CN113728908B - 抑藻材料及其在无土栽培中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于抑藻技术领域，具体公开了一种抑藻材料及其在无土栽培中的应用。本发明的抑藻材料为纳米颗粒，原料包含植物多酚、金属离子、第一助剂和第二助剂。本发明在不改变现有规模化无土栽培技术的基础上，保持水培营养液原有成分不被破坏，提供了一种环境友好、选择性强、残留时间短、以及对于各种藻类通用的抑藻材料，解决无土栽培技术中水培营养液藻类的危害，降低农药的使用及二次污染，减少对所培养植物的损伤，保持水培营养液的透光性。同时，该材料能够作为有效预防水培营养液中藻类的生长，实现预防为主的抑藻材料。本发明的实施对提高无土栽培农业种植效率、节约水资源、减少二次污染、减轻劳动强度以及提高经济效益具有重要现实意义。

Description

抑藻材料及其在无土栽培中的应用

技术领域

本发明属于抑藻技术领域，具体涉及抑藻材料及其在无土栽培中的应用。

背景技术

无土栽培蔬菜水果，让果蔬进行多层次生产，索取更多空间价值，缩减土地需求是目前我国农业发展的方向之一。无土栽培技术主要的特征是，多层的空间种植，产量较传统的土壤栽培来得奇高，完全脱离对土壤的依附，从而免除土地处理的繁琐工作，也可以大大降低劳动力。此外，采用无土栽培的工业化生产模式，是一种自我循环的封闭系统，可降低化肥、农药（杀虫剂、杀草剂等）、水资源等的使用，从而进一步降低人工、培育等诸多成本，受惠民生，环境友好可持续，从根本上提升国民生活水平。近年来，有研究者基于无土栽培技术，在优化的条件下，在10层室内垂直设施的单公顷土地上种植的小麦每年可以生产约700吨，是目前世界平均年小麦产量3.2吨/公顷的220倍。这种区别于传统农业的生产方式能够通过人工干预，比如改变光照、营养液种类和pH值、温度等条件参数缩短植物的种植周期，极大的增加作物的产量，同时也能够有效避免各种自然灾害的侵袭。

但是，随着无土栽培技术中水培营养液的使用时间延长，开放式的培养环境，容易爆发藻类生长，造成营养液水质恶化、藻毒素的产生、与植物竞争养分，对水培营养液的频繁更换，不仅增加了生产种植成本，还会造成水资源的浪费。为了能够应对藻类的入侵，现阶段对于除藻一般采用除草剂、金属盐（硫酸铜）等化学药品，但是其在环境中残留期长、选择性差、容易造成二次污染等，而且具有损害植物的巨大风险。此外，其只能在藻类爆发后才能使用，无法作为预防药品，还可能在植物体内积累，通过食物链传递至人类身体中，带来更大的健康问题。因此，开发一种绿色可持续的抑藻技术势在必行。近年来，有研究者以禾本科植物提取物1-(1 H-indol-3-yl)-N,N-dimethylmethanamine抑制小球藻的生长，发现前3天对小球藻有生长抑制作用，16天后该提取物显著降解。还有研究者用鸢尾叶、睡莲、香蒲、野莲、野菜叶等植物提取物抑制铜绿微囊藻的生长，发现其都对铜绿微囊藻有抑制作用。但此种抑藻方法在使用过程中存在多种局限性，比如化合物提取困难、性质不稳定、广谱性较差等。

发明内容

为解决背景技术中的问题，本发明提供了一种抑藻材料及其在无土栽培中的应用。本发明的抑藻材料添加至无土栽培的水培营养液中，能够显著抑制多种藻类的生长。

为了达到上述目的，第一方面，本发明提供了抑藻材料。

抑藻材料，为纳米颗粒，原料包含植物多酚、金属离子、第一助剂和第二助剂。

进一步地，所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1 ～ 4 : 4。

进一步地，所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1。

进一步地，所述植物多酚包含但不限于单宁酸、塔拉单宁中任一种或多种。

进一步地，所述金属离子为Cu²⁺、Sm³⁺和Fe³⁺中任一种或多种。

进一步地，所述第一助剂包含但不限于无水柠檬酸、十二水磷酸氢二钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钠中任一种或多种。

