王維聰，張馨睿，滕敏，黃占華

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，土壤退化問(wèn)題已經(jīng)成為世界性的急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。施用土壤改良劑是改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤酸堿度和提高土壤肥力的有效辦法。但傳統(tǒng)改良劑存在效率低、難降解、損害環(huán)境及無(wú)法提供作物養(yǎng)分等問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)高效、綠色及長(zhǎng)期的養(yǎng)分供給已成為土壤改良劑現(xiàn)階段面臨的最大問(wèn)題。隨著緩釋技術(shù)的不斷發(fā)展和工藝成本的不斷降低，一次性施用的緩釋型土壤改良劑備受青睞。建立良好的緩釋體系可以有效調(diào)控改良劑的釋放速率，延長(zhǎng)作用時(shí)間，提高改良劑的利用效率[1]。但其仍存在以下缺點(diǎn)：一是不能對(duì)外界環(huán)境如溫度、pH及鹽分含量等做出響應(yīng)；二是制備過(guò)程復(fù)雜，制造成本高；三是降解難度大且會(huì)對(duì)土壤造成污染。因此，開發(fā)一種低成本、制備簡(jiǎn)單、對(duì)外界環(huán)境響應(yīng)的土壤改良劑緩釋體系尤為重要。

海藻酸鈉(SA)作為一種常用的納米控釋材料，具有無(wú)毒、良好的生物相容性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于包埋和緩釋領(lǐng)域[2]。Sathisaran等[3]利用殼聚糖/海藻酸鈉和明膠/海藻酸鈉包埋尿素制備土壤調(diào)理劑，其溶脹研究表明殼聚糖-海藻酸鹽和明膠-海藻酸鹽微球在酸性條件下具有較強(qiáng)的溶脹性。Xie等[4]利用淀粉/殼聚糖/海藻酸鈣凝膠球控釋螺蟲霉素，螺蟲霉素在1 h內(nèi)呈現(xiàn)突釋，釋放率約為40%，并在15 h內(nèi)趨于穩(wěn)定。Zhang等[5]通過(guò)SA交聯(lián)聚丙烯酰胺制備了互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠緩釋農(nóng)藥，水凝膠在54 h釋放農(nóng)藥的量為34.4%。但單一的SA凝膠球存在機(jī)械強(qiáng)度低、遇水溶脹以及突釋嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此常采用物理化學(xué)方法進(jìn)行改性。SA凝膠球中加入低成本的無(wú)機(jī)材料是克服其缺陷的有效途徑[6]。生物質(zhì)炭作為一種低成本的無(wú)機(jī)材料，具有疏松多孔、比表面積大和官能團(tuán)豐富等特點(diǎn)，將其用于土壤改良體系中，可以起到改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤酸堿性、增加土壤微生物豐富度以及提高微量元素含量等作用[7]。生物質(zhì)炭引入到SA水凝膠中不僅可以提高對(duì)改良劑的固載，減少突釋，提高SA凝膠球的穩(wěn)定性[8]，還可以充分發(fā)揮生物質(zhì)炭的土壤改良作用，從而在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到養(yǎng)分控釋和改善土壤理化性質(zhì)的雙重作用。

以海藻酸鈉(SA)和木炭(AC)為原料，采用一體化滴注法制備了SA/AC凝膠球。研究了SA/AC凝膠球的微觀形貌，揭示了各組分間的相互作用，探究了AC在延長(zhǎng)SA/AC凝膠球緩釋性能方面的作用，揭示了SA/AC凝膠球在不同pH條件下的釋放規(guī)律和緩釋機(jī)理。為增強(qiáng)土壤改良劑的利用效率并延長(zhǎng)其使用時(shí)間，提供了一種低成本、簡(jiǎn)便易行的制備方法，在實(shí)際應(yīng)用中具有潛在的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

