Akril kislota asosida bioparchalanvchan gidrogellar olish: suv yutish va saqlab turish shuningdek qishloq xo‘jaligi hamda ekologik barqarorlikka ta’siri

Kirish. Iqlim o‘zgarishlari va cho‘llanish oqibatida past yog‘in va bug‘lanish sababli suv yo‘qotishlar hosildorlikni keskin pasaytirayotgan bir paytda, 2050 yilga borib 6 mlrd kishi suv tanqisligidan aziyat chekishi prognoz qilinadi; odatiy yechimlar (tomchilatib sug‘orish, mikropurkagichlar) esa ko‘pincha tannarx qimmat va ekspluatatsiya xarajatlari yuqori [1; 2]. Shu sharoitda bioparchalanuvchi gidrogellar qishloq xo‘jaligida suvni tejash, tuproq namligini barqarorlashtirish hamda agrokimyoviy aralash moddalarni nazorat qilish uchun istiqbolli platforma sifatida shakllanmoqda [3; 4]. Biroq gidrogellarni ortiqcha qo‘llash ildizlar uchun kislorod tanqisligi va suv to‘planishiga olib kelishi, shuningdek, biopolimer gidrogellarning mexanik mustahkamligi pastligi kabi cheklovlar borligi qayd etilib, amaliy tatbiq uchun arzon va bardoshli kompozitlarni ishlab chiqish zarurligi ta’kidlanadi [5; 6]. Zamonaviy sharhlar gidrogellarning tuproqda suvni yutib-saqlashi, so‘ng “deswellingdiffuziya” mexanizmi (Deswelling -shishgan tarmoqning kichrayishi: Gidrogel nam muhitda bo‘kib shishadi. Muhit quriganda yoki o‘simlik bug‘lanish orqali suv tortib olinganda gidrogel ichki osmotik bosim kamayishi va tarmoq relaksatsiyasi sabab siqilib, hajmi kichrayadi.) orqali suv va ozuqalarni bosqichma-bosqich chiqarishini, shu tariqa yuvilib ketishni kamaytirishini hamda hosildorlikni oshirishini ko‘rsatadi [6; 7]. Deswelling-diffuziya mexanizmini ishlash tartibi: -Bo‘kish (oldindan): gidrogel suvni yutib, kattalashadi, -Deswelling: muhit quruqlashadi, ion kuchi/pH/harorat o‘zgaradi → gel ichidagi osmotik bosim kamayadi, polimer tarmoq siqilib, suvni tashqariga “siqadi”, “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 154 Кимё ва кимёвий технологиялар -Diffuziya: gel ichidagi erigan moddalar (suv, o‘g‘it va b/sh) ΔC konsentratsiya farqi tufayli tashqariga tarqaladi. Suv chiqishi diffuziyani tezlatadi. 1-rasm. Qishloq xo‘jaligida biopolimer gidrogellarning afzallik va kamchiliklari. Oddiy matematik ko‘rinishlar Diffuziya: bu yerda D - samarali diffuziya koeff., A - sirt, L - diffuziya yo‘li, ΔC -konsentratsiya farqi. Polimer tarmog‘idagi birlik hajmga to‘g‘ri keladigan elastik faol zanjirlar polimer tarmoqlanishini qanchalik zich bog‘langanini bildiradi va gidrofil guruhlar soni suv ushlash qobiliyatini belgilovchi asosiy omillar sifatida ajratiladi; ideal tuproq konditsioneri uchun superabsorbsiyalilik, biodegradatsiya va kovalent bog‘langan tarmoq mezonlari tavsiya etiladi [8]. Keng qamrovli tahlillar shuni ko‘rsatadiki, gidrogellar o‘g‘itni “fiksatsiya-va-chiqarish” rejimida tutib turib, oddiy suv bilan berilganga nisbatan ~2 baravar sekin chiqarishi mumkin; bu esa oziqa yuvilishini va N₂O emissiyasini kamaytirishga xizmat qiladi. Shu bilan birga, gidrogel bilan to‘yingan