The effect of glycerol and boric acid in the composition of polyvinyl alcohol and starch cryogels on their biodegradation in soil, the number of microflora and plant growth
The problem of excessive accumulation of used synthetic polymer materials can be partially solved by replacing them with biodegradable materials based on renewable raw materials. One option is compositions based on synthetic and natural polymers-polyvinyl alcohol (PVA) and starch-with the addition of a plasticizer and/or cross-linking agent. An important feature of PVA and starch is the ability of their aqueous solutions to form cryogels after a freeze-thaw cycle-viscoelastic bodies that remain stable at positive temperatures. This article presents the results of experiments modeling the biodegradation of PVA and potato starch cryogels modified with boric acid and glycerol in soil. It is shown that cross-linking with boric acid makes PVA and PVA-starch cryogels more resistant to the effects of native soil microflora: polymer mass loss reached 24 % and 60 %, respectively, within a month. The addition of 5, 10, and 20 % of the plasticizer glycerol increased the biodegradability of PVA and starch cryogels to 79, 81, and 86 %, respectively. The activity of the degradation processes was evidenced by changes in the soil microflora population: a decrease followed by partial recovery in the presence of cryo-gels containing boric acid and active growth during the decomposition of the glycerol-containing formulations. Increasing the glycerol concentration led to an increase in soil microflora population by 5-50 times relative to the control. The reaction of the test plant (white mustard), however, indicated the phytotoxicity of the degradation products of the glycerol-containing cryogels: in the soils after their degradation, the dry aboveground matter was 60-70 % lower than the control. Soil phytoproductivity after degradation of cryogels containing boric acid changed at different stages: initially, it increased by 30-90%, then decreased by 15-40 % compared to the control. This may have been due to the gradual release of borate from the polymer samples: boron is a micronutrient for plants at low concentrations, but is toxic at high concentrations. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Keywords
polyvinyl alcohol,
potato starch,
boric acid,
glycerol,
cryogel,
biodegradation,
soil microflora,
phytotoxicityAuthors
| Ovsyannikova Varvara S. | Institute of Petroleum Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences | varja@inbox.ru |
| Fufaeva Maria S. | Institute of Petroleum Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences | maria81@ipc.tsc.ru |
Всего: 2
References
Бердыева A. Экологические последствия использования пластика и пути борьбы с пластиковым загрязнением окружающей среды // Инновационная наука. 2019. № 5-1. С. 214-216.
Краскевич Д.А., Щербаков Д.В., Жернов Ю.В. и др. Система мер по уменьшению пла стикового загрязнения и потенциального воздействия на здоровье человека (обзор литературы) // Медицина труда и экология человека. 2024. № 3. С. 113-131.
Хасанова Г.Б. Биоразлагаемые полимеры - путь к устойчивому развитию природы и общества // Вестник КНИТУ. 2014. Т. 17, № 18. С. 323-325.
Студеникина Л.Н., Домарева С.Ю., Голенских Ю.Е. и др. Повышение прочности и во достойкости на основе поливинилового спирта с помощью борной кислоты // Вестник ВГУИТ. 2022. Т. 84, № 2 (92). С. 249-255.
Pokhrel S., Sundari L.R. Fabrication and Characterization of Starch-Based Biodegradable Polymer with Polyvinyl Alcohol // Nepal Chemical Society. 2019. Vol. 40. P. 57-66.
Patel M., Islam S., Kallem P. et. al. Potato starch-based bioplastics synthesized using glycerol-sorbitol blend as a plasticizer: characterization and performance analysis // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023. № 20. P. 7843-7860.
Zanela J., Casagrande M., Reis M. et. al. Biodegradable Sheets of Starch/Polyvinyl Alcohol (PVA): Effects of PVA Molecular Weight and Hydrolysis Degree // Waste Biomass Valor. 2019. № 10. P. 319-326.
Павленок А.В., Давыдова О.В., Дробышевская Н.Е. и др. Получение и свойства био разлагаемых композиционных материалов на основе поливинилового спирта и крахмала // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. 2018. № 1. С. 38-45.
Черная А.И., Шульга О.С., Арсеньева Л.Ю. и др. Упаковочные биодеградабельные пленки на основе поливинилового спирта // Упаковка и материалы. 2019. № 6. С. 32-35.
Суворова А.И., Тюкова И.С., Смирнова Е.А. и др. Реологические свойства смесей тройного сополиамида 6/66/610 с хитозаном // Журнал прикладной химии. 2005. Т. 78, № 6. С. 989-992.
Папкина В.Ю., Малинкина О.Н., Шиповская А.Б. и др. Свойства, деградация в почвогрунте и фитотоксичность композитов крахмала с поливиниловым спиртом // Известия Саратовского университета. Новая серия. Сер. Химия. Биология. Экология. 2018. Т. 18, № 1. С. 25-35.
Овсянникова В.С., Фуфаева М.С., Ким Е. и др. Биоразложение в почве материалов на основе криогелей поливинилового спирта и крахмала // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2023. Т. 66, вып. 11. С. 126-134.
Фуфаева М.С., Овсянникова В.С., Манжай В.Н. и др. Получение и свойства биоразлагаемых криогелей на основе поливинилового спирта и картофельного крахмала для борьбы с эрозией почв // Химия в интересах устойчивого развития. 2023. Т. 31, № 5. С. 601-607.
ГОСТ Р 54530-2011. Ресурсосбережение. Упаковка. Требования, критерии и схема утилизации упаковки посредством компостирования и биологического разложения : (введ. впервые с 01.01.2013). М. : Стандартинформ, 2014. 18 с.
Терещенко Н.Н., Акимова Е.Е., Минаева О.М. Современные методы оценки микробиологических свойств и экологического статуса почвы : практикум. Томск : Изд. Дом ТГУ, 2017. 152 с.
Тишин А.С., Тишина Ю.Р. Методы и способы фитотестирования почв (обзор) // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 11 (113), ч. 2. С. 93-99.
Овсянникова В.С., Фуфаева М.С. Биоразложение криогелей на основе поливинилового спирта и крахмала с глицерином и борной кислотой // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2025. Т. 68. С. 126-134.
Du Toit J.P., Pott R.W.M. Transparent polyvinyl-alcohol cryogel as immobilisation matrix for continuous biohydrogen production by phototrophic bacteria // Biotechnol Biofuels. 2020. Vol. 13 (1). Art. 105. doi: 10.1186/s13068-020-01743-7.