腐殖酸(HA，純度90%)，購(gòu)自上海麥克林生化技術(shù)公司；木炭(AC，比表面積2 673.53 m2/g，平均孔徑3.817 6 nm)，實(shí)驗(yàn)室自制；海藻酸鈉(SA)，購(gòu)自天津光復(fù)精細(xì)化工研究所；氫氧化鈉、鹽酸，購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、無(wú)水氯化鈣，購(gòu)自天津基準(zhǔn)化學(xué)試劑有限公司。以上藥品皆為分析純，實(shí)驗(yàn)室用水均為去離子水。

1.2 試驗(yàn)儀器

QUANTA200型掃描電子顯微鏡(SEM，荷蘭FEI)，IRPrestige-21型傅里葉紅外變換紅外光譜(FT-IR，日本島津)，ASAP2020型比表面及孔徑分析儀(美國(guó)Micromeritics)，F(xiàn)D-1A-50型冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，TU-1950型紫外可見分光光度計(jì)(北京普析儀器有限公司)，EL20型pH計(jì)(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)，JY92-2D型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)。

1.3 木炭的制備

將廢棄木料粉碎，用去離子水反復(fù)洗滌并過(guò)濾去除雜質(zhì)，在80 ℃下烘至質(zhì)量恒定得到干燥的木粉。將木粉置于管式爐中，在N2氣氛下升溫至250 ℃并恒溫2 h，升溫速率為5 ℃/min。將預(yù)碳化后的粉末(C)與氫氧化鉀按一定的質(zhì)量比混合并置于燒杯中，分散均勻并在80 ℃烘干，將烘干后的樣品放置于管式爐中，在N2氣氛下升溫至800 ℃，恒溫2 h，升溫速率5 ℃/min。取出炭化后的樣品，用1 mol/L HCl和去離子水反復(fù)洗滌至中性，80 ℃得到活化后的木炭(命名為AC-X，其中X為木炭與NaOH的質(zhì)量比，X=1，3或5)。

1.4 海藻酸鈉/木炭凝膠球的制備

將0.5 g SA溶解于50 mL的HA溶液(1 mg/mL)中，600 r/min下攪拌30 min，得到均勻的懸浮液；用針徑1.2 mm的注射泵滴入100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% CaCl2溶液中；靜置，用去離子水沖洗3～5次，冷凍干燥得到SA凝膠球。

將0.5 g AC粉末添加到上述HA溶液中超聲20 min，分散均勻后在黑暗條件下攪拌24 h；向混合溶液中加入SA并攪拌30 min，形成均勻懸浮液；用1.2 mm管徑的注射泵逐滴加入100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% CaCl2溶液中，靜置；用去離子水反復(fù)沖洗所得凝膠球，冷凍干燥得到SA/AC凝膠球。

1.5 凝膠球載藥率、緩釋性能及緩釋動(dòng)力學(xué)

制備過(guò)程中，凝膠球中加入的HA總質(zhì)量為W總，制備得到的凝膠球經(jīng)冷凍干燥后，將其置于50 mL pH為10.0的緩沖溶液中，通過(guò)細(xì)胞粉碎機(jī)破碎1 h，游離在溶液中的HA含量為WHA，并用下式計(jì)算凝膠球的載藥率：

載藥率=(WHA/W總)×100%

(1)

將50 mg的SA/AC凝膠球放入50 mL pH分別為4.0～10.0的緩沖溶液中。然后將系統(tǒng)穩(wěn)定在室溫下，定時(shí)抽取4 mL上清液，并將4 mL具有相同pH的緩沖溶液添加到相應(yīng)的系統(tǒng)中。然后，將抽取的上清液離心，取離心后的溶液，用紫外分光光度計(jì)于271 nm處檢測(cè)的HA濃度，并用下式計(jì)算HA的累積釋放量：

(2)

式中：Ct為溶液在時(shí)間t的質(zhì)量濃度，mg/mL；Vt為溶液在時(shí)間t的體積，mL；Vtotal是溶液的總體積，mL；m0是指SA/AC凝膠球中HA的總量，mg。

采用零級(jí)模型、一級(jí)模型、Higuchi模型和Ritger-Peppas模型分析HA在SA/AC凝膠球中的釋放動(dòng)力學(xué)[9]：

Mt/M∞=kt

(3)

ln (1-Mt/M∞)=-kt

(4)