tarmoq tuproq tuzilmasini barqarorlashtiradi va ildizlar uchun qulay muhit yaratadi [9; 10]. Tadqiqot ob’ektlari va usullari. Gidrogellarda suv almashinuvi (shimish-chiqarish)ni aniqlash metodlari. Ko‘rsatkichlar: Erkin bo‘kish sig‘imi (g/g): muhitda yuklamasiz bo‘kkanda 1 g quruq gelning yutgan suyuqligi. Bosim ostida so‘rilish (g/g): belgilangan bosim p ostida bo‘kkanda ushlagan suyuqlik. Sentrifugadan keyingi ushlab qolish (g/g): standart sentrifuga bosqichidan so‘ng gel tarkibida qolgan suyuqlik. Desorbsiya kinetikasi (m(t)): vaqt o‘tishi bilan gel massasining kamayishi (suv chiqishi). Qo‘shimcha ko‘rsatkichlar: t50, t90 - Δm ning 50%/90% ga yetish vaqti. Natijalar tahlili. Ushbu tahliliy maqolaning maqsadi - biopolimer asosli gidrogellarning sintezi bo‘yicha yondashuvlarni jamlab ko‘rsatish, bo‘kish darajasiga ta’sir qiluvchi omillarni tahlil qilish hamda qishloq xo‘jaligidagi qo‘llanilish yo‘nalishlarini tizimli ko‘rib chiqishdir. Tahlil shuni ko‘rsatadiki, gidrogellar namlikni boshqarishdan tortib ozuqa va agroximikatlarning nazoratli chiqarilishigacha bo‘lgan jarayonlarda muhim imkoniyatlar yaratadi va barqaror dehqonchilik maqsadlariga mos keladi. Biroq turli o‘simlik turlari bilan o‘zaro ta’sirlar, atrof-muhit sharoitlariga bog‘liq natijadorlik, optimal biopolimer turi–konsentratsiya–qo‘llash usuli bo‘yicha ilmiy konsensusning yo‘qligi hamda tuproq-mikrobiologiya va ekotizimga uzoq muddatli ta’sirlar yetarlicha o‘rganilmagan. Hozirgi izlanishlar ko‘proq laboratoriya darajasida bo‘lib, keng maydon sharoitiga o‘tkazishda texnologik va logistika to‘siqlari, shuningdek, haqiqiy narx-samaradorlik bahosi qo‘shimcha tadqiqotlarni talab qiladi. Gidrogellar - suvni ko‘p miqdorda ushlab turishga qodir, uch o‘lchamli gidrofil polimer tarmog‘i bo‘lib, suvga tushirilganda erimagan holda bo‘kadi. Ularning zanjirlari kimyoviy bog‘lanishlar yoki fizik o‘zaro ta’sirlar (vodorod bog‘lari) orqali tarmoqlanadi. 2-rasmda “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 155 Химия и химические технологии yondashuvlar ikki guruhga ajratilgan: fizik usullar (gidrofob, vodorod bog‘lanishi, ionili o‘zaro ta’sir, muzlatish-eritish, polimerni qizdirish/sovutish) va kimyoviy usullar (polimerizatsiya, kimyoviy, radiatsion, erkin radikal va fermentativ). 2-rasm. Gidrogellarni sintez qilish usullari Qishloq xo‘jaligida ular tuproq konditsioneri va oziqa (agrokimyoviy) rezervuari sifatida qo‘llanib, tuproqning suv ushlash qobiliyatini oshiradi, agroximikatlarni kapsulalab, boshqariladigan qonuniyatni ta’minlaydi. Shu bois, rasmda ko‘rsatilgan metodlar gidrogellarning tuzilma-xossa-funksiya bog‘liqligini muhandislik darajasida sozlash va barqaror agrotexnologiyalarni joriy etishda tayanch konseptual asos bo‘lib xizmat qiladi. Toshkent kimyo texnologiya ilmiy tadqiqot instituti olimlari tomonidan biopolimerlar bilan akril kislota asosidagi bioparchalanadigan gidrogellar taklif etilgan bo‘lib ushbu tarkiblarni asosini tashkil