含氮磷聚合物復合材料植物培養基的制備

耿陽陽，劉亞青

（中北大學山西省高分子復合材料工程技術研究中心/中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051）

【研究意義】我國受人口增長、土地減少的挑戰非常嚴峻，要使國民經濟保持可持續發展，不斷提高國民生活水平，必須不斷提高有限土地面積的生產效率，開拓農業生產的空間［1］，無土栽培可提供超過普通土壤栽培幾倍甚至十多倍的產品數量［2］。我國是水資源相當貧乏的國家，被列為世界上13 個貧水國之一［3］，無土栽培作為節水農業的有效手段，將在干旱缺水地區發揮重要作用［4］。我國無土栽培方式主要有基質培和水培兩種［5］：固體基質培主要包括有機生態型基質培、基質袋培、立體培、巖棉培等形式，基質只起到物理吸水的效果，無儲存養分的作用；水培目前以營養液膜技術（NFT）和浮板毛管水培技術（FCH）兩種為主。營養液膜技術（NFT）的特點是循環供液的液流呈膜狀，僅以數毫米厚的淺液流流經栽培槽底部，水培作物的根墊底部接觸淺液流吸水、吸肥，上部暴露在濕氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾，但存在液流淺、液溫不穩定、一旦停電停水植株易枯萎以及根際環境穩定性差等不足，限制了其發展［6］；而浮板毛管水培技術（FCH）使用完的浮板毛管不可降解，污染環境且工藝相對復雜［7］。

【前人研究進展】水凝膠作為一種具有良好親水性、可生物降解性和生物相容性的功能材料［8］，在食品、農業、工業和生物醫學等領域得到廣泛研究［9］。研究人員指出，水凝膠可以作為種子生長的介質，為種子生長保存水分和營養物質，水凝膠中95%以上的水分能逐漸釋放到根系［10］。但是，傳統水凝膠的力學性能、透氣性能較差，且傳統水凝膠的基體不可降解，易對環境造成負面影響，利用海藻酸鈉、聚乙烯醇等可生物降解聚合物制備的水凝膠，由于其無毒、可生物降解、化學穩定性好、親水性強等特點［11］，有望成為不可降解材料的有吸引力的替代品。【本研究切入點】針對植物根系對氧氣非常敏感且現有水凝膠培養基力學性、透氣性較差的問題，利用PVA 物理交聯、Ca2+與SA 離子交聯形成雙交聯網絡結構，采用低溫造孔和化學造孔有機結合的方法，能夠有效調控制備得到的聚合物雙交聯網絡水凝膠無土栽培基質的孔隙結構。【擬解決的關鍵問題】聚合物雙交聯網絡水凝膠不僅具有期望的強度，而且還具有更多的孔洞來滿足植物呼吸以及對水分的需求，為種子的萌發和生長提供環境。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

聚乙烯醇（PVA），上海阿拉丁生化科技股份有限公司，1799 型，醇解度98～99%；海藻酸鈉（SA）、甲醛、尿素、氫氧化鉀，天津市大茂化學試劑廠；檸檬酸（C6H8O7），天津市凱通化學試劑有限公司；碳酸鈣（CaCO3）、磷酸二氫鈣［Ca(H2PO4)2］，天津市天力化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 樣品制備

1.2.1 羥甲基脲（MU）參考張曉鵬等［12］工藝：將25 g 去離子水添加到含有40 g 甲醛的錐形瓶中，200 r/min 機械攪拌10 min，用滴管滴加5% KOH溶液將pH 調至8；按照n(尿素)/n(甲醛)=1.2 ∶1的比例將35.6 g 尿素加入到甲醛溶液中，常溫、200 r/min 機械攪拌30 min 至尿素完全溶解；調節溫度至40 ℃，機械攪拌2 h，得到MU 溶液。