Mt/M∞=kt1/2

(5)

Mt/M∞=ktn

(6)

式中：Mt/M∞是HA在時(shí)間t之前釋放的分?jǐn)?shù)；k是動(dòng)力學(xué)常數(shù)；n是反映釋放機(jī)制的指標(biāo)(n<0.43，符合Fick擴(kuò)散；0.430.85符合骨架溶解主導(dǎo)擴(kuò)散)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SA/AC凝膠球的結(jié)構(gòu)表征

SA/AC凝膠球在SEM下觀察得到的樣品形貌圖見圖1。圖1a和b為SA/AC凝膠球的表面形貌圖，其致密且粗糙的表面可在阻礙HA從凝膠球中釋放的過(guò)程中起關(guān)鍵作用。此外，凝膠球表面不規(guī)則地分布著AC顆粒，其存在為分布于凝膠球表面的HA提供了良好的載體。在制備方面，相比于手動(dòng)滴注法[10]，本研究利用的注射泵結(jié)合超聲、攪拌系統(tǒng)，通過(guò)有效控制注射速度，可以避免拖尾現(xiàn)象，得到的凝膠球質(zhì)地均勻，大小可控。圖1a的插圖為凝膠球的實(shí)物圖照片，可以清晰地看出SA/AC為大小均勻、直徑在1～2 mm的球體。圖1c和d為凝膠球橫截面的SEM圖，其直徑約為1.5 mm。凝膠球的橫截面呈現(xiàn)出不均勻的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸為10～500 μm。這種不均勻性可能是由于交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中水分的流失或AC嵌入凝膠球的三維骨架造成的[11]。從圖1d中可以看出，被SA包覆的AC顆粒分散在凝膠球的三維孔隙和骨架中，使得AC吸附的HA分子能夠更好地包覆在凝膠球內(nèi)，延長(zhǎng)其緩釋時(shí)間。

a、b) 表面結(jié)構(gòu)形貌圖; c、d) 橫切面結(jié)構(gòu)形貌圖。圖1 SA/AC凝膠球表面及橫切面結(jié)構(gòu)形貌圖Fig. 1 SEM images of the surface and cross-sections of SA/AC gel spheres

2.2 SA/AC凝膠球的結(jié)構(gòu)分析

由于比表面積(BET)對(duì)于HA的負(fù)載具有很大影響，因此通過(guò)N2吸附-脫附等溫線對(duì)樣品進(jìn)行了研究。如圖2a可知，AC-1具有最佳的吸附和解吸能力，其等溫線可歸為IV型等溫線，在中等壓力下(P/P0=0.4～0.9)的遲滯線表明存在大量的介孔[12]。根據(jù)BET分析可知，C、AC-1、AC-3和AC-5的比表面積分別為916.33，2 673.53，1 991.46和3 040.82 m2/g。與AC-1相比，AC-5的比表面積更大，但AC-1的介孔更加豐富，集中在5～10 nm(圖2b)，對(duì)大分子腐殖酸具有更好的吸附效果。這與HA的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(圖2c)。故后續(xù)試驗(yàn)采用AC-1來(lái)制備緩釋凝膠球。

a) N2吸脫附曲線圖; b) 孔徑分布圖; c) HA吸附量圖; d) 紅外分析圖。圖2 SA/AC凝膠球的N2吸脫附曲線圖、孔徑分布圖、HA吸附量圖和紅外分析圖Fig. 2 N2 adsorption and desorption curves, pore size distribution, HA adsorption amount, and infrared analysis of SA/AC gel spheres

2.3 SA/AC凝膠球的緩釋性能

SA/AC凝膠球的包覆率相比于SA凝膠球從54.89%提高到62.31%，這是由于AC為HA提供了豐富的吸附位點(diǎn)。但是AC也會(huì)對(duì)SA凝膠球的裝載率起到負(fù)面作用，AC會(huì)造成SA凝膠球的氫鍵作用力下降[16]，使凝膠球產(chǎn)生缺陷，造成HA更容易從凝膠球中擴(kuò)散。兩種作用相互疊加，導(dǎo)致SA/AC凝膠球的裝載率沒有顯著的提高。

