CN111116263B - 纳米几丁质在提高肥料利用率方面的应用 - Google Patents

Abstract

本发明利用经酸解脱酰制备的一种新型纳米生物材料‑纳米几丁质水悬浮液，与肥料混合使用促进杜梨幼苗生长和提高肥料吸收利用率。该纳米水悬浮剂是具有聚阳离子性质的纳米几丁质晶体颗粒，数据显示：在施用“75%肥料+纳米几丁质”下的杜梨幼苗各项生长指标几乎可达到与100%常规施肥量同等效果，而“50%肥料+纳米几丁质”则可以显著提高杜梨幼苗株高、茎粗、鲜/干重等营养生长指标，使苗子对氮元素的吸收量显著增加（对磷钾元素影响较小）。上述结果初步表明纳米几丁质这种天然高分子材料与肥料混合施用具有很好的协同增效作用，可以提高肥料利用率25%‑50%。

Description

纳米几丁质在提高肥料利用率方面的应用

技术领域

本发明属于新型生物纳米材料α—纳米几丁质应用技术领域，具体涉及纳米几丁质在提高肥料利用率方面的应用，进一步的，将其与肥料以不同比例混合应用于农业生产上，包括用于促进植物如杜梨生长、矿质元素吸收以及对肥料的协同增效，在一定程度上降低了肥料用量。

背景技术

生物纳米材料被公认为是21世纪最有前途的科研领域，是国际生物技术领域的前沿和热点学科，纳米技术正在引发这一场新的产业技术革命。纳米科技与农业技术的相互渗透，也催生了农业纳米科技等新兴学科，为农业科学提供新的理论、方法和技术手段，必将对未来农业的发展产生广泛而深远的影响。已知纳米材料有着特殊的四大效应：表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应，这些特殊效应使纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。

几丁质（chitin，结构式如下左所示）是广泛存在于自然界的可再生多聚物，主要的来源为虾、蟹、昆虫等甲壳类动物的外壳与软体动物的器官（例如乌贼的软骨），以及真菌类的细胞壁等。其蕴藏量在地球上的天然高分子中占第二位，估计每年自然界生物的合成量可达 1 × 10¹¹吨，仅次于纤维素。自然条件下，几丁质不溶于水，也不溶于酸或有机溶剂，因此很难被有效利用。壳聚糖（chitosan, 结构式如下右所示）是几丁质的衍生物，在特殊条件下，对几丁质进行降解和脱酰反应得到的。壳聚糖是可以溶解在弱酸中的。在弱酸中，壳聚糖上的氨基质子化后即成为带正电荷的聚合物，从而具有生物活性，被广泛的应用于医药、食品、农业等领域。

同纤维素一样，天然几丁质也是以纤维状形式存在，通过分子间和分子内的氢键将N-乙酰葡萄糖分子紧密结合在一起，形成具有晶体和非晶体两种结构的几丁质纤维。纯净几丁质的制作工艺比较简单，目前生产上常用的方法是将原料（虾壳或蟹壳）经过脱蛋白、脱盐、脱色素、漂白、烘干研磨得到几丁质。几丁质低聚糖的制备方法有酸解法、酶法、氧化降解法、合成法等。传统工艺生产壳聚糖是化学脱酰反应或水解法，其原理是通过水解破坏几丁质的非晶体区域，使分子键断裂，分子链中部分N-乙酰葡萄糖脱酰，提高亲水性。但是化学脱酰或水解法反应条件要求较高，不宜控制，且反应时间较长，耗能，污染环境。利用酶解法可以解决这些问题，包括使用甲壳素酶、壳聚糖酶和溶菌酶进行水解。但是此类酶价格昂贵且不易获得，造成产品成本过高。近年来，用盐酸水解制备纳米几丁质的方法也有很多报道。

由于几丁质的天然性质和独特的分子结构，越来越受到科学界的重视。大量研究表明，几丁质除了具有无毒、生物相容、生物可降解性等性能外，几丁质的衍生物（壳聚糖）在农业生产中可用作病虫害防治、种子包衣、水果和蔬菜的涂层，诱发植物抗性和提高植物免疫力等。纳米几丁质除了继承几丁质的基本性质外，还有很高的比表面积、高结晶度和聚阳离子的性质，被视为综合性能优异的天然高分子材料。利用水解制备的纳米几丁质，比表面积较大且携带一定量的聚阳离子，其纳米颗粒比一般壳聚糖具有更显著的生物活性。经毒理检测，0.3%纳米几丁质水悬浮剂对雄性和雌性大鼠的急性径口LD50均大于5000mg/kg.BW, 急性经皮LD50均大于2000mg/kg.BW, 对其他生物基本无毒。有研究表明纳米二氧化钛、多层碳纳米管、金属纳米颗粒以及以纳米材料为基础的纳米感应器等等，这些材料在农业上均有应用，然而有着良好生物特性和应用价值的纳米几丁质在提高肥料利用率上的应用还没有被系统研究。