etuvchi biopolimerlar arzon, toksik bo‘lmagan va bioparchalanadigan biopolimer bo‘lib, gidrogel tarmoqlariga akril kislota ionlashuvchi karboksil guruhlari orqali yuqori bo‘kish va pH muhitiga ta’sirchan bo‘lib polimerlanish va polimer zanjirlarini ko‘priklar orqali o‘zaro ulab, uch o‘lchamli tarmoq (gel) hosil qilish imkonini beradi va natijada qishloq xo‘jaligida tuproq konditsioneri va agrokimyoviy moddalar uchun samara beruvchi gidrogellar olinadi. Shunda polimer suvda erimay, bo‘kkan, shaklini saqlaydigan gidrogel holida bo‘ladi. (Adabiyotlarda kraxmal-PAN, kraxmal-poliakrilat, KMK-kraxmal kompozitlari, hamda MBAA/APS bilan kimyoviy bog‘langan Akril kislota asosidagi gidrogellar haqida ma’lumotlar keltirilgan). Ushbu ishning asosiy ilmiy yangiligi biopolimerlarga asoslangan uch o‘lchamli polimer tarmog‘ining biodegradatsiyasi, asosan, biopolimerlarni depolimerizatsiyasi bilan birga ikki xil mexanizmi orqali yuz beradi: (1) ikki (yoki undan ko‘p) polimer zanjirini bog‘i (–O–CO–) orqali kovalent bog‘lanish orqali uch o‘lchamli tarmoq (gel) hosil qiladi. Suvli muhitda kislota/ishqor katalizi ishtirokida nukleofil hujum natijasida gidrolizlanib, tarmoq tugunini parchalaydi (-COOR→–COOH+R-OH); (2) ionli bog‘lanishda (masalan,-COO⁻···Ca²⁺···⁻OOC-) ion kuchi oshishi, kation almashinuvi (Ca²⁺↔ Na⁺/K⁺/NH₄⁺) yoki past pH muhitida karboksil guruhlarining protonlanishi tufayli disotsiatsiyalanib, fizik tarmoqlanishni yo‘qotadi. Akril kislotaning bioparchalanishga ta’siri ionlanadigan karboksil guruhlari (–COOH/–COO⁻) orqali gelning gidrofilligini va bo‘kish darajasini keskin oshirish natijada suvning diffuziyasini osonlashtiradi va biodegradatsiya tezlashadi. Ushbu taklif etilayotgan gidrogelda degradatsiya asosan biopolimer bloklari va gidrolizlanadigan polimer bog‘lar hisobiga boradi; akril kislota strukturasidagi polimer “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 156 Кимё ва кимёвий технологиялар bog‘lar esa odatda sekin parchalanadi. Shuning uchun tizim qisman bioparchalanadigan deb qaraladi. Taklif etilgan biopolimerlar bilan akril kislota asosidagi bioparchalanadigan gidrogellarni tarkibida akril monomerlari 5% dan 60% gacha miqdorda qo‘shib turli markali akril-1 (5%), akril-2 (20%), akril-3 (30%), akril-4 (50%) va akril-5 (60%) bioparchalanadigan gidrogellarni tarkibida azot bo‘lgan inisiatorlar yordamida olindi va ularni suv yutuvchanlik xususiyatlari ichimlik suvda taqqoslab o‘rganildi. Gidrogellarning tarkibi, qurish (desorbsiyalash) vaqti hamda namlikni ushlab turish darajasi o‘zaro chambarchas bog‘liq bo‘lib, dalada ularni tuproqqa aralashtirishdan oldin aynan shu ko‘rsatkichlarni solishtirish juda muhim. Tuproq-gidrogel tizimida namlik almashinuvi suv potentsiali gradiyentiga (matrik va osmotik bosqichlar) va muvozanat holatidagi namlik konстаntasiga tayanadi: muhit quruqroq bo‘lsa gidrogel suvini chiqaradi, namroq bo‘lsa — qaytadan yutadi. Bu muvozanat, avvalo, gidrogelning kimyoviy