聚谷氨酸吸水剂的吸水和生物效应研究

聚谷氨酸吸水剂的吸水和生物效应研究

中国是一个缺水的国家。干旱和半干旱面积约占总面积的一半以上。干旱是限制我国作物产量进一步提高的重要因素之一。由此造成的损失是各种自然灾害的第一个。自20世纪60年代末,利用保水剂提高有限水资源的利用率受到国内外学者的重视,已研制出百余种保水剂。保水剂是一种高效吸水性材料,施入土壤后能吸收和保持自身重量几百倍甚至几千倍的水而生成凝胶,且水分不易离析。保水剂在土壤中能减少土壤水分蒸发,并可以缓慢释放水分供植物利用。目前国内外的吸水树脂在抗旱节水方面的研究主要集中于聚丙烯酸盐及其聚合体。南京工业大学利用高科技新工艺研制的新一代生物聚合高效吸水材料γ-聚谷氨酸(γ-PGA)具有优异的吸水性能和保水性能,且材料具有高度可生物降解性,不会造成环境污染和不良的生态效果,其降解产物谷氨酸有利于土壤微生物和作物根系的吸收和利用。与目前国内正在干旱缺水地区推广应用的聚丙烯酸系列吸水树酯相比,γ-PGA的成本低,吸水性能好和可降解性好。目前γ-PGA的应用主要在医用材料方面,在抗旱节水方面的研究尚未见报道。本文研究了γ-PGA的吸水和保水特性,并初步研究了在干旱条件下γ-PGA对作物种子发芽和幼苗生长的影响,为进一步研究和推广新型保水剂材料γ-聚谷氨酸提供参考。1生物聚合物水剂的选择试验于2002年在南京气象学院农业气象试验站和环境科学实验室内进行,盆栽选用作物有玉米(苏育9号)、小麦(宁麦2号)、多花黑麦草(邦德)。供试保水材料为新一代生物聚合高效吸水剂——γ-聚谷氨酸(γ-PGA)。对照保水材料为市售聚丙烯酸系列吸水树酯。1.1保水剂的防水性能1.1.1自然吸水性能用精度为0.1mg的电子天平秤取一定质量的保水剂材料,密封于孔径为0.45μm的微孔滤膜袋内,该滤膜孔径可容许水分子通过,而保水剂分子不能通过,将滤膜袋置于蒸馏水中,充分吸水后秤重,计算保水剂的自然吸水倍数。1.1.2保水剂的吸水特性在干土条件下模拟土壤湿度分别为10%、20%和30%,保水剂置于微孔滤膜袋内,埋深3cm,充分吸水后秤重,计算保水剂对土壤水分的吸水倍数。1.2-pga对种子发芽率的影响试验1.2.1直接测量盆栽试验方法1.2.2在土壤中直接使用pga提取物试验1.2.32结果与分析2.13聚谷氨酸的吸水性2.1.1酯的平均最大吸水性吸水倍数和吸水速率是保水剂吸水性能的重要指标,γ-PGA和聚丙烯酸吸水树酯的平均最大吸水倍数分别为1108.4和417.8倍,前者是后者的2.65倍。但γ-PGA吸水达到饱和的时间是聚丙烯酸吸水树酯的3倍,吸水速率分别为60.0和69.8gg-1h-1,两种材料的吸水速率差异较小(表1)。2.1.2土壤水分常数γ-PGA在不同土壤湿度下的吸水倍数试验结果(表2)显示,随土壤水分含量增加吸水率明显提高,但与实验室内用蒸馏水测定的自然吸水倍数相比(1108.4),吸水倍数和吸水速率显著降低。这显然是由于土壤颗粒对土壤水分的吸附力造成的。供试土壤为中壤土,3种土壤湿度的农业水分常数大致分别为土壤凋萎湿度、70%田间持水量和田间持水量。由此说明,γ-PGA在土壤中的实际吸水效率是随土壤水分含量而变化的,约在100倍以内。2.23-多谷酸对植物种子萌发和幼苗生长的影响2.2.1低降水条件对单子叶植物生长的影响表3结果表明,γ-PGA拌土面施对作物种子的出苗有比较明显的效果。其中小麦和玉米等出土能力较强的单子叶植物在低降水条件下的效果最为明显,如小麦在模拟5mm降水量的条件下,拌土面施γ-PGA的出苗率比对照高14倍,玉米的出苗率也高43%,株高增加幅度相对较小;在模拟降水量较低时,γ-PGA拌土面施对双子叶植物和小粒种子的效果相对较小,但在模拟降水量为30mm时也有一定的效果。2.2.2-pga水浸液用量对小麦出苗的影响为试验γ-PGA吸收水分后的保水和释放能力,进行了在干土中直接施用γ-PGA水浸液对小麦发芽及幼苗生长的影响,施用量分别为150ml、300ml和500ml,相当于5mm、10mm和16.5mm降水量,结果(表4)表明,施用相当于5mm日降水量的水浸液的小麦出苗率为80%,比浇相当于8.3mm水的小麦出苗率提高45.5%;由于出苗提前,苗高增加55.7%,根系的最大深度增加15.6%。随γ-PGA水浸液用量的增加,出苗率、苗高、根系最大深度和根数也呈增加的趋势。证明了γ-PGA水浸液具有较强的保水能力,在土壤中能缓慢释放,提高土壤水分的有效性。2.2.3玉米中-pga的发芽试验聚乙二醇(PEG)是一种植物根系不能吸收的大分子试剂,化学性能稳定,由PEG配制的不同浓度的溶液可以模拟干旱的渗透胁迫。用PEG(6000)配制了0.052～0.618M的6个系列浓度等级,进行了γ-PGA拌种和不拌种(CK)20℃恒温恒湿箱内发芽试验,结果(图1)表明:除玉米外,小麦和黑麦草在0.103M的PEG浓度下,用γ-PGA拌种的植物出苗率已明显高于对照,在0.206M的PEG浓度时,小麦的出苗率是对照的2.91倍,黑麦草是对照的8.0倍,在0.412M的PEG浓度下,对照已无法从溶液中吸收水分而不能发芽,而用γ-PGA拌种的小麦和黑麦草种子仍具有一定的吸水力,分别有9%和7%的发芽率,说明在较低的水势条件下,γ-PGA仍可有一定的吸水能力。玉米的γ-PGA拌种效果不明显的原因可能是由于玉米种子较光滑,不易粘着γ-PGA粉末造成的。所以,γ-PGA粉末的种子包衣技术是需要进一步研究的课题。3-pga影响下的小麦、黑麦草生长特性1)γ-聚谷氨酸的最大自然吸水倍数可达到1108.4倍,显著高于目前市售的聚丙烯酸盐类吸水树脂,对土壤水分的吸收倍数为30～80倍。2)γ-聚谷氨酸的水浸液在土壤中有一定的保水力和较理想的释放效果,有明显的抗旱促苗效应。3)在0.206M浓度的PEG(6000)条件下,γ-聚谷氨酸仍有较强的吸水和保水能力,可明显提高干旱条件下小麦和黑麦草的发芽率。以玉米、大豆、小麦、三叶草4种作物种子为试验材料,在干土条件下播种后,分别模拟小雨(5mm)、中雨(15mm)大雨(30mm),用γ-PGA材料1g拌土100g面施,以不拌土面施为对照,测定出苗率。为观测γ-PGA水浸液(即γ-PGA吸水达到饱和状态时的胶体溶液)的保水和释放效果,以小麦为试验材料,分别施用以150ml