SA/AC凝膠球在不同pH條件下的緩釋性能如圖3所示，與SA凝膠球相比，SA/AC凝膠球具有更優(yōu)異的緩釋效果。根據(jù)前人研究[11,17]，海藻酸鈉基凝膠球的緩釋時(shí)間大多在50～70 h，而本研究中SA/AC凝膠球在pH為4.0～10.0下達(dá)到緩釋平衡的時(shí)間為110～200 h。由此可知，筆者制備的凝膠球具有良好的緩釋性能。同時(shí)，當(dāng)pH從4.0增加到10.0時(shí)，200 h內(nèi)HA的累積釋放率由(31.89±0.26)%增加到(92.19±0.34)%，說(shuō)明SA/AC 凝膠球可以通過(guò)改變pH來(lái)控制HA的釋放。從圖3a可以看出，在不同pH條件下，HA從SA凝膠球中的釋放趨勢(shì)大致相同。在0～20 h內(nèi)，SA凝膠球均出現(xiàn)明顯的突釋現(xiàn)象，在pH 10.0的條件下，HA在20 h的釋放率高達(dá)(80.27±1.23)%。而SA/AC凝膠球在20 h時(shí)HA的釋放率僅為(48.47±0.78)%。這可能是由于釋放初期AC的加入延長(zhǎng)了SA/AC凝膠球吸水溶脹時(shí)間，同時(shí)由于AC具有較大的比表面積和豐富的孔隙度，可以有效負(fù)載HA，使得游離在SA/AC凝膠球三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的HA含量下降，導(dǎo)致HA在凝膠球內(nèi)外的濃度差降低，從而延長(zhǎng)了釋放時(shí)間。

圖3 SA凝膠球和SA/AC凝膠球在不同pH下的緩釋性能Fig. 3 Cumulative release of SA gel spheres and SA/AC gel spheres in different pH solutions

凝膠球在不同pH條件下的釋放實(shí)物圖見圖4。在酸性條件下，SA/AC凝膠球沒有明顯的溶脹，200 h以內(nèi)的存在狀態(tài)較為穩(wěn)定。在pH 7.0時(shí)，SA/AC凝膠球在20 h內(nèi)膨脹破裂。當(dāng)pH進(jìn)一步增加到8.0時(shí)，SA/AC凝膠球僅在1 h內(nèi)開始溶脹破裂，隨后形成大量的小顆粒。結(jié)果表明，SA/AC凝膠球的穩(wěn)定性隨著pH的增加而降低。其原因在于SA與CaCl2交聯(lián)生成的海藻酸鈣凝膠球傾向于在堿性條件下溶脹并溶解在水中，海藻酸鈣凝膠與Na+的離子交換作用導(dǎo)致Ca2+的釋放量隨pH的增加而增加。Ca2+的釋放增強(qiáng)了凝膠球中—COO—基團(tuán)間的靜電斥力，從而提高了凝膠球的溶脹性能[18]。由此可見，較高的pH可提高海藻酸鈣的溶解度，從而導(dǎo)致HA的釋放。

HA的釋放過(guò)程可分為2個(gè)階段，第1階段HA的釋放主要是由于SA/AC凝膠球內(nèi)外的HA產(chǎn)生濃度差，同時(shí)凝膠球溶脹破裂釋放出游離在凝膠球內(nèi)部的HA分子；第2階段HA的釋放主要發(fā)生在凝膠球破裂以后，其內(nèi)部三維網(wǎng)格中被海藻酸鈣包覆的AC被釋放出來(lái)，AC表面的海藻酸鈣發(fā)生溶解，HA由于擴(kuò)散作用從AC中脫附，從而使HA從AC內(nèi)部釋放到溶液中。

圖4 SA/AC凝膠球在不同pH下緩釋的實(shí)物圖Fig. 4 Digital photographs of SA/AC in phosphate buffer solutions of different pH values