1.2.2 Ca2+-SA/PVA 水凝膠 將去離子水沿杯壁加入有PVA的燒杯中，96 ℃水浴鍋中機械攪拌1 h 使PVA 完全溶解，配制不同質量分數（10%、15%、20%）的PVA 溶液，取出溶解均勻的溶液自然冷卻到室溫；取20 mL PVA 溶液于燒杯中，在80 W 超聲的條件下，按照PVA ∶SA=5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1 一次性加入海藻酸鈉，超聲攪拌0.5 h，機械攪拌0.5 h；然后在80 W 超聲的條件下，分批次加入碳酸鈣（SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1）和0.05 g 磷酸二氫鈣，超聲攪拌1 h；之后沿杯壁緩緩加入5%檸檬酸10 mL，機械攪拌均勻，將樣品放置在液氮冷凍10 min 后取出，放在26 ℃室溫完全溶解為止（凍融過程循環3 次）［13］。所用試劑比列均為質量比。

1.2.3 Ca2+-SA/PVA-MU水凝膠 將去離子水沿杯壁加入有PVA的燒杯中，96 ℃水浴鍋中機械攪拌1 h 使PVA 完全溶解，配制不同質量分數（10%、15%、20%）的PVA 溶液，取出溶解均勻的溶液自然冷卻到室溫；取20 mL PVA 溶液于燒杯中，在80 W 超聲的條件下，按照PVA ∶SA=5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1 一次性加入海藻酸鈉，超聲攪拌0.5 h，機械攪拌0.5 h；在80 W 超聲的條件下，分批次加入碳酸 鈣（SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1）和0.05 g 磷酸二氫鈣，超聲攪拌1 h；用滴管逐滴滴加0.05 mL MU，超聲攪拌1 h 至混合均勻；之后沿杯壁緩緩加入10 mL 5%的檸檬酸，機械攪拌均勻，將樣品放置在液氮冷凍10 min后取出，放在26 ℃室溫完全溶解為止（凍融過程循環3 次）［13］。所用試劑比列均為質量比。

1.3 測試與表征

采用Nicolet-IS50 紅外光譜儀和ATR 裝置在500～4 000 cm-1范圍內測試Ca2+-SA/PVA 和 Ca2+-SA/PVA-MU的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。使用熱重分析儀（TGA，TA Q50）研究樣品在氮氣氣氛中的熱穩定性。使用差示掃描量熱儀（TA-DSC-Q200）測定樣品的Tg 值。干燥后的樣品在氮氣氣氛下以5 ℃/min的速率從40 ℃加熱到240 ℃，以熱流驟減開始為Tg。用掃描電鏡（SEM，日立u8100）觀察樣品的表面形貌，并通過其上裝配的能譜儀（EDX，IXRF Model 550i）測定樣品表面元素組成和分布。

采用德國電子萬能試驗機在室溫下測定生物降解納米聚合物復合材料生長培養基的力學性能（壓縮強度），試樣為圓柱形，直徑32（±1）mm，高度38（±1）mm，表面光滑，上下兩表面平行，按照4 mm/min的壓縮速率調整好試驗機，將測定高度的試樣放入上下壓板之間，緩慢調整上壓板使之與試樣接觸，但不得使試樣產生變形，然后緊固壓板，開啟試驗機對樣品進行壓縮性能測試［14］。

1.4 油菜種子萌發試驗

試驗于2021 年5—9 月在山西省太原市中北大學實驗室進行。為了研究合成的水凝膠是否會影響種子的萌發和幼苗發育，將油菜種子分別植于常規SA/PVA、SA ∶CaCO3=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1的Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯網絡水凝膠無土栽培基質（高38 cm、直徑32 cm）表層（0.5 cm 深），每個培養基中均勻播下9 粒油菜種子，每個處理3 次重復。

1.5 數據分析

利用Nano Measurer 計算樣品單位面積氣孔分布。通過適用于Windows的SPSS Statistics 20.0 軟件對所有數據進行統計分析。使用Origin 9.0 軟件（Origin Lab,MA,USA）進行曲線擬合。樣品之間差異顯著性通過Duncan多范圍檢驗確定［15］。

