед химиками-технологами и геоинженерами задачу дальнейшего совершенствования гелеобразующих композиционных материалов для кондиционирования почв и грунтов с более высокой устойчивостью к биологическому разложению.
Композиты с биоцидами. Наиболее очевидным способом снижения биодеградабельности полимерных материалов является введение в их состав био-цидных компонентов [Cloutier et al., 2015; Smagin et al., 2018]. В наших ранее опубликованных работах [Smagin et al., 2018, 2019, 2022], равно как и в настоящем исследовании, биоциды серебра в виде ионов или наночастиц использовались, по-видимому,
впервые с такой целью для гель-формирующих почвенных кондиционеров. Известные аналогичные разработки с биоцидами серебра в составе синтетических и биополимерных материалов в основном касаются медицинских препаратов и антисептиков [Sannino et al., 2009; Cloutier et al., 2015]. Серебряные биоциды эффективно повышают устойчивость гидрогелей к биодеградации, что подтверждается как ранее опубликованными данными [Smagin et al., 2018, 2019, 2022], так и новыми результатами БПК-анализа (рис. 3, 4). Они хорошо согласуются с известными данными об эффективном биоцидном действии ионов и наночастиц серебра при относительно небольших дозах (1-100 ppm) [De Lucca et al., 2011; Kim et al., 2012; Rai et al., 2012; Langdon, 2015]. В наших запатентованных материалах A11Ag и A22Ag массовая доля серебра колеблется в диапазоне 0,1-1%. Когда гидрогель набухает до оптимальной степени 1:100, концентрация серебра в структуре геля не превышает 10-100 ppm. Такие дозы эффективно подавляют биологическую активность микроорганизмов, в том числе почвенных и растительных патогенов в ризосфере [Smagin et al., 2019] и, в то же время, не опасны для растений и почвенного зооценоза, включая дождевых червей [Schlich et al., 2013]. В почве эффективная концентрация серебра, подавляющая рост растений, колеблется в диапазоне 50-1000 мг/кг твердой фазы или от 250 до 5000 ppm жидкой фазы при 20%-ном содержании воды в почве [Langdon, 2015; Smagin et al., 2018]. Исследование [Schlich et al., 2013] сообщает о близких значениях эффективных концентраций ионов серебра или наночастиц от 200 до 400 ppm для дождевых червей в почве. Даже если предположить крайне маловероятное событие выщелачивания всего серебра при быстрой биодеградации гель-формирующих композитов A11Ag или A22Ag, локальные концентрации серебра в почвенном растворе в 10-100 ppm не превысят указанный выше порог, опасный для растений или зооценоза почвы.
Более высокое содержание серебра в композитных гелеобразующих материалах (до 8%, как, например, в антисептических гидрогелевых повязках, согласно [Sannino et al., 2009]), очевидно, неприемлемо для кондиционеров почвы из-за риска превышения порога критической концентрации неблагоприятного воздействия на окружающую среду. В обзоре [Cloutier et al., 2015] серебро также рассматривается как наиболее эффективный биоцид для композиционных материалов и покрытий, наряду с цинком, медью, галлием, селеном, галогенами (хлор, йод), оксидом азота, TiO2 и нанокомпозитами на основе TiO2 и др., а также антимикробными пептидно-кремний-органическими поверхностными покрытиями. Некоторые синтетические полимерные материалы и композиты для сельского хозяйства могут проявлять биоцидные свойства, например, за счет введения в
их структуру фосфониевых или сульфониевых солей [Риоа е! а1., 2008; Хие е! а1., 2015]. Из-за относительно высокой стоимости серебра будущие исследования, вероятно, могут быть направлены на апробацию альтернативных биоцидных добавок, например, на основе солей меди, сурьмы, аммониевых, фосфоние-вых или сульфониевых солей, оксида титана, а также органических противомикробных препаратов.
Методологические аспекты БПК-оценки био-деградабельности полимеров. Наше исследование было в значительной степени направлено на разработку методологии лабораторной оценки биоде-градабельности гелеобразующих полимерных материалов на основе БПК-анализа. Мы уже упоминали преимущества этого анализа и, прежде всего, возможность одновременного полностью автоматизированного компьютерного мониторинга биодеградации многих образцов при различных условиях инкубации (температура, содержание воды, химический состав и т. д.). Простые модели (11), (12), учитывающие кинетику биодеградации материалов первого порядка в стандартизированных условиях, позволяют легко рассчитать базовый показатель их периода полураспада. В отличие от косвенного прогнозирования срока службы суперабсорбентов в окружающей среде на основе термического окисления и скорости деградации, известного в химии полимеров [Уепка1асЬа1ат, КаНарра, 2021], БПК-анализ использует прямые эксперименты по инкубации с реальной микробной и экзоферментной деградацией исследуемых материалов.
