KR20150144752A

KR20150144752A - 토양 중의 비료 및 다른 농화학물질의 효율적 흡수를 위한 인공 환경

Info

Publication number: KR20150144752A
Application number: KR1020157029827A
Authority: KR
Inventors: 우리 샤니; 아셀 비트너; 마티 벤-모쉐; 에란 시갈
Original assignee: 아다마 마켓심 리미티드
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-12-28
Also published as: EP2966974A2; CU20150127A7; EP2966974A4; JP2016509862A; AR095635A1; CL2015002760A1; US9730393B2; US20140259906A1; JP6435279B2; IL241656B; PE20160081A1; CA2907029A1; AU2014229490A1; HK1220322A1; CN105338803A; WO2014140918A3; UY35482A; AU2018200770A1; EA201591759A1; MX2015012769A

Abstract

하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및 적어도 하나의 농화학물질을 함유하는 하나 이상의 농화학물질 영역을 포함하는 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하기 위한 유닛으로서, 상기 농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역이 수화될 때 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 제어 방출 방식으로 방출하도록 형성되고, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1인 것인, 유닛.

Description

토양 중의 비료 및 다른 농화학물질의 효율적 흡수를 위한 인공 환경{Artificial environment for efficient uptake of fertilizers and other agrochemicals in soil}

본 출원은 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/793,697호의 우선권을 주장하며, 그의 전문은 전적으로 본원에서 참고로 포함된다.

본 출원 전체에서, 괄호 안에 언급된 것들을 비롯해 다양한 간행물이 인용된다. 괄호 안에 인용된 간행물에 대한 전체 인용이 청구범위 직전에 명세서의 말미에 열거된 것을 확인할 수 있다. 모든 인용된 간행물의 기재는 본 발명이 속하는 기술분야의 상태를 더욱 완전히 기술하기 위하여 본 출원 내에 참조로서 포함된다.

현재 실행 및 기술은 과다 적용(최대 50%)으로 인해 식물에 의한 불량한 농화학물질 사용 효율을 초래하고 있다(Shaviv and Mikkelsen 1993). 농화학물질의 과도한 적용은 환경에 유해한 효과를 나타내고 농부에게 비용 부담을 초래한다(Shaviv and Mikkelsen 1993). 추가적으로, 다수의 토양 및 기후는 작물이 성장하는제 적합하지 않다(Habarurema and Steiner, 1997; Nicholson and Farrar, 1994).

식물 성장을 향상시키기 위해 비료 및 다른 농화학물질을 효율적으로 적용시키기 위한 새로운 실행 및 기술이 요구되고 있다.

본 발명은

i) 하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및

ii) 적어도 하나의 농화학물질을 포함하는 하나 이상의 농화학물질 영역을 포함하는,

식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하기 위한 유닛으로서,

뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 제어 방출 방식으로 방출하도록 농화학물질 영역이 형성되고,

건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1인, 유닛을 제공한다.

본 발명은

i) 하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및

ii) 적어도 하나의 농화학물질을 포함하는 하나 이상의 농화학물질 영역을 포함하는, 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하기 위한 유닛으로서,

뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 제어 방출 방식으로 방출하도록 농화학물질 영역이 형성되고, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 적어도 0.2 mL인, 유닛을 제공한다.

본 발명은 본 발명의 적어도 하나의 유닛을 식물이 자라고 있는 매질에 첨가하는 단계를 포함하는, 식물을 성장시키는 방법을 제공한다.

본 발명은 본 발명의 적어도 하나의 유닛을 식물의 매질에 첨가함으로써 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하는 단계를 포함하는, 농화학물질에 의해 야기되는 환경적 손상을 감소시키는 방법을 제공한다.

본 발명은 본 발명의 적어도 하나의 유닛을 식물의 매질에 첨가함으로써 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하는 단계를 포함하는, 농화학물질에 대한 노출을 최소화하는 방법을 제공한다.

본 발명은 식물의 뿌리 영역 내부에 미리 지정된 화학적 특성을 갖는 인공 영역을 생성하는 방법으로서,

i) 식물의 뿌리 영역에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계; 또는

ii) 식물이 성장할 것으로 예상되는 매질의 예상된 뿌리 영역에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

본 발명은 식물의 성장 속도를 증가시키는 방법으로서, (i) 식물이 성장하고 있거나 성장하게 되는 매질에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계, 및 (ii) 식물을 성장시키는 단계를 포함하는, 여기서 상기 식물이 유닛을 함유하지 않는 매질에 비해 유닛을 함유하는 매질에서 더 빠르게 성장하는 것인, 방법을 제공한다.

본 발명은 식물의 크기를 증가시키는 방법으로서, 상기 방법이 (i) 식물이 성장하고 있거나 성장하게 되는 매질에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계, 및 (ii) 식물을 성장시키는 단계를 포함하는, 여기서 상기 식물이 유닛을 함유하지 않는 매질에 비해 유닛을 함유하는 매질에서 더 크게 성장하는 것인, 방법을 제공한다.

본 발명은 식물에 의한 N, P, K, 및/또는 미량영양소 (예컨대, Zn, Fe, Cu)의 흡수를 증가시키는 방법으로서, (i) 식물이 성장하고 있거나 성장하게 되는 매질에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계, 및 (ii) 식물을 성장시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 식물의 N, P, 및/또는 K 흡수가 유닛을 함유하지 않는 매질에 비해 유닛을 함유하는 매질에서 더 많은 것인, 방법을 제공한다.

본 발명은 낮은 주위 온도로부터 식물을 보호하는 방법으로서, (i) 식물이 성장하고 있거나 성장하게 되는 매질에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계, 및 (ii) 식물을 성장시키는 단계를 포함하고, 여기서 유닛을 함유하는 매질에서 성장된 식물이 유닛을 함유하지 않는 매질에서 성장된 식물에 비해 낮은 주위 온도하에서 더 우수한 생존율을 갖는 것인, 방법을 제공한다.

본 발명은

i) 하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및

뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 제어 방출 방식으로 방출하도록 농화학물질 영역이 형성되고, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1인, 유닛을 제공한다.

일부 실시양태에서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 적어도 0.2 mL이다.

본 발명은

i) 하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및

일부 실시양태에서, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1이다.

일부 실시양태에서, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1, 0.1:1, 0.15:1, 0.2:1, 0.25:1, 또는 0.3:1이다.

일부 실시양태에서, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비는 0.01:1 내지 0.5:1, 0.01:1 내지 0.02:1, 0.01:1 내지 0.03:1, 0.01:1 내지 0.04:1, 0.01:1 내지 0.05:1, 0.3:1 내지 0.4:1, 0.3:1 내지 0.4:1, 0.3:1 내지 0.5:1이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50%, 또는 5-50% 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피는 적어도 0.2 mL, 적어도 0.5 mL, 적어도 1 mL, 적어도 2 mL, 적어도 5 mL, 적어도 10 mL, 적어도 20 mL, 적어도 30 mL, 적어도 40 mL, 적어도 50 mL, 적어도 60 mL, 적어도 70 mL, 적어도 80 mL, 적어도, 90 mL, 적어도 100 mL, 적어도 150 mL, 적어도 200 mL, 적어도 250 mL, 적어도 300 mL, 적어도 350 mL, 적어도 400 mL, 적어도 450 mL, 적어도 500 mL, 적어도 550 mL, 적어도 600 mL 또는 600 mL 초과이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50%, 또는 5-50% 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피는 적어도 2 mL이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50%, 또는 5-50% 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피는 2 mL 초과, 2-3 mL, 3-4 mL, 4-5 mL, 2-5 mL, 2-10 mL, 5-10 mL, 5-20 mL, 10-15 mL, 10-20 mL, 15-20 mL, 10-40 mL, 20-40 mL, 20-80 mL, 40-80 mL, 50-100 mL, 75-150 mL, 100-150 mL, 150-300 mL, 200-400 mL, 300-600 mL, 또는 600-1000 mL이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피는 적어도 0.2 mL, 적어도 0.5 mL, 적어도 1 mL, 적어도 2 mL, 적어도 5 mL, 적어도 10 mL, 적어도 20 mL, 적어도 30 mL, 적어도 40 mL, 적어도 50 mL, 적어도 60 mL, 적어도 70 mL, 적어도 80 mL, 적어도, 90 mL, 적어도 100 mL, 적어도 150 mL, 적어도 200 mL, 적어도 250 mL, 적어도 300 mL, 적어도 350 mL, 적어도 400 mL, 적어도 450 mL, 적어도 500 mL, 적어도 550 mL, 적어도 600 mL 또는 600 mL 초과이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피는 적어도 2 mL이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피는 2 mL 초과, 2-3 mL, 3-4 mL, 4-5 mL, 2-5 mL, 2-10 mL, 5-10 mL, 5-20 mL, 10-15 mL, 10-20 mL, 15-20 mL, 10-40 mL, 20-40 mL, 20-80 mL, 40-80 mL, 50-100 mL, 75-150 mL, 100-150 mL, 150-300 mL, 200-400 mL, 300-600 mL, 또는 600-1000 mL이다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%-100% 팽윤될 때 뿌리 발달 영역의 총 부피는 0.5 mm의 직경을 갖는 뿌리의 적어도 10 mm를 포함하기에 충분히 크다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%-100% 팽윤될 때 뿌리 발달 영역의 총 부피는 0.5-5 mm의 직경을 갖는 뿌리의 적어도 10-50 mm를 포함하기에 충분히 크다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 뿌리 발달 영역의 총 부피는 0.5 mm의 직경을 갖는 뿌리의 적어도 10 mm를 포함하기에 충분히 크다.

일부 실시양태에서, 유닛이 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 뿌리 발달 영역의 총 부피는 0.5-5 mm의 직경을 갖는 뿌리의 적어도 10-50 mm를 포함하기에 충분히 크다.

일부 실시양태에서, 유닛은 0.1 g 내지 20 g의 건조 중량을 갖는다.

일부 실시양태에서, 건조 유닛의 중량은 1-10 g이다. 일부 실시양태에서, 건조 유닛의 중량은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 g이다.

일부 실시양태에서, 유닛의 농화학물질 영역의 총 중량은 0.05 내지 5 g이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 원통 모양이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 다면체 모양이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 정육면체 모양이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 원반 모양이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 구 모양이다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역 및 뿌리 발달 영역은 인접된다.

일부 실시양태에서, 유닛은 하나의 농화학물질 영역 바로 옆에 있는 하나의 뿌리 발달 영역으로 구성된다.

일부 실시양태에서, 유닛의 표면이 뿌리 발달 영역 및 농화학물질 영역 둘 모두에 의해 형성되도록 농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역 내부에 부분적으로 포함된다.

일부 실시양태에서, 유닛의 표면이 뿌리 발달 영역 및 농화학물질 영역 둘 모두에 의해 형성되도록 뿌리 발달 영역은 농화학물질 영역 내부에 부분적으로 포함된다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 두 개의 뿌리 발달 영역 사이에 샌드위치된다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 농화학물질 영역 주위에 경계를 형성하지만 농화학물질 영역 표면의 전체보다 적은 부분을 커버하는 뿌리 발달 영역에 의해 둘러싸이거나, 혹은 그 반대이다. 일부 실시양태에서, 경계는 고리 모양이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역을 포함하는 비드이고, 여기서 뿌리 발달 영역이 외부 영역을 형성하고 농화학물질 영역이 내부 영역을 형성한다.

일부 실시양태에서, 유닛은 하나의 뿌리 발달 영역과 하나의 농화학물질 영역을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 초흡수성 중합체 (SAP)를 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 적어도 이들 중량의 약 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 200, 300, 400, 500, 또는 1000배의 수분을 흡수할 수 있다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 적어도 이들 중량의 약 20-30배의 수분을 흡수할 수 있다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 산소에 투과성이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 적어도 약 6 mg/L의 용존 산소가 뿌리 발달 영역 내에 유지되도록 뿌리 발달 영역은 산소에 투과성이다.

일부 실시양태에서, 완전히 팽윤될 때 뿌리 발달 영역은 팽윤된 알지네이트 또는 팽윤된 반-합성 CMC와 같이 적어도 약 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100% 산소에 투과성이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 에어로겔, 하이드로겔 또는 오르가노겔을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 하이드로겔을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 에어로겔을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 지오텍스타일(geotextile)을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 스폰지를 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 중합체, 다공성 무기 물질, 다공성 유기 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 에어로겔, 하이드로겔, 오르가노겔, 중합체, 다공성 무기 물질, 다공성 유기 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 식물의 뿌리가 뿌리 발달 영역을 침투할 수 있다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 식물의 뿌리가 뿌리 발달 영역 내부에서 성장할 수 있다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 식물의 뿌리가 뿌리 발달 영역 내부에서 성장할 수 있다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 미생물이 뿌리 발달 영역 내부로 침투하여 성장할 수 있다.

일부 실시양태에서, 식물은 작물 식물이다.

일부 실시양태에서, 작물 식물은 밀 식물, 옥수수 식물, 대두 식물, 벼 식물, 보리 식물, 목화 식물, 완두 식물, 감자 식물, 임목 식물, 또는 야채 식물이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 반복된 팽윤 순환을 할 수 있다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 토양 중에 있는 동안 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 토양 중 반복된 팽윤 순환을 할 수 있다.

일부 실시양태에서, 유닛은 구 모양 또는 등가의 다면체이다.

일부 실시양태에서, 반복된 팽윤 주기 후에 유닛은 구 모양 또는 등가의 다면체이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 토양에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 수분 함량의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 사질토에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 수분 함량의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 토양에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 부피의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 사질토에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 부피의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 토양에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 사질토에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 반복된 팽윤 순환 후 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 팽윤될 때, 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 적어도 3회의 팽윤 순환 후 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 생분해성이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 토양에서 팽윤될 때, 주변 토양의 pH 또는 삼투압과 적어도 약 10% 차이나는 pH 또는 삼투압을 갖는다.

일부 실시양태에서, 유닛이 최초로 팽윤되기 전에 뿌리 발달 영역은 적어도 하나의 농화학물질을 포함하지 않는다.

일부 실시양태에서, 유닛이 최초로 팽윤되기 전에 뿌리 발달 영역은 적어도 하나의 농화학물질을 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역 내의 적어도 하나의 농화학물질의 양은 농화학물질 영역 내에 존재하는 적어도 하나의 농화학물질의 양의 약 5%, 10%, 15% 또는 20% (w/w)이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 유닛의 가장 넓은 부분은 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 cm, 또는 10 cm 초과이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 약 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 또는 5-50% 팽윤될 때, 뿌리 발달 영역의 총 중량은 농화학물질 영역의 총 중량보다 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100배 또는 100배 초과로 더 크다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 합성 하이드로겔, 천연 탄수화물 하이드로겔, 또는 펙틴 또는 단백질 하이드로겔, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 합성 하이드로겔은 아크릴아마이드, 아크릴산 유도체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 천연 탄수화물 하이드로겔은 한천, 셀룰로오스, 키토산, 전분, 히알루론산, 덱스트린, 천연 검, 황화 다당류, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 펙틴 또는 단백질 하이드로겔은 젤라틴, 젤라틴 유도체, 콜라겐, 콜라겐 유도체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 천연 초흡수성 중합체(SAP), 폴리-슈가(poly-sugar) SAP, 반-합성 SAP, 완전-합성 SAP, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 적어도 하나의 천연 SAP 및 적어도 하나의 반-합성 또는 합성 SAP의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 폴리-슈가 SAP를 포함한다.

일부 실시양태에서, 폴리-슈가 SAP는 알지네이트이다.

일부 실시양태에서, 알지네이트는 적어도 약 0.2% 알지네이트이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 반-합성 SAP를 포함한다.

일부 실시양태에서, 반-합성 SAP는 CMC-g-폴리아크릴산 SAP이다.

일부 실시양태에서, 카르복시메틸 셀룰로오스 (CMC) 그라프트된 폴리아크릴산 SAP는 아크릴산 단량체(아크릴아마이드-아크릴산) 대비 6% CMC, 아크릴산 대비 6% CMC, 아크릴산 대비 25% CMC, 또는 CMC 50% AA를 포함한다.

일부 실시양태에서, CMC 그라프트된 SAP는 아크릴산 단량체 대비 5-50% CMC를 포함한다.

일부 실시양태에서, CMC 그라프트된 SAP는 아크릴산 단량체 대비 6-12% CMC를 포함한다.

일부 실시양태에서, 반-합성 SAP는 k-카라기난 가교-결합된-폴리아크릴산 SAP이다.

일부 실시양태에서, SAP는 알지네이트 또는 k-카라기난 가교-결합된-폴리아크릴산 SAP 이외의 것이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 완전 합성 SAP를 포함한다.

일부 실시양태에서, 완전 합성 SAP는 아크릴산 또는 아크릴산 아마이드 또는 이들의 임의의 조합이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역 내 가교-결합제의 양은 중량 기준으로 총 단량체 함량 대비 5% 미만이다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역 내 가교-결합제의 양은 중량 기준으로 총 단량체 함량 대비 2% 미만이다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역 내 가교-결합제의 양은 중량 기준으로 총 단량체 함량 대비 1% 미만이다.

일부 실시양태에서, 팽윤된 유닛의 중합체 함량은 중량 기준으로 5% 미만이다. 일부 실시양태에서, 팽윤된 유닛의 중합체 함량은 중량 기준으로 4% 미만, 3% 미만, 2% 미만, 또는 1% 미만이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 산소 담체를 포함하지 않는 상응하는 뿌리 발달 영역에 비해 뿌리 발달 영역 내 산소의 함량을 증가시키는 적어도 하나의 산소 담체를 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 산소 담체는 과불화탄소 (perfluorocarbon)이다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 유기 중합체, 천연 중합체, 또는 무기 중합체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 코팅 시스템으로 부분적으로 또는 완전히 코팅된다.

일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 용해된다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 코팅 시스템은 적어도 하나의 농화학물질이 뿌리 발달 영역 내로 용해되는 속도를 감속시킨다.

일부 실시양태에서, 유닛은 다르게는 유닛의 표면 위일 수 있는 농화학물질 영역의 표면 전체를 피복하고 적어도 하나의 농화학물질에 불투과성인 코팅 시스템을 포함한다.

일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 규산염 또는 이산화규소이다.

일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 중합체이다.

일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 농화학물질이다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 중합체를 포함한다.

일부 실시양태에서, 중합체는 고도로 가교-결합된 중합체이다.

일부 실시양태에서, 고도로 가교결합된 중합체는 폴리-슈가 또는 폴리-아크릴산 중합체이다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 충전제를 포함한다.

일부 실시양태에서, 충전제는 셀룰로오스성 물질, 셀라이트, 중합체성 물질, 이산화규소, 층상규산염, 점토 광물, 금속 산화물 입자, 다공성 입자, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 충전제는 사문석(serpentine) 군의 층상규산염을 포함한다.

일부 실시양태에서, 사문석 군의 층상규산염은 안티고라이트(Mg₃Si₂O₅(OH)₄), 크리소타일(Mg₃Si₂O₅(OH)₄), 또는 리자르다이트(Mg₃Si₂O₅(OH)₄)이다.

일부 실시양태에서, 충전제는, 할로이사이트(Al₂Si₂O₅(OH)₄), 카올리나이트(Al₂Si₂O₅(OH)₄), 일라이트((K,H₃O)(Al,Mg,Fe)₂(Si,Al)₄O₁₀[(OH)₂,(H₂O)]), 몬모릴로나이트((Na,Ca)_0.33(Al,Mg)₂Si₄O₁₀(OH)₂·nH₂O), 버미큘라이트((MgFe,Al)₃(Al,Si)₄O₁₀(OH)₂·4H₂O), 탈크(Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), 팔리고르스카이트((Mg,Al)₂Si₄O₁₀(OH)·4(H₂O), 또는 파이로필라이트(Al₂Si₄O₁₀(OH)₂)인, 점토 광물을 포함한다.

일부 실시양태에서, 충전제는 운모 군의 층상규산염을 포함한다.

일부 실시양태에서, 운모 군의 층상규산염은 바이오타이트(K(Mg,Fe)₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂), 머스코바이트(KAl₂(AlSi₃)O₁₀(OH)₂), 플로고파이트(KMg₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂), 레피돌라이트(K(Li,Al)_2- ₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂), 마르가라이트(CaAl₂(Al₂Si₂)O₁₀(OH)₂), 글라우코나이트((K,Na)(Al,Mg,Fe)₂(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂), 또는 이들의 임의의 조합이다.

일부 실시양태에서, 충전제는 녹니석 군의 층상규산염을 포함한다.

일부 실시양태에서, 녹니석 군의 층상규산염은 녹니석((Mg,Fe)₃(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂·(Mg,Fe)₃(OH)₆)이다.

일부 실시양태에서, 충전제는 벌집-모양의 구조를 형성한다.

일부 실시양태에서, 벌집-모양의 구조는 미세하다.

