結(jié)構(gòu)化學(xué)和生物活性研究對發(fā)展腐植酸精細(xì)化產(chǎn)品的啟示

周霞萍

1 華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 上海 200237

2 南京臻暘生物科技有限公司 南京 210000

3 上海臻衍生物科技有限公司 上海 200237

在結(jié)構(gòu)化學(xué)研究領(lǐng)域，可以將分子量相對高、組成復(fù)雜的有機(jī)縮合多羧酸無定型混合物的腐植酸原料比成一塊鑲嵌拼圖的花布，通過工具（工藝）可以選擇性地裁剪（分離）成圖案單一或較單一的布塊，而通過縫制加工（合成）又可以成為人們需要的服裝（精細(xì)化產(chǎn)品）。其中按溶劑性質(zhì)將腐植酸分成黃腐酸、棕腐酸、黑腐酸，可看成是將花布變成較純圖案的途徑之一。而黃腐酸、棕腐酸、黑腐酸作為中間產(chǎn)物，能否成為精細(xì)化產(chǎn)品，要看是否需要進(jìn)一步裁剪（分離精制）如何縫制（合成），以及穿在不同生命體上的風(fēng)采了。

1 腐植酸結(jié)構(gòu)化學(xué)和生物活性研究對發(fā)展精細(xì)化功能肥料、飼料和農(nóng)藥產(chǎn)品的啟示

隨著對腐植酸研究的日益深入，近幾年，在談?wù)摳菜釋δ芊柿?、飼料、農(nóng)藥的作用時(shí)，常常將腐植酸作為連接土壤—肥料—植物營養(yǎng)的橋梁和紐帶[1]，并用植物生長刺激素、維生素/抗菌素、生物酶/超氧化物歧化酶（SOD）等實(shí)質(zhì)性名詞來代替。對于腐植酸生物高分子聚合物（圖1），它發(fā)揮作用的原理值得深思。

圖1 Stevenson的腐植酸結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Humic acid model suggested by Stevenson

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，各種腐植酸中含有的類似生物素的物質(zhì)達(dá)240多種[2]。它既有氫醌結(jié)構(gòu)作用，又有赤霉素、吲哚乙酸、萘乙酸等微生物的代謝產(chǎn)物——生物刺激素的作用，還有腐植酸鹽的抗菌作用。比較圖1與圖2、圖3、圖4，不難發(fā)現(xiàn)，生物素、抗菌素的結(jié)構(gòu)中都有羥基（-OH）或羧基（-COOH）、胺基（-NH2）、酰胺基（-NH），還有-ONa、-OK、-COONa、-COOK以及C、H、N、O、S等?？梢姡菜崤c生物素、抗菌素的結(jié)構(gòu)有相似，也有差異。冉軍艦等[3]將編碼的氨基酸序列與GenBank庫中的芽孢桿菌溶素、伊枯草菌素和桿菌抗霉素D等作基因分析，發(fā)現(xiàn)氨基酸系列與抗菌素的相似性達(dá)到99%。從而可以看到，分子降解（裁剪）合適的腐植酸結(jié)構(gòu)組分對于發(fā)展腐植酸微生物精細(xì)化產(chǎn)品有潛在的應(yīng)用價(jià)值。而要分析腐植酸是否具有抗菌素的作用，可以與特定的氨基酸組合，呈“腐植酸+”的形式，并經(jīng)過與活性組分的基因測定，再加以判斷。

近年來，谷端銀[4]在“純化腐植酸對NO3-脅迫下黃瓜種子萌發(fā)及生理生化特性的影響”研究中發(fā)現(xiàn)，添加純化腐植酸（PHA）使黃瓜種子發(fā)芽率、主根長、側(cè)根長、側(cè)根數(shù)、下胚軸長度和粗度等明顯增加，胚根脫氫酶活力增加，胚根的可溶性蛋白質(zhì)含量、SOD、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性均增加。張彩鳳等[5]認(rèn)為腐植酸中的小分子黃腐酸與植物細(xì)胞內(nèi)SOD、CAT及POD有明顯的協(xié)同作用。

由以上2項(xiàng)研究可知，分子量適中的純化腐植酸、小分子黃腐酸與SOD等生物酶的作用，其復(fù)合體的活性可以通過酶活力測定。因?yàn)樯锵到y(tǒng)酶防御系統(tǒng)的SOD能夠催化H2O2分解為H2O和O2，使得H2O2不至于在鐵螯合物作用下反應(yīng)生成有害的OH·（羥基自由基），既可減少自由基和過氧化脂質(zhì)的形成，又對生物體起重要的保護(hù)作用。但通常酶標(biāo)儀測定的酶活力是一個(gè)總量的概念，若要精確需要分別進(jìn)行基因檢測，或者通過催化-歧化為H2O2時(shí)，通過CAT等測定反向推測[6]，在這一點(diǎn)上，華東理工大學(xué)參與的全國肥料和土壤調(diào)理劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)腐植酸肥料分技術(shù)委員會(huì)確立的《腐植酸生物有機(jī)肥》標(biāo)準(zhǔn)制訂中，對近20種全國各地收集的腐植酸生物肥料進(jìn)行了淀粉酶、磷酸酶、CAT等酶活力測定，并在完成這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)制訂的同時(shí)，研制生產(chǎn)出具有生物防治功能的腐植酸生物有機(jī)肥。

