[发明专利]纳米几丁质在提高肥料利用率方面的应用

说明书

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%。

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。