일부 실시양태에서, 충전제는 점토를 포함한다.

일부 실시양태에서, 충전제 제올라이트를 포함한다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 적어도 약 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 또는 1 g의 적어도 하나의 농화학물질을 포함한다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 1-10 g의 적어도 하나의 농화학물질을 포함한다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 중량 기준으로 약 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 또는 60%의 적어도 하나의 농화학물질을 포함한다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 생분해성이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 하나의 농화학물질 영역을 포함한다.

일부 실시양태에서, 유닛은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 10개 초과의 농화학물질 영역을 포함한다.

일부 실시양태에서, 유닛은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 10개 초과의 뿌리 발달 영역을 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학물질은 하기이다:

i) 적어도 하나의 비료 화합물;

ii) 적어도 하나의 농약 화합물,

iii) 적어도 하나의 호르몬 화합물;

iv) 적어도 하나의 약물 화합물;

v) 적어도 하나의 화학적 성장 제제;

vi) 적어도 하나의 효소;

vii) 적어도 하나의 성장 촉진제; 및/또는

viii) 적어도 하나의 미량원소.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 비료 화합물은 천연 비료이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 비료 화합물은 합성 비료이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농약 화합물은 하기이다:

i) 적어도 하나의 살충제 화합물;

ii) 적어도 하나의 살선충제 화합물;

iii) 적어도 하나의 제초제 화합물; 및/또는

iv) 적어도 하나의 살진균제 화합물.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 살충제 화합물은 이미다클로프리드이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 제초제 화합물은 펜디메쌀린이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 살진균제 화합물 아즈옥시스트로빈이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 살선충제 화합물은 플루엔설폰이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 비료 화합물은 PO₄, NO₃, (NH₄)₂SO₂, NH₄H₂PO₄, 및/또는 KCl이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 비료 화합물은 PO₄, NO₃, (NH₄)₂SO₂, NH₄H₂PO₄, 및/또는 KCl을 포함하는 복합 비료 화합물을 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학 물질은 적어도 하나의 비료 화합물 및 적어도 하나의 농약 화합물이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학 물질은 적어도 하나의 농약 화합물이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학 물질은 적어도 하나의 비료 화합물이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농약 화합물은 농지에 적용하기에 적합하지 않은 적어도 하나의 농약 화합물이다.

일부 실시양태에서, 농지에 적용하기에 적합하지 않은 적어도 하나의 농약 화합물은 농지에 적용하기에 너무 독성이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농약 화합물은, 절지동물 또는 연체동물을 사멸하기에 충분한 양으로 농지에 적용될 때, 절지동물 또는 연체동물 이외의 동물에 독성이다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 적어도 하나의 농화학 물질이 적어도 약 1주의 기간에 걸쳐서 농화학 물질 영역으로부터 방출된다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 적어도 하나의 농화학 물질이 적어도 약 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 20주의 기간에 걸쳐서 농화학물질 영역으로부터 뿌리 발달 영역 내로 방출된다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 적어도 하나의 농화학 물질이 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 20주의 기간에 걸쳐서 농화학 물질 영역으로부터 뿌리 발달 영역 내로 방출된다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역이 팽윤되고 유닛이 토양 내에 있을 때, 적어도 하나의 농화학 물질이 수화 후 약 25일째에 시작하여 선형 속도로 유닛 표면으로부터 주변 토양 내로 확산된다.

일부 실시양태에서, 유닛의 뿌리 발달 영역이 팽윤되고 유닛이 토양 내에 있을 때, 적어도 하나의 농화학 물질이 수화 후 적어도 약 50일 또는 75일간 유닛의 표면으로부터 주변 토양 내로 확산된다.

일부 실시양태에서, 유닛은 팽윤되지 않는다.

일부 실시양태에서, 유닛은 중량 기준으로 약 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 또는 10% 미만의 수분을 포함한다.

일부 실시양태에서, 유닛은 농화학 물질 영역과 뿌리 발달 영역 사이에 하나 이상의 계면 영역을 포함하며, 상기 계면 영역은 적어도 하나의 불용성 염 또는 고체, 적어도 하나의 가교-결합제, 또는 적어도 하나의 무기 화합물에 의해 형성된다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역과 농화학 물질 영역 사이의 확산은 농화학물질 영역, 뿌리 발달 영역, 또는 계면 영역 내의 pH 또는 양이온 농도를 변경함으로써 제한된다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역과 농화학 물질 영역 사이의 확산은 농화학물질 영역 또는 뿌리 발달 영역 내의 pH 및/또는 양이온 농도를 변경함으로써 제한된다.

일부 실시양태에서, 농화학 물질 영역 또는 뿌리 발달 영역 내의 pH는 완충제에 의해 변경된다.

일부 실시양태에서, 농화학 물질 영역, 계면 영역, 및 뿌리 발달 영역 내의 pH는 완충제에 의해 변경된다.

본 발명은 본 발명의 적어도 하나의 유닛을 식물이 성장하는 매질에 첨가하는 단계를 포함하는, 식물을 성장시키는 방법을 제공한다.

일부 실시양태에서, 방법은 성장되는 특정 식물을 기준으로 유닛의 크기를 선택하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 큰 직경 뿌리를 갖는 식물을 성장시킬 때는 큰 팽윤된 크기를 갖는 유닛을 선택하는 것이 바람직할 수 있고 작은 직경 뿌리를 갖는 식물을 성장시킬 때는 더 작은 팽윤된 크기를 갖는 유닛을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시양태에서, 작은 근계 (root system)를 갖는 식물을 성장시킬 때보다 큰 근계를 갖는 식물을 성장시킬 때 주어진 크기의 더 많은 유닛을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

일부 실시양태에서, 식물이 성장하는 매질은 토양을 포함한다.

일부 실시양태에서, 식물이 성장하는 매질은 토양이다.

일부 실시양태에서, 토양은 모래, 미사(silt), 점토, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 토양은 점토, 찰흙, 점토-찰흙, 또는 미사-찰흙이다.

일부 실시양태에서, 토양은 안디솔(Andisol)이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 유닛은 토양에 토양 표면 아래로 하나 이상의 깊이에 첨가된다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 유닛은 5-50 cm의 깊이에 첨가된다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 유닛은 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm, 40 cm, 45 cm, 또는 50 cm 깊이에, 또는 전술한 깊이의 2, 3, 또는 4개의 임의의 조합으로 첨가된다.

일부 실시양태에서, 농약화학물질에 대한 노출을 최소화하는 것은 농약화학물질에 대한 농부의 노출을 최소화하는 것이다.

일부 실시양태에서, 농약화학물질에 대한 노출을 최소화하는 농약화학물질에 대한 농부 이외의 사람의 노출을 최소화하는 것이다.

일부 실시양태에서, 단계 i)는 식물의 뿌리 영역에 적어도 2개의 상이한 유닛을 첨가하는 것을 포함하고; 단계 ii)는 식물이 성장할 것으로 예상되는 매질의 예상된 뿌리 영역에 적어도 2개의 상이한 유닛을 첨가하는 것을 포함하며, 여기서 적어도 2개의 상이한 유닛의 적어도 하나는 본 발명의 유닛이다.

일부 실시양태에서, 적어도 2개의 상이한 유닛 각각은, 적어도 2개의 상이한 유닛의 다른 하나의 내부에 함유되지 않은, 적어도 하나의 농화학물질을 함유한다.

일부 실시양태에서, 식물은 들판 (field)에서 성장한다.

일부 실시양태에서, 식물은 작물 식물이다.

일부 실시양태에서, 작물 식물은 곡물 또는 임목 식물이다.

일부 실시양태에서, 작물 식물은 과일 또는 야채 식물이다.

일부 실시양태에서, 식물은 바나나, 보리, 콩, 카사바, 옥수수, 면, 포도, 오렌지, 완두콩, 감자, 쌀, 대두, 사탕무, 토마토, 또는 밀 식물이다.

일부 실시양태에서, 식물은 해바라기, 양배추 식물, 상추, 또는 샐러리 식물이다.

본 발명은 식물의 수율을 증가시키는 방법으로서, (i) 식물이 성장하고 있거나 성장하게 되는 매질에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계, 및 (ii) 식물을 성장시키는 단계를 포함하는, 여기서 유닛을 함유하지 않는 매질에 비해 유닛을 함유하는 매질에서 상기 식물의 수율이 더 높은 것인, 방법을 제공한다.

본 발명은 식물에 의한 N, P, 및/또는 K의 흡수를 증가시키는 방법으로서, (i) 식물이 성장하고 있거나 성장하게 되는 매질에 본 발명의 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계, 및 (ii) 식물을 성장시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 식물의 N, P, 및/또는 K 흡수가 유닛을 함유하지 않는 매질에 비해 유닛을 함유하는 매질에서 더 많은 것인, 방법을 제공한다.

일부 실시양태에서, 낮은 주위 온도는 15℃ 미만, 12℃ 미만, 10℃ 미만, 8℃ 미만, 6℃ 미만, 4℃ 미만, 2℃ 미만, 또는 0℃ 미만이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 식물이 성장하고 있는 매질에 첨가된다.

일부 실시양태에서, 유닛은 식물이 성장하게 되는 매질에 첨가된다.

일부 실시양태에서, 식물을 성장시키기 위한 종자는 유닛이 매질에 첨가되기 전에 매질에 첨가된다.

일부 실시양태에서, 식물을 성장시키기 위한 종자는 유닛이 매질에 첨가되는 것과 동시에 매질에 첨가된다.

일부 실시양태에서, 식물을 성장시키기 위한 종자는 유닛이 매질에 첨가된 후에 매질에 첨가된다.

일부 실시양태에서, 매질은 토양이다.

일부 실시양태에서, 유닛은 1종의 비료 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 유닛은 2종의 비료 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 유닛은 3종의 비료 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 유닛은 3종 이상의 비료 화합물을 포함한다.

일부 실시양태에서, 유닛은 1 내지 3종의 비료 화합물을 포함하여, 유닛의 일부로서 매질 중에 (NH₄)₂SO₂, NH₄H₂PO₄, 및 KCl로서 총 N, P, 및/또는 K 함량이 각각 약 5-50, 1-10, 및 5-60 g/m²이 되게 한다.

일부 실시양태에서, 유닛은 3종의 비료 화합물을 포함하여, 유닛의 일부로서 매질 중에 (NH₄)₂SO₂, NH₄H₂PO₄, 및 KCl로서 총 N, P, 및 K 함량이 각각 약 25, 5, 및 30 g/m²이 되게 한다.

본 발명은 또한 SAP 내에 적어도 하나의 농화학물질 영역을 캡슐화하는 단계를 포함하는 본 발명의 유닛을 제조하는 방법을 제공한다.

일부 실시양태에서, 캡슐화는 적어도 하나의 농화학물질 영역 주변의 SAP를 중합하는 것을 포함한다.

일부 실시양태에서, 캡슐화는 제1 중합화 단계 및 제2 중합화 단계를 포함한다.

일부 실시양태에서, 제1 중합화 단계는 그 내부에 적어도 하나의 농화학물질 영역이 배치될 수 있는 공동(cavity)을 갖는 SAP의 3차원 구조를 형성하는 것을 포함하고, 제2 중합화 단계는 추가적인 SAP로 공동을 봉인하는 것을 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학물질 영역은 제2 중합화 단계 전에 공동 내에 배치된다.

본 발명은:

ii) 적어도 하나의 농화학물질을 함유하는 코어를 포함하는 적어도 하나의 내부 영역을 둘러싼,

i) 그의 중량의 적어도 약 5배의 수분을 흡수할 수 있는 초흡수성 중합체 (SAP)를 포함하는 외부 영역을 포함하는 비드(bead)로서:

수화될 때 상기 외부 영역이 산소에 투과성이거나, 혹은 외부 영역의 하이드로겔이 수화될 때 적어도 약 1주의 기간에 걸쳐서 외부 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 방출하도록 내부 영역이 형성된 것인, 비드를 제공한다.

본 발명은:

수화될 때 상기 외부 영역이 산소에 투과성이고, 외부 영역의 하이드로겔이 수화될 때 적어도 약 1주의 기간에 걸쳐서 외부 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 방출하도록 내부 영역이 형성된 것인, 비드를 제공한다.

일부 실시양태에서, SAP는 그의 중량의 적어도 약 50, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 200, 300, 400, 500, 또는 1000배의 수분을 흡수할 수 있다.

일부 실시양태에서, SAP는 산소에 투과성이다.

일부 실시양태에서, SAP는 이것이 수화될 때 SAP 내 적어도 약 6 mg/L의 용존 산소를 유지하도록 산소에 투과성이다.

일부 실시양태에서, 완전히 수화될 때 SAP는 수화된 알지네이트 또는 수화된 반-합성 CMC와 같이 산소에 적어도 약 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100% 투과성이다.

일부 실시양태에서, SAP는 에어로겔, 하이드로겔 또는 오르가노겔이다.

일부 실시양태에서, SAP는 하이드로겔이다.

일부 실시양태에서, 외부 영역은 중합체, 다공성 무기 물질, 다공성 유기 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 내부 영역은 에어로겔, 하이드로겔, 오르가노겔, 중합체, 다공성 무기 물질, 다공성 유기 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 작물 식물의 뿌리는 하이드로겔이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 수화될 때 하이드로겔을 침투할 수 있다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔이 수화될 때 작물 식물의 뿌리가 하이드로겔 내에서 성장할 수 있다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 수화될 때 작물 식물의 뿌리가 하이드로겔 내에서 성장할 수 있다.

일부 실시양태에서, 작물 식물은 해바라기 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 양배추 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 밀 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 옥수수 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 대두 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 벼 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 보리 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 목화 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 완두 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 감자 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 임목 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 야채 식물이다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 반복된 팽윤 순환을 할 수 있다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 토양 중에 있는 동안 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 토양 중 반복된 팽윤 순환을 할 수 있다.

일부 실시양태에서, 비드는 구 모양 또는 등가의 다면체이다. 일부 실시양태에서, 다면체는 육면체이다. 일부 실시양태에서, 다면체는 정육면체이다.

일부 실시양태에서, 반복된 팽윤 주기 후에 비드는 구 모양 또는 등가의 다면체이다.

일부 실시양태에서, 비드는 원통 모양이다. 일부 실시양태에서, 반복된 팽윤 주기 후에 비드는 원통 모양이다.

일부 실시양태에서, 비드는 원반 모양이다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 토양에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 수분 함량의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 사질토에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 수분 함량의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 토양에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 부피의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 사질토에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 부피의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 토양에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 사질토에서 적어도 약 25, 50, 100, 또는 150시간의 기간에 걸쳐서 이들의 구 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 반복된 팽윤 순환 후 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은, 수화될 때, 각각 수화에 이은 탈수화를 포함하는 적어도 3회의 팽윤 순환 후 이들의 형태를 유지한다.

일부 실시양태에서, SAP는 생분해성이다.

일부 실시양태에서, 토양에서 수화될 때, 비드의 외부 영역은 주변 토양의 pH 또는 삼투압과 적어도 약 10% 차이나는 pH 또는 삼투압을 갖는다.

일부 실시양태에서, 비드가 최초로 수화되기 전에 외부 영역은 적어도 하나의 농화학물질을 포함하지 않는다.

일부 실시양태에서, 외부 영역은 또한 적어도 하나의 농화학물질을 함유한다.

일부 실시양태에서, 외부 영역 내의 적어도 하나의 농화학물질의 양은 내부 영역 내에 존재하는 적어도 하나의 농화학물질의 양의 약 5%, 10%, 15% 또는 20% (w/w)이다.

일부 실시양태에서, 외부 영역의 SAP가 약 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 또는 5-50% 수화될 때 비드는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 cm의 최대 직경을 갖는다.

일부 실시양태에서, 외부 영역의 SAP가 약 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 또는 5-50% 수화될 때, 외부 영역의 중량은 내부 영역의 중량보다 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10배 더 크다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 합성 하이드로겔, 천연 탄수화물 하이드로겔, 또는 펙틴 또는 단백질 하이드로겔, 또는 이들의 임의의 조합이다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 천연 초흡수성 중합체(SAP), 폴리-슈가 SAP, 반-합성 SAP, 완전-합성 SAP, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 적어도 하나의 천연 SAP 및 적어도 하나의 반-합성 또는 합성 SAP의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 폴리-슈가 SAP를 포함한다.

일부 실시양태에서, 폴리-슈가 SAP는 알지네이트이다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 반-합성 SAP를 포함한다.

일부 실시양태에서, 카르복시메틸ㅍ 셀룰로오스 (CMC) 그라프트된 폴리아크릴산 SAP는 아크릴산 단량체(아크릴아마이드-아크릴산) 대비 6% CMC, 아크릴산 대비 6% CMC, 아크릴산 대비 25% CMC, 또는 CMC 50% AA를 포함한다.

일부 실시양태에서, SAP는 k-카라기난 가교-결합된-폴리아크릴산 SAP이다.

일부 실시양태에서, 하이드로겔은 완전 합성 SAP를 포함한다.

일부 실시양태에서, 외부 영역은 산소 담체를 포함하지 않는 상응하는 외부 영역에 비해 외부 영역 내 산소의 함량을 증가시키는 적어도 하나의 산소 담체를 추가로 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 산소 담체는 과불화탄소이다.

일부 실시양태에서, 내부 영역은 유기 중합체, 천연 중합체, 또는 무기 중합체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 코어는 적어도 하나의 피복 화합물로 코팅된다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 피복 화합물은 SAP가 수화될 때 SAP 내로 용해된다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 피복 화합물은 SAP가 수화될 때 적어도 하나의 농화학물질이 SAP 내로 용해되는 속도를 감소시킨다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 피복 화합물은 규산염 또는 이산화규소이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 피복 화합물은 적어도 하나의 농화학물질이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 피복 화합물은 중합체를 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 코어는 충전제를 포함한다.

일부 실시양태에서, 벌집-모양의 구조는 미세하다.

일부 실시양태에서, 충전제는 점토를 포함한다.

일부 실시양태에서, 충전제 제올라이트를 포함한다.

일부 실시양태에서, 코어는 적어도 약 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 또는 1 g의 적어도 하나의 농화학물질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 코어는 1-10 g의 적어도 하나의 농화학물질을 포함한다.

일부 실시양태에서, 코어는 중량 기준으로 약 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 또는 60%의 적어도 하나의 농화학물질을 포함한다.

일부 실시양태에서, 비드의 중량은 1-10 g이다. 일부 실시양태에서, 비드의 중량은 6-7 g이다. 일부 실시양태에서, 비드의 중량은 3.5-4 g이다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 코어는 생분해성이다.

일부 실시양태에서, 내부 영역은 하나의 코어를 포함한다.

일부 실시양태에서, 내부 영역은 하나 이상의 코어를 포함한다.

일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학물질은 하기이다:

i) 적어도 하나의 비료 화합물;

ii) 적어도 하나의 농약 화합물,

iii) 적어도 하나의 호르몬 화합물;

iv) 적어도 하나의 약물 화합물;

v) 적어도 하나의 화학적 성장 제제; 및/또는

vi) 적어도 하나의 미량원소.

i) 적어도 하나의 살충제 화합물;

ii) 적어도 하나의 살선충제 화합물;

iii) 적어도 하나의 제초제 화합물; 및/또는

iv) 적어도 하나의 살진균제 화합물.

일부 실시양태에서, 외부 영역의 SAP가 수화될 때 적어도 하나의 농화학물질이 적어도 약 1주의 기간에 걸쳐서 내부 영역의 코어로부터 방출된다.

일부 실시양태에서, 외부 영역의 SAP가 수화될 때 적어도 하나의 농화학물질이 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 20주의 기간에 걸쳐서 내부 영역으로부터 외부 영역 내로 방출된다.

일부 실시양태에서, 외부 영역의 SAP가 약 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 또는 5-50% 수화될 때 적어도 하나의 농화학물질이 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 20주의 기간에 걸쳐서 내부 영역으로부터 외부 영역 내로 방출된다.

일부 실시양태에서, 비드의 SAP가 수화되고 비드가 토양 내에 있을 때, 적어도 하나의 농화학 물질이 수화 후 약 25일째에 시작하여 선형 속도로 비드 표면으로부터 주변 토양 내로 확산된다.

일부 실시양태에서, 비드의 SAP가 수화되고 비드가 토양 내에 있을 때, 적어도 하나의 농화학 물질이 수화 후 적어도 약 50일 또는 75일간 비드 표면으로부터 주변 토양 내로 확산된다.

일부 실시양태에서, 비드는 수화되지 않는다.

일부 실시양태에서, 비드는 중량 기준으로 약 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 또는 10% 미만의 수분을 포함한다.

일부 실시양태에서, 비드는 내부 영역과 외부 영역 사이에 계면 영역을 추가로 포함하며, 상기 계면 영역은 적어도 하나의 불용성 염 또는 고체, 적어도 하나의 가교-결합제, 또는 적어도 하나의 무기 화합물에 의해 형성된다.