进一步地，所述第一助剂的pH值为5.0 ～ 7.5。

进一步地，所述第二助剂包含十二烷基硫酸钠、吐温80、司班20中任一种或多种。

进一步地，所述抑藻的藻类含但不限于普通小球藻（Ch）、铜绿微囊藻（Ma）、四尾栅藻（Sq）、卵囊藻（Os）、斜生栅藻（Sb）中任一种或多种。

第二方面，本发明提供了抑藻材料在无土栽培中的应用。

抑藻材料在无土栽培中的应用，所述抑藻材料添加至无土栽培的水培营养液中，使其浓度为0.01 ～ 0.64 mg/mL。

进一步地，所述抑藻材料为纳米颗粒，原料包含植物多酚、金属离子、第一助剂和第二助剂。

进一步地，所述抑藻材料添加至无土栽培的水培营养液中的具体方法为：将植物多酚和金属离子加入水中混合均匀，再加入第一助剂和第二助剂，得到抑藻材料，然后将抑藻材料添加至水培营养液中。

进一步地，所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1 ～ 4 : 4。

进一步地，所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1。

进一步地，所述植物多酚包含但不限于单宁酸、塔拉单宁中任一种或多种。

进一步地，所述金属离子为Cu²⁺、Sm³⁺和Fe³⁺中任一种或多种。

进一步地，所述第一助剂包含但不限于无水柠檬酸、十二水磷酸氢二钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钠中任一种或多种。

进一步地，所述第一助剂的pH值为5.0 ～ 7.5。

进一步地，所述第二助剂包含十二烷基硫酸钠、吐温80、司班20中任一种或多种。

进一步地，所述抑藻的藻类含但不限于普通小球藻（Ch）、铜绿微囊藻（Ma）、四尾栅藻（Sq）、卵囊藻（Os）、斜生栅藻（Sb）中任一种或多种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用的植物多酚类化合物，生物相容性好，来源广泛、价格低廉、反应活性高，能与多种金属离子在第一助剂的作用下配位络合形成稳定的纳米颗粒。植物多酚属于水解类植物多酚，具有强水溶性，为了使预先形成的多酚-金属纳米颗粒形成更大的纳米颗粒，而且更长时间稳定的存在于水培营养液中，不被藻细胞吞噬降解，不影响所培植物生长的正常水培营养，进一步将上述多酚-金属纳米颗粒进一步与第二助剂混合，使多酚-金属纳米颗粒稳定性增加，而且不影响水培营养液的水环境。

另外，本发明抑藻材料纳米颗粒中多酚具有多重相互作用力的粘附性，能够黏附在藻细胞表面，实现金属离子的靶向缓慢释放，被释放的金属离子即可造成藻类细胞膜的氧化损伤，破坏藻类的遗传物质，使藻类代谢系统出现混乱，从而抑制或灭杀藻类。当藻类死亡后又能释放金属离子与水中的多酚再次络合形成纳米颗粒，从而不会造成金属离子的二次污染，所以对水培营养液中的藻类有高效和长时间抑制能力，同时该抑藻材料制备方法简便、快速、能够有效节约时间和成本、可规模使用，并且能够作为预防剂加入初始营养液。