2 結果與分析

2.1 Ca2+-SA/PVA-MU 水凝膠的SEM 表征及孔徑分析

為突出超大孔的形貌，本研究將普通SA/PVA 水凝膠和Ca2+-SA/PVA-MU 水凝膠的SEM圖像（圖1）進行對比，觀察到圖1A 有小而密的孔，圖1B 中有相對較大的孔洞，圖1C 是圖1B標注處的放大圖，通過SEM 觀察到除化學造孔外，水凝膠中還存有PVA 在低溫下得到的孔洞，可知Ca2+-PVA/SA-MU 水凝膠具有大孔與微孔的多級結構。因此，從圖1B 得到檸檬酸與碳酸鈣產生化學反應生成CO2形成理想的孔洞。

為證明物質分散均勻程度，通過EDS 測試SA、CaCO3、MU、Ca(H2PO4)2在溶液中的分散性，圖1D、E、F、H 表明物質在溶液中分散均勻。

圖1 Ca2+-SA/PVA-MU 雙網絡水凝膠SEM 與各物質成分在溶液中分散的EDS 測試結果Fig.1 SEM of Ca2+ -Sa/PVA-MU double network hydrogel and EDS result of dispersion of each component in solution

為證明培養基中孔洞的分布及大小，對其進行孔徑分布分析，結果（圖2、圖3）顯示，化學造孔輔助PVA 低溫造孔孔徑在2～10 μm 之間，分布相對均勻且密度較大；化學法制備超大孔水凝膠孔徑在0.3～1.3 mm 之間，為普通水凝膠孔徑的130～150 倍，大孔主要集中在區間內，分布相對密集。因此，檸檬酸與碳酸鈣反應形成了理想孔洞。

圖2 化學造孔輔助PVA 低溫造孔孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of chemical pore-making assisted PVA at low temperature

圖3 化學法制備超大孔水凝膠孔徑分布Fig.3 Pore size distribution of super-large pore hydrogel prepared by chemical method

2.2 Ca2+-PVA/SA 與Ca2+-PVA/SA-MU的FTIR 對比分析

從FTIR 測試結果（圖4）可知，與MU 曲線比較，波數3 481 和3 204 cm-1雙峰歸屬于Ca2+-SA/PVA-MU 中MU 組分伯酰胺的 N-H 伸縮振動（與Zhang 等［16］的MU 峰一致），證實MU 組分確實復合到Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠中。

圖4 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的FTIR 圖Fig.4 FTIR diagram of Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

2.3 Ca2+-PVA/SA 與Ca2+-PVA/SA-MU的TG、DTG 對比分析

Ca2+-SA/PVA 和Ca2+-SA/PVA-MU的TG、DTG 曲線如圖5、圖6 所示。由圖5、圖6 可知，當MU 加入到Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠中時，Ca2+-SA/PVA-MU的熱穩定性在200～300 ℃出現了一定程度的降低，其原因是Ca2+-SA/PVA

圖5 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的TG 曲線Fig.5 TG diagram of Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

圖6 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的DTG 曲線Fig.6 DTG diagram of Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

2.4 PVA 與SA 不同配比及MU 對水凝膠壓縮強度的影響

PVA ∶SA的比例對水凝膠力學性能影響較大，且培養基的壓縮強度越高，植物直立生長越好，因此，對PVA ∶SA=5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1的培養基進行力學性能測試，壓縮強度應力-應變曲線如圖7 所示。水凝膠的壓縮強度隨PVA ∶SA=5 ∶1-20 ∶1 增大而增大，這是由于PVA 作為凝膠支架保持水凝膠外形，而海藻酸鈉與Ca2+交聯網絡為水凝膠提供力學性能。當海藻酸鈉占比較大時，Ca2+與雙交聯網絡水凝膠的PVA 分子鏈間由于強烈的氫鍵作用，使得Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠分子鏈的網絡排列相對規整，當MU 加入到Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠中后，破壞了PVA 分子鏈間的氫鍵作用，使Ca2+-SA/PVA-MU的降解溫度向左移動，且MU 與Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠形成新的氫鍵鏈接，這使得Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯網絡水凝膠更容易在較低的溫度下被分解。300 ℃后，Ca2+-SA/PVA-MU的熱穩定性高于Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠的熱穩定性，這是由于MU 物質本身熱穩定性較高，MU組分復合到Ca2+-SA/PVA 雙交聯網絡水凝膠中會導致Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯網絡水凝膠的熱穩定性提高。海藻酸鈉未充分交聯，多余的海藻酸鈉導致形成的離子交聯網絡較少，培養基力學性能較差；當PVA ∶SA=25 ∶1 時，海藻酸鈉占比減小，多余的Ca2+導致Ca2+與海藻酸鈉交聯網絡數量減少，難以抵抗外界載荷，培養基的力學性能也較差。綜上，PVA ∶SA=20 ∶1的水凝膠培養基力學性能最好。