일부 실시양태에서, 외부 영역과 내부 영역 사이의 확산은 내부 영역, 외부 영역, 또는 계면 영역 내의 pH 또는 양이온 농도를 변경함으로써 제한된다.

일부 실시양태에서, 외부 영역과 내부 영역 사이의 확산은 내부 영역 또는 외부 영역 내의 pH 및/또는 양이온 농도를 변경함으로써 제한된다.

일부 실시양태에서, 내부 영역 또는 외부 영역 내의 pH는 완충제에 의해 변경된다.

일부 실시양태에서, 내부 영역, 외부 영역, 또는 계면 영역 내의 pH는 완충제에 의해 변경된다.

본 발명은 본 발명의 적어도 하나의 비드를 식물이 성장하는 매질에 첨가하는 단계를 포함하는, 식물을 성장시키는 방법을 제공한다.

일부 실시양태에서, 식물이 성장하는 매질은 토양이다.

일부 실시양태에서, 토양은 모래, 미사, 점토, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

본 발명은 식물의 매질에 본 발명의 다중 비드를 첨가하는 단계를 포함하는 식물을 성장시키는 방법으로서, 상기 다중 비드는 3종의 비료 화합물을 포함하여, 비드의 일부로서 매질 중에 (NH₄)₂SO₂, NH₄H₂PO₄, 및 KCl로서 총 N, P, 및 K 함량이 각각 약 25, 5, 및 30 g/m²이 되게 하는 것인, 방법을 제공한다.

i) 식물의 뿌리 영역에 적어도 2개의 상이한 비드를 첨가하는 단계; 또는

ii) 식물이 성장할 것으로 예상되는 매질의 예상된 뿌리 영역에 적어도 2개의 상이한 비드를 첨가하는 것을 포함하며,

여기서 적어도 2개의 상이한 비드 중 적어도 하나는 본 발명의 실시양태의 비드인 것인, 방법을 제공한다.

일부 실시양태에서, 적어도 2개의 상이한 비드는, 적어도 2개의 상이한 비드의 다른 하나의 내부에 포함되지 않은, 적어도 하나의 농화학물질을 함유한다.

일부 실시양태에서, 식물은 들판에서 성장한다.

일부 실시양태에서, 식물은 작물 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 곡물 또는 임목 식물이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 과일 또는 야채 식물이다.

본 발명은 두 부분을 포함하는 식물 성장을 위한 인공 환경으로서,

부분 A는 부분 B와 연속 시스템을 형성하는 한편;

부분 A는 적어도 0.05 g의 중량을 갖는 첨가물의 제어 방출 저장소이고;

부분 B는 완전히 팽윤될 때 적어도 90%의 수분으로 이루어지는 인공 환경이고, 이의 중량은 부분 A보다 적어도 5배 큰 것인, 인공 환경을 제공한다.

부분 A가 부분 B 내부에 위치하는 한편;

일부 실시양태에서, 인공 환경은 인공 환경 내부의 습도, pH 또는 삼투압 중의 하나가 주변 토양과 적어도 약 10% 차이나고; 식물 뿌리가 인공 환경 용적 내부로 침투하여 성장할 수 있도록 조성된다(synthesized).

일부 실시양태에서, 부분 A 및 B는 중합체, 에어로겔, 하이드로겔, 오르가노겔, 다공성 무기, 다공성 유기 물질 또는 이들의 조합으로 구성된 재료로 제작된다.

일부 실시양태에서, 부분 A는 유기 중합체, 천연 중합체, 무기 중합체 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다.

일부 실시양태에서, 부분 A는 또한 고체 형태의 성분들을 포함한다.

일부 실시양태에서, 부분 A는 점토, 금속 산화물 입자, 다공성 입자 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 충전제를 함유한다.

일부 실시양태에서, 첨가물은 영양분, 농화학물질, 살충제, 미량원소, 약물 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다.

일부 실시양태에서, 부분 A는 구조적 재료 및 기능적 재료 둘 모두를 포함한다.

일부 실시양태에서, 부분 B는 상기 첨가물의 분획을 함유하지 않거나, 혹은 토양에 첨가될 때, 부분 A에서보다 적어도 10배 더 낮은 농도로 상기 첨가물을 함유한다.

일부 실시양태에서, 부분 B는 유기 중합체, 천연 중합체, 무기 중합체 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다.

일부 실시양태에서, 부분 B는 공기, 다공성 입자 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 충전제를 함유한다.

일부 실시양태에서, 인공 환경은 30% 미만의 수분을 함유하는, 건조 형태로 현장에 운송된다.

일부 실시양태에서, 인공 환경의 크기는 완전히 팽윤된 형태에서 적어도 30 mL이다.

일부 실시양태에서, 부분 A 내 첨가물 농도는 적어도 50%이다.

일부 실시양태에서, 부분 A 및 부분 B의 접촉 후, 계면이 하기의 수단에 의해 상기 두 부분 사이에 형성된다: 불용성 염 또는 고체의 형성, 가교-결합제, 무기 성분 화학 또는 두 부분 사이의 확산을 제한하기 위한 pH 또는 양이온 농도 변경, 및 이들의 조합.

일부 실시양태에서, 인공 환경과 식물 종자 사이의 거리는 0.1 내지 500 센티미터 사이이다.

일부 실시양태에서, 인공 환경과 식물 종자 사이의 거리는 0.1 내지 500 센티미터 사이이다. 일부 실시양태에서, 인공 환경과 식물 종자 사이의 거리는 약 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9, 9.5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 또는 100 센티미터이다.

본 발명의 구조적 재료의 비-제한적인 예시는 시스템의 구조를 제공하는 재료, 예를 들어 물, 에어로겔, 처리된 (treated) 전분, 처리된 셀룰로스, 중합체, 초흡수제 (superadsorbents)이고 기능적 재료는 식물에 의해 소비되는 재료, 예를 들어, 비료 화합물이다.

본원에 기술된 각각의 실시양태는 다른 기술된 실시양태 각각에 적용될 수 있는 것으로 고려된다. 따라서, 본원에 기술된 다양한 요소의 모든 조합은 발명의 범주 내이다.

매개변수 범위가 제공되는 경우, 그 범위 내의 모든 정수, 및 이의 십분의 일이 또한 발명에 의해 제공되는 것으로 이해된다. 예를 들어, "0.2-5 mg/kg/일"은 0.2 mg/kg/일, 0.3 mg/kg/일, 0.4 mg/kg/일, 0.5 mg/kg/일, 0.6 mg/kg/일 등과, 5.0 mg/kg/일까지의 개시이다.

용어

달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 이 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다.

본원에 사용된 바와 같이, 그리고 달리 언급되거나 문맥에 의해 달리 요구되지 않는 한, 하기 용어 각각은 하기에 기재된 정의를 가질 것이다.

본원에 사용된 바와 같이, 수치 값 또는 범위의 문맥에서 "약"은, 문맥이 더 제한된 범위를 요구하지 않는 한, 인용되거나 청구된 수치 값 또는 범위의 ±10%를 의미한다.

"농화학물질 영역"은 적어도 하나의 농화학물질을 함유하고 적어도 하나의 농화학물질을 본 발명의 유닛의 뿌리 발달 영역 내로 방출하는 본 발명의 유닛의 일 구성요소이다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학물질은 유닛의 뿌리 발달 영역이 수화될 때 확산에 의해 본 발명의 유닛의 뿌리 발달 영역 내로 방출된다.

용어 "코팅 시스템"은 그 코팅 시스템에 의해 피복된 농화학물질 영역의 표면으로부터 농화학물질의 방출을 지연 또는 방지하는 하나 이상의 화합물을 의미한다. 일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 단일 피복 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 하나 이상의 피복 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 하나 이상의 층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 코팅 시스템의 각 층은 동일한 조성물이다. 일부 실시양태에서, 코팅 조성물의 각 층은 상이한 조성물이다. 일부 실시양태에서, 코팅 시스템은 2, 3, 또는 4개의 층을 포함한다.

농화학물질 영역을 언급하기 위해 사용될 때 용어 "제어 방출"은 시간의 경과에 따라 서서히 농화학물질 영역의 하나 이상의 농화학물질을 방출하도록 농화학물질 영역이 형성되는 것을 의미한다. 일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역이 수화될 때 적어도 약 1주의 기간에 걸쳐서 적어도 하나의 농화학물질을 뿌리 발달 영역 내로 방출하도록 형성된다. 일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역이 수화될 때 1주 초과의 기간에 걸쳐서 적어도 하나의 농화학물질을 뿌리 발달 영역 내로 방출하도록 형성된다. "제어 방출"은 용어 "서방출" ("SR")과 상호호환적으로 사용된다.

"DAP"는 식재 (planting) 후 기간을 의미한다.

문맥에 의해 달리 요구되지 않는 한, "유닛"은 본원에 기술된 바와 같이 식물의 뿌리에 농화학물질의 전달을 위한 유닛을 지칭한다. "비료 유닛"은 본원에 기술된 바와 같이 식물의 뿌리에 비료를 포함하는 농화학물질의 전달을 위한 유닛을 지칭한다.

"공 유닛 (empty unit)"은 농화학물질 영역 구성요소에 의해 비수반되는 본 발명의 유닛의 뿌리 발달 영역 구성요소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 공 유닛은 본 발명의 상응하는 유닛과 동일한 모양 및/또는 크기를 갖는다.

"뿌리 발달 영역"은, 수화될 때, 성장하는 뿌리에 의해 침투될 수 있는, 본 발명의 유닛의 구성요소이다. 일부 실시양태에서, 성장하는 뿌리는 유닛의 뿌리 발달 영역 내부로 성장하고 발달할 수 있다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 초흡수성 중합체(SAP)이다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 에어로겔, 지오텍스타일, 또는 스폰지이다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은, 예를 들어, 유닛이 연속적으로 관개되는 토양 중에 배치될 때, 주변 환경으로부터 수분을 흡수할 것이다. 일부 실시양태에서, 수화된 뿌리 발달 영역은 성장하는 뿌리가 수분과 영양분을 흡수할 수 있는 인공 환경을 조성한다. 일부 실시양태에서, 유닛의 뿌리 발달 영역은 유닛의 농화학물질 영역의 농화학물질과 같거나 다른 하나 이상의 농화학물질을 함유하도록 제조된다. 본원에 기술된 발명이 임의의 특정 작용 기전으로 제한되는 것은 아니지만, 성장하는 뿌리는 뿌리 발달 영역 내의 수분 및/또는 농화학물질(예컨대, 광물)의 존재로 인해 유닛의 뿌리 발달 영역으로 유인되는 것으로 여겨진다. 뿌리는 유닛 내 수분 및/또는 농화학물질의 지속적 이용가능성으로 인해 유닛의 뿌리 발달 영역 내에서 계속 성장하고 발달할 수 있는 것으로 여겨진다.

달리 지시되거나 문맥에 의해 달리 요구되지 않는 한, 용어 "뿌리 발달 영역"의 사용은 하나 이상의 뿌리 발달 영역을 의미하고 용어 "농화학물질 영역"의 사용은 하나 이상의 농화학물질 영역을 의미한다.

일부 실시양태에서, 본 발명의 유닛은 "내부 영역"을 둘러싸는 "외부 영역"을 갖는 "비드"의 형태이다. 일부 실시양태에서, "외부 영역"은 뿌리 발달 영역이고 "내부 영역"은 농화학물질 영역이다.

본 발명의 실시양태에의 사용에 의해 제공되거나 그에 사용을 위해 고려되는 식물에는 단자엽 식물과 쌍자엽 식물 둘 모두가 포함된다. 일부 실시양태에서, 식물은 작물 식물이다. 본원에 사용된 바와 같이, "작물 식물"은 상업적으로 재배하는 식물이다. 일부 실시양태에서, 본 발명의 식물은 작물 식물(예를 들어, 곡물 및 펄스(pulses), 옥수수, 밀, 감자, 타피오카, 쌀, 수수, 기장, 카사바, 보리, 또는 완두콩), 또는 기타 콩류이다. 일부 실시양태에서, 작물 식물은 식용가능한 뿌리, 덩이줄기, 잎, 줄기, 꽃 또는 열매의 생산을 위해 재배될 수 있다. 상기 식물은 야채 또는 관상용 식물일 수 있다. 본 발명의 작물 식물의 비-제한적인 예시에는 다음이 포함된다: 아크로코미아 아큘리에타(Acrocomia aculeata)(마카우바 야자나무), 아라비돕시스 탈리아나(Arabidopsis thaliana), 아라시니스 히포가에아(Aracinis hypogaea)(땅콩), 아스트로카리움 무루무루(Astrocaryum murumuru)(무루무루), 아스트로카리움 불가레(Astrocaryum vulgare)(투쿠마, tucuma), 아딸레아 게라엔시스(Attalea geraensis)(Indaia-rateiro), 아딸레아 휴밀리스(Attalea humilis)(아메리카 기름 야자나무), 아딸레아 올레이페라(Attalea oleifera)(andaia), 아딸레아 팔레라타(Attalea phalerata)(uricuri), 아딸레아 스페시오사(Attalea speciosa)(바바수야자나무, babassu), 아베나 사티바(Avena sativa)(오트밀), 베타 불가리스(Beta vulgaris)(사탕무), 브라시카 종(Brassica sp.), 예컨대 브라시카 카리나타(Brassica carinata), 브라시카 준세아(Brassica juncea), 브라시카 나포브라시카(Brassica napobrassica), 브라시카 나푸스(Brassica napus)(카놀라), 카멜리나 사비타(Camelina sativa)(false flax), 카나비스 사비타(Cannabis sativa)(삼), 카르싸무스 팅크토리우스(Carthamus tinctorius)(잇꽃), 카리오카르 브라실리엔세(Caryocar brasiliense)(뻬끼, pequi), 코코스 누시페라(Cocos nucifera)(코코넛), 크람베 아비시니카(Crambe abyssinica)(아비시니마 케일, Abyssinian kale), 쿠쿠미스 멜로(Cucumis melo)(멜론), 엘라에이스 귀니시스(Elaeis guineensis)(아프리카 야자나무), 글리신 맥스(Glycine max)(대두), 고시피움 히르수툼(Gossypium hirsutum)(면), 헬리안쑤스 종(Helianthus sp .), 예컨대 헬리안쑤스 아누스(Helianthus annuus)(해바라기), 호르데움 불가레(Hordeum vulgare)(보리), 자트로파 쿠르카스(Jatropha curcas)(physic nut), 조아네시아 프린셉스(Joannesia princeps)(아라라 개암나무, arara nut-tree), 렘나 종(Lemna sp.)(개구리밥), 예컨대 렘나 아에퀴녹티알리스(Lemna aequinoctialis), 렘마 디스페르마(Lemna disperma), 렘나 에쿠아도리엔시스(Lemna ecuadoriensis), 렘나 지바(Lemna gibba)(부푼 개구리밥), 렘나 자포니카(Lemna japonica), 렘나 미노르(Lemna minor), 렘나 미누타(Lemna minuta), 렘나 옵스큐라(Lemna obscura), 렘나 파우시코스타타(Lemna paucicostata), 렘나 페르푸실라(Lemna perpusilla), 렘나 테네라(Lemna tenera), 렘나 트리술카(Lemna trisulca), 렘나 투리오니페라(Lemna turionifera), 렘나 발디비아나(Lemna valdiviana), 렘나 윤젠시스(Lemna yungensis), 리카니아 리지다(Licania rigida)(오이티시카), 리눔 우시타티스시뭄(Linum usitatissimum)(아마), 루피누스 앙구스티폴리우스(Lupinus angustifolius)(루핀), 마우리티아 플렉수오사(Mauritia flexuosa)(부리치 야자나무), 맥시밀리아나 마리파(Maximiliana maripa)(inaja 야쟈나무), 미스칸써스 종(Miscanthus sp .), 예컨대 미스칸써스 x 기간테우스(Miscanthus x giganteus) 및 미스칸써스 시넨시스(Miscanthus sinensis), 니코티아나 종(Nicotiana sp .)(담배), 예컨대 니코티아나 타마쿰(Nicotiana tabacum) 또는 니코티아나 벤싸미아나(Nicotiana benthamiana), 오에노카르푸스 바카바(Oenocarpus bacaba)(bacaba-do-azeite), 오에노 카르푸스 바타우아(Oenocarpus bataua)(pataua), 오에노카르푸스 디스티추스(Oenocarpus distichus)(bacaba-de-leque), 오리자 종(Oryza sp .)(쌀), 예컨대 오리자 사티바(Oryza sativa) 및 오리자 갈베리마(Oryza glaberrima), 파니쿰 비르가툼(Panicum virgatum)(스위치그라스, switchgrass), 파라퀘이바 파라엔시스(Paraqueiba paraensis)(마리화나), 페르세아 아멘카나(Persea amencana)(아보카도), 폰가미아 피나타(Pongamia pinnata)(인도 너도밤나무), 포풀러스 트리코카르파(Populus trichocarpa), 리치너수 코뮤니스(Ricinus communis)(카스토르), 사카룸 종(Saccharum sp.)(사탕수수), 세사뭄 인디쿰 (Sesamum indicum)(참깨), 솔라눔 튜베로섬(Solanum tuberosum)(감자), 소르굼 종(Sorghum sp .), 예컨대 소르굼 비콜로(Sorghum bicolor), 소르굼 불가레(Sorghum vulgare), 테오브로마 그란디포룸(Theobroma grandiforum)(쿠푸아수), 트리폴리움 종(Trifolium sp .), 트리쓰리낙스 브라실리엔시스(Trithrinax brasiliensis)(브라질 바늘모양 야자나무), 트리티쿰 종(Triticum sp.)(밀), 예컨대 트리티룸 아에스티붐(Triticum aestivum), 제아 메이스(Zea mays)(옥수수), 알파파(메디카고 사티바, Medicago sativa), 호밀(세칼레 세랄레, Secale cerale), 고구마(로프모에아 바타투스, Lopmoea batatus), 카사바마니호트 에스쿨렌타, Manihot esculenta), 커피(코피아 종, Cofea spp.), 파인애플(아나나 코모수스, Anana comosus), 감귤 나무(시트러스 종, Citrus spp.), 코코아(테오브로마 카카오, Theobroma cacao), 차(카멜리아 세넨시스, Camellia senensis), 바나나(무사 종, Musa spp.), 아보카도(페르세아 아메리카나, Persea americana), 무화과(피쿠스 카시카, Ficus casica), 구아바(푸시디움 구아하바, Psidium guajava), 망고(망지페르 인디카, Mangifer indica), 올리브(올레아 유로파에아, Olea europaea), 파파야(카르시카 파파야, Carica papaya), 캐슈(아나카르디움 옥시덴탈레, Anacardium occidentale), 마카다미아(마카다미아 인테르그리폴리아, Macadamia intergrifolia) 및 아몬드(프루너스 아미그달루스, Prunus amygdalus).

달리 언급되지 않거나 문맥에 의해 달리 요구되지 않는 한, "팽윤된"은 재료가 21℃에서 24시간 동안 탈이온수 중에 놓이는 경우 그 재료에 의해 흡수되게 되는 수분의 양의 적어도 약 1%인 수분의 흡수된 양을 갖는 것을 의미한다. 재료가 하이드로겔인 경우, "팽윤된" 하이드로겔은 "수화된" 하이드로겔로서 언급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 팽윤된 재료는 21℃에서 24시간 동안 탈이온수 중에 놓이는 경우 재료에 의해 흡수되게 되는 수분의 양의 적어도 약 2%인 수분의 흡수된 양을 갖는다. 일부 실시양태에서, 팽윤된 재료는 21℃에서 24시간 동안 탈이온수 중에 놓이는 경우 재료에 의해 흡수되게 되는 수분의 양의 적어도 약 3%인 수분의 흡수된 양을 갖는다. 일부 실시양태에서, 팽윤된 재료는 21℃에서 24시간 동안 탈이온수 중에 놓이는 경우 재료에 의해 흡수되게 되는 수분의 양의 적어도 약 4%인 수분의 흡수된 양을 갖는다. 일부 실시양태에서, 팽윤된 재료는 21℃에서 24시간 동안 탈이온수 중에 놓이는 경우 재료에 의해 흡수되게 되는 수분의 양의 적어도 약 5%인 수분의 흡수된 양을 갖는다.

달리 언급되지 않거나 문맥에 의해 달리 요구되지 않는 한, "수화된"은 적어도 약 1% 수화된 것을 의미한다. 일부 실시양태에서, "수화된"은 적어도 약 2% 수화된 것을 의미한다. 일부 실시양태에서, "수화된"은 적어도 약 3% 수화된 것을 의미한다. 일부 실시양태에서, "수화된"은 적어도 약 4% 수화된 것을 의미한다. 일부 실시양태에서, "수화된"은 적어도 약 5% 수화된 것을 의미한다.