附图说明

图1为本发明实施例1中纳米颗粒第0天和第7天粒径大小；

图2为本发明实施例1中普通小球藻实验组与对照组7天的生长曲；

图3为本发明实施例1中铜绿微囊藻实验组与对照组7天的生长曲线；

图4为本发明实施例1中四尾栅藻实验组与对照组7天的生长曲线；

图5为本发明实施例1中斜生栅藻实验组与对照组7天的生长曲线；

图6为本发明实施例1中卵囊藻实验组与对照组7天的生长曲线；

图7为本发明实施例1中第7天各藻类的抑制率图；

图8为本发明实施例2中普通小球藻实验组与对照组7天的生长曲；

图9为本发明实施例2中铜绿微囊藻实验组与对照组7天的生长曲线；

图10为本发明实施例2中第7天各藻类的抑制率图；

图11为本发明实施例3中普通小球藻实验组与对照组7天的生长曲线；

图12为本发明实施例4中铜绿微囊藻为实验组与对照组7天的生长曲线；

图13为本发明实施例4中普通小球藻和铜绿微囊藻第7天的抑制率图；

图14为本发明实施例5实际AB营养液培育植物第0天和30天加入和不加入纳米颗粒藻类爆发图；

图15为本发明实施例5中多酚-金属纳米颗粒在实际AB营养液培育植物30天持续抑制藻类性能图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整。

本发明是针对无土栽培过程中营养液爆发大量藻类导致大棚膜和水质被污染以及与植物竞争营养等问题，提供一种低成本、高效、便捷、通用、抑藻持续时间长、预防为主以及对植物无损伤的抑藻材料。

本发明旨在不改变现有规模化无土栽培技术的基础上，保持水培营养液原有成分不被破坏，基于生物质材料，开发一种低成本、环境友好、选择性强、残留时间短、以及对于各种藻类通用的抑藻材料，解决无土栽培技术中水培营养液藻类的危害，降低农药的使用及二次污染，减少对所培养植物的损伤，保持水培营养液的透光性。同时，该材料能够作为有效预防水培营养液中藻类的生长，实现预防为主的抑藻材料。本发明的实施对提高无土栽培农业种植效率、节约水资源、减少二次污染、减轻劳动强度以及提高经济效益具有重要现实意义。

本发明的一个实施方式提供了抑藻材料，可以抑制普通小球藻（Ch）、铜绿微囊藻（Ma）、四尾栅藻（Sq）、卵囊藻（Os）、斜生栅藻（Sb）的生长。该抑藻材料为纳米颗粒，原料包含植物多酚、金属离子、第一助剂和第二助剂。

在一具体实施例方式中，所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1 ～ 4 : 4；优选为所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1。

在一可选实施例中，所述植物多酚包含但不限于单宁酸、塔拉单宁中任一种或多种；所述金属离子为Cu²⁺、Sm³⁺和Fe³⁺中任一种或多种；所述第一助剂包含但不限于无水柠檬酸、十二水磷酸氢二钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钠中任一种或多种；所述第二助剂包含十二烷基硫酸钠、吐温80、司班20中任一种或多种。

植物多酚属于水解类植物多酚，具有强水溶性，为了使预先形成的多酚-金属纳米颗粒形成更大的纳米颗粒，而且更长时间稳定的存在于水培营养液中，不被藻细胞吞噬降解，不影响所培植物生长的正常水培营养，进一步将上述多酚-金属纳米颗粒进一步与第二助剂混合，使多酚-金属纳米颗粒稳定性增加，而且不影响水培营养液的水环境。

所述第一助剂的pH值为5.0 ～ 7.5。

本发明的另一个实施方式提供了抑藻材料在无土栽培中的应用。

抑藻材料在无土栽培中的应用，所述抑藻材料添加至无土栽培的水培营养液中，使其浓度为0.01 ～ 0.64 mg/mL。

在一具体实施例中，所述抑藻材料为纳米颗粒，原料包含植物多酚、金属离子、第一助剂和第二助剂。所述抑藻材料添加至无土栽培的水培营养液中的具体方法为：将植物多酚和金属离子加入水中混合均匀，再加入第一助剂和第二助剂，得到抑藻材料，然后将抑藻材料添加至水培营养液中。