Вместе с тем анализ БПК имеет и ряд недостатков. Во-первых, это относительно низкая точность манометрического контроля поглощения кислорода. Для БПК-сенсора VELP это значение составляет 0,355 кПа или около 1 г/м3 02. Для сравнения, современные ИФК-газоанализаторы с прямым определением выделяемого С02 в опытах по аэробной биодеградации имеют точность 10-50 ррт или, согласно формуле (1), концентрацию газа 0,02-0,1 г/м3, то есть в 10-50 раз выше предела непрямого (манометрического) БПК-анализа. Низкая точность БПК-анализа требует длительного времени инкубации для получения репрезентативных (статистически значимо отличающихся от нуля) данных о БПК, до нескольких месяцев в случае материалов, устойчивых к биологическому разложению, что является вторым основным недостатком этого метода.
Еще одно неудобство связано с обязательным использованием поглотителя С02 (щелочи). Набухшие гидрогели в соотношении 1:100 поддерживают активность воды, близкую к единице, или относительную влажность около 100% в воздушном пространстве закрытого флакона, что хорошо видно на фотографии (рис. 1) в виде капель водяного конденсата на стенках внутри стеклянного респирометра VELP. Поэтому первоначально твердофазный щелочной поглотитель (КОН) быстро превращается
в жидкость, адсорбируя водяной пар из почти насыщенного воздуха. Поглощение CO2 жидкостью, в отличие от сорбции гранулами щелочи, ограничено диффузией молекул газа в объеме жидкой фазы, которая протекает значительно (до десяти тысяч раз) медленнее, чем в свободном воздушном пространстве пор исходного твердофазного адсорбента. Такая ситуация может ослабить интенсивность поглощения CO2 во флаконе и исказить манометрическую оценку БПК. Кроме того, программное обеспечение RESPIRO-SOFT несмотря на возможность внутренней статистической обработки нескольких экспериментов для расчета средних оценок БПК, имеет проблему с воспроизведением отдельных кривых БПК и их переводом в форматы, удобные для последующей обработки, например электронные таблицы MS Excel.
Все эти проблемы, и в первую очередь низкая точность и продолжительность анализа БПК, ставят задачу разработки альтернативных методов инструментальной оценки биоразлагаемости гель-формирующих композитов. Наиболее перспективным, на наш взгляд, здесь будет использование ИФК-анализаторов динамики CO2 (а в случае анаэробной деструкции также динамики CH4) в методах, аналогичных БПК-анализу, при лабораторной инкубации исследуемых материалов. В качестве примера сошлемся на публикацию [Hiroki et al., 2011], где использовался мониторинг динамики CO2 и были получены респирометрические кривые, аналогичные нашим БПК-кривым (рис. 3), для 30-дневного инкубационного эксперимента с композитными гидрогелями на основе карбоксиметилцеллюло-зы и крахмала. Однако в этих экспериментах была применена довольно устаревшая методика объемного поглощения выделяющегося CO2 натриево-известковыми колоннами с их последующим периодическим взвешиванием. В настоящее время мы приступили к новой методологической разработке на базе оборудования PASCO (США, [20]), которое позволяет проводить полностью автоматизированные эксперименты по инкубации с непрерывным контролем CO2, и планируем подготовить следующую публикацию о результатах этих экспериментов с композитными гель-формирующими материалами для кондиционирования почвы.