본원에 사용된 바와 같이, 본 발명의 "완전히 팽윤된" 유닛은 21℃에서 24시간 동안 탈이온수 중에 놓이는 경우 유닛이 흡수하게 될 수분의 양과 동일한 흡수된 수분의 양을 함유하는 유닛이다.

본원에 사용된 바와 같이, 인공 환경은 적어도 하나의 농화학물질과 함께 식물이 심겨진 농지 또는 정원의 뿌리 영역 내부에 위치하는 매질을 의미하고, 그의 내부 주변에서 뿌리 성장 및 흡수 활성을 촉진한다. 농화학물질의 비-제한적인 예시에는 살충제, 제초제, 및 살진균제를 비롯한 농약이 포함된다. 농화학물질은 또한 천연 및 합성 비료, 호르몬 및 기타 화학적 성장 제제를 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 매질은 하기와 같은 다수의 하위-영역을 포함할 수 있다:

i) 농화학물질 영역(예를 들어, 내부 영역); 및

ii) 뿌리 발달 영역(예를 들어, 외부 영역).

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역의 하이드로겔이 수화될 때 적어도 약 1주의 기간에 걸쳐서 적어도 하나의 농화학물질을 뿌리 발달 영역 내로 방출하도록 형성된다. 일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역의 하이드로겔이 수화될 때 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 또는 20주의 기간에 걸쳐서 적어도 하나의 농화학물질을 뿌리 발달 영역 내로 방출하도록 형성된다. 농화학물질 영역은 본원에 기술된 다양한 수단에 의해 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질의 방출을 제어하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 농화학물질은 농화학물질 영역의 코어 중의 조밀한 중합체 내로 도입되어, 뿌리 발달 영역이 수화될 때 그로부터 적어도 하나의 농화학물질이 확산할 수 있다. 추가적으로, 코어는 적어도 하나의 농화학물질의 뿌리 발달 영역 내로의 확산 속도를 감속시키는 화합물 또는 화합물들로 코팅될 수 있다. 일부 실시양태에서, 피복 화합물은 뿌리 발달 영역이 수화될 때 뿌리 발달 영역 내로 확산될 수 있고, 그로써 뿌리 발달 영역 내로 및/또는 그를 통한 적어도 하나의 농화학물질의 확산 속도를 감속시킨다. 일부 실시양태에서, 코어는 적어도 하나의 농화학물질을 포함하는 충전제를 포함하여, 그로부터 적어도 하나의 농화학물질이 확산한다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 농화학물질은 코어 또는 충전제로부터 선형 속도로 확산된다. 충전제는 코어로부터의 적어도 하나의 농화학물질의 속도를 감속시킨다. 일부 실시양태에서 충전제는 그 내부로 적어도 하나의 농화학물질이 도입되고 그로부터 적어도 하나의 농화학물질이 서서히 확산되는 물리적 구조, 예컨대 벌집-모양의 구조를 가질 수 있다. 벤토나이트는 본 발명의 실시양태에 유용한 벌집-모양의 구조를 갖는 충전제의 비-제한적인 예시이다.

농화학물질 영역은 뿌리 발달 영역 내로 그의 방출을 제어하는 구조 내에 투입물(비료 또는 다른 농약화학물질)을 함유할 수 있다. 방출 속도는 생장기 동안 내내 식물의 요구량을 충족하도록 고안된다. 일부 실시양태에서, 미리 지정된 작용 기간의 말기에 투입물 잔여물은 잔존하지 않는다.

일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 실리카로 코팅된 고도로 가교 결합된 중합체 또는 점토 충전제를 갖는 고도로 가교 결합된 폴리 아크릴산/폴리 슈가로 만들어진 벌집-모양의 구조 내에 하나 이상의 비료 및/또는 다른 농화학물질, 예컨대 질소, 인, 칼륨, 살진균제, 살충제 등을 포함한다. 일부 실시양태에서, 농화학물질 영역은 외부 코팅 존재 또는 부재의 벌집-모양의 구조 내에 비료 및/또는 적어도 하나의 다른 농약화학물질을 포함한다.

일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 농화학물질 영역과 접촉하거나 이를 둘러싸는 초흡수성 중합체 (SAP)이고, 이는 식물 뿌리의 성장 및 흡수 활성을 초래한다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 CMC-g-폴리(아크릴산)/셀라이트 복합체 시스템 또는 개질된 옥수수 전분 가교 결합된 폴리 (아크릴산)으로 만들어진 초흡수성 중합체이다. 농화학물질 영역을 둘러싸고 있는 뿌리 발달 영역은 "쉘 (shell)"로서 본원에 언급될 수 있다.

본 발명의 뿌리 발달 영역은 토양 중에서 지속가능하고, 뿌리 발달 영역에서 뿌리 침투, 흡수 활성, 및 성장 및/또는 발달을 촉진한다. 일부 실시양태에서, 초흡수성 중합체는 관개 동안 토양 수분을 흡수하고, 팽윤하고, 장기간에 걸쳐서 이의 높은 수분 함량을 유지할 수 있기 때문에 뿌리 발달 영역으로 작용할 수 있다. 이들 특징은 본 발명의 유닛의 반감기 동안에 뿌리 흡수 활성을 허용하는 농화학물질 영역 내지 뿌리 발달 영역의 주변부 사이에 화학적 농도의 점진적인 전이가 존재하는 영역을 확립한다. 일부 실시양태에서, 뿌리 발달 영역은 기계적 저항(토양 내에서 그의 모양 및 기하형상 (geometry)를 유지하기 위함); 팽윤 순환 능력(토양 수분 함량에 대한 반응으로 반복된 수화 및 탈수화를 할 수 있음); 산소 투과성(뿌리 발달과 같은 뿌리 활성을 지지하기에 충분한 산소 수준을 유지함); 및 뿌리 침투(이 영역 내로의 뿌리의 성장을 허용함)와 같은 특징을 갖는다.

본 발명에 사용될 수 있는 재료는 이들로 제한되는 것은 아니지만: 1) 점토 2) 제올라이트 3) 응회암 4) 비산회 5) 하이드로겔 6) 폼 (foam)을 포함한다.

일부 실시양태에서, 본 발명의 인공 환경은 보편적인 뿌리 성장 환경을 제공하기 위해 토양 유형 및 pH에 대한 완충제로서 작용한다. 일부 실시양태에서, 본 발명의 인공 환경은 이들로 제한되는 것은 아니지만, 물, 비료, 약물, 및 기타 첨가제와 같이, 바람직한 조건에서 요구되는 재료 및 영양분을 함유한다.

산소 투과성

본 발명의 측면은 수화될 때 산소에 투과성인 SAPs를 갖는 뿌리 발달 영역에 관한 것이다. 뿌리는 성장 및 발달을 위해 산소를 이용한다(Drew, 1997; Hopkins 1950). 따라서, SAP의 산소 투과성은 SAP를 포함하는 뿌리 발달 영역 내에서 뿌리 성장 및 발달을 지지할지 여부를 결정하는데 중요한 요인이다.

임의의 과학적 이론으로 구속되고 싶지 않지만, 본 발명의 하이드로겔은 수분, 영양분 및 약한 저항을 공급하기 때문에, 하기 본원에 기술된 데이터는 가스 확신이 충분히 높다면, 뿌리가 현장 토양 중에 설치된, 대부분의 유형의 소형-부피 하이드로겔 및 하이드로겔 함유 유닛 내에서 발달할 것임을 나타낸다. 예를 들어, 산소에 적절하게 투과성인 알지네이트 하이드로겔은 뿌리 발달을 촉진하는 반면, 산소에 불량하게 투과성인 전분 하이드로겔은 뿌리 발달을 촉진하지 않는다. 추가적으로, 반-합성 CMC가 또한 산소에 적절하게 투과성이다. 본 발명의 뿌리 발달 영역 내로 확산하는 산소의 능력은 이들 내부에서 뿌리 발달에 중요하다.

본 발명의 측면은 수화될 때 산소에 충분히 투과성인, 하이드로겔과 같은 SAPs의 선택에 관한 것이다. 수화된 SAP가 본 발명의 실시양태에 사용하기에 충분히 산소에 투과성인지 여부를 결정하기 위해 산소 투과성을 측정할 수 있다. 일부 실시양태에서, SAP는 이것이 뿌리 성장 및/또는 발달을 지지하도록 산소에 투과성이다. 일부 실시양태에서, SAP는 수화될 때 수화된 알지네이트와 같이 산소에 적어도 약 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100% 투과성이다. 일부 실시양태에서, SAP는 수화될 때 수화된 반-합성 CMC와 같이 산소에 적어도 약 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100% 투과성이다.

산소 투과성은 당해 기술분야에 잘 알려진 어세이에 따라서 측정될 수 있다. 본 발명의 SAPs의 산소 투과성을 측정하는데 유용할 수 있는 방법의 비-제한적인 예시가 문헌 [Aiba et al. (1968) "Rapid Determination of Oxygen Permeability of Polymer Membranes" Ind. Eng. Chem. Fundamen., 7(3), pp 497-502; Yasuda and Stone (1962) "Permeability of Polymer Membranes to Dissolved Oxygen" Cedars-Sinai Medical Center Los Angeles CA Polymer Div, 9 pages, available from www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf&AD=AD0623983; Erol Ayranci and Sibel Tunc (March 2003) "A method for the measurement of the oxygen permeability and the development of edible films to reduce the rate of oxidative reactions in fresh foods" Food Chemistry Volume 80, Issue 3, Pages 423-431; and Compan et al. (July 2002) "Oxygen permeability of hydrogel contact lenses with organosilicon moieties" Biomaterials Volume 23, Issue 13, Pages 2767-2772]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 본원에 참고로서 포함된다. SAP의 투과성은 이것이 부분적으로 또는 완전히 수화될 때, 예컨대 SAP가 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 또는 5-50% 수화될 때 측정될 수 있다.

기계적 저항

본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 유닛의 뿌리 발달 영역은 i) 뿌리 성장을 촉진하도록 산소에 충분히 투과성이고, ii) 토양 중에서 붕괴되지 않는다. 특별히 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 유닛의 뿌리 발달 영역은 기계적으로 저항성인데, 즉 토양 중에서 분열됨 없이 토양 중에서 반복된 팽윤 순환을 할 수 있다. 특히 바람직한 실시양태에서, 뿌리 발달 영역의 SAP의 전부는 반복된 팽윤 순환 후에 뿌리 발달 영역의 일부로서 잔존한다.

알지네이트의 산소에 대한 투과성에도 불구하고, 알지네이트로 구성된 뿌리 발달 영역은 알지네이트가 토양 중에서 붕괴되는 경향이 있기 때문에 본 발명의 바람직할 실시양태에 적합하지 않다. 그러나, 붕괴되는 경향을 나타내지 않고 토양 중에서 분열됨 없이 반복된 팽윤 순환을 할 수 있는 (즉, 기계적으로 저항성인), 반-합성 CMC가 본 발명의 바람직한 실시양태에서 뿌리 발달 영역에 사용하기에 적합하다.

인공 환경의 실행

본 발명의 일부 실시양태는 하기 단계들을 포함한다:

단계 1: 상부 토양 프로파일 내로의 밴딩(banding) 및 도입.

단계 2: 급수(강우 및/또는 관개) 후 뿌리 발달 영역(예컨대, SAP 포함)은 토양으로부터 수분을 흡수하여 팽윤하고; 수분은 코팅(존재하는 경우)을 침투하여 비료 및/또는 다른 농약화학물질(들)을 용해시키고 그 후에 이들은 뿌리 발달 영역(예컨대, 비드의 주변부 쪽으로) 내로 확산된다.

단계 3: 뿌리가 성장하고, 발달하고, 미리 지정된 기간에 흡수가 지속되는 뿌리 발달 영역에 잔존한다.

뿌리 발달 영역의 특성을 검사하는 방법

하기는 뿌리 발달 영역(예컨대, 비드 쉘)의 특성을 검사하기 위해 사용될 수 있는 방법의 비-제한적인 예시이다.

화분에 상이한 크기의 공 유닛(예컨대, 쉘)을 살포함. 일부 실시양태에서, 3종 크기의 공 유닛이 사용된다. 쉘은 예컨대, 0.5, 1, 1.5, 2. 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 또는 5 cm의 건조 반경 또는 예컨대, 0.5, 1, 1.5, 2. 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 cm의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25, 또는 30 리터 화분이 사용된다. 일부 실시양태에서, 공 유닛을 토양과 함께 화분 내에 살포한다. 일부 실시양태에서, 토양은 사질토이다.

급수 후 공 유닛의 최종 크기 및 형상을 모니터링함. 일부 실시양태에서, 최종 형상은 구형, 원통형, 또는 박스형 모양이다.

뿌리가 수분을 흡수하는 것을 모방하기 위해 세라믹 흡입 컵을 설치하고 주사기를 통한 흡입을 적용함.

시간의 경과에 따른 급수의 빈도를 변경함(예컨대, 고- 하루에 수회 내지 저- 1주에 1회).

시간의 경과에 따라 주사기 내 수분과 화분의 바닥으로부터 배수되는 수분의 부피를 모니터링함.

하기는 뿌리 발달 영역(예컨대, 비드 쉘)의 특성을 검사하기 위해 사용될 수 있는 방법의 다른 비-제한적인 예시이다.

투명한 구획(cell) 내에 하나의 크기의 공 유닛(예컨대, 쉘)을 살포함(예컨대, 상기에 기술된 방법으로부터의 결과에 기초함). 일부 실시양태에서, 구획은 퍼스펙스(Perspex)로 만들어지고 60×2×30 cm 크기이다. 일부 실시양태에서, 공 유닛은 토양과 함께 살포된다. 일부 실시양태에서, 토양은 사질토이다.

뿌리 위치 및 공 유닛 상태를 모니터링함. 일부 실시양태에서, 뿌리 위치 및 공 유닛 상태는 사진 또는/및 스캐닝에 의해 모니터링된다.

영양분 존재/부재하는 유닛으로 반복함.

뿌리가 영양분 또는 수분에 의해 유인되는지 여부를 결정하기 위해 뿌리 위치를 모니터링함.

시간의 경과에 따라 급수의 빈도를 변경함(예컨대, 고- 하루에 수회 내지 저- 1주에 1회).

본 발명의 유닛의 특성을 검사하는 방법

화분에서 식물을 재배함. 일부 실시양태에서, 화분은 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25, 또는 30 리터 화분이다.

시간의 경과에 따른 뿌리에서의 농도 및 배수를 모니터링하기 위해 여과지 컵을 설치함.

추가적으로:

유닛(예컨대, 비드)과 토양의 혼합물을 이용해 투명한 구획에서 식물을 재배함. 일부 실시양태에서, 토양은 사질토이다.

환경 조건(예컨대, pH, 염도, 또는 N, P, 및 K)에 민감한 유닛에 건조제를 첨가함.

초흡수성 중합체

초흡수성 중합체는 그들 자신의 질량에 비해 극히 다량의 액체를 흡수하고 보유할 수 있는 중합체이다. 본 발명의 실시양태에 유용하게 사용될 수 있는 SAPs의 비-제한적인 예시는 문헌 [K. Horie, M. Baron, R. B. Fox, J. He, M. Hess, J. Kahovec, T. Kitayama, P. Kubisa, E. Marechal, W. Mormann, R. F. T. Stepto, D. Tabak, J. Vohlidal, E. S. Wilks, and W. J. Work (2004). "Definitions of terms relating to reactions of polymers and to functional polymeric materials (IUPAC Recommendations 2003)". Pure and Applied Chemistry 76 (4): 889-906; Kabiri, K. (2003). "Synthesis of fast-swelling superabsorbent hydrogels: effect of crosslinker type and concentration on porosity and absorption rate". European Polymer Journal 39 (7): 1341-1348; "History of Superabsorbent Polymer Chemistry". M2 Polymer Technologies, Inc. (available from www.m2polymer.com/html/history_of_superabsorbents.html); "Basics of Superabsorbent Polymer & Acrylic Acid Chemistry". M2 Polymer Technologies, Inc. (available from www.m2polymer.com/html/chemistry_sap.html); Katime Trabanca, Daniel; Katime Trabanca, Oscar; Katime Amashta, Issa Antonio (September 2004). Los materiales inteligentes de este milenio: Los hidrogeles macromoleculares. Sintesis, propiedades y aplicaciones. (1 ed.). Bilbao: Servicio Editorial de la Universidad del Pais Vasco (UPV/EHU); and Buchholz, Fredric L; Graham, Andrew T, ed. (1997). Modern Superabsorbent Polymer Technology (1 ed.). John Wiley & Sons]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

본 발명의 실시양태에 유용하게 사용될 수 있는 하이드로겔의 비-제한적인 예는 문헌 [Mathur et al., 1996. "Method for Synthesis of Hydrogel Networks: A Review" Journal of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews Volume 36, Issue 2, 405-430; and Kabiri et al., 2010. "Superabsorbent hydrogel composites and nanocomposites: A review" Volume 32, Issue 2, pages 277-289]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

지오텍스타일

지오텍스타일은 지면과 접촉하게 배치될 때 전형적으로 토양 또는 모래의 이동을 방지하기 위해 사용되는 투과성 직물이다. 본 발명의 실시양태에 유용하게 사용될 수 있는 지오텍스타일의 비-제한적인 예는 미국특허 제3,928,696호, 제4,002,034호, 제6,315,499호, 제6,368,024호, 및 제6,632,875호에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

에어로겔

에어로겔은 고화 매트릭스 중에서 공기의 분산에 의해 형성된 겔이다. 본 발명의 실시양태에 유용하게 사용될 수 있는 에어로겔의 비-제한적인 예는 문헌 [Aegerter, M., ed. (2011) Aerogels Handbook. Springer]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

농화학물질

비료

비료는 식물 성장을 촉진하는 하나 이상의 영양분을 공급하기 위해 식물 매질에 첨가되는 천연 또는 합성 기원의 임의의 유기 또는 무기 재료 (석회화 재료 제외)이다.

본 발명의 실시양태에 유용하게 사용될 수 있는 비료의 비-제한적인 예는 문헌[Stewart, W.M.; Dibb, D.W.; Johnston, A.E.; Smyth, T.J. (2005). "The Contribution of Commercial Fertilizr Nutrients to Food Production". Agronomy Journal 97: 1-6.; Erisman, Jan Willem; MA Sutton, J Galloway, Z Klimont, W Winiwarter (October 2008). "How a century of ammonia synthesis changed the world". Nature Geoscience 1 (10): 636.; G. J. Leigh (2004). The world's greatest fix: a history of Nitrogen and agriculture. Oxford University Press US. pp. 134-139; Glass, Anthony (September 2003). "Nitrogen Use Efficiency of Crop Plants: Physiological Constraints upon Nitogen Absorption". Critical Reviews in Plant Sciences 22 (5): 453; Vance; Uhde-Stone & Allan (2003). "Phosphate acquisition and use: critical adaptations by plants for securing a non renewable resource". New Phythologist (Blackwell Publishing) 157 (3): 423-447.; Moore, Geoff (2001). Soilguide - A handbook for understanding and managing agricultural soilds. Perth, Western Australia: Agriculture Western Australia. pp. 161-207; Haussinger, Peter; Reiner Lohmuller, Allan M. Watson (2000). Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Volume 18. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. pp. 249-307.; Carroll and Salt, Steven B. and Steven D. (2004). Ecology for Gardeners. Cambridge: Timber Press.; Enwall, Karin; Laurent Philippot,2 and Sara Hallin1 (December 2005). "Activity and Composition of the Denitrifying Bacterial Community Respond Differently to Long-Term Fertilization". Applied and Environmental Microbiology (American Society for Microbiology) 71 (2): 8335-8343.; Birkhofera, Klaus; T. Martijn Bezemerb, c, d, Jaap Bloeme, Michael Bonkowskia, Soren Christensenf, David Duboisg, Fleming Ekelundf, Andreas Flieβbachh, Lucie Gunstg, Katarina Hedlundi, Paul Maderh, Juha Mikolaj, Christophe Robink, Heikki Setalaj, Fabienne Tatin-Frouxk, Wim H. Van der Puttenb, c and Stefan Scheua (September 2008). "Long-term organic farming fosters below and aboveground biota: Implications for soil quality, biological control and productivity". Soil Biology and Biochemistry (Soil Biology and Biochemistry) 40 (9): 2297-2308.; Lal, R. (2004). "Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security". Science (Science (journal)) 304 (5677): 1623-7.; and Zublena, J.P.; J. V. Baird, J. P. Lilly (June 1991). "SoilFacts - Nutrient Contnet of Fertilizer and Organic Materials". North Carolina Cooperative Extension Service. (available from www.soil.ncsu.edu/publications/soilfacts/AG-439-18/)]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 본원에서 참고로 포함된다.