目前，梨是中国栽培的主要落叶果树之一，其栽培面积和总产量均居世界首位，分别占世界的70.0%和67.9%（数据来源于FAO数据库）。梨树生长受到栽培品种、水肥管理等农艺措施、土壤理化性质以及降水等多种因素的影响，而施入土壤中的肥料的利用率又受到土壤质地、含水率、肥料种类和施肥方式等多种因素的综合影响。相关报道，2010年中国化肥消费量达到5561.7×10⁴t，为世界化肥总消费量的34%，目前中国的化肥利用率多在15%-35%之间，中国以及全世界提高肥料的利用率一直是一门有待攻克的难题。近些年在农业生产中，肥料流失相对严重，主要受到肥料用量和类型的影响，鉴于此如何在保证农产品产量和品质的前提下达到减施化肥是我国农业生产管理面临的重要挑战，因此现代农业迫切需要高效、环境友好的新型制剂取代或减少肥料的使用，而发展新型肥料、实施绿色肥料替代传统农化产品已成为我国肥料产业实施质量替代数量发展的战略选择。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种纳米几丁质在提高肥料利用率方面的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

纳米几丁质在提高肥料利用率方面的应用。

具体的，纳米几丁质与肥料复配使用，从而使得纳米几丁质可以提高肥料利用率。

进一步的，可以将纳米几丁质与肥料复配使用，从而促进杜梨幼苗的生长。

进一步的，当纳米几丁质与肥料复配使用时，能够提高杜梨幼苗的株高、茎粗和叶片数。

进一步的，当纳米几丁质与肥料复配使用时，能够提高杜梨幼苗对矿质元素的吸收。

本发明还提供了一种纳米肥料，其包含上述的纳米几丁质。

本发明是利用新型生物纳米材料纳米几丁质来促进植物生长，以及其与水溶复合肥混合物的协同增效作用，从而解决大量使用化肥造成肥料流失、土壤退化、环境污染等重大社会问题。

本发明经试验表明：纳米生物材料纳米几丁质可以调节植物生长、减少化学肥料的用量，从而降低农用化学品使用对环境的污染。因此，本发明将纳米材料具备的促生长和改善环境的特点与生产中常用肥料相结合，研制出多功能的新型纳米肥，可以降低化学肥料以及生长调节剂的施用，减少土壤对其吸附，减轻土壤和地下水的污染，改善土壤物理化学结构，提高土壤和作物对养分的利用率。和现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明利用农业废弃物资源生产的新型纳米生物材料，该制剂具有以下特点：

一是此制剂为一种环境友好型纳米制剂-水悬浮液，无需任何有机或无机助剂；

二是在作物上超低用量应用，能提高作物的植物学性状，又能减少对土壤、水以及环境的影响；

三是和常用肥料混用可以降低化肥的用量提高肥效，降低农用化肥残留，大幅度减少对环境的破坏和污染；

四是这种制剂对使用者的技术要求不高，并能省时、省工、省力，符合当前农村社会经济现实；

五是具有提供养分和改良土壤的多种功能；

六是主要采用农业废弃物生产纳米材料，可以促进农业废弃物资源的循环利用。

附图说明

图1为纳米几丁质水悬浮液的照片；

图2 纳米几丁质的粒度检测结果；

图3 纳米几丁质的电位检测结果；

图4 为杜梨幼苗在不同配比生物纳米肥料下的生长表型。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中，所用的纳米几丁质经如下方法获得：

采取改良后的酸水解法制备纳米几丁质，具体为：将600mL 3mol·L^-1的盐酸装入三颈圆底烧瓶中，放置于装有甘油的数字恒温油浴锅油浴加热，直至温度升至85℃，加入2g几丁质粉末（购自美国Sigma公司），匀速搅拌1.5h使几丁质粉末与盐酸充分接触反应（反应体系保持85℃恒温）。1.5h后将反应体系从三颈圆底烧瓶中取出，立即转入4℃去离子水中（体积为反应体系的4倍）终止反应，冷却后8000rpm·min^-1条件下低温离心15min，留取沉淀。然后将沉淀重新转入装有600ml 3mol·L^-1盐酸的85℃三颈圆底烧瓶中进行第二次反应，重复上述过程，一共反应3次。最后一次反应完毕后，离心去除多余盐酸，向沉淀中加入少量去离子水稀释，转入Spectra/Por透析膜（MWCO：12-4kD）用去离子水室温下透析一周左右以除去残余盐酸，待透析膜外去离子水pH稳定后，将体系取出，通过超声细胞破碎仪进行超声破碎（设置35%输出功率，工作5s，间隔5s），超声20min后在10000rpm·min^-1条件下离心10min，去除沉淀，上清液即为均匀分散的携带聚阳离子的纳米几丁质悬浮液（如图1所示），放于4℃冰箱留存备用。

