В Корее представили мульчирующую пленку, сделанную из опавших листьев
- 2 часа назад
- 4 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Команда под руководством профессора Мён Чжэ Ука из факультета строительства и экологии KAIST разработала биоразлагаемую сельхозпленку
- Применение техпроцесса на основе воды вместо вредных химических растворителей, отличные характеристики защиты от ультрафиолета и удержания влаги
Фам Тхань Трун Нин, аспирант KAIST, демонстрирует пленку и опавшие листья [Предоставлено KAIST]
30 апреля Корейский институт передовых технологий (KAIST) сообщил, что исследовательская группа во главе с профессором Мён Чжэ Уком из факультета строительной и экологической инженерии разработала экологически чистую мульчирующую пленку (пленку, покрывающую почву для подавления роста сорняков и сохранения влаги), разлагающуюся в земле, с использованием опавших листьев, собранных на территории кампуса и в окрестностях реки Гапчхон в Тэджоне. Данное исследование имеет большое значение, поскольку позволило превратить листья — несъедобную биомассу (растительные ресурсы, не употребляемые в пищу), которая до этого просто выбрасывалась — в высокоценный функциональный материал.
Мульчирующая пленка, широко используемая в сельском хозяйстве, является необходимым материалом для подавления роста сорняков и сохранения влаги в почве. Однако большинство используемых в настоящее время пленок изготовлены из полиэтилена, что затрудняет их сбор после использования, а остатки, остающиеся в почве, приводит к загрязнению окружающей среды, превращаясь в микропластик.
Исследовательская группа использовала гидратированный глубокий эвтектический растворитель, представляющий собой смесь лимонной кислоты и хлорида холина, для извлечения ключевых компонентов из опавших листьев.
С его помощью из растительных клеточных стенок была извлечена наноцеллюлоза (прочное и экологически безопасное нановолокно растительного происхождения), которая была объединена с биоразлагаемым полимером — поливиниловым спиртом (полимерным материалом, растворимым в воде и способным к естественному разложению) — для изготовления композитной пленки. В частности, экологичность процесса была еще более повышена за счет использования воды вместо вредных органических растворителей на всех этапах производства.
Экологическая стратегия и концепция применения устойчивого пластика в сельском хозяйстве, заключающаяся в переработке малоиспользуемых опавших листьев в мульчирующую пленку, разлагающуюся в естественной почве [Предоставлено KAIST]
Новоразработанная «пленка из опавших листьев» продемонстрировала достаточную эффективность и в реальных условиях сельского хозяйства. Результаты экспериментов показали, что она эффективно блокирует ультрафиолетовое излучение и обладает влагоудерживающими свойствами, сдерживая потерю влаги в почве на уровне около 5% в течение 14 дней. Кроме того, плевел многолетний (или райграс пастбищный), выращенный с использованием этой пленки, показал более высокую скорость роста по сравнению с той, что была выращена без пленки.
Биоразлагаемость пленки также оказалась превосходной. Результаты экспериментов в почвенных условиях показали, что новоразработанная пленка разлагается на 34,4% примерно за 115 дней, демонстрируя более высокую скорость разложения по сравнению с существующими биоразлагаемыми пленками. Кроме того, в процессе разложения не наблюдалось токсичности для растений, и было подтверждено, что не влияет на прорастание и ранний рост плевела многолетнего и татцоя.
Схематическое изображение процесса получения и механизма самосборки пленок BDM посредством сложных водородных связей
Рис. 1. (A) Изображения плёнок LCNF, LANC и LANC50PVA50, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). На вставках показаны изображения поперечных сечений плёнок LANC и LANC50PVA50. (B) Изображения плёнок LCNF, LANC и LANC50PVA50, полученные с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ)
Рис. 2. (A) FTIR-спектры, (B) дифрактограммы, (C) кривые ТГА и (D) кривые ДТГ пленок LANC/PVA с различными соотношениями
Рис. 3. (A) Типичные кривые «напряжение–деформация», (B) УФ–видимые спектры, (C) фотографии и значения коэффициента прямой пропускаемости в области PAR, а также (D) угол смачивания водой (WCA) и паропроницаемость (WVP) пленок LANC/PVA
Рис. 4. (A) Кривые биологического разложения и кривая, построенная по кинетической модели, для LANC, LANC50PVA50, α-целлюлозы (положительный эталон) и LDPE (отрицательный эталон). Средние значения минерализации (линии) нанесены на график с выделенными областями вокруг кривых, которые соответствуют стандартному отклонению результатов, полученных в трёх повторных опытах для LANC и LANC50PVA50, и в двух повторных опытах для эталонов. (B) Сравнение минерализации LANC50PVA50 с минерализацией коммерческих мульчирующих пленок и биоразлагаемых пластиков, проведенное в условиях окружающей почвенной среды (ISO 17556 или ASTM 5988). Подробную информацию о биоразлагаемых пластиках и коммерческих мульчирующих пленках можно найти в таблице S8. (C) FTIR-спектры пленки LANC50PVA50 до и после 60-дневного биологического разложения в почве. (D) Микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), изображающие верхнюю поверхность образцов на 0-й день (D0) и 60-й день (D60), демонстрирующие прикрепление различных микроорганизмов к поверхности пленки (нижние изображения)
Рис. 5. (A) и (C) Цифровые фотографии однодольного растения (райграс) и двудольного растения (татцой) на 14-й и 55-й день соответственно. Влияние пленок LANC, LANC50PVA50, LDPE и 1% CdCl₂ (отрицательный контроль) на (B) скорость прорастания, свежую массу побегов и длину побегов райграса, а также на (D) скорость прорастания и свежую массу побегов татцоя. Планка погрешности представляет собой стандартное отклонение от среднего значения (n = 30 для райграса и n = 5 для татцоя). Звездочки над столбцами обозначают статистически значимую разницу по сравнению с контрольными образцами (*P < 0,05, P < 0,01, *P < 0,001, ****P < 0,0001)
Рис. 6. (A) Цифровые фотографии райграса в пробирках с почвой, покрытых пленкой LANC50PVA50 (слева), и без пленки (справа) на 14-й день. (B) Сравнение показателей роста райграса (масса и длину надземной части) и способности удерживать влагу. Процент прорастания райграса в данном испытании составляет 100 %. Полоски погрешности представляют собой стандартные отклонения от среднего значения (n = 15). Звездочки над полосками обозначают статистически значимую разницу между образцами, покрытыми пленкой, и образцами без пленки (*P < 0,05, P < 0,01, *P < 0,001, ****P < 0,0001)
«Благодаря использованию листьев, не конкурирующих с продовольственными ресурсами, и технологическому процессу на водной основе, эта технология может быть использована в качестве альтернативы пластику в сельском хозяйстве» - сказал профессор Мён Чжэ Ук.
Результаты данного исследования опубликованы 6 февраля в международном научном журнале «Green Chemistry».
Комментарии