tuzilishi va olinish (sintez) usuli bilan, ma’lum darajada esa tuproq strukturasi (mexanik tarkib, g‘ovaklik, sho‘rlanish) bilan belgilanadi. Taklif etilgan bioparchalanadigan gidrogellar asosidagi akril-1, akril-2, akril-3, akril-4 va akril-5 markalarini tashkil etuvchi biopolimerlarni suv almashinuvi (shimish–chiqarish)ga ta’sir mexanizmlari tahli qilindi va olingan natijaslar 1- jadvalda keltirilgan. Biopolimerlar asosidagi, azotli initsiatorlar yordamida polimerlangan akril kislota asosidagi gidrogellarida akril monomeri ulushi 5–60% oralig‘ida o‘zgartirilib, 1 g quruq gidrogel uchun suv almashinuvi (erkin bo‘kish, g/g) ko‘rsatkichi 3-24 soat davomida gravimetrik usulda baholandi. 1-jadvaldagi natijalar bo‘kish kinetikasi va muvozanat sig‘imini (Qₑ = 24 soat) taqqoslashga imkon berdi. akril-1, akril-2, akril-3, akril-4 va akril-5 markalari asosidagi biopolimerlarni suv almashinuvi (shimish–chiqarish)ga ta’sir mexanizmlari tahlil qilingan bo‘lib suv shimuvchanlik xususiyatlari ichimlik suvda asosan akril monomerining foiz ulushi ortishi bilan tarmoqda -COO⁻ markazlari ko‘payadi va osmotik bosimi kuchayib, suv kirishi (Q) ortadi. Biroq akril monomerining foiz ulushi yuqori darajada oshsa, polimerlanish ham ortadi va polimer tarmog‘ining zichlashishiga olib kelib gidrogel tarkibidagi bo‘shliq yoki g‘ovaklarning kamayishiga sabab bo‘ladi. Shuning uchun gravimetrik usul bo‘yicha maksimumga yaqin sig‘im o‘rtacha-yuqori akril monomerining foiz ulushi 40-50% nisbatida kuzatilib yuqori nisbatda esa kinetika biroz sekinlashishi mumkin. 1-jadvalda keltirilgan gravimetrik usul bo‘yicha (erkin bo‘kish, g/g) olingan ma’lumotlar asosida 1 g quruq gidrogel namunasi uchun 3-24 soat davomida o‘lchovlar amalga oshirildi. 24 soatlik qiymat Qₑ (muvozanat bo‘kish darajasi) sifatida qabul qilindi. t₅₀ va t₉₀ qiymatlari esa vaqt nuqtalari orasida chiziqli interpolyatsiya usuli orqali hisoblab aniqlangan. 1-jadval Gidrogel tarkibidagi akril kislotasi ulushi va gidrogellarning (3-24 soat davomida gravimetrik usul bilan o‘lchangan) erkin bo‘kish darajalari o‘rtasidagi bog‘liqlik (Q,g/g). Namunalar Vaqt bo‘yicha (Q, g/g); (1 g quruq gidrogel; 3–24 soat; gravimetrik usul) Akril, % 3 soat/g 6 soat/g 12 soat/g 15 soat/g 18 soat/g 21 soat/g 24 soat/g akril-1 5 38 51 78 94 108 122 128 akril-2 20 98 112 164 193 233 254 269 akril-3 30 166 224 263 301 326 367 408 akril-4 50 276 326 441 487 502 519 536 akril-5 60 215 258 346 386 416 451 463 Biopolimer bilan akril monomerlarni polimerlab olingan bioparchalanadigan gidrogellarda akril monomeri ulushi 5–60% oralig‘ida oshirilganda erkin bo‘kish sig‘imi (g/g) 3-24 soat oralig‘ida gravimetrik usul bilan baholandi muvozanat sig‘imi Qe bo‘yicha quyidagi tartibni “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 157 Химия и химические технологии ko‘rsatdi: akril-4 (50%) = 536 g/g > akril-5 (60%) = 463 g/g > akril-3 (30%) = 408 g/g > akril-2 (20%) = 269 g/g > akril-1 (5%) = 128 g/g. Bu akril