为更好地理解本发明提供的技术方案，下述以多个具体实例分别说明应用本发明上述实施方式提供的抑藻材料、应用方法以及性能测试。

本发明具体实例中多酚-金属纳米颗粒抑藻实验按照藻类-植物多酚成分-金属离子来编号，如小球藻-塔拉单宁-铜离子（Ch-Tr-Cu²⁺）。

实施例1

本实施例用于说明同一种多酚-金属纳米颗粒的抑藻材料对不同藻类的抑制性能：

本实施例使用的植物多酚为塔拉单宁（Tr），其余成分如表1所示。

表1

。

按照表1的要求，将上述植物多酚溶液与金属离子溶液加入到水溶液中，进行搅拌完成第一次络合；然后加入第一助剂和第二助剂进行多酚-金属纳米颗粒尺寸的固定，得到抑藻材料。测试本实施例的抑藻材料分别对铜绿微囊藻（Ma）、普通小球藻（Ch）、四尾栅藻（Sq）、卵囊藻（Os）和斜生栅藻（Sb）的抑制性能。

测试方法为：以藻类初始浓度为1 × 10⁴ ～ 20 × 10⁵的被污染的水体为测试对象；设置实验组为向上述测试对象添加了抑藻材料的样品，抑藻材料的浓度为0.64 mg/mL；对照组为不添加抑藻材料的上述测试对象的样品；然后将上述实验组与对照组放置于光照强度为4000 lux，25℃的植物培养箱中培养，光暗比为12h : 12h。

各样品实验组与对照组7天的生长曲线分别如图2-6所示，从图2-图6可以看出，同一种多酚-金属纳米颗粒的抑藻材料对铜绿微囊藻、普通小球藻、四尾栅藻、卵囊藻和斜生栅藻均具有明显的抑制作用，不同藻类之间的抑制性能稍有不同。图7为第7天各藻类的抑制率图，显示了此实施例抑藻材料对铜绿微囊藻、普通小球藻、四尾栅藻、卵囊藻和斜生栅藻的抑制能力都达到了70%以上。

图1显示多酚-金属纳米颗粒在常温常压下第0天和7天的纳米颗粒粒径大小，表明纳米颗粒的稳定性。

实施例2

本实施例用于说明同种多酚与多种金属离子形成的抑藻材料对铜绿微囊藻和小球藻抑制性能：

本实施例使用的植物多酚为塔拉单宁（Tr），其他成分如表2所示。

表2

。

按照表2的要求，将上述植物多酚溶液与金属离子溶液加入到水溶液中，进行搅拌完成第一次络合；然后加入第一助剂和第二助剂进行多酚-金属纳米颗粒尺寸的固定，得到抑藻材料。测试本实施例的抑藻材料分别对铜绿微囊藻和小球藻的抑制性能。

测试方法为：以藻类初始浓度为1 × 10⁵ ～ 6 × 10⁵的被污染的水体为测试对象；设置实验组为向上述测试对象添加了抑藻材料的样品，抑藻材料的浓度为0.32mg/mL；对照组为不添加抑藻材料的上述测试对象的样品；然后将上述实验组与对照组放置于光照强度为4000 lux，25℃的植物培养箱中培养，光暗比为12h : 12h。

测试结果如图8-图10所示。从图8-图9可以看出，同一种多酚与多种金属离子形成的多酚-金属纳米颗粒的抑藻材料对铜绿微囊藻和普通小球藻也均具有明显的抑制作用，不同藻类之间的抑制性能稍有不同。图10为第7天各藻类的抑制率图，显示了此实施例的抑藻材料对铜绿微囊藻和普通小球藻的多酚-金属纳米颗粒的抑制能力都达到了90%以上。

