明膠/PVA類肥料包膜材料的制備與環(huán)保性能研究

劉 穎，魏 敏，楊平華，耿丹丹

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所，成都 610066）

0 引言

包膜肥料是以顆?；蕿楹诵?，在表面涂覆一層膜材料的顆粒肥料，當(dāng)養(yǎng)分釋放完后，其膜將會(huì)殘留于土壤中，故膜材料的性能直接影響環(huán)境問題。探究具有較好生物降解性又兼?zhèn)湟欢ň徔蒯屝Ч陌げ牧蠈?duì)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)包膜肥料膜材料尤其是聚合物包膜材料的研究做了大量工作，純天然高分子膜材料如淀粉[1-3]、纖維素[4-6]、殼聚糖[7-8]等雖然具有價(jià)格低廉、可生物降解性，但其機(jī)械性、黏合性差，肥料緩控釋特性較差。合成高分子膜材料如聚烯烴[9]、聚乙烯[10-11]、聚苯乙烯[12]等雖然克服了天然高分子膜材料的缺點(diǎn)，但其降解性差，可能導(dǎo)致土壤污染。同時(shí)，大多數(shù)有機(jī)高分子材料在噴涂過程中都要使用大量的有毒溶劑，溶劑回收、揮發(fā)都可引起成本高和環(huán)境污染問題。

2種或2種以上的高分子材料通過共混改性，可制備出兼得這些高分子材料性能的混合物[13]。明膠是膠原蛋白的變性產(chǎn)物，來源廣、成本低[14]，聚乙烯醇(PVA)是一種無(wú)毒、成膜性好的水溶性高分子材料[15-17]，兩者共混可降低材料成本，又能提高材料的生物降解性。聚乙烯醇與明膠的復(fù)合材料用于緩釋肥料目前已有研究，但主要集中于包膜工藝[18]、配方[19]、養(yǎng)分緩釋性[20-21]方面的研究，在材料應(yīng)用對(duì)環(huán)境安全性問題研究較少。

本研究通過兩者共混改性，制備明膠/PVA類包膜尿素，利用紅外光譜、掃描電鏡表征、力學(xué)性能測(cè)試，研究膜材料組分相容性，利用受控需氧堆肥試驗(yàn)、小鼠急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)，探索明膠/PVA類包膜尿素對(duì)環(huán)境安全性問題，為進(jìn)一點(diǎn)對(duì)明膠/PVA類包膜肥料的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑、試驗(yàn)動(dòng)物和儀器

明膠，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；甘油，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚乙烯醇(PVA)，聚合度1799，分析純，成都科龍化工試劑廠；微晶纖維素，色譜純，美國(guó)Sigma Aldrich公司；硫包尿素(SCU)，自制，含氮量38.98%，硫膜含量16.02%；SPF級(jí)NIH小鼠（雌雄各半），動(dòng)物合格證號(hào)：NO.44007200074747，廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心；60Co輻射源，四川農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所；流態(tài)化底噴包衣機(jī)，LDP-1.5，常州市磐豐干燥設(shè)備有限公司；恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海瑯玕實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；紫外可見分光光度計(jì)，Lambca35，美國(guó)PerkinElmer公司；傅里葉變換紅外光譜儀，TENSORⅡ，德國(guó)Bruker公司；總有機(jī)碳分析儀，multi N/C 3100，德國(guó)AnalytikJena公司；掃描電子顯微鏡，SU3550，日本HITACHI公司。試驗(yàn)在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)核技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室，于2018年6月—2019年12月份進(jìn)行。

1.2 材料的制備

取一定量明膠置于三口燒瓶中，加入定量去離子水，在50℃水浴鍋中機(jī)械攪拌至全部溶解，過濾，得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的明膠溶液。取一定量PVA置于三口燒瓶中，加入定量去離子水，在85℃水浴鍋中機(jī)械攪拌至全部溶解，過濾，得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PVA溶液。按不同質(zhì)量比例取明膠和PVA水溶液混合，同時(shí)加入占總質(zhì)量5%的甘油，并置于40℃水浴鍋中機(jī)械攪拌30 min，靜置脫泡。

設(shè)定流態(tài)化底噴包衣機(jī)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速2轉(zhuǎn)/min，物料倉(cāng)60℃，稱300 g SCU投入包衣機(jī)物料倉(cāng)中，用上述制備的配比液為m(PVA):m(Gel)=4:1的膜材料，對(duì)其底噴包膜，烘干，得到聚合物硫包尿素，且聚合物包膜量為5%。