圖2 頭孢菌素類抗生素的結(jié)構(gòu)式Fig.2 The structural formula of cephalosporin antibiotics

圖3 植物生長素萘乙酸鈉的結(jié)構(gòu)式Fig.3 The structural formula of plant growth hormone naphthalene acetate sodium

圖4 植物生長素吲哚乙酸的結(jié)構(gòu)式Fig.4 Structural formula of IAA

2 腐植酸結(jié)構(gòu)化學(xué)和生物活性研究對發(fā)展精細(xì)化材料產(chǎn)品的啟示

腐植酸的生物高分子結(jié)構(gòu)，在材料上的裁剪（分離精制）力度可以更大，安全度也高。

徐正俠等[7]采用層層自組裝技術(shù)，構(gòu)建了由帶負(fù)電的腐植酸和帶正電的聚二烯二甲基溴化銨組成的納米結(jié)構(gòu)薄膜。紫外可見光分光光度計(jì)的測量顯示薄膜的吸收率隨著雙層數(shù)的增加而線性的增加。傅里葉變換紅外光譜的結(jié)果表明，薄膜中既含有未離解的腐植酸膠體也含有離解的腐植酸。

用華東理工大學(xué)2015年的分子量測定獲得的模型（圖5）[8]與氧化石墨烯結(jié)構(gòu)（圖6）比較，它們均含有-COOH、-OH等。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，結(jié)構(gòu)與石墨烯非常相似，差別在于氧化石墨烯的表面有含氧官能團(tuán)。它在水中可以發(fā)生電離，形成氫鍵、共價(jià)鍵等，也可在水中形成穩(wěn)定的膠體。氧化石墨烯的力學(xué)性能低于石墨烯，楊氏模量僅能達(dá)到石墨烯的20%。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)組成相似性和差異性比較的基礎(chǔ)上，經(jīng)試驗(yàn)研究，研制出的與氧化石墨烯相關(guān)的新材料已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利申請?zhí)枴?/p>

圖5 按分子量測定、元素、官能團(tuán)數(shù)量構(gòu)建的黃腐酸模型Fig.5 A fulvic acid model constructed by molecular weight determination, elements and the number of functional groups

圖6 氧化石墨烯結(jié)構(gòu)式Fig.6 The structural formula of graphene oxide

Xing B L等[9]將煤炭腐植酸在1800 ℃下，先進(jìn)行預(yù)碳化，制成類石墨碳，再制氧化石墨烯、石墨烯-超級電容器，用于手機(jī)鋰電池、新能源車等（圖7）。煤炭腐植酸能否更廣泛地應(yīng)用于新材料石墨烯， 要看其精制縮合脫除雜化基團(tuán)的程度和薄度。

圖7 腐植酸合成石墨烯納米片的過程示意圖Fig.7 Chematic illustration of the procedure for synthesizing graphene nanosheets from humic acid

由中國腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合華東理工大學(xué)-南京臻暘生物科技有限公司生產(chǎn)的可全降解地膜聚乳酸-功能腐植酸（PLA-GHA）在東北水稻田、湖北山坡頂上果蔬、新疆棉花試驗(yàn)地推廣，并在保溫、除草、降解時(shí)間、作物收成等方面獲得數(shù)據(jù)及更好地調(diào)控改進(jìn)中。中國腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)-華東理工大學(xué)的腐植酸抗霾產(chǎn)品協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)也正在起草中。而研制的仿生泥炭產(chǎn)品，如育苗基質(zhì)、土壤調(diào)理劑、功能肥料等產(chǎn)品，受到多企業(yè)歡迎，正在產(chǎn)業(yè)化推廣中。

腐植酸屬于生物高分子聚合物，在可降解聚酯等多種復(fù)合材料生產(chǎn)中，它先起著架橋作用、偶聯(lián)作用，而后可作為碳源礦源為眾多微生物菌提供能量及營養(yǎng)物質(zhì)，又起了肥料化等作用。如在土壤生物活性調(diào)理中，腐植酸精細(xì)化材料組分通過促進(jìn)生物酶的代謝作用，起到降解滲透、抑制病蟲害等作用。