实施例3-实施4

用于说明不同多酚-金属纳米颗粒的抑藻材料对小球藻和铜绿微囊藻的抑制性能：

各实施例的成分如表3所示。

表3

。

按照表3的要求，分别将对应的植物多酚溶液与金属离子溶液加入到水溶液中，进行搅拌完成第一次络合；然后加入第一助剂和第二助剂进行多酚-金属纳米颗粒尺寸的固定，分别得到实施例3和4的抑藻材料。测试实施例3-4的抑藻材料对铜绿微囊藻和小球藻的抑制性能。

测试方法为：以藻类初始浓度为3 × 10⁵ ～ 8 × 10⁵的被污染的水体为测试对象；设置实验组为向上述测试对象添加了抑藻材料的样品，抑藻材料的浓度为0.48mg/mL；对照组为不添加抑藻材料的上述测试对象的样品；然后将上述实验组与对照组放置于光照强度为4000 lux，25℃的植物培养箱中培养，光暗比为12h : 12h。

测试结果如图11-如图13所示。从图11、12可以看出，不同多酚-金属纳米颗粒的抑藻材料对小球藻和铜绿微囊藻均具有明显的抑制效果，且效果相差不大。从图13可以看出，实施例3、实施例4的不同多酚-金属纳米颗粒的抑藻材料对小球藻和铜绿微囊藻的抑制能力都达到了90%以上。

实施例5

本实施例用于说明抑藻材料对营养液藻类长时间持续抑制的性能：

多酚-金属纳米颗粒中多酚使用塔拉单宁（Tr），金属离子为Cu²⁺，浓度比为，Tr :Cu²⁺ ＝ 4 : 4，所用缓冲液为无水柠檬酸和十二水磷酸氢二钠混合液（pH ＝ 7.1）。然后加入第一助剂无水柠檬酸和十二水磷酸氢二钠混合液（pH ＝ 7.1），第二助剂吐温80。测试实施例5的抑藻材料对营养液藻类长时间持续抑制的性能。

测试方法为：以藻类浓度为自然培养过程中得到的污染水体为测试对象，将所述抑藻材料添加至水培营养液中，使其浓度为0.01 ～ 0.64 mg/mL，然后放置于光照强度为8000 lux，25℃的植物培养箱中培养，光暗比为12h : 12h。

测试性能如图14-15，图14显示没有加入抑藻材料的对照组30天后藻类大量生长，加入了抑藻材料的则没有藻类生长，图15显示了本发明的抑藻材料多酚-金属纳米颗粒能够持续抑制藻类生长至少30天，抑制能力都达到了90%以上，展现出了长效的抑制性能。

通过上述实施例及附图可以看出，本发明的持续抑藻材料能够稳定的黏附在藻表面，持续释放金属离子对藻类进行破坏，并且不影响水培营养液中的其它微量金属元素；同时对水培营养液中的藻类有高效和长时间抑制能力，能够稳定的持续抑制藻类生长至少40天。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.抑藻材料在无土栽培种的应用，其特征在于，该抑藻材料为纳米颗粒，原料包含植物多酚、金属离子、第一助剂和第二助剂；

其中，所述植物多酚包含但不限于单宁酸、塔拉单宁中任一种或多种；

所述金属离子为Cu²⁺、Sm³⁺和Fe³⁺中任一种或多种；

所述第二助剂包含十二烷基硫酸钠、吐温80、司班20中任一种或多种；

所述植物多酚与金属离子的浓度为4 : 1 ～ 4 : 4；所述第一助剂的pH值为5.0 ～7.5。

2. 如权利要求1所述的抑藻材料在无土栽培种的应用，其特征在于， 所述抑藻的藻类含但不限于普通小球藻、铜绿微囊藻、四尾栅藻、卵囊藻、斜生栅藻中任一种或多种。

3. 如权利要求1所述的抑藻材料在无土栽培种的应用，其特征在于，将抑藻材料添加至无土栽培的水培营养液中，使其浓度为0.01 ～ 0.64 mg/mL。

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