1.3 復(fù)合膜材料紅外光譜分析(FTIR)

將充分干燥后的樣品與是樣品100倍的KBr混合，在紅外燈下充分研磨并制片。用傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.4 掃描電鏡分析(SEM)

將烘干后的復(fù)合膜材料放入液氮中淬斷，對(duì)斷面進(jìn)行噴金處理，放入掃描電子顯微鏡中，觀察斷面形貌。

1.5 復(fù)合膜材料力學(xué)性能

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4456—1984，將材料制成啞鈴型，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為50 mm/min，對(duì)復(fù)合膜材料的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸張率進(jìn)行測(cè)試，每樣重復(fù)5次取平均值。

1.6 復(fù)合膜材料降解性

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19277.1—2011，將600 g培養(yǎng)土分別與100 g復(fù)合膜材料、100 g纖維素混合，600 g培養(yǎng)土作為空白對(duì)照，加去離子水將混合物濕度調(diào)節(jié)至50%，倒入3 L堆肥容器，將容器放置在(58±2)℃的試驗(yàn)環(huán)境中，用水飽和的、無(wú)CO2的空氣進(jìn)行曝氣。用紅外二氧化碳分析儀連續(xù)測(cè)量容器出口的混合氣體，計(jì)算CO2釋放量與生物分解百分率。

1.7 明膠/PVA復(fù)合膜包膜尿素的養(yǎng)分緩釋性

按照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3040—2016，稱取10 g肥料養(yǎng)分釋放量試樣，與200 g玻璃珠混合均勻后，置于(25±2)℃環(huán)境條件下的浸提管中，準(zhǔn)確加水200 mL，開始計(jì)時(shí)，密封好浸提管，至24 h時(shí)，迅速打開密封及閥門，用200 mL容量瓶完全接收浸提液，定容，搖勻待測(cè)。關(guān)閉閥門并密封好浸提管，以后7天為周期設(shè)定連續(xù)養(yǎng)分釋放點(diǎn)，重復(fù)“準(zhǔn)確加水200 mL”及其后的操作，用紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)浸提液中尿素態(tài)氮的含量。

1.8 明膠/PVA復(fù)合膜包膜尿素的毒試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1980—2018，取20只SPF級(jí)NIH小鼠，雌雄各半，試驗(yàn)前動(dòng)物隔夜禁食，不限制飲水。采用限量試驗(yàn)，劑量為5000 mg/(kg·bw)，供試品用去離子水配制，根據(jù)染毒劑量及灌胃量定容至所需體積。按照5000 mg/(kg·bw)劑量，以20 mL/(kg·bw)的灌胃量1次染毒灌胃，動(dòng)物灌胃染毒后繼續(xù)禁食2 h。染毒后30 min、4 h內(nèi)觀察和記錄一次，在染毒后24 h內(nèi)連續(xù)觀察，隨后每天定期觀察并詳細(xì)記錄每只動(dòng)物的中毒反應(yīng)，直至第14天。觀察期結(jié)束后對(duì)所有動(dòng)物進(jìn)行大體解剖觀察，記錄大體病變，染毒后存活時(shí)間24 h以上的動(dòng)物，其器官顯示有大體病變，則進(jìn)行組織病理學(xué)檢查。

1.9 數(shù)據(jù)處理

采用ORIGIN7.5作圖，SPSS19.0分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 明膠/PVA復(fù)合膜材料的SEM分析

如圖1所示，配比為m(PVA):m(Gel)=1:4，m(PVA):m(Gel)=2:3，m(PVA):m(Gel)=3:2時(shí)，肉眼可見配比液出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。配比為m(PVA):m(Gel)=4:1時(shí)，配比液無(wú)明顯分層現(xiàn)象，將其烘干利用掃描電鏡進(jìn)行斷面觀察，從圖2可見，材料斷面結(jié)構(gòu)均勻，未發(fā)現(xiàn)相分離。

圖1 復(fù)合膜材料配比液靜置4 h后的照片

圖2 復(fù)合膜材料的斷面SEM圖[m(PVA):m(Gel)=4:1]