Заключение
Результаты БПК-анализа биодеградабельности композитных гель-формирующих почвенных кондиционеров выявили сильное варьирование этого свойства. Период полураспада акриловых композитов менялся от 1 месяца до 2,4-1,6 лет, и для одного и того же химического состава материалов интенсивность их биодеградации могла радикально различаться в зависимости от условий биодеградации. Чистые гидрогели, набухшие в дистиллированной воде, характеризовались высоким пери-
одом полураспада (от 0,8±0,2 до 2,4±1,6 лет), что подтверждало широко распространенное в науке о полимерах мнение об их принадлежности к классу «не биодеградабельных», согласно европейским и американским стандартам EN 13432 и ASTM 6400. Однако добавление небольшого количества свежего водного экстракта из органического компоста к жидкой фазе гелей резко (в 8-15 раз) увеличивало кинетические константы биодеградации и сокращало период полураспада этих материалов до 33-60 дней. Такие значения периода полураспада соответствовали категории «биоразлагаемых» материалов в соответствии с европейскими и американскими стандартами биодеградабельности полимеров. Использование компостного экстракта приблизило лабораторный инкубационный эксперимент к реальным почвенным условиям, где присутствие микроорганизмов-деструкторов и их экзоферментов, по-видимому, может значительно усиливать биодеградацию акриловых композитов, превращая их в класс «биоразлагаемых» материалов. Внедрение 0,1-1% серебряных биоцидов в полимерную матрицу гелеобразующих композитов эффективно повышает их устойчивость к биодеградации, что технологически важно для пролонгации их функционирования в качестве кондиционеров почвы. Дальнейшие количественные исследования в данной области должны быть направлены на поиск и тестирование более дешевых биоцидных компонентов, а также на совершенствование методологии лабораторного анализа и моделирования биодеградации полимерных суперабсорбентов для кондиционирования почвы.
Информация о финансировании работы
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (междисциплинарный Проект № 23-64-10002) — экспериментальные исследования на прецизионном оборудовании, математическое моделирование, и частично в рамках бюджетной темы в МГУ № 121040800146-3 «Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления» (подбор и анализ зарубежных публикаций, статистическая обработка результатов).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Abdelmagid H.M., Tabatabai M.A. Décomposition of Acrylamide in Soils // Journal Environ Quality. 1982. Vol. 11.
2. Adjuik T.A., Nokes S.E., Montross M.D. Biodegrad-ability 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.
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., HongP.T.T., Nagasawa N. et al. Biodegra-dability of Blend Hydrogels Based on Carboxymethyl Cel-lullose 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. Acryl-amide 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 derBoesten 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: A 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: The 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 // Агск 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 айюп: 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. Hygro-scopicity 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., EntryJ.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/soilsys-tems5030047
35. VELP Scientifica. https://www.velp.com/en-us/res-pirometric-sensor-system-for-soil-analysis.aspx (accessed on 01 Feb. 2023).
36. Venkatachalam D., Kaliappa S. Superabsorbent polymers: А 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: А review // Iran. Polym. Journal. 2008. Vol. 17.
Поступила в редакцию 15.05.2023 После доработки 29.05.2023 Принята к публикации 31.05.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
KINETIC ASSESSMENT OF BIODEGRADABILITY IN GEL-FORMING SOIL CONDITIONERS BASED ON BOD ANALYSIS
A. V. Smagin, N. B. Sadovnikova, K. V. Korchagina, E. A. Belyaeva
Biodegradation is one of the main factors limiting the efficiency and service life of gel-forming soil conditioners. The study quantifies this process using laboratory analysis of biological oxygen uptake (BOD) in innovative composite superabsorbents with an acrylic polymer matrix, amphiphilic agents (humates, peat) and silver ions as an inhibitor of biological activity. A simple kinetic model of BOD is proposed to standardize the analysis and calculation of the half-life of polymers after their incubation in precision VELP respirometers (Italy). The half-life of hydrogels swollen in distilled water (1:100) at a temperature of 30°C varied in the range from 0,8±0,2 to 2,4±1,6 years. The addition of an aqueous extract from compost sharply enhances biodegradation and reduces the half-life of hydrogels up to 40-60 days. Doses of 0,1-1% silver in a polymer matrix or 10-100 ppm in swollen hydrogels increase their half-life by 5-20 times. The new methodological approach makes it possible to fully automatically evaluate the biodegradation of gel-forming polymers in laboratory conditions, however, for stable materials with a half-life of more than 2,5-3 years, the accuracy of manometric BOD analyzers is insufficient for a statistically reliable assessment of the kinetics of biodegradation even in long (120 days) incubation experiments.
Key words: biodegradation; gel-forming soil conditioners; incubation experiment; biological oxygen uptake; biological kinetics; process modeling.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Смагин Андрей Валентинович, докт. биол. наук, профессор кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова, e-mail: smagin@list.ru
Садовникова Надежда Борисовна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова, e-mail: nsadovnik@rambler.ru
Корчагина Кристина Викторовна, канд. биол. наук, Ученый секретарь ИЛАН РАН, e-mail: korchagina@ilan.ras.ru
Беляева Елена Александровна, аспирант ИЛАН РАН, e-mail: lllol871990@mail.ru
© Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Korchagina K.V., Belyaeva E.A., 2023