본 발명의 실시양태에 유용하게 사용될 수 있는 비료의 비-제한적인 예에는 질산암모늄, 황산암모늄, 무수 암모니아, 질산칼슘/우레아, 옥사미드(oxamide), 질산칼륨, 우레아, 황산우레아, 암모니아화된 과인산염, 인산이암모늄, 인산질소(nitric phosphate), 탄산칼륨, 메타인산칼륨, 염화칼슘, 인산암모늄마그네슘, 황산마그네슘, 황산암모늄, 황산칼륨, 및 본원에 기술된 기타가 포함된다.

농약

농약은 임의의 해충을 방지하고, 파괴하고, 물리치거나 완화시킬 수 있는 물질 또는 물질들의 혼합물이다. 농약에는 살충제, 살선충제, 제초제 및 살진균제가 포함된다.

살충제

살충제는 곤충에 대해 유용한 농약이고, 이들로 제한되는 것은 아니지만 유기염소, 유기인산, 카바메이트, 피레트로이드, 네오니코티노이드, 및 리아노이드, 살충제가 포함된다.

본 발명의 실시양태에 유용한 살충제의 비-제한적인 예는 문헌 [van Emden HF, Pealall DB (1996) Beyond Silent Spring, Chapman & Hall, London, 322pp; Rosemary A. Cole "Isothiocyanates, nitriles and thiocyanates as products of autolysis of glucosinolates in Cruciferae" Phytochemutry, 1976. Vol. 15, pp. 759-762; and Robert L. Metcalf "Insect Control" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" Wiley-VCH, Weinheim, 2002]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

살선충제

살선충제는 식물-기생 선충에 대해 유용한 농약이다.

본 발명의 실시양태에 유용한 살선충제의 비-제한적인 예시는 문헌 [D. J. Chitwood, "Nematicides," in Encyclopedia of Agrochemicals (3), pp. 1104-1115, John Wiley & Sons, New York, NY, 2003; and S. R. Gowen, "Chemical control of nematodes: efficiency and side-effects," in Plant Nematode Problems and their Control in the Near East Region (FAO Plant Production and Protection Paper - 144), 1992]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

제초제

제초제는 원치 않는 식물에 대해 유용한 농약이다. 본 발명의 실시양태에 유용한 제초제의 비-제한적인 예시에는 2,4-D, 아미노피랄리드, 아트라진, 클로피랄리드, 디캄바, 글루포시네이트 암모늄, 플루아지포프, 플루록시피르, 이마자피르, 이마자목스, 메톨아클로르, 펜디메쌀린, 피클로람, 및 트리클로피르가 포함된다.

살진균제

살진균제는 곰팡이 및/또는 곰팡이 포자에 대해 유용한 농약이다.

본 발명의 실시양태에 유용한 살진균제의 비-제한적인 예시는 문헌 [Pesticide Chemistry and Bioscience edited by G.T Brooks and T.R Roberts. 1999. Published by the Royal Society of Chemistry; Metcalfe, R.J. et al. (2000) The effect of dose and mobility on the strength of selection for DMI (sterol demethylation inhibitors) fungicide resistance in inoculated field experiments. Plant Pathology 49: 546-557; and Sierotzki, Helge (2000) Mode of resistance to respiration inhibitors at the cytochrome bc1 enzyme complex of Mycosphaerella fijiensis field isolates Pest Management Science 56:833-841]에 기술되어 있고, 이들 각각의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.

미량원소

본 발명의 실시양태에 유용한 미량원소의 비-제한적인 예에는 철, 망간, 붕소, 아연, 구리, 몰리브덴, 염소, 나트륨, 코발트, 실리콘, 및 셀레늄 니켈이 포함된다.

호르몬

식물 호르몬은 식물 과정에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 실시양태에 유용한 식물 호르몬의 비-제한적인 예에는 이들로 제한되는 것은 아니지만, 옥신(예컨대, 헤테로옥신 및 이의 유사체, 인돌일부티르산 및 a-나프틸아세트산), 지베렐린, 및 사이토카인이 포함된다.

각각의 개별적인 간행물 또는 참고문헌이 참조로서 포함되는 것으로 구체적으로 및 개별적으로 지시되었던 것과 같이 본원에 언급된 모든 간행물 및 기타 참고문헌은 그 전문 그대로 참조로서 포함된다. 본원에 인용된 간행물 및 참고문헌이 선행기술인 것으로 인정되지는 않는다.

본 발명은 이후의 실험 세부항목을 참조하여 더 잘 이해될 것이지만, 통상의 기술자는 열거된 특정 실험들이 이후에 이어지는 청구범위에 정의된 바와 같은 발명을 단지 예시하는 것임을 쉽게 인식할 것이다.

도 1. 수중의 수화 및 재수화 순환 후 반-합성 수화된 SAPs의 팽윤 거동.
도 2. 사질토 중의 수화 및 재수화 순환 후 수화된 SAPs의 팽윤 거동.
도 3. 사질토 풍적토 중의 수화 및 재수화 순환 후 수화된 SAPs의 팽윤 거동.
도 4. 산소 포화수 반대의 저수조 내 용존 산소 수준.
도 5. 폴리슈가 비드 상에서의 실리카 코팅 과정.
도 6. 벤토나이트 충전제에 의해 형성된 벌집 모양의 구조.
도 7. 하이브리드 캡슐화 방법의 도식적 설명.
도 8. 실리카 코팅 부재(좌측 막대) 및 존재(우측 막대) 시 내부 영역으로부터 질산염의 방출.
도 9. 벤토나이트 충전제가 도입된 내부 영역으로부터 시간의 경과에 따른 PO₄의 방출.
도 10A-G. (A) CMC - 실험실에서 성장된 완두 뿌리. (B) 알지네이트 - 실험실에서 성장된 옥수수 뿌리. (C) k-카라기난 - 실험실에서 성장된 완두 뿌리. (D) CMC - 실험실에서 성장된 완두 뿌리. (E) 완전 합성 - 실험실에서 성장된 옥수수 뿌리. (F) 완전 합성 - 실험실에서 성장된 옥수수 뿌리. (G) 알지네이트 - 실험실에서 성장된 옥수수 뿌리.
도 11. 단계 1: 외부 영역(하이드로겔) 및 내부 영역(코팅된 광물)으로부터 상부 토양 프로파일로 만들어진, 건조 "비드"의 밴딩 및 도입. 단계 2: 급수 이후, 비드는 팽윤하고(예컨대, 직경에 있어서 5 cm 까지) 농화학물질은 외부 영역 & 토양으로 확산한다. 단계 3: 뿌리는 성장하고 외부 영역 내에서/근처에서 유지되고, 흡수는 수 주간(6-8주) 지속된다.
도 12. 비드 함량 및 크기의 비-제한적 예시.
도 13. 용존 산소 시스템.
도 14. 실시예 3의 현지(현장 플롯) 실험 설정.
도 15. 실시예 3의 실험 부위에서의 토양 온도. 상부 라인은 최고 토양 온도를 나타내고 하부 라인은 최저 토양 온도를 나타낸다.
도 16. 실시예 3에서 시간의 경과에 따른 하이드로겔 및 수분 적용의 상대적 중량.
도 17. 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 최종 표면적.
도 18. 시간의 경과에 따른 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 표면적.
도 19. 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 최종 표면적 대 용적비.
도 20. 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 최종 최소 거리 값.
도 21. 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 최소 거리 대 시간.
도 22. 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 최종 강성 값.
도 23. 실시예 3의 하이드로겔 유닛의 강성 대 시간.
도 24A-I. 실험의 말기에서 플롯 A-C로부터 실시예 3의 하이드로겔의 사진. 도 24A: 완전 합성; 도 24B: 반-합성 CMC 6% AAm; 도 24C: 반-합성 CMC 6%AA; 도 24D: 반-합성 CMC 25%AA; 도 24E: 반-합성 CMC 50% AA; 도 24F: 폴리슈가 알지네이트; 도 24G: 반-합성 CMC 6% AAm-대형; 도 24H: 반-합성 CMC 50% AA-대형; 도 24I: 반-합성 CMC 6% AAm-소형.
도 25A-I. 실험의 말기에서 플롯 D로부터 실시예 3의 하이드로겔의 사진. 도 25A-G의 좌측 패널은 인 시츄 (in situ) 하이드로겔을 나타낸다. 도 25A-G의 우측 패널은 뿌리가 하이드로겔을 통해 침투한 시료를 나타낸다. 도 25A: 완전 합성; 도 25B: 반-합성 CMC 6% AAm; 도 25C: 반-합성 CMC 6%AA; 도 25D: 반-합성 CMC 25%AA; 도 25E: 반-합성 CMC 50% AA; 도 25F: 반-합성 CMC 6% AAm-대형; 도 25G: 반-합성 CMC 50% AAm-대형; 도 25H: 반-합성 CMC 25% AA; 도 25I: 반-합성 CMC 6% AAm-대형.
도 26. 실시예 4에 사용된 Twenty three 회전 무게측정(rotated weighing) 침루계(lysimeters).
도 27A-B. 적용 전의 실시예 4의 탈수된 원통 모양 비료 유닛 (도 27A) 및 적용 시 부분적으로 수화된 비료 유닛 (도 27B).
도 28. 실시예 4, 단계 1의 각 처리를 위한 식물당 N, P, 및 K의 적용 용량. 서방출: 좌측 막대; 비료 유닛(전체): 중앙 막대; 비료 유닛(절반): 우측 막대.
도 29A-C. 실시예 4, 단계 1의 식물의 식물 높이(도 29A), 잎의 개수(도 29B), 및 SPAD 값(도 29C).
도 30A-C. 실시예 4, 단계 1의 식물의 식물 건조물(도 30A), 절대 NPK 흡수량(도 30B), 및 NPK 흡수 효율(도 30C). 비료 유닛(전체): 좌측 막대; 비료 유닛(절반): 중앙 막대; 서방출: 우측 막대.
도 31. 실시예 4, 단계 1의 식물의 수확 후 비료 유닛 내 N, P, 및 K의 상대적 잔여물. 비료 유닛(전체): 좌측 막대; 비료 유닛(절반): 우측 막대.
도 32A-D. 사질토에서 성장된 실시예 4, 단계 2의 식물에 대한 식물 높이(도 32A), 잎의 개수(도 32B), SPAD 값(도 32C), 및 습윤 바이오매스(도 32D). 도 32D: 좌측 막대는 공 유닛(empty unit) 더하기 관비(fertigation)(전체)에 대한 데이터를 나타내고 우측 막대는 비료 유닛(전체)에 대한 데이터를 나타낸다.
도 33A-D. 성장 매질에서 성장된 실시예 4의 단계 3의 식물에 대한 식물 높이(도 33A), 잎의 개수(도 33B), SPAD 값(도 33C), 및 습윤 바이오매스(도 33D). 도 33D: 좌측 막대는 SR에 대한 데이터를 나타내고, 중앙 막대는 비료 유닛에 대한 데이터를 나타내고, 우측 막대는 관비에 대한 데이터를 나타낸다.
도 34A-D. 점토질 매질에서 성장된 실시예 4의 단계 3의 식물에 대한 식물 높이(도 34A), 잎의 개수(도 34B), SPAD 값(도 34C), 및 습윤 바이오매스(도 34D). 도 34D: 좌측 막대는 비료 유닛에 대한 데이터를 나타내고 우측 막대는 SR에 대한 데이터를 나타낸다.
도 35A-Q. 실시예 4의 말기에서 비료 유닛 및 식물의 사진. 도 35A: 수화된 비료 유닛; 도 35B: 수화된 비료 유닛 내로 뿌리 침투; 도 35C: 수화된 비료 유닛 내부의 뿌리 분포; 도 35D: 수화된 비료 유닛 내부의 뿌리 분포; 도 35E: 단계 1 비료 유닛(전체); 도 35F: 단계 1 비료 유닛(절반); 도 35G: 단계 1 SR(전체); 도 35H: 비료 유닛 전체(우측), 비료 유닛 절반(좌측) 및 SR(중앙); 도 35I: 단계 2 비료 유닛(전체); 도 35J: 단계 2 비료 유닛(전체); 도 35K: 단계 2 공 유닛 더하기 관비; 도 35L: 단계 2 공 유닛 더하기 관비; 도 35M: 단계 3 성장 매질 및 비료 유닛; 도 35N: 단계 3 성장 매질 및 SR; 도 35O: 단계 3 성장 매질 및 관비.; 도 35P: 단계 3 점토 및 비료 유닛; 도 35Q: 단계 3 점토 및 SR.
도 36. 실시예 5의 플롯 설계.
도 37A-E. 실시예 5의 식물에 대한 생장기 내내 측정된 매개변수. 도 37A: 해바라기 높이; 도 37B: 해바라기 잎의 개수; 도 37C: 해바라기 클로로필 함량 광학 센서-SPAD 값; 도 37D: 양배추 잎 직경; 도 37E: 양배추 잎의 개수.
도 38A-B. 실시예 5의 해바라기 및 양배추 잎 내 다량-영양소 (N, P, 및 K) 함량. 좌측 막대는 비료 유닛에 대한 데이터를 나타내고, 중앙 막대는 SR에 대한 데이터를 나타내고, 우측 막대는 관비에 대한 데이터를 나타낸다.
도 39A-B. 도 39A: 실시예 5의 양배추 식물에서 양배추 두부 직경과 양배추 중량 사이의 비율; 도 39B: 실시예 5의 생장기에 걸쳐 계산된 양배추 두부 중량.
도 40. 실시예 5의 양배추 식물에서 양배추 건조물 및 N-흡수. 도 40A: 3개의 서브플롯에서 식물당 최종 양배추 건조물; 도 40B: 3개의 서브플롯에서 식물당 양배추 질소 흡수. 좌측 막대는 비료 유닛에 대한 데이터를 나타내고, 중앙 막대는 SR에 대한 데이터를 나타내고, 우측 막대는 관비에 대한 데이터를 나타낸다.
도 41. 실시예 5의 3개 서브플롯에서 미터당 해바라기 곡물 수율 및 질소 흡수. 좌측 막대는 비료 유닛에 대한 데이터를 나타내고, 중앙 막대는 SR에 대한 데이터를 나타내고, 우측 막대는 관비에 대한 데이터를 나타낸다.
도 42. 실시예 5의 각 플롯 및 작물에 대한 비료 내 NPK 잔여물; 도 42A: 양배추; 도 42B: 해바라기. 좌측 막대는 플롯 1에 대한 데이터를 나타내고, 중앙 막대는 플롯 2에 대한 데이터를 나타내고, 우측 막대는 플롯 3에 대한 데이터를 나타낸다.
도 43. 실시예 5의 각 작물에 대한 뿌리 영역(>30 cm) 내 최종 N 토양 함량. 좌측 막대는 해바라기에 대한 데이터를 나타내고 우측 막대는 양배추에 대한 데이터를 나타낸다.
도 44A-H. 실시예 5의 양배추 및 해바라기 플롯의 뿌리 영역에서 계산된 N 질량 균형(mass balance). 도 44A: 양배추 플롯에 대한 비료 유닛, SR, 및 관비 초기 N 질량 균형; 도 44B: 양배추 플롯에 대한 비료 유닛 최종 N 균형; 도 44C: 양배추 플롯에 대한 SR 최종 N 균형; 도 44D: 양배추 플롯에 대한 관비 최종 N 균형; 도 44E: 해바라기 플롯에 대한 비료 유닛, SR, 및 관비 초기 N 질량 균형; 도 44F: 해바라기 플롯에 대한 비료 유닛 최종 N 균형; 도 44G: 해바라기 플롯에 대한 SR 최종 N 균형; 도 44H: 해바라기 플롯에 대한 관비 최종 N 균형.
도 45A-C. 실시예 5의 수화된 비료 유닛을 나타내는 사진. 도 45A: 수화된 비료 유닛; 도 45B: 수화된 비료 유닛 주변의 뿌리 분포; 도 45C: 수화된 비료 유닛 내부로의 뿌리 침투.
도 46. 실시예 6의 과정에 따라 제조된 비료 유닛.
도 47. 실시예 6의 과정에 따라 제조된 건조 비료 유닛 대비 실시예 6의 과정에 따라 제조된 완전히 팽윤된 비료 유닛.
도 48. 비료 유닛 또는 토양 비료로 처리된 실시예 8의 작물로부터의 상추 및 샐러리의 조합된 매매가능 수율.

실험 세부항목

본 발명의 더욱 완전한 이해를 돕기 위해 실시예가 하기에 제공된다. 하기 실시예는 발명을 구성하고 실시하는 예시적인 방식을 설명한다. 그러나, 본 발명의 범주는 이들 실시예에 기술된 특정 실시양태로 제한되지 않으며, 이는 단지 설명을 목적으로 하는 것이다.

실시예 1. 외부 영역

4가지 특이적 기준이 하기를 정의하였고, 이들 조건을 실험적으로 검사하였다:

* 기계적 저항 - 토양에서 모양 및 형상 유지

* 팽윤 순환 - 토양 수분 함량에 상응하는 수화 및 탈수화

* 산소 투과성 - 뿌리 활성에 충분한 산소 수준 유지

* 뿌리 침투 - 그 내부로 뿌리의 성장 허용

기계적 저항을 SAP 및 사질토로 채워진 용기를 관통하여 물로 씻어 내림으로써 검사하였다. 초기에, 최종 중량 및 크기를 기록하였다. 단일 요소를 유지하고 씻겨나가거나 여러 부분으로 쪼개지지 않는 SAP에 대해 합격점이 부여되었다. 3개 그룹의 SAP를 합성하고 검사하였다:

각 유형의 SAP를 폴리 슈가, 가교결합제, 충전제 및 첨가물의 다양한 혼합물로 제조하였다. 나아가, 시료를 오븐 건조시키고 하기 방정식에 따라 평형 팽윤(equilibrium swelling, ES)을 계산하기 위해 증류수에 담갔다:

ES = (팽윤 겔의 중량 - 건조 겔의 중량) / (건조 겔의 중량)

1) 폴리 슈가:

16 g의 소디움 알지네이트를 50℃에서 기계적 교반기(1000 RPM)를 이용하여 800 ml의 증류수에 용해시켰다. 이어서 알지네이트 용액으로부터의 20 g을 50 ml 비이커에 첨가한 후, 10 g의 0.1 M CaCl₂ 용액을 비이커에 첨가하였다(CaCl₂는 가교-결합제로 작용함). 비드를 12시간 동안 용액 중에 방치하였다.

2) CMC-g-폴리 (아크릴산)/셀라이트

다양한 양의 CMC(카르복시메틸 셀룰로스 소디움 염)(0.5-2 g)를 25 ml의 증류수에 용해시키고 자석 교반기를 이용해 100 ml 비이커에 첨가하였다. 비이커를 80℃로 미리 설정된 온도 제어 수조에 침지시켰다. CMC의 완전 용해 후, 다양한 양의 셀라이트 분말(5 ml 물 중의 0.3-0.6 g)을 (만약 있다면) 용액에 첨가하고 10분간 교반되게 하였다. 그 후에, 특정 양의 AA(아크릴산)(2-3 ml) 및 MBA(N-N 메틸렌 비스 아크릴아마이드)(5 ml 물 중의 0.025-0.1 g)를 반응 혼합물에 첨가하고 5분간 교반되게 하였다. 이어서 개시제(initiator) 용액(5 ml 물 중의 0.07 g APS (암모늄 퍼설페이트))을 이 혼합물에 첨가하고, 중합을 완료하기 위해 혼합물을 85℃로 미리 설정된 온도 제어 수조에서 40분간 침지된 상태로 놔두었다. (0-100%) 아크릴릭 그룹을 중화시키기 위해, 적당량의 NaOH(5 ml 물 중의 0-1 g)를 첨가하였다. 수득된 겔을 과량의 비용매 에탄올(80 ml)에 붓고 1시간 동안 유지하였다.

3) k-카라기난 (kC) 가교-결합된-폴리(아크릴산)

0.5-1 g의 kC(k-카라기난)를 25 mL의 증류수에 용해시키고, 이를 자석 교반기를 이용해 100 ml 비이커 중에서 격렬히 교반하였다. 비이커를 80℃의 온도 제어 수조에 침지시켰다. 균질한 용액을 형성하기 위해 kC의 완전한 용해 후, 특정 양의 AA(아크릴산), 및 MBA(N-N 메틸렌 비스 아크릴아마이드)를 동시에 반응 혼합물에 첨가하였다. 그 후에, 용액을 교반하고 2분간 질소로 퍼징하여(purged) 용존 산소를 제거하였다. 그 후에, 확정 양의 APS(암모늄 퍼설페이트) 용액을 연속 교반 하에서 반응 비이커에 점적하여 유리 라디칼을 생성시켰다. 반응을 이 온도에서 1시간 동안 유지하여 중합을 완료하였다.

