БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ
ПЕЧАТНАЯ ВЕРСИЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ
 
КАК ПОДАТЬ РУКОПИСЬ
 
КАРТА САЙТА
НА ГЛАВНУЮ

 

 

 

 

doi: 10.15389/agrobiology.2023.1.23rus

УДК 631.4:631.617:631.672:631.81

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках научного проекта № С-26/507.

 

ПОЛИМЕРНЫЕ ГИДРОГЕЛИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ (обзор)

Ю.Г. МАКСИМОВА1, 2 , В.А. ЩЕТКО3 , А.Ю. МАКСИМОВ1, 2

Полимерные гидрогели (ПГГ) формируются при набухании трехмерно сшитых гидрофильных полимеров и характеризуются, как правило, высокой влагоудерживающей способностью (K. Rop с соавт., 2019; N. Singh с соавт., 2021; A. Sikder с соавт., 2021). Влагоемкость и возможность пролонгированного высвобождения удобрений, пестицидов и биопрепаратов делает их перспективными для использования в сельском хозяйстве (P. Rychter с соавт., 2016; A. Sikder с соавт., 2021). ПГГ снижают необходимость частой ирригации, увеличивают скорость прорастания семян, рост растений, приживаемость рассады, усиливают рост корней, предотвращают эрозию почвы, передозировку пестицидов и удобрений (N. Singh с соавт., 2021). По происхождению ПГГ делятся на синтетические и природные; синтетические гидрогели, главным образом полимеры и сополимеры акриламида и акриловой кислоты, обладают значительной влагоудерживающей способностью и прочностью, однако слабо подвергаются деградации в почвах (А.В. Смагин с соавт., 2014; B. Wilske с соавт., 2014). Известно, что микроорганизмы способны использовать ПГГ на основе акриловых полимеров в качестве источника азота и/или углерода для роста (H. Matsuoka с соавт., 2002; M. Bao с соавт., 2010; F. Yu с соавт., 2015) за счет наличия амидазной активности (F. Yu с соавт., 2015; A. Nyyssölä с соавт., 2019), обеспечивая их постепенное разложение в почве. Природные гидрогели, среди которых преобладают ПГГ на основе целлюлозы, обладают меньшей прочностью, но при этом подвержены биоразложению и экологически безопасны (R. Kundu с соавт., 2022). Кроме целлюлозы, в качестве влагоудерживающих сильнонабухающих агентов природного происхождения используют коллаген (Z.-Y. Hu с соавт., 2021), альгинаты (B. Tomadoni с соавт., 2020), хитозаны (A. Zinchenko с соавт., 2022), другие полисахариды. Перспективное направление — применение гидрогелей как носителей для пролонгированного высвобождения удобрений, главным образом мочевины (P. Rychter с соавт., 2016; W. Tanan с соавт., 2021), пестицидов (C. Xu с соавт., 2021; C. Bai с соавт., 2015; F.E. Baloch с соавт., 2021; D. Zheng с соавт., 2022), для внесения в почву микробных препаратов, в том числе фосфатмобилизующих и азотфиксирующих бактерий (C.S. Wu, 2008; А.В. Коврижников с соавт., 2021). Для более активного внедрения ПГГ в практику следует снижать их себестоимость, главным образом за счет создания композиционных материалов на основе отходов сельского хозяйства и биотехнологических производств. Необходимо сочетать положительные качества синтетических и натуральных ПГГ, синтезируя полусинтетические гидрогели, которые подвержены биодеградации и не загрязняют окружающую среду, обладают оптимальной механической прочностью и водопоглощающей способностью. Как влагоудерживающие и антиэрозионные агенты более перспективны гидрогели на основе полимеров и сополимеров акрил-амида и акриловой кислоты (I.G. Panova с соавт., 2021; Н.Б. Садовникова с соавт., 2014; А.В. Смагин с соавт., 2014), как носители удобрений и пестицидов — натуральные и «полусинтетические» ПГГ (P. Jungsinyatam с соавт., 2022; A. Di Martino с соавт., 2021). В настоящем обзоре обобщены современные сведения о применении ПГГ различного состава в сельском хозяйстве, приведены данные о положительном влиянии ПГГ на водный баланс почв, урожайность, рост, выживаемость различных сельскохозяйственных культур, прорастание семян и товарные качества корнеплодов, а также обозначены перспективы развития этого направления в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: полимерные гидрогели, влагоудерживающая способность, биопрепараты, удобрения, пестициды.