3 腐植酸結(jié)構(gòu)化學(xué)研究和生物活性研究對發(fā)展精細(xì)化醫(yī)藥產(chǎn)品的啟示

腐植酸（烏金）做藥用，從中晚唐時(shí)期記載將近1200年，從巴比倫（現(xiàn)在的伊拉克境地）的泥浴記載已有3000多年。能用于腐植酸醫(yī)藥的產(chǎn)品較飼料等產(chǎn)品的精制級別是有差異的，但對提高免疫能力的有些作用機(jī)理是相似的。秦萬德[10]指出，腐植酸是治療疾病的理想基礎(chǔ)藥（類似于中藥）。當(dāng)機(jī)體有病毒等入侵或滋生腫瘤等時(shí)，服用腐植酸藥物，再及時(shí)補(bǔ)以有針對性的專一性藥物或?qū)Ｒ恍灾委煼椒ㄓ枰钥箵簦梢哉J(rèn)為由“腐植酸+”增加了藥物的靶向性作用。研究腐植酸對消化系統(tǒng)潰瘍與出血癥的治療和對抗腫瘤、乙型肝炎、HIV感染等疾病的效果，從礦源腐植酸的結(jié)構(gòu)化學(xué)和生物活性出發(fā)，來驗(yàn)證與乙酰化水楊酸（阿司匹林，圖8）結(jié)構(gòu)或萜類、甾類、雌酮（圖9）、嗎啡結(jié)構(gòu)（圖10）或視黃醇（維生素A）結(jié)構(gòu)有相似效應(yīng)，主要可歸于組合官能團(tuán)（藥效團(tuán)）對免疫系統(tǒng)細(xì)胞的影響以及膠體性質(zhì)構(gòu)成的療效[11，12]。

腐植酸與葡聚糖有免疫調(diào)節(jié)的協(xié)同作用，這為拓展藥用腐植酸原料提供了依據(jù)。腐植酸抗牙周炎癥是由于提高了白細(xì)胞介素-8；腐植酸醒酒是由于-COOH等弱酸與酒的醇分子反應(yīng)形成了酯；阿司匹林-核桃吡喃酮-黃腐酸組分具有抗腫瘤效應(yīng)，這是華東理工大學(xué)早些年的發(fā)明專利與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及華東理工大學(xué)和云南藥業(yè)公司多年前的授權(quán)發(fā)明專利，已經(jīng)注重腐植酸藥物的加成效應(yīng)、靶向效應(yīng)，經(jīng)過著名藥學(xué)院、醫(yī)學(xué)院的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、生物細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和毒性限量實(shí)驗(yàn)獲得的有效數(shù)據(jù)，都應(yīng)該屬于“腐植酸+”的范疇。在研究“腐植酸+”藥物、保健品等精細(xì)化產(chǎn)品中，研究腐植酸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是很重要的[13～15]。

圖8 阿司匹林結(jié)構(gòu)式Fig.8 The structural formula of aspirin

圖9 雌酮結(jié)構(gòu)式Fig.9 The structural formula of estrone structure

圖10 嗎啡結(jié)構(gòu)式Fig.10 The structural formula of morphine

4 結(jié)束語

時(shí)代在發(fā)展、科技在進(jìn)步，腐植酸的資源（原料）也在不斷增加。如山東泉林嘉有集團(tuán)公司給出的腐植酸形成的示意圖（圖11）[16]，理解了腐植酸的前體物主要是木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，將秸稈纖維素用于造紙，而將紙漿廢料木質(zhì)素氧化成生物腐植酸/生物黃腐酸（BHA/BFA），加以分離精制技術(shù)等創(chuàng)造了“一草兩業(yè)”的輝煌業(yè)績。

腐植酸精細(xì)化產(chǎn)品的開發(fā)，只有注重原理、趨于定量構(gòu)效，通過“腐植酸+”增加靶向結(jié)構(gòu)，才能從必然王國轉(zhuǎn)向自由王國，進(jìn)入“工業(yè)4.0時(shí)代”，并期待腐植酸醫(yī)藥健康的春天早日到來[17]。

圖11 腐植酸形成的示意圖Fig.11 A schematic diagram of humic acid formation

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“農(nóng)業(yè)質(zhì)量年”行動(dòng)正式啟動(dòng)腐植酸應(yīng)當(dāng)把好“土肥和諧”第一關(guān)

2018年2月6日，農(nóng)業(yè)部在福建福州召開“全國推進(jìn)質(zhì)量興農(nóng)綠色興農(nóng)品牌強(qiáng)農(nóng)工作會(huì)議”，農(nóng)業(yè)部部長韓長賦出席會(huì)議并宣布“農(nóng)業(yè)質(zhì)量年”行動(dòng)正式啟動(dòng)。

會(huì)議要求，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各部門（1）要圍繞推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)質(zhì)量興農(nóng)想辦法、出對策、獻(xiàn)力量；（2）要當(dāng)好推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“主力軍”；（3）要匯聚推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“同盟軍”；（4）要擴(kuò)大推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“朋友圈”，在更大范圍、更廣領(lǐng)域匯聚推進(jìn)質(zhì)量興農(nóng)工作的正能量。

質(zhì)量興農(nóng)，第一關(guān)就是把優(yōu)質(zhì)“產(chǎn)出來”。產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，離不開優(yōu)越的土肥關(guān)系。構(gòu)筑“土肥和諧”關(guān)系，腐植酸有的是能量。與土與肥與生態(tài)，讓腐植酸從農(nóng)產(chǎn)品源頭安全生產(chǎn)抓起，是腐植酸的本質(zhì)要求，也是腐植酸人應(yīng)有的自覺行動(dòng)。 （中腐協(xié)秘書處 供稿）