monomeri ulushi ionlanadigan karboksilat markazlari (–COO⁻) osmotik bosimi mexanizmini tasdiqlaydi va shuning hisobiga suv kirishi keskin ortadi. Biroq akril monomeri ulushi 60% dan oshganda tarmoqning polimerlanishi oshib struktura zichlashadi. Xulosa qilib, akril monomeri ulushi 50% atrofida bo‘lganda biopolimer nisbati sig‘im va tezlikning eng qulay balansini beradi; amalda qo‘llashda ushbu nisbatni tavsiya etish mumkin. Quyidagi 2-jadvalda erkin bo‘kish kinetik ko‘rsatkichlari: Qₑ (24 soat), t₅₀ (soat), t₉₀ (soat), Q(6/12/18 soat)/Qₑ (%) va o‘rtacha tezliklarni ΔQ/Δt (3–6; 6–12; 12–24 soat) aniqlash maqsad qilingan. Ushbu tadqiqotda Qₑ (g/g): 24 soatda o‘lchangan muvozanat bo‘kish sig‘imi, t₅₀ / t₉₀ (soat): Q(t) bo‘kish egri chizig‘i Qₑ ning 50% / 90% ga qachon yetishini bildiradi, Q(6soat)/Qₑ, Q(12soat)/Qₑ, Q(18soat)/Qₑ shu paytgacha gidrogelni suv shimishini nechta (%) foiziga yetganini ko‘rsatadi, tezlik (3–6 soat, 6–12 soat, 12–24 soat) shu vaqt oralig‘ida bo‘kish tezligi. Gidrogellarni erkin bo‘kish kinetik ko‘rsatkichlarini aniqlashdan maqsad Qₑ - “qancha suv ushlaydi” (sig‘im) va t₅₀/t₉₀ - qanchalik tez bo‘kadi” (kinetika) taklif etilgan gidrogel akril-1, akril-2, akril-3, akril-4 va akril-5 markalarni eng yaxshi tarkibni tanlashni osonlashtiradi. 2-jadval Gidrogellarining erkin bo‘kish kinetik ko‘rsatkichlari: Qₑ (24 soat), t₅₀ (soat), t₉₀ (soat), Q(6/12/18 soat)/Qₑ (%) va o‘rtacha tezliklar ΔQ/Δt (3–6; 6–12; 12–24 soat). Sinov sharoiti: 1 g quruq gidrogel, 3–24 soat, (gravimetrik usul). Q (6soat)/ Qₑ (%) Q (12soat)/ Qₑ (%) Q (18soat)/ Qₑ (%) Namunalar Tezlik 3-6 soat (g/g·soat) 12–24 soat 6–12 soat Akril, % t₅₀ (soat) t₉₀ (soat) Qₑ (g/g) akril-1 5 128 8.89 19.54 39.8 60.9 84.4 4.33 4.50 4.17 akril-2 20 269 8.60 19.30 41.6 61.0 86.6 4.67 8.67 8.75 akril-3 30 408 4.97 21.01 54.9 64.5 79.9 13.33 6.50 6.08 akril-4 50 536 ≤3.0* 14.70 60.8 82.3 93.7 16.67 16.17 15.92 akril-5 60 463 4.15 18.06 55.7 74.7 89.8 14.33 14.67 9.75 * Izoh (akril-4, t₅₀): 0.5 Qe=268 g/g bo‘lib, bu 3 soatda suv shimishi 50% dan oshib ketgan (Q=276). Shuning uchun t₅₀ < 3 soat (jadvalda ≤3.00 soat deb ko‘rsatildi). Turli akril kislotasi foizlariga ega gidrogellarning erkin bo‘kish kinetikasi gravimetrik usulda (3-24 soat) baholandi. Akril kislotasi 50% (akril-4) bo‘lgan gidrogel eng yuqori sig‘im (Qe=536 g/g) va tez muvozanatga yaqinlashish xususiyatini namoyish etdi (t50 ≤ 3 soat, t₉₀ ≈ 14.7 soat) hamda 12 soatda bo‘kishning 82.3% qismiga yetdi. 60% akril kislotali (akril-5) gidrogel ham yuqori sig‘im (Qe=463 g/g) ko‘rsatdi, ammo tarmoq zichligi yuqori bo‘lgani sababli relaksatsiya jarayoni sekinroq kechdi (t₉₀ ≈ 18.1 soat). 30% akril kislotali (akril-3) namunada 3-6 soat oralig‘ida boshlang‘ich diffuziya juda tez (o‘rtacha tezlik ≈19.3 g/g·soat) bo‘lsa-da, 90% muvozanatga yetishishi nisbatan uzoq vaqt talab qildi (t₉₀ ≈ 21.0 soat). 