4) 완전히 합성된 시스템(AAm에 대한 시료):

AAm(아크릴아마이드)(10 g)을 자석 교반기가 장착된 50 ml 비이커에서 실온에서 25 ml의 증류수와 혼합하였다. 그 후에 MBA(N-N 메틸렌 비스 아크릴아마이드)(0.008 g)를 혼합물에 첨가하고 10분간 교반되게 하였다. 이어서 개시제 용액을 첨가하였다 (0.07 g SPS(소디움 퍼설페이트)). 혼합물을 5 ml의 주형(4 g의 용액 각각) 내에 놓아두고 20분간 통상의 노(furnace)(85℃)에 놓아두었다. 산물을 밤새 에탄올(80 ml)로 세척하여 중합된 쉘을 수득하였다.

전분 시스템 - 비-성장 매질을 위한 시료

1) 개질된 개질된 전분 가교-결합된 폴리(아크릴산)

1-2.5 g의 옥수수 전분을 실온에서 100 ml 비이커에서 20 ml의 탈이온수에 용해시켰다. 조합물을 균일한 혼합물이 형성될 때까지 혼합하였다. 2-3 g의 AA(아크릴산)를 냉각된 혼합물에 첨가하고 그 결과 혼합물을 5분간 교반하였다. 다음에, 1-3 g의 AAm(아크릴아마이드)를 혼합물에 첨가하고, 그 결과 혼합물을 5분간 교반하였다. 그 후에 0.005-0.01 g의 MBA(N-N 메틸렌 비스 아크릴아마이드)를 5 ml의 탈이온수에 용해시키고 혼합물에 첨가하였으며, 그 결과 혼합물을 5분간 교반하였다. 마지막으로, 0.005 g의 APS(암모늄 퍼설페이트)를 0.5 ml의 탈이온수에 용해시키고; 혼합물에 첨가한 후 그 결과 혼합물을 80℃로 가열하면서 교반하였다. 혼합물을 그 온도에서 유지하고 대략 15분간 교반하였다. 그 결과 점성의 덩어리는 산성이었기 때문에, 혼합물을 실온에서 45% 수산화칼륨(KOH)을 이용한 적정에 의해 중화시켰다. pH가 7.0에 도달할 때까지 적정을 계속하였고, 이는 약 0.2-16 g 사이의 45% KOH의 첨가를 요구하였다.

2) CMC-AA 시스템에 대한 유사 공정

(CMC를 옥수수-전분으로 교환함):

1 g의 옥수수 전분을 25 ml의 증류수에 용해시키고 자석 교반기를 이용해 100 ml 비이커에 첨가하였다. 비이커를 80℃로 미리 설정된 온도 제어 수조에 침지시켰다. 그 후에 2 ml의 AA(아크릴산) 및 MBA(N-N 메틸렌 비스 아크릴아마이드)(5 ml 중의 0.015 g)를 반응 혼합물에 첨가하고 5분간 교반되게 하였다. 이어서 개시제 용액(5 ml 중의 0.07 g APS (암모늄 퍼설페이트))을 혼합물에 첨가하고, 그 혼합물을 85℃로 미리 설정된 온도 제어 수조에 40분간 침지되게 놓아두어 중합을 완료하였다. 아크릴릭 그룹을 중화시키기 위해 NaOH(5 ml 중의 0.5 g)를 첨가하였다. 수득된 겔을 과량의 비용매 에탄올(80 ml)에 붓고 1시간 동안 유지하였다.

물 및 2가지 유형의 토양 중의 선택된 제조물의 팽윤 주기를 검사하였다. 상대적으로 단기간에 수분을 흡수하는 SAPs의 능력은 그의 수명 내내 토양 중에서 그의 기능 유지를 허용하는 중요한 물리적 특성이다. 하기 그래프는 물 중에서 수화-탈수화 주기 시 상이한 SAPs의 팽윤 거동을 나타낸다. 조사된 SAPs의 ES는 3회 주기 동안에 일정하게 유지되고, 이는 우수한 기계적 특성을 의미한다.

사질 실리카 토양 중의 여러 SAPs의 수분 함량을 농작물 및 식물의 전형적인 급수 주기 기간에 걸쳐서 급수를 한 후 측정하였다. 다양한 SAPs는 초기 24시간에 토양으로부터 수분을 획득하고 이어서 다음 125시간에 걸쳐서 완만한 감소/증가가 수반된다. SAPs가 공기 건조 황토 토양에 도입되었을 때, 처음에는 신속한 탈수화를 거쳤으나, 그러나 급수 토양은 이 과정을 반대로 하였으며 토양으로부터 수분을 흡수하였다. 토양 회복 비율은 99 및 50이었다. 결과는 모든 그룹의 SAPs가 급수 주기에 걸쳐서 사질토 내에서 이들의 수분을 유지할 수 있고 CMC계 SAPs가 토양 중에서 극히 건조한 상태로부터 완전히 회복할 수 있음을 나타낸다.

SAP에 걸쳐서 산소 포화된 물에 노출되었던 물 중의 용존 산소를 측정함으로써 SAPs의 산소 투과성을 연구하였다. 질소 또는 산소 가스를 센서 맞은 편에 위치한 수분 저장소 내로 버블링함으로써 용존 산소 수준의 변경을 수행하였다. 알지네이트 및 CMC로 만들어진 SAPs는 k-카라기난의 SAP보다 10배 더 높은 산소 투과성을 나타내었다(도 4).

용존 산소 검사:

산소 전극을 100 ml 비이커 내 미리-팽윤된 하이드로겔 내로 놓아둔다. 하이드로겔 내부의 용존 산소를 N₂ 버블링 또는 O₂ 버블링(분당 ~0.5 리터) 동안에 시간의 함수로서 측정하였다.

O₂를 용존 산소 탐침 0-20 mg/L, 0-50℃를 이용해 루트론(Lutron) WA2017SD 분석기로 측정하였다. 용존 산소 시스템은 도 13에 나타나 있다.

다양한 작물이 인공 환경으로 둘러싸인 유기 토양으로 채워진 화분에서 재배된, 일련의 실험으로부터 뿌리 침투를 시각적으로 평가하였다. 표 2는 도 10에 나타난 관찰을 요약한다:

실시예 2. 내부 영역

i) 생장기에 걸쳐서 내부 영역으로부터 농화학물질의 방출 속도, 및 ii) 미지 지정된 작용 기간의 말기에 어떠한 투입 잔여물도 남지 않음의 기준을 다루기 위해 3가지 기전을 개발하고 평가하였다. 3개 모두 부가적으로 확산 속도를 감소시킬 두 번째 기전과 함께, 확산을 지연시키기 위한 기본 기전으로서 매우 조밀한 중합체 내로 투입물을 통합하는 것을 기반으로 한다:

1) 실리콘 코팅을 갖는 고도로 가교 결합된 중합체 (xLP-Si);

2) 충전제를 갖는 고도로 가교결합된 폴리 아크릴릭/폴리 슈가 (xLP-F); 및

3) 하이브리드 시스템 (SiCLP -).

첫 번째 기전은 중합체의 표면 위에서, 실리카 물(silica water)로부터 유래된, 실리카의 침전을 근거로 한다(도 4).

두 번째 기전은 중합체 내로 통합된, 벤토나이트로부터 만들어진 충전제를 기반으로 하고 이의 확산 특성을 급격히 감소시킨다(도 6).

세 번째 기전은 이의 확산 계수를 변경시키기 위해 중합체를 합성하면서 실리카와 아크릴릭을 혼합하는 것이다(도 7).

각 기전에 의한 확산 특성의 감소를 실험적으로 검사하였다. 특정 투입물(질소 또는 인)의 농도가 시간의 경과에 따라 측정되는 유리 수분 저장소에 내부 영역을 위치시켰다.

실리카 코팅 존재(청색) 및 부재(적색)의 옥수수전분 내부 영역으로부터 질산염의 방출을 도 7에 나타내었다. 확산된 질산염의 감소가 처음 24시간에 측정되었다.

대안적으로, 혼합된 실리카 기전은 마찬가지로 수주의 규모로 질산염 및 인의 방출을 양산하였다.

실시예 3. 현장 플롯에 적용된 하이드로겔의 안정성, 크기, 및 기계적 저항

목적

이 실시예의 목적은 현장 플롯 내에서 다양한 유형 및 크기의 하이드로겔의 토양 중의 지속 가능성, 수화된 크기 및 기계적 저항을 연구하기 위한 것이었다. 나아가, 이들 유형의 하이드로겔 내로의 뿌리 침투를 연구하였다.

하이드로겔

하이드로겔의 유형 및 크기를 하기 표 3에 기술하였다:

완전히 합성된 하이드로겔은 실시예 1에 기술된 완전 합성 하이드로겔의 조성물을 포함하였다.

반-합성 CMC 6% AAm 하이드로겔은 아크릴산 단량체(아크릴아마이드-아크릴릭) 대비 6% CMC를 포함하고 하기 과정에 의해 제조되었다. 0.25 g AA를 자석 교반기를 이용해 50 ml 비이커의 실온에서 4.5 ml의 증류수와 혼합하였다. 그 후에 0.1 g NaOH, 0.01 g MBA, 0.75 g AAm 및 1.5 g CMC 용액(3.8% w/w)을 혼합물 내로 첨가하고 10분간 교반되게 하였다. 0.1 g SPS를 포함하는 개시제 용액을 이어서 첨가하였다. 그 혼합물을 5 ml 주형(각 쉘에 대해 4 g 용액) 내로 놓아두고 20분간 85℃의 통상의 노에 놓아두었다. 산물을 80 ml 에탄올로 밤새 세척하여 중합된 쉘을 수득하였다.

반-합성 CMC 6% AA 하이드로겔은 아크릴산 대비 6% CMC를 포함하고 하기 과정에 의해 제조되었다. 1 g AA를 자석 교반기를 이용해 50 ml 비이커의 실온에서 4.5 ml의 증류수와 혼합하였다. 그 후에 0.4 g NaOH, 0.01 g MBA 및 1.5 g CMC 용액(3.8% w/w)을 반응 혼합물에 첨가하고 10분간 교반되게 하였다. 0.1 g의 SPS를 이어서 첨가하였다. 그 혼합물을 5 ml 주형(각 쉘에 대해 4 g 용액) 내로 놓아두고 20분간 85℃의 통상의 노에 놓아두었다. 산물을 80 ml 에탄올로 밤새 세척하여 중합된 쉘을 수득하였다.

반-합성 CMC 25% AA 하이드로겔은 아크릴산 대비 25% CMC를 포함하고 하기 과정에 의해 제조되었다. 2 g AA를 자석 교반기를 이용해 50 ml 비이커의 실온에서 12.5 g CMC 용액(3.8% w/w)과 혼합하였다. 그 후에 0.01 g MBA를 혼합물에 첨가하고 10분간 교반되게 하였다. 0.1 g SPS를 포함하는 개시제 용액을 이어서 첨가하였다. 그 혼합물을 5 ml 주형(각 쉘에 대해 4 g 용액) 내로 놓아두고 20분간 85℃의 통상의 노에 놓아두었다. 그 후에 NaOH(0.728 몰비 또는 50 ml 물 중의 0.8 g)를 중합 산물에 첨가하였다. 이어서 그 산물을 밤새 80 ml 에탄올로 세척하여 중합된 쉘을 수득하였다.

반-합성 CMC 50% AA 하이드로겔은 아크릴산 대비 50% CMC를 포함하고 하기 과정에 의해 제조되었다. 1.5 g CMC를 35 ml 증류수에 용해시키고 자석 교반기를 이용해 100 ml 비이커에 첨가하였다. 비이커를 85℃로 미리 설정된 온도 제어 수조 내에 침지시켰다. CMC의 완전 용해 후, 비이커를 ~0.5 LPM의 유속으로 N₂ 버블링을 하면서 실온에서 자석 교반기 위에 놓아두었다. 그 후에 3 g AA 및 0.03 g MBA를 반응 혼합물에 첨가하고 20분간 교반되게 한 후 온도가 35℃로 감소되게 하였다. 이어서 1 ml 물 중의 0.03 g의 개시제 SPS를 첨가하였다. 그 혼합물을 5 ml 주형(각 쉘에 대해 4 g 용액) 내로 놓아두고 20분간 85℃의 통상의 노에 놓아두었다. 그 후에 NaOH(0.728 몰비 또는 50 ml 물 중의 0.8 g)를 중합 산물에 첨가하였다. 이어서 그 산물을 밤새 80 ml 에탄올로 세척하여 중합된 쉘을 수득하였다.

폴리슈가 알지네이트 하이드로겔은 실시예 1에 기술된 폴리슈가 하이드로겔의 조성물을 포함하였다.

실험 설정

실험은 서던 아라바 R&D 스테이션(Southern Arava R&D station)에서 실시하였다. 4 베드(beds)×15 m 길이로 구분된, 125 제곱 미터의 현장 플롯이 3가지 적용 방법, 6가지 유형 및 3가지 크기의 하이드로겔을 검사하는데 제공되었다. 뿌리 침투는 플롯 D에서 조사되었다.

실험 설정을 도 14에 나타내었다.

플롯 A-C에 대한 3가지 적용 조건은 다음과 같다:

i) 느슨한 토양에 균일한 적용 - 야채 작물에 대한 통상적인 베드를 모방하기 위함;

ii) 압축된 토양에 균일한 적용 - 압축 상태로, 야채 작물에 대한 통상적인 베드를 모방하기 위함; 및

iii) 도랑에 적용 - 현장에서 줄을 맞추어 심는 작물(row crops)의 도랑을 모방함.

1 제곱 미터 또는 1 리니어 미터(linear meter) 서브 플롯(50 cm 간격)을 각 하이드로겔(플롯 A-C)의 27개 유닛을 적용하는데 사용하였다. 유닛을 토양 표면 위에 균일하게 살포하고 토양 단면의 상부 15 cm 내로 혼합하였다. 유사하게, 20 cm 깊이 도랑을 파고 27개 유닛을 1미터를 따라서 살포하였다. 물을 비료 없이 입방체(solid) 스프링클러 세트를 통해 적용하였다(1 m³= 8 mm).

뿌리 침투 플롯(플롯 D)은 15 m 길이 베드로 구성되었는데, 각 유형으로부터의 25개 하이드로겔이 20 cm 깊이의 1 m 도랑을 따라서 적용되었다. 옥수수를 같은 날에 하이드로겔 위에 심고 비료 없이 스프링클러의 입방체 세트를 이용해 관개하였고, 이는 발아 후 Idit 액체 비료(100 mg/l N)를 함유하는 드립 라인(25 cm 간격, 2 l/h)으로 스위치되었다. 31일째에 관개를 중단하고 토양 굴착 전에 다시 한번 개방하였다. 뿌리 침투에 대한 시각적 크기 측정 및 정량적 정보를 50일째에 수집하였다.

측정에는 3개 유닛의 개별적 중량, 크기 및 장력(tension)이 포함되었다. 플롯 A-C에 물을 적용하는 시점 및 측정은 하기 표 4에 나타나 있다:

실험 동안의 기후는 비가 오지 않는 맑은 하늘이었다. 실험 기간에 5 cm 깊이에서의 최대 및 최소 토양 온도가 도 15에 나타나 있다. 하이드로겔은 밤에 10℃와 정오 경에 40℃ 사이의 범위였던 온도에 노출되었다.

플롯 A-C의 결과

시간 대비 각각의 하이드로겔 유형 및 크기에 대한 중량의 변화가 도 16에 나타나 있다. 다양한 토양 습기가 관개 사건에 기인하였다(세로 막대). 4회의 연속 관개(12일째)를 포함하는 습윤 단계 동안에, 대부분의 하이드로겔은 토양 수분을 흡수하여 중량을 늘렸다. 폴리 슈가 알지네이트는, 토양 습기가 매우 습한 상태에서 적당히 건조한 토양 사이로 변동하였음에도 불구하고, 실험 내내 중량이 감소한 유일한 유형이었다. 중형 및 대형 하이드로겔은 이들 자신의 중량이 5-11배 증가한 반면(흡수된 토양 수분의 양과 동일), 소형 하이드로겔은 18배 성장하였다. 16일의 건조 단계 동안, 하이드로겔은 건조 토양에 대해(최초 중량의) 2-4배 중량이 감소하였다. CMC 비율과 수분 흡수 사이에는 아무런 상관관계도 발견되지 않았다. 이는 지역적 조건이 화학적 조성보다 더 우세함을 암시할 수 있다.

하이드로겔의 부피 및 형상으로부터 기인한 최종 표면적이 도 17에 나타나 있다. 초기 면적은 중형 크기의 경우 25-30 cm²사이 범위였고, 대형 크기의 경우 35 cm²였고 소형 크기의 경우 10 cm²였다. 대부분의 중형 하이드로겔은 35 cm²까지의 미미한 증가를 경험한 반면, 알지네이트는 급격히 감소하였고 반-합성 CMC 50% AA(5번)는 60 cm²로 극적으로 증가하였다. 2개의 대형 크기는 50 cm²를 초과하여 증가하였다. 시간에 대한 하이드로겔 유닛의 표면적이 도 18에 나타나 있다.

표면적 대 부피 사이의 비율은 2.5-3의 값으로 대부분의 하이드로겔에서 일정하였다. 폴리 슈가 알지네이트 및 두 소형 크기 하이드로겔은 이들의 상대적으로 작은 크기로 인해 높은 비율을 갖고 있다. 하이드로겔에 대한 면적 대 부피 비율이 도 19에 나타나 있다.

화학물질(하이드로겔 내부에 위치됨)과 인접한 토양 사이의 거리가 토양 쪽으로의 확산 속도를 결정한다. 최소 거리는 하이드로겔 형상의 가장 작은 모서리를 나타낸다. 또한, 동일한 값은 뿌리 성장을 위한 잠재적 영역을 기술한다. 초기 최소 거리는 1-2 cm의 범위였고 최종 값은 1.5-2.5 cm으로 증가하였다. 이는 화학물질이 토양에 도달하기 전에 1-2 cm 확산되는 것이 요구될 것임을 필요로 한다. 폴리 슈가 알지네이트는 시간의 경과에 따라 축소되고, 0.5 cm 너비가 된다. 소형 크기 하이드로겔은 추적하기 힘들었지만, 이는 0.75 cm로 늘어났다. 하이드로겔의 최종 최소 거리가 도 20에 나타나 있다. 도 21은 시간에 대한 하이드로겔 유닛의 최소 거리를 나타낸다.

강성(Stiffness)은 뿌리가 매질을 침투하는 가능성 및 수분이 흡수될 가능성과 관련된 매우 중요한 매개변수이다. 강성의 측정은 페니트로미터 게이지(penetrometer gauge) 및 금속 디스크를 사용하여 달성되었다. 도 22 및 23에 나타난 값은 상대 평가로, 하이드로겔의 표면 위에서 디스크를 밀어내는데 요구되는 힘을 나타낸다. 중형 및 대형 크기 사이에서 아무런 차이도 발견되지 않았다. 폴리 슈가 알지네이트는 실험 내내 시종일관 매우 딱딱하였고, 이는 상대적으로 유연한 완전 합성과는 상반되었다. CMC 함량과 강성 수준 사이의 부정적 경향이 관찰되었다.

실험의 말기에서 각 하이드로겔의 사진이 도 24에 나타나 있다. 완전 합성, 반-합성 CMC 6% AAm, 반-합성 CMC 25% AA는 원래의 박스 모양을 유지하였다. 유사하게, 반-합성 CMC 6% AAm-대형, 반-합성 CMC 50% AA-대형 및 반-합성 CMC 6% AAm-소형은 원통 형상을 유지하였다. 반-합성 CMC 6% AA로 만들어진, 몇몇 하이드로겔은 작은 입자로 붕괴되었다. 반-합성 CMC 50% AA는 그의 원래 박스 형상을 상실하였고 명확하지 않은 형상으로 바뀌었다. 폴리 슈가 알지네이트는 평면 디스크로 바뀌었다.

플롯 D의 결과

하이드로겔 6, 9 및 10번은 실험의 말기에 뿌리 영역에서 발견되지 않았다. 실험의 말기에서 각 하이드로겔 유형의 사진이 도 25에 나타나 있다. 좌측 사진은 인-시츄(in-situ) 하이드로겔을 나타내고 우측 사진은 뿌리가 그를 통해 침투한 소수의 시료를 나타낸다. 완전 합성, 반-합성 CMC 6% AAm, 및 반-합성 CMC 25% AA는 본래의 박스 모양을 유지하였다. 유사하게, 반-합성 CMC 6% AAm-대형 및 반-합성 CMC 50% AA-대형은 이들의 원통 형상을 유지하였다. 반-합성 CMC 6% AA로 만들어진, 몇몇 하이드로겔은 작은 입자로 붕괴되었다. 반-합성 CMC 50% AA는 그의 본래의 박스 형상을 상실하고 명확하지 않은 형상으로 바뀌었다. 모든 유형의 하이드로겔은 맨(bare) 토양 플롯에서 측정된 그의 최대 부피에 비해 수축을 경험하였다. 뿌리는 모든 유형의 하이드로겔 내로 침투하였다. 뿌리가 완전 합성, 반-합성 CMC 25% AA 및 반-합성 CMC 50% AA 하이드로겔 내로 침투하는 동안, 단지 미세한 뿌리가 반-합성 CMC 6% AAm, 반-합성 CMC 6% AA 및 반-합성 CMC 6% AAm-대형에서 발견되었다.