 

 

POLYMER HYDROGELS IN AGRICULTURE (review)

Yu.G. Maksimova1, 2, V.A. Shchetko3, A.Yu. Maksimov1, 2

Polymer hydrogels (PHGs) are formed by swelling three-dimensionally cross-linked hydrophilic polymers and are usually characterized by high water-holding capacity (K. Rop et al., 2019; N. Singh et al., 2021; A. Sikder et al., 2021). Moisture capacity and a prolonged release of fertilizers, pesticides and bio-preparations make them promising for use in agriculture (P. Rychter et al., 2016; A. Sikder et al., 2021). PHGs reduces the need for frequent irrigation, increases seed germination, plant growth, seedling survival, enhances root growth, prevents soil erosion, pesticide and fertilizer overdose (N. Singh et al., 2021). According to their origin, PHGs are divided into synthetic and natural ones: synthetic hydrogels, mainly polymers and copolymers of acrylamide and acrylic acid, have a high water-holding capacity and strength, however, they are weakly degraded in soils (A.V. Smagin et al., 2014; B. Wilske et al., 2014). It is known that microorganisms are able to use PHGs based on acrylic polymers as a source of nitrogen and/or carbon for growth (H. Matsuoka et al., 2002; M. Bao et al., 2010; F. Yu et al., 2015) due to the presence of amidase activity (F. Yu et al., 2015; A. Nyyssölä et al., 2019), ensuring gradual decomposition of PHGs in the soil. Natural hydrogels, among which cellulose-based PHGs predominate, have less strength, but are biodegradable and are environmentally friendly (R. Kundu et al., 2022). In addition to cellulose, collagen (Z.-Y. Hu et al., 2021), alginates (B. Tomadoni et al., 2020), chitosan (A. Zinchenko et al., 2022), and other polysaccharides are used as water-retaining strongly swelling agents of natural origin. Hydrogels are promising as carriers for the prolonged release of fertilizers, mainly urea (P. Rychter et al., 2016; W. Tanan et al., 2021), pesticides (C. Xu et al., 2021; C. Bai et al., 2015; F.E. Baloch et al., 2021; D. Zheng et al., 2022), for the introduction of microbial preparations into the soil, including phosphate-mobilizing and nitrogen-fixing bacteria (C.S. Wu, 2008; A.V. Kovrizhnikov et al., 2021). For a more active introduction of PHGs into practice, it is necessary to reduce their cost, mainly by the creation of composite materials based on agricultural and biotechnology industries waste. It is necessary to combine the positive qualities of synthetic and natural PHGs, synthesizing semi-synthetic hydrogels that are biodegradable and do not pollute the environment, have optimal mechanical strength and water-absorbing capacity. As water-retaining and anti-erosion agents, hydrogels based on polymers and copolymers of acrylamide and acrylic acid are more promising (I.G. Panova et al., 2021; N.B. Sadovnikova et al., 2014; A.V. Smagin et al., 2014), and natural and semi-synthetic PHGs are more promising as carriers of fertilizers and pesticides (P. Jungsinyatam et al., 2022; A. Di Martino et al., 2021). This review summarizes current information on the use of PHGs of various compositions in agriculture, provides data on the positive effect of PHGs on soil water balance, productivity, growth, survival of various crops, seed germination and commercial quality of root crops, as well as the prospects for the PHGs development.

Keywords: polymer hydrogels, water-retaining capacity, biological preparations, fertilizers, pesticides.

 

1Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН — филиал ФГБУН Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН,
614081 Россия, г. Пермь, ул. Голева, 13,
e-mail: yul_max@mail.ru ✉, almaks1@mail.ru;
2
ФГАОУ ВО Пермский государственный национальный исследовательский университет,
614990 Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15;
3ГНУ Институт микробиологии НАН Беларуси,
220141 Беларусь, г. Минск, ул. Купревича, 2,
e-mail: vental@yandex.ru

Поступила в редакцию
27 июля 2022 года

 

назад в начало

 


СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Полный текст PDF

Полный текст HTML