圖7 PVA:SA 不同配比壓縮強度應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of compressive strength at different ratios of PVA:SA

Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的壓縮強度對比試驗結果（圖8）表明，Ca2+-SA/PVA-MU水凝膠的壓縮強度比Ca2+-SA/PVA 水凝膠小，加入MU會使Ca2+-SA/PVA水凝膠的壓縮強度下降，這是由于MU的加入破壞了部分PVA 分子間氫鍵，使PVA 中羥基之間的氫鍵解離，MU 在Ca2+-SA/PVA 雙網絡水凝膠中形成額外的交聯點，導致Ca2+-SA/ PVA-MU 水凝膠的壓縮強度略低于Ca2+-SA/PVA 水凝膠，但壓縮強度下降不明顯，對植物培養基性能無影響。

圖8 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU 壓縮強度對比Fig.8 Compressive strength comparison between Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

2.5 SA 與Ca2+不同配比及養分對幼苗的影響

適宜的水分、養分和氧氣對種子萌發和幼苗生長非常重要。為研究合成水凝膠是否影響種子萌發和幼苗發育，將油菜種子植于培養基表層(0.5 cm 深)，如圖9 所示，每個培養基中均勻放入種子，研究Ca2+與SA 不同配比及養分對幼苗的影響，每組實驗3 種培養基3 個重復，本研究選中取具有代表性的培養基（SA ∶Ca2+=40 ∶1、PVA ∶SA=20 ∶1）進行說明。因此，含適當養分的可控孔洞水凝膠可作為無土栽培的合適選擇，因為這是由于MU、Ca(H2PO4)2和孔洞的存在可促進種子萌發和幼苗生長。油菜種子在培養基中上的萌發生長如圖10 所示。

圖9 種子植入培養基情況Fig.9 Seed implantation medium

圖10 油菜種子在培養基中生長情況Fig.10 Rapeseed seed growth in medium

考察油菜種子在不同培養基上的萌發情況，圖11 分別為SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1的Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯網絡水凝膠培養基、常規SA/PVA 水凝膠培養基隨時間增加的發芽率。由圖11 可知，油菜種子在Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯網絡水凝膠培養基的發芽率整體優于常規SA/PVA 水凝膠培養基；SA ∶Ca2+=40 ∶1 上的油菜種子發芽較其他培養基好，發芽率在第3 天最高，5 天后達到100%，而常規SA/PVA 水凝膠培養基上的種子萌發率從42%提高到94%后沒有進一步提高；油菜種子在SA ∶Ca2+=40 ∶1 上高效萌發是由于SA ∶Ca2+=40 ∶1 具有相對均勻的大孔結構和適當的MU、Ca(H2PO4)2含量，提供了大量水分、養分和氧氣。

圖11 油菜種子發芽率Fig.11 Seed germination rate of rapeseed

進一步研究不同培養基對油菜幼苗生長發育的影響，幼苗根長、莖長、鮮質量、干質量如圖12～圖13 所示，SA ∶Ca2+=40 ∶1 培養基上發芽生長的幼苗根系較SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、50 ∶1 培養基上長，鮮質量、干質量較大，表明適宜MU、Ca(H2PO4)2含量和孔洞的水凝膠有利于種子萌發生長。

圖12 根和莖的長度比較Fig.12 Comparison of root and stem lengths

圖13 鮮、干狀態下播種質量比較Fig.13 Comparison of sowing weight under fresh and dry conditions

