研究人员使用纤维素开发缓释肥料和自肥繁殖盆

隶属于位于巴西圣保罗州阿拉拉斯的圣卡洛斯联邦大学(UFSCar)聚合物材料和生物吸附剂实验室的一个研究小组已经生产并正在测试用于提高效率的肥料的纤维素基材料，以改善肥料的供应。为作物提供养分，并减少不可生物降解的化学物质释放到生态系统中。

CarbohydratePolymers上的文章，第一作者是DéboraFrança。在这里，研究人员描述了他们如何使用改性纳米纤维素以可控的方式将肥料中的养分缓慢地排放到土壤中，因为氮、磷和钾是高度可溶的。

“钾因其高离子迁移率而被雨水迅速冲走。它最难以受控方式释放。氮可以从各种来源获得，例如硝酸盐、氨和尿素，但植物最容易获得所需的氮来自硝酸盐，它也很容易被冲走并且不会长时间留在土壤中。磷[作为磷酸盐]是一种非常大的离子，比其他常量营养素的移动性更小，”负责聚合材料和生物吸附剂研究的Faez说UFSCarAraras的团队。

她补充说，市场上有控释产品，但大多数是由合成聚合物制成的，这些聚合物是不可生物降解的。“肥料颗粒的大小与粗海盐颗粒差不多。为了确保营养物质缓慢释放，它们涂有一层聚合物，每层可持续约两个月，因此制造商涂了两层、三层或四层涂层，根据到控制释放所需的时间长度，”Faez解释说，并指出所讨论的聚合物是塑料并保留在土壤中，最终降解成几乎永远存在的微粒。

UFSCar的研究人员开发了一种完全不同的产品，其中改性纳米纤维素和矿物盐之间的化学反应将养分保留在土壤中。“我们专注于最严重的问题，即硝酸盐和钾。我们开发的材料是完全可生物降解的，并且释放这些营养物质的速度与可用的合成材料大致相同，”Faez说。

纳米纤维素是从一家造纸厂捐赠的纯纤维素中获得的。用正电荷和负电荷对纳米原纤维进行功能化，以增强聚合物-营养物质的相互作用。“由于盐也由带正电或带负电的颗粒组成并且高度可溶，我们假设带负电的纳米纤维素会与盐中的正离子发生反应，而带正电的纳米纤维素会与负离子相互作用，从而降低盐的溶解度。事实证明确实如此，该小组成功地根据材料中颗粒的类型调节营养释放，”França说。

土壤评估

该小组以片剂的形式制造了该产品，并评估了其向土壤中释放养分的性能。评估释放到水中是常用的方法，而水是与土壤截然不同的系统。这部分研究是与阿拉拉斯CCA-UFSCar自然资源与环境保护系的教授ClaudineiFonsecaSouza合作进行的。

“我们在100天内评估了土壤中的养分释放和材料的生物降解情况。但我们故意使用非常贫瘠的土壤，几乎没有有机物，因为这使我们能够更容易地看到释放的物理效应，”Faez说。

研究人员使用两种技术来获得片剂：雾化和喷雾干燥，用纳米纤维素包裹营养物质，然后对所得粉末进行热处理，然后在模具中压制。这项工作是在隶属于EMPA(瑞士联邦材料科学与技术实验室)的纤维素和木材材料实验室的同事的帮助下完成的，并与由Souza领导的UFSCar的水、土壤和环境工程研究小组合作完成。França在EMPA实习期间进行了纤维素改性。

自受精

该小组最近发表的第二篇文章发表在IndustrialCropsandProducts上，化学家LucasLuizMessa为第一作者。该研究的目的是从甘蔗渣中提取纤维素，并通过磷酸化(添加磷基团)使其表面带负电荷，以控制钾的释放。从理论上讲，植物营养的传递会因纤维素磷酸化而减慢，这会产生与大量营养素和微量营养素阳离子结合的表面阴离子电荷。

该小组用磷酸化纤维素制备了三种结构：烘干的纸状薄膜;喷雾干燥粉末;和类似于聚苯乙烯泡沫的冻干多孔块。观察到冷冻干燥或冻干会在除水留下的空隙中留下营养物质。

“从技术上讲，纸状结构是我们生产的用于控制营养输送的最佳材料。使用这种纸可以制造出几种产品，”Faez说。

在Messa领导的研究中获得的结果使该小组能够开发用于育苗的小型繁殖盆。当这种材料降解时，它所含的磷会被释放出来。据Faez介绍，纤维素磷酸化很便宜，最终产品的成本也相对较低。“每生产一克纸或多或少0.27巴西雷亚尔。繁殖罐必须约为1克。因此，就实验室成本而言，单位成本约为0.30巴西雷亚尔，”她说。

市场上已经有可生物降解的繁殖盆。“但我们的产品具有内置肥料，这是一个主要的竞争优势。事实上，我们已经提交了专利申请，”她说。

该花盆即将由圣保罗州霍兰布拉的花卉生产商试用。实验室生产的几批已经运到那里。迄今为止，仅在水中测试了营养物质的释放。“我们称其为加速离子释放评估方法，因为它在水中更快，但即使在水中，我们发现与离子在材料中和没有材料时的行为相比，释放速率要慢40%-50%。即使在水，因此，我们成功地保留了这些离子。我们假设在基质中的输送速度会更慢，”她说。

Messa得到了加州大学戴维斯分校(美国)的一位同事的协助，他在那里担任研究实习生。