对上述制备的纳米几丁质悬浮液进行浓度、粒径以及电位等相关测定。

浓度测定：将方形铝箔纸制成一次性干燥碟，置于恒温鼓风干燥箱70℃预烘干15min称重。用移液枪精确吸取3ml纳米几丁质悬浮液，盛放于干燥碟中，重新置于90℃烘箱2h，待干燥碟上液体完全干透后取出称重，干燥前后两次重量差值即为3ml纳米几丁质的重量，由此计算出纳米几丁质的浓度为3.7g·L^-1。

粒径、电位测定：利用动态光散射原理通过马尔文纳米粒度仪（MalvernNanosizer, Nano-ZS90）测定纳米几丁质的粒径和电位，其中粒径为162.2nm，电位为+45.9mV（如图2、3所示）。

以下将纳米几丁质悬浮液换算为纳米几丁质的质量后，与水溶复合肥按一定比例复配进行相关试验。具体的，下述以普通市售的水溶复合肥20%-20%-20%为例，与纳米几丁质悬浮液复配后进行杜梨幼苗生长的相关试验。

应用试验：不同配比生物纳米肥料对杜梨幼苗营养生长相关指标的影响

a）杜梨苗的培养及处理方法

洗净的杜梨种子常温水浸泡24h，用湿砂拌种贮藏于4℃冰箱中进行层积处理，1个月后将种子取出，播种于装有基质的育苗穴盘内，放在人工气候箱培养（白天14h，温度28℃，光照度60%；黑夜10h，温度20℃），待种子萌芽长至4-5片真叶时，将其移栽到装有280g基质的大号营养钵（pot，20cm×9cm）内继续培养至5-6片真叶，然后选择长势一致的健壮幼苗分为六组进行试验处理，处理分两次进行（两次处理间隔24h），如表1所示，每处理6个重复，具体如下：T1—100%A+B；T2—75%A+B；T3—50%A+B；T4—B；T5—100%A；CK—去离子水，其中A和B分别表示水溶复合肥和纳米几丁质常规用量3g和1.68mg,，幼苗生长期间进行常规管理，处理20d后测定植株生长相关生理指标，并留取嫩根保存于-80℃超低温冰箱储藏备用（预试验中分别于处理后第0、1、3、5、7、10、15、20、25天测定植株高度，发现杜梨苗在15-20天这段时间株高增长最快，故选择在处理第20天测定所有指标并取样）。

表1 试验处理方法

b）不同配比生物纳米肥料不同程度提高杜梨幼苗株高、茎粗、鲜/干重以及叶片相关指标

图4和表2给出了杜梨幼苗在不同配比生物纳米肥料下的生长表型和生长情况。

表2 不同配比生物纳米肥料下杜梨幼苗营养生长情况

注：图中数据为均值±标准差，不同小写字母表示不同处理间在0.05水平下存在显著性差异（p﹤0.05）.下同。

由图4和表2可以看出，在六个处理组中，关于杜梨幼苗营养生长指标表现最为明显的是株高。与清水对照相比，T4组纳米几丁质和T5组水溶肥的单独施用都能使幼苗株高显著增加，但是前者增加幅度（17.43%）要小于后者（27.31%），说明纳米几丁质这种天然高分子材料具有促进杜梨苗生长的作用。其次，与T5常规施肥量（株高17.53cm）相比，在不同配比生物纳米肥料处理下，除了T3（50%水溶复合肥+纳米几丁质）处理组，T1、T2和T4组幼苗株高均小于T5，并且差异不显著，说明“50%水溶复合肥+纳米几丁质”的配合使用能使幼苗株高达到与“100%水溶复合肥”同等效果，证明纳米几丁质具有减施化肥和协同增效的作用，在生产中可作为一种天然绿色的肥料增效剂使用。

除了株高这一指标，“50%水溶复合肥+纳米几丁质”处理下的杜梨幼苗，株高、茎粗、鲜重和干重值分别为20.27cm、1.94mm、5.39g和1.45g，其中鲜重和干重在所有处理组中均为最大值，且与其他处理组相比，均达到显著性差异；而该处理下幼苗茎粗仅次于最大值1.99mm，与其他组相比，差异不显著，这些数据也间接说明纳米几丁质可以促进杜梨苗对生长环境中养分的吸收，进而提高肥料利用率。