요약

6가지 유형 및 3가지 크기의 하이드로겔이 습윤 및 건조 기간에 현장 플롯에서 검사되었다. 이들 대부분은 토양 습기, 첫 번째 기간에서의 수분 흡수(이들 초기 중량의 10배까지) 및 두 번째 기간에서의 수분 방출이 일치하였다. 최종 표면적은 30-50 cm²였다. 매질 및 대형 하이드로겔의 최소 크기는 1.5-2.5 cm였고, 이는 뿌리 침투를 위한 충분한 부피를 허용한다. 소형 하이드로겔은 1 cm 미만으로 팽창하는데, 이는 하이드로겔 내부에 캡슐화될 수 있는 화학물질의 양을 제한할 수 있다. 강성을 평가하였고 주된 차이가 하이드로겔 유형 사이에서 확인되었다. 대부분의 유형이 이들의 본래의 3D 형상을 유지한 반면, 소수는 붕괴되거나 변형되었다.

6가지 유형 및 3가지 크기의 하이드로겔을 뿌리 침투를 위한 현장 플롯에서 평가하였다. 대부분의 유형은 이들 본래의 3D 형상을 유지하였지만, 소수는 붕괴되고, 변형되거나 씻겨 내려갔다. 뿌리는 모든 하이드로겔 내로 침투하였지만, 소수 유형은 단지 미세한 뿌리를 갖는 반면, 나머지는 미세하고 거친 뿌리를 갖고 있다. 상이한 크기의 하이드로겔에서 관찰된 뿌리 침투 및 발달의 양은 최소 부피의 하이드로겔이 뿌리 침투 및 발달에 요구됨을 제안한다.

실시예 4. 다양한 토양 유형에서 비료로 충진된 하이드로겔의 성능

실시예 3은 습윤 및 건조 주기하에 현장 토양 중에서 지속되는 하이드로겔의 능력을 입증하였다. 나아가, 하이드로겔 내로 침투한 뿌리는 화학물질을 직접적으로 뿌리에 전달하기 위한 잠재적 용도를 제안한다. 비료를 식물 뿌리에 전달하기 위한 현재 실행은 대부분 토양, (물리적, 화학적 및 생물학적으로) 고도로 다양한 매질에의 비료의 적용을 포함한다. 이러한 실행은 비료 흡수의 낮은 효율을 나타낸다.

목적

일차 목적은 생장기 내내 식물 흡수 요건을 충족하기 위해 비료로 충진된 하이드로겔(비료 유닛)의 유효성을 연구하는 것이었다. 이차 목적은 하이드로겔 내부에서, 광물 흡수에 우세한, 미세 뿌리의 발달을 검사하는 것이었다.

비료 유닛

실시예 4의 비료 유닛의 조성이 표 5에 나타나 있다:

실험 설정

실험은 서던 아라바 R&D 스테이션에서 실시하였다. Twenty three 회전 무게측정(rotated weighing) 침루계(lysimeters)(도 26)가 비료 유닛 대비 Fert. 및 서방출 비료(SR, Osmocote® Start 6 Weeks, Everris)를 검사하기 위해 제공되었다. 시스템은 관개수 및 배출수와 식물 수분 흡수의 정성 및 정량을 정확히 모니터링하는 것을 가능하게 하였다. 0.625 g의 서방출 비료(중량 기준으로 N:P:K 비는 12:4.8:14.1 + 미량영양소임)를 함유하는 비료 유닛을 3가지 깊이, 30, 20 및 10 cm로 균일하게 살포하였다(도 27). 적용 동안 각 유닛의 총 중량은 6-7 g이었다.

해바라기를 모델 식물로 사용하였다. 2종의 해바라기를 각 침루계에서 성장시켰다. 침루계를 측정된 실제 증발증산(Evapotranspiration, ET)의 200%의 평균 속도로 매일(사질토-주 2회) 관개하였다. 높은 침출 요인이 가뭄 및 염분 효과를 최소화하도록 설계되었다.

실험은 3 단계로 구분되었다:

단계 1: 서방출 비료 대 비료 유닛 적용의 비교.

단계 2: 식물 발달에 대한 수분 및 비료 효과 사이의 분리.

단계 3: 상이한 토양 유형에서 비료 유닛 성능의 평가.

실험 설정이 표 6에 나타나 있다.

단계 1

해바라기를 0일째 심고 33일째 수확하였다. 그의 일정한(inerratic) 특성으로 인해 사구가 선택되었는데, 이는 낮은 중탄산염 함량으로 인해 점토 광물에의 흡수 및 침전을 최소화한다. 각 처리에서 식물당 N, P 및 K의 적용 용량이 도 28에 나타나 있다. 식물 높이, 잎의 개수, 토양 식물 분석 발달(SPAD) 값 및 배출수 내 NPK가 생장기 동안에 시점에서 기록되었다. 최종 수율 정량화는 전체 식물의 건조 바이오매스 및 NPK 함량을 포함하였다. 수확 후, 비료 유닛을 파내고 NPK 함량을 정량하였다.

단계 2

해바라기를 0일째에 심고 36일째에 수확하였다. 각 처리에서 식물당 N, P 및 K의 적용 용량이 도 28에 나타나 있다. 식물 높이, 잎의 개수, 토양 식물 분석 발달(SPAD) 값 및 배출수 내 NPK가 생장기 동안에 시점에서 기록되었다. 최종 수율을 습윤 바이오매스로 평가하였다.

결과

단계 1

생장기 내내, SPAD 값으로 표시된, 식물 높이, 잎의 개수 및 그의 N 함량이 도 29에 나타나 있다.

비료 유닛과 SR 사이의 높이 및 잎의 차이는 생장기의 초기부터 시작하여 끝날 때까지 계속되었다(도 35 참조). SPAD 값은 주요 영양분 적용 시기(DAP 20-45) 동안에 더 높았다. 비료 유닛 처리에 대한 생장기 말기에 측정된 더 낮은 SPAD 값은 조기 성숙에 기여하였고, 영양분이 잎으로부터 종자로 이동되었다.

식물 건조물, 절대 NPK 흡수량 및 이의 효율이 도 30에 나타나 있다. 비료 유닛은 서방출 비료에 비해 더 많은 식물 및 NPK 흡수를 양산하였다. 비료 유닛 처리군 내에서, 완전한 비옥화(fertilization)는 더 많은 식물 및 흡수를 달성하였지만, 효율은 동일하였다. 비료 유닛의 가장 큰 비료 사용 효율은 현재 최선의 실행보다 새로운 기술의 이점을 입증한다.

비료 유닛 내 NPK의 상대적 잔여량이 도 31에 나타나 있다. 6% 미만의, 더 낮은 값은 대부분의 비료가 식물에 의해 흡수되었거나 토양으로 확산되었음을 나타낸다.

단계 2

단계 1에서 사용된 사구는 낮은 수분 보유능 및 높은 수리 전도율을 가지는데, 이는 매일 관개가 주간 식물 수분 이용가능성을 최적화하지 못할 수 있음을 의미한다. 하이드로겔의 셀은 관개 동안에는 수분을 흡수함으로써 수분 이용가능성을 향상시키고 나중에 건조 시기에는 이를 방출하는 잠재력을 갖고 있다. 따라서, 단계 1에서 확인된 유의미한 차이가 2가지 요인, 즉 비료 및 수분 이용가능성과 관련이 있을 수 있음이 짐작되었다. 그러므로, 비료 유닛과 뿌리 영역에 설치된 공 비료 유닛 & 관비(공 유닛 + Fert.) 사이의 비교가 단계 2에서 수행되었다.

생장기에 따른 식물 높이, 잎의 개수, SPAD 값과 각 처리군으로부터의 습윤 바이오매스가 도 32에 나타나 있다. 비료 유닛에 노출된 식물은 공 유닛 + Fert.에 비해 모든 매개변수에서 유리하였는데(도 35 참조), 이는 수분 이용가능성이 실험 조건하에서 비료 공급에 비해 덜 중요한 역할을 담당하는 것임을 제안한다. 비료 유닛에 의해 비옥화된 식물은 더 빠른 성장과 증대된 바이오매스 생산을 나타내었다.

단계 3

본 발명이 극복한 토양 중에서의 주된 단점은 하기이다:

* 이온의 침출, 흡수 및 침전의 최소화.

* 다양한 습기 조건에서 높은 확산 속도 유지.

* 뿌리 성장 저항의 최소화.

* 연속적인 생물학적 활성의 허용.

* 수분 보유능의 개선.

이들 단점은 토양을 성장 매질로 교체함으로써 극복될 수 있는데, 이는 식물 성장을 위한 최선의 조건을 제공하는 것으로 고려된다. 이 가설을 비료 유닛, SR 및 관비 비옥화 방법을 비교함으로써 검사하였다. 심한 점토질 토양에서 비료 유닛의 성능을 세 번째 단계에서 검사하였다.

생장기에 따른 식물 높이, 잎의 개수, SPAD 값과 각 처리군으로부터의 습윤 바이오매스가 도 33에 나타나 있다. 처리군 사이에 어떠한 유의미한 차이도 측정되지 않았는데(도 35 참조), 이는 성장 매질이 비료 유닛과 유사한 특성을 창출함을 제안하는 것이다.

생장기에 따른 식물 높이, 잎의 개수, SPAD 값과 각 처리군으로부터의 습윤 바이오매스가 도 34에 나타나 있다. 실시예 4의 시각적 결과는 도 35에 나타나 있다. 비료 유닛은 식물 성장 SR에 비해 식물 성장을 향상시켰는데(도 35 참조), 이는 비료 유닛이 다양한 토양 유형에서 유리함을 입증하는 것이다.

요약

본 연구는 다양한 토양에서 생장기 내내 식물에 영양분을 전달하는 비료 유닛의 능력을 입증하였다. 나아가, 비료 유닛은 식물 성장 및 최종 수율을 증대시켰다. 현행 실행보다 더 높은 비료 사용 효율은 다양한 이유에 기인하였다:

* 비료 공급원에 인접한 활성 뿌리의 광범위한 성장(도 35 참조).

* 이를 가로지르는 다량의 유동의 결여로 인한 비료 유닛으로부터의 제한된 침출.

* (토양과는 달리) 안정된 높은 습기 수준으로 인해 건조 토양에서 비료 유닛 내부의 높은 확산 속도 유지.

이 실험에서 비료의 방출 속도가 온도 의존적이었기 때문에, 토양에 존재하는 극단적인 고온(45.3℃의 평균 최대 토양 온도)은 확산 속도를 증강시켰고, 따라서 절대 효율 값은 상대적으로 낮았다(도 30).

뿌리는 아마도 하이드로겔 내부의 비료 및 식물 흡수를 위한 충분한 습기의 결여로 인해, 공 유닛을 침투하지 못하였다.

도 30에 나타난 흡수 효율은 적용된 비료의 양 대비 식물에 의해 흡수된 양 사이의 비율을 나타낸다. 더 높은 흡수 효율 값이 전통적인 SR 비료에 비해 비료 유닛에서 관찰되었는데(도 30), 이는 비료가 비료 유닛을 이용하여 적용될 때 지하수로의 비료의 더 적은 침출이 일어남을 제시하는 것이다.

실시예 5. 해바라기 및 양배추에서 비료 유닛 대비 서방출된 비료와 관비의 비교

목적

본 목적은 현장 조건하에서 생장기 내내 식물 영양분 요구량을 공급하는 방법으로서 SR 비료(비료 유닛)와 함께 공급된 하이드로겔의 유효성을 연구하는 것이다.

실험 설정

이스라엘의 웨스턴 갈릴리(Western Galilee)(N33, E55)에 위치한 현장 플롯에서 실험을 실시하였다. 이 지역은 점토 광물이 풍부한 충적층(alluvial) 점토질 토양을 특징으로 하는데, 이는 높은 양이온 교환능(

50 meq/100 g), 높은 pH(

8) 및 중간의 염도(포화된 페이스트의 EC-0.5dS/m)를 유도한다. 대부분 맑은 하늘의 건조한 기후 조건(평균 직달 복사 (direct radiation)-670 W/m²)은 실험 내내 만연하였다. 최대 및 최소 공기 및 토양 온도, 정오 상대 습도 및 시험 동안의 주간이 표 7에 나타나 있다:

150 제곱 미터 플롯을 무작위화 블록 설계를 근거로 서브플롯으로 구분하였다(도 36). 토양 질소(N)의 초기 낮은 수준을 보장하기 위하여, 기장을 시험 개시 전에 30일간 보충의 비옥화 없이 현장 플롯에서 성장시켰다. 비료 유닛을 관비(Fert.- 유레아 기반) 및 서방출된 비료 적용(SR, Osmocote® Start 6 Weeks, Everris)과 비교하였다. 동일한 관개 및 N 정량을 모든 처리군에 적용하였다. 질소 적용 속도는 문헌 값을 기준으로 하였는데, 양배추는 식물당 3.6 g의 N을 이용하는 것으로 보고되었고 해바라기는 식물당 3 g의 N을 이용하는 것으로 보고되었다. 식물은 ET 측정 및 식물 피복 계수에 대한 문헌 값을 기준으로 주당 2회 관개되었다. 해바라기의 관개는 수확 2주일 전에 중단되었다. 0일째 1헥타르당 40,000개 식물의 식재 밀도로 작물을 심었다. 양배추는 70일째에 수확하였고 해바라기는 89일째에 수확하였다.

모니터링 계획(표 8)은 생장기 내내 식물 발달 매개변수 및 최종 수율 분석을 포함하였다. 데이터를 미리-표시된 식물, 중간 줄에 있는 6개 식물(양배추) 및 2주 후 유사한 발달 단계를 나타내는 6-10개 식물(해바라기)로부터 수집하였다.

비료 적용

중량이 6-7 g이고 1 g의 SR(중량 기준으로 N:P:K 비율은 12:4.8:14.1 + 미량영양소임)을 함유하는 비료 유닛을 2개의 깊이, 25 및 15 cm에서 고르게 살포하였다. 총 비료 유닛 적용은 미터 길이당 양배추의 경우는 80개 유닛(80 g)이고 해바라기 경우는 100개 유닛이었다. SR을 유사한 속도 및 깊이로 고르게 살포하였다. 양배추 관비 처리는 식물 N 요구량의 문헌 값을 기준으로 예정된 계획에 따라 관개수와 함께 우레아-N의 매주 적용으로 설정되었다. 해바라기 관비 처리는 처음 2주 동안에 적용된 총 식물 N 요구량으로, 유사하게 실행되었다.

결과

성장기를 통한 해바라기 높이, 양배추 잎 직경, 잎의 개수 및 SPAD 값(해바라기 단독)의 평균 및 표준 편차(비료 유닛 단독)가 도 37에 나타나 있다. 다양한 단계에서 높이, 직경, 잎의 개수 및 SPAD에서의 차이를 비료 유닛, SR 및 관비 처리군 사이에서 측정하였고(표 9 참조) 말기까지 유지되었다. 개선된 매개변수는 두 작물 모두에 대해 비료 유닛 적용 하에서 증강된 성장 조건을 제시하였다.

잎 영양분 함량을 식재 후 55일째에 측정하였는데, 두 작물 모두 이들의 식물 생장(vegetative growth)을 완료하였다. 처리군 사이에 유의미한 차이가 확인되지는 않았다. 비료 유닛 적용 하의 식물은 이 성장 단계에서 전통적인 비료 적용에 비해 영양 결핍을 나타내지 않았다(도 38).

양배추 수율의 발전(도 39B)이 두부 직경과 그의 중량 사이의 선형 비율로부터 평가되었다(도 39A). 비료 유닛 적용의 이점은 식재 후 60-70일째에 가장 주목할만 하였다.

비료 유닛 대 전통적인 비료 적용 방법에 대한 양배추 바이오매스 및 N 흡수의 최종 수율 분석이 도 40에 나타나 있다. 비료 유닛과 관비 처리군 사이에서 유의미한 차이가 측정되었는데, 이는 영양분이 통상적인 비옥화 방법을 이용하는 식물 흡수에 덜 이용가능함을 암시하는 것이다.

해바라기의 최종 수율 분석은 통상적인 비료 적용 방법에 비해 비료 유닛 적용 방법에 의해 비옥화된 식물에 의해 유사한 곡물 수율 및 N 흡수를 나타내었다(도 41). 유의미한 차이가 측정되지 않았다고 하더라도, 비료 유닛에 노출된 식물은 통상적인 비옥화 방법에 노출된 식물보다 더 많은 N을 흡수한다.

각각의 플롯으로부터 10개 비료 유닛 내 NPK의 잔여량이 도 42에 나타나 있다. 질소 잔여량은 2% 미만이었고, P는 8% 미만, K는 2.5% 미만이었다. 이들 값은 대부분의 비료가 식물에 의해 흡수되었거나 토양 내로 확산되었음을 나타낸다.

각 작물의 뿌리 영역(토양 프로파일의 상부 30 cm) 내 N의 잔여량이 도 43에 나타나 있다. 뿌리 영역에서 질소 축적은 해바라기 플롯에서 10배 더 높았고 양배추 플롯에서 4배 더 높았다.

질소 질량 균형을 양배추 및 해바라기의 뿌리 영역에서 계산하였다(도 44). 비료 유닛은 통상적인 비옥화 기술보다 더 높은 N 흡수 효율을 나타내었는데, 이는 비료 유닛 내부에서 식물 흡수에 대한 비료의 증강된 이용가능성을 제시하는 것이다.

요약

본 연구는 생장기 내내 일반적인 현장 조건하에서 식물에 영양분을 전달하기 위한 비료 유닛의 능력을 입증하였다. 나아가, 비료 유닛은 현행 실행에 비해 식물 성장(해바라기 및 양배추)을 증대시키고 최종 수율(특히 양배추)을 증가시켰다. 현행 실행에 비해 더 높은 N 사용 효율은 하기 이유에 기인한다:

1. 비료 공급원에 인접한 활성 뿌리의 광범위한 성장(시각적으로 측정됨).

2. 이를 가로지르는 다량의 유동의 결여로 인한 비료 유닛으로부터의 제한된 침출.

3. (토양과는 달리) 안정된 높은 습기 수준으로 인해 건조 토양에서 비료 유닛 내부의 높은 확산 속도 유지.

실시예 6. 오스모코트 ® 6주 코어를 갖는 AA- AAm - CMC 하이드로겔을 기반으로 하는 비료 유닛의 파일럿 규모 생산

본 실시예는 본 발명의 방법에 유용한 비료 유닛을 생산을 기술한다.

재료

아크릴산(AA)(시그마 알드리치 카달로그 #147230)

아크릴아마이드(AAm)(아크로스 카달로그 #164830025)

N-N 메틸렌 비스 아크릴아마이드(MBA)(시그마 알드리치 카달로그 #146072)

카르복시메틸셀룰로스 소디움 염 MW=90K(CMC)(시그마 알드리치 카달로그 #419273)

소디움 퍼설페이트(SPS)(시그마 알드리치 카달로그 #216232)

탈이온수(DIW)

오스모코트® 스타트 11-11-17+2MgO+TE, 에버리스 인터내셔날 B.V.(Scott).

방법

304 g의 CMC 분말을 7,696 g의 90℃ DIW에 서서히 첨가하고 이어서 50℃에서 12시간 동안 교반하여 8 kg의 3.8% w/w CMC 스톡 용액을 제조한다. 12시간의 교반 동안에 증발하는 임의의 수분을 대체하기 위해 추가적인 DIW를 첨가한다.

336 g의 AA를 5,990 g의 DIW에 첨가하여 먼저 AA 용액을 제조하고, 이어서 384 g의 KOH 50%(w/w) 용액을 첨가하고, 그 용액을 36℃ 및 pH 4.7에서 15분간 혼합함으로써 12 kg의 전-단량체 용액을 제조한다. 1,009 g의 AAm 및 10.09 g MBA를 그 후에 AA 용액에 첨가하고 15분간 혼합하였다. 이어서 4,238 g의 3.8% CMC 스톡 용액을 그 용액에 첨가하고 결과 용액을 30분간 혼합하여 전-단량체 용액을 제공한다.

4.5 g의 SPS를 2 kg의 전-단량체 용액에 첨가하고 20분간 혼합하여 2 L의 개시제 함유 단량체 용액을 제조한다.