3 討論

本研究中，造孔劑與造孔助劑化學反應產生的CO2是孔洞的主要來源，而造孔劑與造孔助劑的用量取決于SA 用量，因此可通過調節Ca2+與SA 比例來控制孔洞的量。SEM 掃描圖像表明，化學造孔產生了理想孔洞。盆栽試驗表明，當SA ∶Ca2+-MU=40 ∶1 時，油菜種子在第3 天發芽率最高，鮮質量、干質量較大，根長較長，生長最好，其原因是當SA ∶Ca2+=40 ∶1 時很好地抑制了CO2消失速度，使培養基在合成過程中產生足夠的孔洞，為水和空氣進出提供了通道，從而滿足植物生長培養基的要求。與ZHANG 等［17］研究相比較，本試驗優勢在于水凝膠培養基中有額外的化學造孔，形成更多孔洞來滿足植物呼吸和保水需求。本研究利用MU、Ca(H2PO4)2作為培養基的肥料供應，實現肥料基質一體化也是一大突出優點，在國內外研究水凝膠作為培養基的文獻中，植物均利用基質中僅存的營養元素，但整個生長期植株生長都需要大量營養元素［18］。本研究通過TG、DTG、FTIR 表征可知，MU 能與PVA形成氫鍵作用。因此，加入本研究的MU 肥料，不僅能與PVA 形成氫鍵作用，還有利于植物生長，可實現肥料基質一體化的目的。

植物培養基的力學性能是植物直立生長的重要因素。在國內外研究中發現為改善水凝膠的力學性能，研究人員進行了許多探索，如雙交聯水凝膠、雙網絡水凝膠、有機-無機雜化水凝膠和納米復合水凝膠等［19］。本研究選擇雙交聯網絡水凝膠培養基作為基體，雙交聯網絡水凝膠被認為是克服上述挑戰的最有希望的水凝膠體系之一［20］。現有文獻中雙交聯網絡水凝膠在醫學領域應用廣泛，而在農學植物培養基中的應用鮮有報道［21］。本研究中PVA ∶SA的比例對水凝膠力學性能影響較大，應力-應變曲線表明，PVA ∶SA=20 ∶1 時植物培養基壓縮性能最好，這是由于Ca2+-SA/PVA-MU 培養基的力學性能一部分取決于二價陽離子與藻酸鹽聚合物中甘露糖醛酸（M 單元）和古洛糖醛酸（G 單元）之間相互作用形成的離子交聯網絡［22］，另一部分取決于PVA 在低溫下反復凍融形成的物理交聯網絡。水凝膠由兩種不同的互穿網絡組成，它們相互協同作用，使水凝膠具有綜合力學性能。

本研究對CaCO3的應用較巧妙，CaCO3不僅作為造孔劑與造孔助劑反應產生孔洞，而且利用Ca2+與SA 發生離子交聯產生交聯網絡。同時，利用羥甲基脲釋放氮養分，磷酸二氫鈣不僅能釋放磷養分，從而實現了肥料、基質一體化。

4 結論

本研究通過SEM 掃描圖像觀察到Ca2+-SA/PVA-MU 水凝膠中存在化學反應的大孔結構與化學法輔助低溫造孔的小孔結構，表明Ca2+-PVA/SA-MU 水凝膠具有大孔與微孔交叉的結構；利用Nano Measurer 計算樣品單位面積氣孔分布及大小，表明檸檬酸與碳酸鈣反應形成理想孔洞。通過TG、DTG、FTIR 表征可知，MU 與PVA 形成氫鍵作用；通過調節PVA 與SA的比例制備了雙交聯網絡水凝膠，當PVA ∶SA=20 ∶1 時，Ca2+-SA/PVA 水凝膠的力學性能最好，加入MU后植物培養基力學性能下降。培養試驗結果表明，培養基SA ∶Ca2+-MU=40 ∶1 時，油菜出苗率最好，根長最長，鮮質量、干質量最大，加入MU、Ca(H2PO4)2有利于油菜生長。