壳聚糖、尿素交联微球的缓释规律分析

壳聚糖、尿素交联微球的缓释规律分析

王海斌2，甘邱锋2，吴良展2，曾聪明2，何海斌1,2*

1福建农林大学农业生态研究所，福州（350002）

2 福建农林大学生命科学学院，福州（350002）

E-mail：alexhhb@

摘要：以壳聚糖为包膜材料，探讨了壳聚糖包膜尿素缓释规律，并运用扫描电子显微观察技术对缓释前后的微球物理结构进行表征。结果表明：包埋微球在浸泡的第1 d氮素释放量占总量的13.43％，34 d仅释放29.03％，符合缓释肥料标准。扫描电镜观察结果显示：微球浸泡前表面膜结构密实，浸泡34 d后微球表面膜形成大量突起的小孔，浸泡前后微球剖面网状结构没有发生明显变化。

关键词：壳聚糖；尿素；缓释肥料

1 引言

我国是一个农业大国，营养缺乏是限制我国农业生产的一个重要因素，化肥使用已成为农业增产主要措施之一。然而据统计，我国氮、磷、钾肥的平均利用率分别仅30％，20％，35％ [1]。肥料利用率普遍偏低不仅造成资源的浪费, 降低了农业生产的经济效益, 而且还带来了严重的环境问题[2]。因此研究如何提高肥料利用率已成为当前农业研究的一个热门课题。氮素是植物生长过程中所必须的三大营养元素之一，因此研究氮肥的利用率具有重要的现实意义。缓/控释肥料，是提高肥料利用率的一种有效措施。一方面，减少了大量肥料施用，进而降低了环境污染。另一方面，其一次施肥可满足作物整个生育期的生长需要；其环保性、简便性、高效性已受到大量学者的关注。本研究以无毒、耐热、耐碱、耐腐蚀、可生物降解的世界第二大天然产物壳聚糖作为原料，研究其包埋尿素后的缓释规律。以期为缓释氮肥的开发提供一定的理论基础。

2 材料与方法

2.1 实验材料

壳聚糖(浙江玉环海洋生物化学有限公司产品)、尿素、氨水、冰醋酸、硒粉、浓硫酸、十二烷基苯磺酸钠（LAS）、戊二醛(25%的水溶液)、碘化汞、硫酸钾、碘酸钾、氢氧化钾、双氧水（30％）、酒石酸钠、硫代硫酸钠（以上试剂均为分析纯）

2.2实验仪器

KDN-08消化炉（上海新嘉电子有限公司），凯氏定氮仪（上海新嘉电子有限公司），DJ-1电动搅拌仪（金坛市大地自动化仪器厂），250-B生化培养箱（国华仪器），UV-1600紫外可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公司），超低温冰箱（日本三洋株式会社），JSM-5310LV 扫描电子显微镜（日本电子）

2.3试验方法

2.3.1试验设计

2.3.2 试验方法

配置4%的壳聚糖醋酸溶液，搅拌器下搅拌45 min （1500转）后，将尿素缓慢地加入。调低转速（300 r·min -1），继续搅拌1 h ，加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠加入表面活性剂，继续搅拌直至溶液呈乳白色，充分搅拌形成油包水型（O/W ）混合液。将混合液于氨水中固化成球。将固化好的微球捞出，用蒸馏水淋洗球表面2遍后，将转入双蒸水中，并置于25℃生化培养箱中浸泡，分析其缓释规律。

取样时间：第1天每隔2小时取样1次共6次，此后每隔3 d 取样1次共（5次）、最后每隔6 d 取样1次共3次。浸出液中氮素含量测定，采用国标方法GB11891—89《水质凯氏氮的测定》[3]测定。同时运用电子扫描显微镜分析微球浸泡前后的表面及内部结构，具体方法参照文献4。

3 结果与分析

3.1 氮素标准曲线制备

由图1可得，氮元素吸光度的标准曲线为y=0.2081x ，R 2=0.9954

3.2微球的养分释放特征

由图2可知，累积释放曲线与报道的“L”型曲线[5]有一定程度的相似，表现为浸泡初期氮素释放量快速增长，中后期稳定缓慢增长的趋势。由表1结果可看出，养分在1 d 释放了13.43％，在1~7 d 养分迅速释放，7 d 后

释放减慢，在7~34 d 里以每天平均0.22％的速率缓慢释放。由于微球在第一天的释放量最大，因此进一步分析其释放机制，结果表明（如表2、图3），微球浸泡的第一天，其氮素释放量在浸泡的前4小时释放量较大，占总量的8.24%。随着时间延长，其释放速率减缓，即从第4小时至第24小时释放量占总量的5.19%。

-0.1

00.10.20.30.40.50.60.7浓度 concentration (mg ·L -1

) 吸光度A b s o r b e n c y

图1 氮元素标准曲线图

Fig1 Standard curve of nitrogen

醋交联剂中固化成球浸泡，取样凯氏定氮法测

绘制累积释放曲

电镜观察

表1 微球浸泡34 d 的氮素累积释放率

Table 1 The nitrogen accumulation releasing rate of micro-ball soaked in water for 34 days 时间(天)/Time(day) 1 4 7 10 13 16 22 28 34 累积释放量/%

Accumulative release amount

13.43

19.99

22.89

23.59

24.83

25.89

27.12 27.78 29.03

表2微球浸泡24小时的氮素累积释放率

Table 2 The nitrogen cumulative release rate of micro-ball soaked in water for 24 hours 时间(小时)/Time(hour)

4 8 12 16 20 24 累积释放量/% Accumulative release amount

8.24

8.95

9.62

10.43

11.62 13.43

3.3优化条件下微球的结构特征

05101520253035

10

20

30

40

图2微球浸泡34 天后氮素累积释放量曲线

Fig2 Nitrogen accumulation releasing curves of micro-ball after soaked in water for 34 days

累积释放率(%)

C u m u l a t i v e r e l e a s i n g r a t e (%)

浸泡时间（天） Soaking times (d)

0246810121416

10

20

30

图3微球浸泡24 h 内养分累积释放量曲线

Fig3 Nutrient accumulation releasing curves of micro-ball after soaked in water for 24 hours

累积释放率(%)

C u m u l a t i v e r e l e a s i n g r a t e (%)

浸泡时间（小时） Soaking times (time)