2.2 明膠/PVA復(fù)合膜材料FTIR分析

圖3為PVA，復(fù)合膜材料[m(PVA):m(Gel)=4:1]，明膠的紅外光譜對(duì)比圖。由圖可知原處于PVA膜中的3264 cm-1O-H伸縮振動(dòng)、1415 cm-1O-H彎曲振動(dòng)、1085 cm-1C-O伸縮振動(dòng)特征吸收峰，在復(fù)合膜材料的紅外光譜中分別移動(dòng)3260、1412、1085 cm-1。同時(shí)復(fù)合膜材料也表現(xiàn)出明膠膜特征峰，原處于明膠的1629 cm-1酰胺Ⅰ帶、1525 cm-1酰胺Ⅱ帶，1238 cm-1酰胺Ⅲ帶特征吸收峰，在復(fù)合膜材料的紅外光譜中分別移至1651、1543、1239 cm-1。由于復(fù)合膜材料中加入5%甘油塑化劑，故復(fù)合膜材料在1043 cm-1處出現(xiàn)新的特征吸收峰，為甘油RCHR1-OH伸縮振動(dòng)特征峰。

圖3 PVA、復(fù)合膜材料及明膠的紅外光譜圖（a：PVA；b：復(fù)合膜材料，c：明膠）

2.3 明膠/PVA復(fù)合膜材料的力學(xué)性能

由圖4可知，PVA的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為32.18 MPa、176.96%，明膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為18.44 MPa、35.82%，隨著PVA含量增加，復(fù)合膜材料斷裂伸長(zhǎng)率逐漸變大；而復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)，配比液在m(PVA):m(Gel)=1:4、2:3、3:2時(shí)，低于明膠膜的拉伸強(qiáng)度，配比液在m(PVA):m(Gel)=2:3時(shí)拉伸強(qiáng)度最低。當(dāng)m(PVA):m(Gel)=4:1時(shí)，相對(duì)于其他配比的復(fù)合膜其力學(xué)性能最優(yōu)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為26.42 MPa、159.5%。

圖4 PVA含量對(duì)復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度的影響

2.4 明膠/PVA復(fù)合膜材料的降解性

堆肥降解180天，空白、纖維素和復(fù)合膜材料[m(PVA):m(Gel)=4:1]的CO2釋放量如表1、圖5、6所示，由圖可以看出纖維素3個(gè)階段：誘導(dǎo)階段（0～7天）、生物分解階段（8～118天）和平穩(wěn)階段（118～180天），118天CO2釋放量為150.08 g，直到試驗(yàn)結(jié)束180天CO2釋放量是150.9 g。復(fù)合膜材料CO2釋放量一直在緩慢增加，180天CO2釋放量30.7 g。圖2為纖維素和復(fù)合膜材料的生物分解曲線，纖維素、復(fù)合膜材料45天生物降解率分別為74.4%、9.0%，180天生物分解率分別為92.7%、16.2%。

表1 材料的基本特性

圖5 受控堆肥條件下復(fù)合膜和纖維素的CO2釋放曲線

圖6 受控堆肥條件下復(fù)合膜和纖維素的生物分解曲線

2.5 明膠/PVA復(fù)合膜包膜尿素的養(yǎng)分緩釋性

圖7為SCU和PSCU在25℃水中氮素釋放曲線。由圖可知，SCU、PSCU浸提24 h的初期氮素釋放率分別為14.21%、12.16%，7天氮素釋放率分別為20.12%、16.8%，28天累積氮素釋放率分別為52.18%、26.92%，SCU的氮素釋放率均高于PSCU。

圖7 SCU和PSCU氮素釋放特性曲線

2.6 明膠/PVA復(fù)合膜包膜尿素的毒性試驗(yàn)

在14天為觀察期內(nèi)，20只小鼠未出現(xiàn)死亡，體重均正常增長(zhǎng)，也未出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)肌肉系統(tǒng)、植物神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)、皮膚和被毛、眼和消化系統(tǒng)方面的任何異常癥狀。試驗(yàn)結(jié)束后，用CO2窒息法處死動(dòng)物后，進(jìn)行大體解剖觀察，大小腦、心臟、氣管和肺、胸腺、肝、脾腎、胃腸道、子宮、卵巢、睪丸、附睪、甲狀腺和腎上腺主要器官均未見明顯病理改變。

3 結(jié)論

明膠/PVA復(fù)合膜材料在受控堆肥條件下表現(xiàn)出較好的生物降解性，明膠/PVA復(fù)合膜材料包膜尿素氮素緩釋期變長(zhǎng)且在小鼠急性經(jīng)口毒性實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的生物安全性，同時(shí)材料對(duì)肥料加工過程是以水為溶劑，避免了易揮發(fā)的有毒有機(jī)溶劑帶來的污染問題，故明膠/PVA復(fù)合膜材料具有較好的環(huán)保性能且作為緩控釋肥料的包膜材料有較好應(yīng)用前景。