비료 유닛은 2개의 중합 단계에서 제조된다. 제1 단계에서, 사발-모양의 하이드로겔 구조는 4 mL의 단량체 용액을 멀티-팁 투여 장치(multi-tip dosing devise)를 사용하여 비드 패턴에 첨가하여 제조된다. 비드 패턴은 그 후에 추상체 매트릭스로 피복되고 60분간 85℃의 노에 놓아두고, 그로써 사발-모양의 하이드로겔 구조가 형성된다. 1 g의 오스모코트® 비드를 그 후에 사발-모양의 구조에 첨가한다. 제2 중합 단계에서, 추가적인 3.5 mL의 단량체 용액이 멀티-팁 투여 장치를 사용하여 비드 패턴에 첨가된다. 이어서 비드 패턴을 60분간 85℃의 노에 놓아두고, 그로써 완전한 비료 유닛을 형성한다.

비료 유닛을 비드 패턴으로부터 제거하고 에탄올로 10분간 세척하였다(1 L 에탄올 중 50개 비드). 그 후에 비료 유닛을 10분간 물로 세척하였다(1 L 에탄올 중 50개 비드). 이어서 비료 유닛을 3.5-4 g의 최종 중량으로 실온에서 건조시켰다. 상기 과정을 이용하여 생산된 비드를 도 46에 나타내었다.

상기 과정을 이용하여 생산된 비드는 200 ml DIW에 24시간 놓여질 때 90-100 g으로 팽윤되고, 200 ml 염수(중량 기준으로 0.45 % NaCl)에 24시간 놓여질 때 35-50 g으로 팽윤된다. 도 47은 완전히 건조된 비료 유닛에 비해 상기 과정에 의해 생산된 완전히 팽윤된 비료 유닛을 나타낸다.

실시예 7. 낮은 주위 온도 성장 조건하의 비료 유닛의 성능

목적

본 목적은 낮은 주위 온도하에서 식물 생존율을 개선하는 비료 유닛의 능력을 결정하기 위한 것이었다.

실험 설정

실시예 6에 기술된 것들과 유사한 비료 유닛을 사질토 및 점토 토양으로 채워진 80 L 화분에 10 및 20 cm의 깊이로 첨가하였다. 오이 식물을 그물 하우스 내에서 63일간 화분에서 성장시켰다. 대조군 식물을 비료 유닛보다는 관개수와 함께 액체로 공급된 비료를 이용해 동일한 조건하에서 성장시켰다.

결과

비료 유닛 적용으로 인해, 뿌리 영역의 증강된 열 용량이 표 10에 나타난 바와 같이 낮은 주위 온도하에서 식물 생존율을 향상시키는 것으로 입증되었다.

실시예 8. 화산 기원 토양 및 열대 기후에서 식물을 위한 비료 공급원으로서 비료 유닛.

현장 시험을 코스타리카의 카르타고(N9.862039, W83.898665)에서 실시하였다. 지역 토양은 등급이 매겨진 토양 입자 분포(모래-50%, 미사-20% 및 점토-30%), 낮은 pH(5.5), 낮은 염분 수준(전기 전도율-0.1 mS/cm), 낮은 CEC(13.5 meq/L) 및 높은 유기체(3.1%)를 갖는 화산 기원 토양인 안디솔로 분류된다. 기후는 높은 연간 강수율(annual precipitation rate)(1년에 400-600 cm), 높은 습도 및 지속적인 높은 온도(26-11℃)를 갖는 열대로 정의된다.

대표적인 잎 작물인, 샐러리 및 상추 묘목을 0일째에 이식하였다. 작물을 실시예 6에 기술된 유형과 유사한 비료 유닛 또는 고체 상업 비료(YaraMila^TM Hydrocomplex 12:11:18+Mg+Micro)로 비옥화하였다.

모든 식물이 샐러리 및 상추 각각에 대해 식물당 질소: 2.5 및 3 g의 N의 동량을 받도록 비료 유닛 및 고체 상업 비료의 양을 계산하였다. 25 cm 깊이에서 미터당 33개 비료 유닛 및 15 cm 깊이에서 미터당 66개 비료 유닛을 샐러리 플롯에 적용하였다. 15 cm 깊이에서 미터당 83개 비료 유닛을 상추 플롯에 적용하였다. 고체 비료를 식물 이식 후 적용하였다.

각 작물의 매매가능(marketable) 수율을 45일째에 평가하였다. 도 48은 샐러리 및 상추의 매매가능 수율을 나타낸다. 데이터는 각 처리의 대조군 매질에 대한 수율의 누적 비율로 표시된다. 비료 유닛으로 비옥화된 식물은 고체 상업 비료로 비옥화된 식물에 비해 유의미하게 더 컸다.

실시예 9. 비료 유닛의 미생물 검사

비료 유닛의 표면 및 내부에 대한 미생물 군체의 실험실 분석을 토양으로부터 비료 유닛 표면 및 내부 영역으로의 미생물 군락의 이동을 측정하기 위해 수행하였다.

미생물 활성은 우레아 광물질화를 제어하고 산물의 생분해성을 증강시키는데 요구된다. 비료 유닛을 실시예 5 및 7에 기술된 실험의 뿌리 영역으로부터 수집하였다. 미생물 군체의 수를 뿌리가 그 내부로 침투하여 발달한 후에 비료 유닛 표면 위와 내부 영역 안에서 측정하였다. 대조군은 토양 및 식물 뿌리와 접촉하지 않은 새로운 비료 유닛을 포함하였다. 고 농도의 미생물 군체가 둘 모두의 토양 유형 및 실험 조건에 대해 표면 위 및 내부 영역 안에서 확인되었다. 비료 유닛의 표면 농도는 2.2×10⁴ 내지 2.9×10⁵ CFU/cm² 사이 범위였다. 비료 유닛의 내부 영역 농도는 3.5×10⁶ 내지 1.3×10⁸ CFU/0.1 g 사이였다. 새로운 비료 유닛(대조군)의 내부 영역 농도는 10 CFU/1 g 미만이었다. 이 결과는 토양으로부터 비료 유닛 표면 및 그의 내부 영역 쪽으로 미생물 군락의 비제한적인 이동을 제시한다.

재료 및 방법

비료 유닛의 외부를 흐르는 수돗물로 약 1분간 세척한 후 멸균수로 세척하였다. 각각의 세척된 시료를 100 mL의 멸균수를 함유하는 멸균 백에 넣고 약 3분간 수동으로 흔들어 주었다. 적당히 희석된 세정 액체를 미생물 계수를 위해 검사하였다. 비료 유닛 시료를 그 후에 무균 상태로 절단하고 약 0.1 g의 내부 내용물을 제거하고, 10 mL의 멸균수 함유 튜브에 옮기고 미생물 추출을 위해 볼텍싱하였다. 추출물을 희석하고 미생물 계수에 대해 검사하였다. 미생물 계수는 대두 카제인소화 브로쓰(tryptic soy broth) 및 2일간 30-35℃ 인큐베이션을 이용한 주입평판법으로 결정하였다. 인큐베이션 후 미생물 군체의 수를 계수하였다.

논의

높은 비율의 비효율적 농약화학물질 사용은 미지의 뿌리 분포, 토양 구조 및 질감의 공간적 다양성(즉, 광물 및 유기체 함량), 토양 조건의 시간적 다양성(즉, 온도, 습기, pH, 통기 및 염도), 비료 및 농화학물질의 식물 요구에 있어 시간적 변화(즉, 종, 발달 단계, 뿌리 형태), 및 생장기 내내 기후 변동(즉, 강수, 온도, 습도, 복사 및 바람)에 기인한다.

뿌리에 의한 효율적인 흡수를 위한 최적 조건이 유지되는, 토양-부재(soil-less) 매질이 온실 내 소규모 용기에 단독으로 실시된다. 이 실시는 대규모 현장을 위한 용액으로서는 실행 가능하지 않다.

본 발명의 전체적인 목표는 토양 및 작물 유형과 조건과는 무관하게 요구되는 양 및 시점에 식물 뿌리에 직접적으로 비료 및 다른 농화학물질(예컨대 질소, 인, 칼륨, 살진균제, 살충제, 등)을 공급하는 것이다.

상업적 제품으로부터의 비료의 이용가능성 및 흡수는 pH 및 다양한 양이온과의 반응으로 인해 토양에 의해 극단적으로 영향을 받는다. 본 발명은 인공 환경의 형성으로 인해 토양 유형 또는 pH에 영향을 받지 않는 범용의 첨가물 및 제조물에 관한 것이다.

소형 SAP 비드(1 cm 직경의 초흡수성 중합체)의 첨가가 갖는 문제점은 토양 내로의 첨가물의 신속한 확산이다. 현재 사용되고 있는 SAP 비드와는 달리, 식물의 뿌리에 농화학물질의 전달을 위한 본 발명의 유닛은 더 큰 크기를 가지며(일부 실시양태에서, 완전히 수화된 부피는 600 ml를 초과함), 이는 이러한 문제점을 예방한다. 본 발명의 측면은 또한 토양 내로 유입되는 염으로 인해 특성이 변화하는 것을 방지한다. 나아가, 본원의 개념은 고체 대체물로서 하이드로겔을 사용하는 다른 기술과는 달리, 현장에 인공 환경의 조성을 기반으로 한다.

본 발명의 유닛에 의해 조성된 인공 환경은 유닛 내부에서 뿌리 성장 및 발달을 장려하고, 이는 효율적인 영양분 흡수를 증강시키고 촉진한다. 따라서, 본 발명의 유닛을 이용해 비옥화된 식물은 전통적인 방법에 의해 비옥화된 작물보다 더 빠르게 성장할 수 있고/있거나 더 많은 수율을 생산할 수 있다. 본 발명의 유닛에 의해 조성된 인공 환경은, 예를 들어, 뿌리 성장 저항을 최소화하고, 영양분을 공급하며, 습기 수준을 유지하고, 낮은 주위 온도의 영향으로부터 보호하는 뿌리 발달 영역을 제공함으로써, 차선의 토양 조건의 영향을 완화한다.

현재 기술 및 실행에 비해 유리하고 고유한 본 발명의 측면은, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 하기를 포함한다:

* 보편성 - 본 발명의 실시양태는 토양, 작물 및 기후의 시간적 및 공간적 다양성에 의존하지 않음.

* 간결성 - 본 발명의 실시양태는 통상적인 장비를 사용한 단일 적용에 관한 것임.

* 경제성 - 본 발명의 실시양태는 농부에게 노동력 및 농약화학물질 투입량(비료 및 다른 농화학물질, 및 에너지)을 절약함.

* 지속 가능성- 본 발명의 실시양태는 농화학물질의 침출, 배수(runoff) 및 휘발의 결과로서 오염으로부터 환경(수역 및 대기)을 보호함.

* 수율 - 본 발명의 실시양태는 식물 성장률 및 수율을 증강시킴.

본 발명은 상이한 토양 유형에서 뿌리 성장 또는 발달을 조장하거나 촉진하는 인공 환경을 제공한다. 뿌리 성장 및 발달은 습기, 산소, 영양분 및 기계적 저항의 작용이다. 본원의 데이터는 알지네이트가 뿌리 발달에 대하여 현저하게 잘 수행하였음을 나타내었다. 그러나, 추가적인 제조물(반-합성 CMC 및 완전 합성-아크릴산 및 아크릴아마이드)은 게다가 뿌리 성장을 나타낸다. 본 발명의 측면은 기계적으로 저항이고 산소에 투과성이면서 습기 및 영양분을 공급하는 인공 환경에 관한 것이다. 본원에 기술된 데이터는 증강된 식물 성장을 초래하는 생장기 내내 식물에 수분 및 영양분을 전달하는 본 발명의 유닛의 능력을 입증하였다. 본원에 기술된 데이터는 본 발명의 유닛이 다양한 토양 유형 및 다양한 기후 조건에서 식물에 영양분을 성공적으로 전달하는데 사용될 수 있음을 추가로 입증하였다.

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Shaviv A., Mikkelsen R. L. 1993. Controlled-release fertilizers to increase efficiency of nutrient use and minimize environmental degradation - A review. Fert. Res. 35, 1-12.

Claims

iii) 하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및
iv) 적어도 하나의 농화학물질을 포함하는 하나 이상의 농화학물질 영역을 포함하는, 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하기 위한 유닛으로서,
뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 제어 방출 방식으로 방출하도록 농화학물질 영역이 형성되고, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1인, 유닛.
제1항에 있어서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 적어도 0.2 mL인 것인, 유닛.
iii) 하나 이상의 뿌리 발달 영역, 및
iv) 적어도 하나의 농화학물질을 포함하는 하나 이상의 농화학물질 영역을 포함하는, 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하기 위한 유닛으로서,
뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 적어도 하나의 농화학물질을 제어 방출 방식으로 방출하도록 농화학물질 영역이 형성되고, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 적어도 0.2 mL인, 유닛.
제3항에 있어서, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1인 것인, 유닛.
제3항에 있어서, 건조 유닛 내 뿌리 발달 영역 대 농화학물질 영역의 중량비가 0.05:1 내지 0.32:1인 것인, 유닛.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 유닛 내 농화학물질 영역 대 뿌리 발달 영역의 중량비가 0.05:1, 0.1:1, 0.15:1, 0.2:1, 0.25:1, 또는 0.3:1인 것인, 유닛.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 적어도 0.2 mL, 적어도 0.5 mL, 적어도 1 mL, 적어도 2 mL, 적어도 5 mL, 적어도 10 mL, 적어도 20 mL, 적어도 30 mL, 적어도 40 mL, 적어도 50 mL, 적어도 60 mL, 적어도 70 mL, 적어도 80 mL, 적어도, 90 mL, 적어도 100 mL, 적어도 150 mL, 적어도 200 mL, 적어도 250 mL, 적어도 300 mL, 적어도 350 mL, 적어도 400 mL, 적어도 450 mL, 적어도 500 mL, 적어도 550 mL, 적어도 600 mL 또는 600 mL 초과인 것인, 유닛.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 적어도 2 mL인 것인, 유닛.
제7항에 있어서, 유닛이 완전히 팽윤될 때 유닛 내 뿌리 발달 영역의 총 부피가 2 mL 초과, 2-3 mL, 3-4 mL, 4-5 mL, 2-5 mL, 2-10 mL, 5-10 mL, 5-20 mL, 10-15 mL, 10-20 mL, 15-20 mL, 10-40 mL, 20-40 mL, 20-80 mL, 40-80 mL, 50-100 mL, 75-150 mL, 100-150 mL, 150-300 mL, 200-400 mL, 300-600 mL, 또는 600-1000 mL인 것인, 유닛.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 1%-100% 팽윤될 때 뿌리 발달 영역의 총 부피가 0.5 mm의 직경을 갖는 뿌리의 적어도 10 mm를 포함하기에 충분히 큰 것인, 유닛.
제9항에 있어서, 유닛이 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 뿌리 발달 영역의 총 부피가 0.5 mm의 직경을 갖는 뿌리의 적어도 10 mm를 포함하기에 충분히 큰 것인, 유닛.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 0.1 g 내지 20 g의 건조 중량을 갖는 것인, 유닛.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛의 농화학물질 영역의 총 중량이 0.05 내지 5 g인 것인, 유닛.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 원통 모양인 것인, 유닛.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 다면체 모양인 것인, 유닛.
제14항에 있어서, 유닛이 정육면체 모양인 것인, 유닛.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 원반 모양인 것인, 유닛.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 구 모양인 것인, 유닛.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 농화학물질 영역 및 뿌리 발달 영역이 인접되는 것인, 유닛.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛의 표면이 뿌리 발달 영역 및 농화학물질 영역 둘 모두에 의해 형성되도록 농화학물질 영역이 뿌리 발달 영역 내부에 부분적으로 포함되는 것인, 유닛.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역을 포함하는 비드이고, 여기서 뿌리 발달 영역이 외부 영역을 형성하고 농화학물질 영역이 내부 영역을 형성하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 하나의 뿌리 발달 영역과 하나의 농화학물질 영역을 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 초흡수성 중합체 (SAP)를 포함하는 것인, 유닛.
제22항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 적어도 이들 중량의 약 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 200, 300, 400, 500, 또는 1000배의 수분을 흡수할 수 있는 것인, 유닛.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 산소에 투과성인 것인, 유닛.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 적어도 약 6 mg/L의 용존 산소가 뿌리 발달 영역 내에 유지되도록 뿌리 발달 영역이 산소에 투과성인 것인, 유닛.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 완전히 팽윤될 때 뿌리 발달 영역이 팽윤된 알지네이트 또는 팽윤된 반-합성 CMC와 같이 적어도 약 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100% 산소에 투과성인 것인, 유닛.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 에어로겔, 하이드로겔 또는 오르가노겔을 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 하이드로겔을 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 중합체, 다공성 무기 물질, 다공성 유기 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 농화학물질 영역이 에어로겔, 하이드로겔, 오르가노겔, 중합체, 다공성 무기 물질, 다공성 유기 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 추가로 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50%, 또는 5-50% 팽윤될 때 식물의 뿌리가 뿌리 발달 영역을 침투할 수 있는 것인, 유닛.
제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 식물의 뿌리가 뿌리 발달 영역 내부에서 성장할 수 있는 것인, 유닛.
제32항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때 식물의 뿌리가 뿌리 발달 영역내부에서 성장할 수 있는 것인, 유닛.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 식물이 작물 식물인 것인, 유닛.
제34항에 있어서, 작물 식물이 밀 식물, 옥수수 식물, 대두 식물, 벼 식물, 보리 식물, 목화 식물, 완두 식물, 감자 식물, 임목 식물, 또는 야채 식물인 것인, 유닛.
제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 생분해성인 것인, 유닛.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 최초로 팽윤되기 전에 뿌리 발달 영역이 적어도 하나의 농화학물질을 포함하지 않는 것인, 유닛.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 유닛이 최초로 팽윤되기 전에 뿌리 발달 영역이 적어도 하나의 농화학물질을 추가로 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 약 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 1-50% 또는 5-50% 팽윤될 때, 뿌리 발달 영역의 총 중량이 농화학물질 영역의 총 중량보다 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100배 또는 100배 초과로 더 큰 것인, 유닛.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 합성 하이드로겔, 천연 탄수화물 하이드로겔, 또는 펙틴 또는 단백질 하이드로겔, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 천연 초흡수성 중합체 (SAP), 폴리-슈가 (poly-sugar) SAP, 반-합성 SAP, 완전-합성 SAP, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 산소 담체를 포함하지 않는 상응하는 뿌리 발달 영역에 비해 뿌리 발달 영역 내 산소의 함량을 증가시키는 적어도 하나의 산소 담체를 추가로 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 농화학물질 영역이 유기 중합체, 천연 중합체, 또는 무기 중합체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 유닛.
제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 농화학물질 영역이 코팅 시스템으로 부분적으로 또는 완전히 코팅되는 것인, 유닛.
제44항에 있어서, 코팅 시스템이 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 뿌리 발달 영역 내로 용해되는 것인, 유닛.
제44항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 뿌리 발달 영역이 팽윤될 때 코팅 시스템이 적어도 하나의 농화학물질이 뿌리 발달 영역 내로 용해되는 속도를 감속하는 것인, 유닛.
제44항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 다르게는 유닛의 표면 위일 수 있는 농화학물질 영역의 표면 전체를 피복하고 적어도 하나의 농화학물질에 불투과성인 코팅 시스템을 포함하는, 유닛.
제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 농화학물질이 하기인 것인, 유닛:
i) 적어도 하나의 비료 화합물;
ii) 적어도 하나의 농약 화합물,
iii) 적어도 하나의 호르몬 화합물;
iv) 적어도 하나의 약물 화합물;
v) 적어도 하나의 화학적 성장 제제;
vi) 적어도 하나의 효소;
vii) 적어도 하나의 성장 촉진제; 및/또는
viii) 적어도 하나의 미량원소.
제1항 내지 제48항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 유닛을 식물이 자라고 있는 매질에 첨가하는 단계를 포함하는, 식물을 성장시키는 방법.
제1항 내지 제48항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 유닛을 식물의 매질에 첨가함으로써 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하는 단계를 포함하는, 농화학물질에 의해 야기되는 환경적 손상을 감소시키는 방법.
제1항 내지 제48항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 유닛을 식물의 매질에 첨가함으로써 식물의 뿌리에 농화학물질을 전달하는 단계를 포함하는, 농화학물질에 대한 노출을 최소화하는 방법.
식물의 뿌리 영역 내부에 미리 지정된 화학적 특성을 갖는 인공 영역을 생성하는 방법으로서,
i) 식물의 뿌리 영역에 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계; 또는
ii) 식물이 성장할 것으로 예상되는 매질의 예상된 뿌리 영역에 하나 이상의 유닛을 첨가하는 단계를 포함하고,
여기서, 하나 이상의 유닛의 적어도 하나가 제1항 내지 제48항 중 한 항에 정의된 것인, 방법.