另外，在植株叶片相关指标方面，叶片数、叶长与叶周长各平均值在T3处理下最大，分别为15.67片、12.94cm、24.71cm，叶面积和叶宽值则是T5处理下最高，分别为16.32cm²、3.74cm，但是不同处理组之间并无显著性差异。

c）不同配比生物纳米肥料提高杜梨幼苗对矿质元素含量的吸收

表3 给出了不同配比生物纳米肥料下杜梨幼苗植株体内氮、磷、钾元素含量。

表3 不同配比生物纳米肥料下杜梨幼苗植株体内氮、磷、钾元素含量

由表3可知，T1—T5以及CK组的杜梨幼苗植株体内氮含量分别为3.29%、3.34%、3.61%、2.69%、3.26%、2.11%，且氮含量在不同处理之间表现出显著差异性。与清水对照相比，纳米几丁质无论是单施还是与肥料以不同比例混施，植株氮含量均显著提高，而且后者更为明显，其中在T3和T4组中氮含量分别增加71%和27%；与T5常规施肥量相比，T1、T2和T3组杜梨苗氮含量均有所增加，只有T3具有显著性差异，显著增加11%。

对于磷而言， T1—T5以及CK组的磷含量分别为0.57%、0.54%、0.49%、0.34%、0.52%、0.32%，分析数据可知，与清水对照相比，单施纳米几丁质对促进磷吸收无明显效果，而T1、T2和T3的混施作用效果显著，而且这三组与常规施肥量相比，促进作用依次减弱，但彼此间差异不显著。

对于钾而言，T1—T5以及CK组的钾含量依次为1.56%、1.60%、1.55%、1.35%、1.60%和1.57%，无论是与清水对照相比还是与常规施肥量相比，均无显著性差异，说明不同处理对植株钾含量影响较小。

综上所述，纳米几丁质在减施化肥功效方面极有可能主要是通过促进植物对氮养分的吸收代谢来实现。

d）不同配比生物纳米肥料对杜梨幼苗SPAD值及叶绿素荧光参数的影响

表4 给出了不同配比生物纳米肥料下杜梨苗叶片的SPAD值，表5 给出了生物纳米肥料对杜梨幼苗叶绿素荧光参数的影响。

表4 不同配比生物纳米肥料下杜梨苗叶片的SPAD值

由表4分析可以看出：在六个处理组中，SPAD 值依次为42.33,、44.40、47.23、41.13、44.77和41.73，其中“50%水溶复合肥+纳米几丁质”这一组幼苗叶片SPAD值最大。与清水对照相比，其余五个处理组SPAD值均不同程度的增加（T4例外）。此外，与T5—100%水溶肥（常规施肥量）相比，T1显著降低，T2无显著性差异，T3显著增高，说明在施用50%的施肥量时，添加纳米几丁质可以明显提高植株叶片叶绿素含量，进而提高光合作用，促进植株生长。

表5 生物纳米肥料对杜梨幼苗叶绿素荧光参数的影响

植物光能利用的量子效率是光合作用研究的基础，而叶绿素在植物对光能利用的过程中起着关键作用。从表5测定的叶绿素荧光参数可以看出：在所有处理组中，叶绿素荧光参数除了Fo之外，其他参数如Fo'、Fm'、Fs、ΦPS Ⅱ、Fm和Fv /Fm等与对照相比均无显著性差异，而Fo为初始荧光产量，代表不参与PSⅡ光化学反应的光能辐射部分，是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量，与叶片内叶绿素浓度有关。与T5常规施肥量相比，在施用“75%水溶复合肥+纳米几丁质”的情况下，两处理组幼苗的Fo值最为接近，分别为247.333和245.333，无明显差异，ΦPS Ⅱ也无显著差异，也就是说在减少25%肥料用量的情况下，微量纳米几丁质的补给几乎可使杜梨苗达到与100%供肥同等的光合作用效果，而植物光合作用与矿质营养又有着密切联系，这一结果也间接说明纳米几丁质可以提高植物对肥料的吸收利用率。

综上表明：纳米几丁质这种天然高分子材料与肥料混合施用具有很好的协同增效作用，可以提高肥料利用率25%-50%，同时可以显著促进杜梨幼苗的生长。

Claims (3)

1.纳米几丁质与肥料复配在促进杜梨幼苗生长方面的应用，其特征在于，纳米几丁质与肥料按质量比1.125：0.84、或0.75：0.84复配，在杜梨种子萌芽并培养至5-6片真叶时进行处理。

2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，纳米几丁质与肥料复配使用能够提高杜梨幼苗的株高、茎粗和叶片数。

3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，纳米几丁质与肥料复配使用能够提高杜梨幼苗对矿质元素氮、磷、钾的吸收。

Images