20% va 5% akril kislotali (akril-2 va akril1) gidrogellarda Qₑ past va bo‘kish kinetikasi sekinroq bo‘lib, t₅₀ va t₉₀ qiymatlari yuqoriroq bo‘ldi. Natijalar akril kislotasi foizi oshishi bilan gidrogelning maksimal bo‘kish sig‘imi ortishini, ammo yuqori foizlarda tarmoq zichligi sababli kinetika biroz sekinlashishini ko‘rsatadi. Taklif etilgan gidrogellarni suv almashinuvi (shimish-chiqarish) akril-4 va akril-5 markalarni eng yaxshi ekanligini inobatga olib ushbu gidrogellarni amaliyotda tajriba dalasida qo‘llanilib, tuproqning hajm og‘irligi va dala nam sig‘imi bahor va kuz davrlarida aniqlangan. Bahor oylarida tuproqning 0-50, 0-70 va 0-100 sm qatlamlarida hajm og‘irligi mos ravishda 1,39, 1,40 va 1,41 g/sm³ ni tashkil etgan. Vegetatsiya davri oxirida (kuzda) nazorat variantida bu ko‘rsatkichlar biroz oshib, mos ravishda 1,44, 1,45 va 1,47 g/sm³ ga yetgan bo‘lsa, akril-4 va akril- “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 158 Кимё ва кимёвий технологиялар 5 qo‘llangan variantlarda 1,43, 1,44 va 1,46 g/sm³ bo‘lib, nazoratga nisbatan 0,01 g/sm³ ga past bo‘lgani aniqlandi. Dala nam sig‘imi chuqurlik ortishi bilan ko‘tarilib, 0-10 sm qatlamda 17,6%, 0-100 sm qatlamda esa 22,9% ni tashkil etdi. Umumiy kesim bo‘yicha esa 0-50 sm qatlam uchun 18,6%, 0-70 sm uchun 19,0%, 0-100 sm uchun 20,0% bo‘ldi. Natijalar shuni ko‘rsatdiki, polimerlar tuproqning zichlashishini sekinlashtirib, uning suvni ushlab turish qobiliyatini oshirdi hamda qurg‘oqchil sharoitda tuproqning suv rejimini yaxshilashda samarali ekanligi isbotlandi. Xulosa. Ushbu ish suv tanqisligi sharoitida agroekotizimlarda namlikni boshqarish va ozuqa moddalarini nazoratli chiqarish uchun biopolimer-akril kislota asosidagi bioparchalanadigan gidrogellarning imkoniyatlarini ko‘rsatdi. Bo‘kish-deswelling (desorbsiya)-diffuziya mexanizmi gidrogelning suv va agrokimyoviy moddalarning bosqichma-bosqich relizini ta’minlab, yuvilish va potentsial N₂O emissiyasini kamaytirishga xizmat qiladi. Tarkibiy tahlillar akril monomeri ulushi oshishi bilan (–COO⁻) markazlari ko‘payib osmotik bosim ortishini, biroq 60% va undan yuqorida tarmoq zichlashuvi sabab g‘ovaklik kamayib kinetika sekinlashishini ko‘rsatdi. Gravimetrik sinovlarda 50% akril kislotali namuna (akril-4) eng yuqori muvozanat sig‘imiga erishdi (Qₑ=536 g/g) va tez bo‘kish ko‘rsatdi (t₅₀ ≤ 3 soat; t₉₀ ≈ 14,7 soat); 60% li namuna (akril-5) yuqori sig‘im (Qₑ=463 g/g) bilan, biroq sekinroq relaksatsiya bilan ajraldi (t₉₀ ≈ 18,1 soat). Dala sinovlari gidrogellar tuproqning zichlashishini biroz sekinlashtirishini (hajm og‘irligi nazoratga nisbatan ≈0,01 g/sm³ past), dala nam sig‘imi va suvni ushlab turishni yaxshilashini ko‘rsatdi. Natijalar 4050% akril ulushi sig‘im-tezlik-amaliy barqarorlikning eng maqbul muvozanatini berishini, ammo dozani oshirib yuborish ildizlar uchun aeratsiya xatarini kuchaytirishini tasdiqlaydi. Keng ko‘lamli, ko‘p mavsumli dalalar va turli tuproq-iqlim sharoitlarida narx-samaradorlik, mexanik mustahkamlikni oshirish (masalan, kompozitlash) imkonini yaratishi mumkin