4 討論

4.1 明膠/PVA復(fù)合包膜材料兩組間相容性

肉眼觀察與SEM分析中明膠/PVA復(fù)合材料配比為m(PVA):m(Gel)=4:1時(shí)，沒有相分離，兩組分間相容性最好。對(duì)該配比材料FTIR分析，明膠/PVA復(fù)合材料不僅表現(xiàn)出明膠和PVA特征吸收峰，而且其表現(xiàn)的PVA的O-H伸縮和彎曲振動(dòng)、C-O伸縮振動(dòng)特征吸收峰向低波數(shù)移動(dòng)，明膠的3個(gè)酰胺特征吸收峰向高波數(shù)移動(dòng)，這與高喜平等[22-23]對(duì)明膠與PVA共混材料FTIR分析時(shí)發(fā)現(xiàn)共混膜中原明膠酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶特征吸收峰都不同程度藍(lán)移的結(jié)果相同。這主要是因?yàn)殡S著明膠與PVA共混，明膠分子鏈上大量的-OH、-NH2、-COOH等親水基團(tuán)，與PVA分子鏈上的-OH產(chǎn)生氫鍵作用，破壞了明膠分子中原來的氫鍵作用，同時(shí)PVA分子鏈中晶區(qū)-OH之間的氫鍵作用被打破，但與明膠分子產(chǎn)生的氫鍵作用大于晶區(qū)內(nèi)-OH產(chǎn)生的氫鍵作用，PVA與明膠產(chǎn)生的氫鍵相互作用，降低共混體系的Gibbs自由能，進(jìn)一步證明該配比兩組分相容性好。

4.2 明膠/PVA復(fù)合包膜材料力學(xué)性能

本研究結(jié)果表明，當(dāng)明膠/PVA復(fù)合材料配比為m(PVA):m(Gel)=4:1時(shí)，相對(duì)其他配比，兩組分間相容性好，并表現(xiàn)出較好力學(xué)性能，這與Mendiet等[24-25]研究表明結(jié)果相近。這主要是因?yàn)楫?dāng)組分相容性好時(shí)，材料受外力作用時(shí)不易產(chǎn)生相分離，從而拉伸強(qiáng)度最大。明膠是一種脆性材料，隨著PVA含量增加，削弱明膠分子內(nèi)部氫鍵作用力，分子鏈運(yùn)動(dòng)阻力減弱，復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率增大。

4.3 明膠/PVA復(fù)合膜包膜尿素的養(yǎng)分緩釋性

試驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)于SCU養(yǎng)分S型釋放曲線，PSCU養(yǎng)分釋放更為平緩，這與Paleckien等[26-27]認(rèn)為PSCU養(yǎng)分釋放比SCU更均勻，利用率更高的結(jié)果一致。這主要是因?yàn)镾CU養(yǎng)分釋放主要是因?yàn)槟て屏?，每到一定階段就有大量養(yǎng)分釋放出來，明膠/PVA復(fù)合膜有一定的拉伸強(qiáng)度，當(dāng)噴覆于SUC表面后，形成一層聚合物膜，對(duì)硫膜起到保護(hù)作用，不會(huì)因膜內(nèi)滲透壓變化而破裂，故養(yǎng)分釋放程平緩上升趨勢(shì)，且PSUC同時(shí)期氮素釋放率低于SUC。

4.4 明膠/PVA類包膜肥料環(huán)保性能

對(duì)明膠/PVA復(fù)合材料用于包膜肥料的研究，主要集中在材料的力學(xué)性能、相容性、緩釋性方面[28]，其生物降解性、毒性等環(huán)境安全性方面報(bào)道較少。堆肥法評(píng)價(jià)材料生物降解性能簡(jiǎn)單快速，能在相當(dāng)程度上反映材料在自然條件下的生物降解性。本研究利用堆肥法探討其生物降解性，試驗(yàn)中參比材料纖維素45天生物降解率74.43%，超過70%，符合GB/T 19277.1—2011規(guī)定的實(shí)驗(yàn)有效性的要求。PSCU對(duì)SPF級(jí)NIH小鼠的急性經(jīng)口毒性最大耐受劑量大于5000 mg/(kg·bw)，根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1980—2018分級(jí)指標(biāo)及評(píng)價(jià)要求進(jìn)行判定，屬實(shí)際無(wú)毒。