智能新型肥料技术创新研究1聚多巴胺 [复制链接]

文章导读

近日，郑州大学国家钙镁磷复合肥技术研究推广中心侯翠红教授团队发表了一篇题为《智能新型肥料研究进展》的论文，介绍了目前智能肥料的研究情况、应用现状与面临的问题及未来智能肥料的发展前景，并指出选择价格相对低廉的制造材料，优化智能肥料的制备工艺是未来需要解决的核心问题。

文章认为，对比普通化学肥料，传统的缓释肥料虽然可以做到养分“缓慢”释放，但不能根据植物实际需求来释放养分，而“智能”肥料可以通过各种渠道、机制来感应外界条件变化，从而使肥料对不同时期农作物的养分需求做出敏感性回应从而释放养分，此释放模式很大程度上与植物的生长周期相契合，从而避免了肥料浪费，增加其利用效率，具有智能控释效果。年12月，《科学美国人》月刊联合世界经济论坛将智能肥料入选为年“十大新兴技术”。

该文重点阐述了3种类型智能肥料的研究现状，以聚多巴胺为基础的智能肥料，以水凝胶为主体的肥料以及“智能”材料为基础的肥料，针对智能肥料现存的问题，对未来智能肥料的发展进行展望。

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以聚多巴胺为基础的智能肥料

研究发现多巴胺对在碱性或者盐胁迫下的植物有明显的改善生长作用，且多巴胺可增加土壤中有效磷的含量和增强碱性磷酸酶的活性。此外，多巴胺又是一种含有特殊官能团的多功能分子，具有自聚合、锚定能力、特殊识别等功能，并能聚沉在各种有机无机物表面。聚多巴胺的化学功能性又能作为多种二次反应的平台,为新型肥料研发提供新的思路。

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聚多巴胺黏附作用

聚多巴胺在新型肥料研究中使用广泛，其可作为内涂层，对营养物质进行保护与控释，且多巴胺是黏附蛋白主要成分多巴的结构模拟物，具有强黏附作用。如Qi等以磷酸锌铵（AZP）作为核心营养元素，用聚多巴胺薄膜作为内涂层，利用氢键作用与羧甲基淀粉钠（SCS）结合作为外包膜，SCS的羧基通过螯合可以有效地固定Fe3+。养分释放行为表明多元复合肥（MCF）表现出缓释行为，在30d内释放了63%的锌、59%的磷与约51%的铁。

Li等据此采用逐层（LBL）静电自组装技术制备了一种环境响应肥料，该肥料首先利用多巴胺自聚作用黏附在营养基质的表面，然后将天然多糖壳聚糖和木质素磺酸钠沉积在聚多巴胺层上。肥料的养分释放有着出色的pH响应行为，同时盆栽试验表明，肥料的养分利用效率提高并能显著促进作物生长。

这两种智能型肥料可以提升养分利用率和养分释放与植物需求的同步性，但其应用领域并不广泛，比较适用于园艺种植与观赏园区等。

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聚多巴胺涂层功能性作用

此外，聚多巴胺涂层含有大量儿茶酚/苯醌基团，故聚多巴胺涂层表面还可以进行二次反应，根据应用要求制备功能性的材料表面，如螯合营养元素，接枝聚合物等。

如Ji等利用正电荷功能化的中孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）以提高农药和化肥的装载能力，然后通过聚多巴胺（PDA）的自聚合作用包覆纳米颗粒，PDA成为微量营养元素（Zn2+）控释的螯合剂，再负载上小分子农药2,4-D钠盐，制备得到MSNs-TA

PDA-Zn

2,4-D农药-肥料组合的纳米复合材料。PDA涂层作为农药保护层，可通过改变PDA层的厚度调节其释放速率，同时它可提高纳米复合材料的黏合能力以减少养分损失。与普通的纳米复合材料相比，药肥合一的复合材料功能更加多样化，能够充分发挥除草和营养对植物的生长协同作用。纳米材料在农业上的应用越来越广泛，但其负载能力与稳定性仍有待提升与完善。

依据多巴胺涂层特点，Ma等将多巴胺化学和表面引发的原子转移自由基聚合技术（SI-ATRP）相结合，设计了“聚多巴胺-g-聚合物刷”结构，在肥料芯上包覆聚多巴胺接枝的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）双层薄膜成功制备出一种新型温度敏感型肥料。该热敏性肥料的聚合物刷能够感应环境温度并改变形状，从而达到改变包裹养分的释放速率的效果。在37℃(高于PNIPAm的LCST)时，PNIPAm聚合物处于折叠状态，两层聚合物涂层使得养分释放速率大幅度降低，60d时养分仅释放33%；在25℃时，聚合物处于伸展状态，使得养分渗透速率加快，60d时养分释放达到39%。

图1聚多巴胺包衣的肥料接枝PNIPAm的制备示意图

采用类似原理，Feng等以磷酸锌铵作为多元素复合肥(MCF)肥料核心，以聚多巴胺(Pdop)作为包膜层材料，在包膜层表面接枝聚（N，N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯）（PDMAMEA）聚合物刷，制备出具有pH和温度双重敏感性的“智能”肥料MCF

Pdop-g-PDMAEMA。该肥料是根据PDMAEMA聚合物刷的响应开关行为来控制包裹在内层的肥料芯的养分释放行为。经对比，MCF

Pdop-g-PDMAEMA养分释放速率比MCF

Pdop的释放速率慢且对温度与pH都具有响应性。

以聚多巴胺为基础的智能肥料对作物的生长有积极地促进作用，并为新型功能性肥料的研究提供重要思路，但仍存在一些缺点：①肥料合成工艺比较复杂且合成周期较长；②该类肥料使用的肥料核心选择有限，应用范围变小，且合成过程中使用的聚合物的残留也可能会对土壤造成影响；③以聚多巴胺为基础的温度敏感型肥料为代表，目前大部分温度敏感型肥料对温度的响应范围与实际环境温度变化不能完全相符。但多巴胺自聚合条件简单，且形成的涂层功能多样化，这对新型肥料制备有着重要指导意义。

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作者按

随着科学技术的发展，肥料领域将进入智能化发展阶段。目前来看，传统肥料的局限性越来越突出，过度的施肥、低肥料利用率等情况愈发引起研究人员