2.4 不同pH條件下的緩釋動(dòng)力學(xué)模型擬合

將不同pH條件下的釋放動(dòng)力學(xué)曲線用零級(jí)、一級(jí)、Higuchi和Ritger-Peppas模型進(jìn)行擬合，分析SA凝膠球和SA/AC凝膠球中HA的釋放動(dòng)力學(xué)(圖5)。表1列出了4種數(shù)學(xué)模型的參數(shù)和回歸系數(shù)R2。其中，SA凝膠球在4種模型中一級(jí)模型的R2最高，所以一級(jí)模型能更好地反應(yīng)HA從SA凝膠球中的釋放(圖5b)。在釋放初期的突釋階段，凝膠球內(nèi)外的濃度差是影響HA釋放的主因。當(dāng)凝膠球溶解時(shí)，HA的釋放主要是受控于基質(zhì)溶蝕與擴(kuò)散滲透機(jī)制。然而，AC的加入使釋放機(jī)理發(fā)生了變化。對(duì)于SA/AC凝膠球，4種模型中Ritger-peppas模型的R2明顯高于其他模型，說(shuō)明其能更好地反應(yīng)HA從SA/AC凝膠球中的釋放。

圖5 SA凝膠球和SA/AC凝膠球在不同pH下的動(dòng)力學(xué)擬合曲線圖模型Fig. 5 Kinetic fitting curves of SA gel spheres and SA/AC gel spheres at different pH values

表1 SA凝膠球和SA/AC凝膠球在不同pH下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 The kinetic parameters of HA release of SA/HA gel spheres and SA/AC gel spheres at different pH values

如表1所示，HA的釋放機(jī)制與Ritger-Peppas模型中的釋放因子n有關(guān)，在pH 4.0～10.0的條件下，釋放因子n均小于0.43，說(shuō)明HA的釋放遵循Fick擴(kuò)散機(jī)制。其主要包括：凝膠球表面未被包埋的HA的釋放擴(kuò)散、鑲嵌在凝膠球表面的AC吸附的HA的釋放擴(kuò)散和凝膠球內(nèi)外HA的濃度差不同引起的以滲透壓為驅(qū)動(dòng)力的擴(kuò)散[19]。此外，海藻酸鈣易溶脹的特性導(dǎo)致水分滲透進(jìn)入凝膠球內(nèi)部時(shí)，其分子鏈的纏結(jié)程度逐漸降低，骨架逐漸松散，從而使凝膠球發(fā)生溶脹破裂；隨著凝膠球的溶解，HA受到擴(kuò)散及溶脹的作用從凝膠球內(nèi)部向外轉(zhuǎn)移。凝膠球溶解后，釋放出海藻酸鈣包裹的AC，隨著海藻酸鈣包裹層的溶解，被吸附在AC內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的HA逐漸被釋放。上述5種釋放機(jī)制共同作用于SA/AC凝膠球緩釋過(guò)程的整個(gè)階段，使得SA/AC凝膠球具有優(yōu)異的緩釋性能。

3 結(jié) 論

1)以海藻酸鈉(SA)、腐殖酸(HA)為原料，采用一體化滴注法制備了SA凝膠球，在引入木炭(AC)之后，制備了SA/AC復(fù)合凝膠球，HA的負(fù)載量從54.89%增加到了62.31%，在pH 4.0～10.0的緩沖溶液中，20 h內(nèi)HA的釋放量有19.71%～40.95% 的下降，證明AC的加入可有效阻止SA/AC 凝膠球產(chǎn)生突釋。同時(shí)，隨著pH從4.0增加到10.0，HA在SA/AC凝膠球中的平衡釋放量由31.89% 增加至92.19%，說(shuō)明SA/AC凝膠球更傾向于堿性條件下釋放。

2)由緩釋動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果可知，SA凝膠球的釋放過(guò)程主要受制于擴(kuò)散、溶蝕，滲透機(jī)制符合一級(jí)模型，而SA/AC凝膠球的釋放過(guò)程為Fick擴(kuò)散，符合Ritger-Peppas模型。所制得的SA/AC凝膠球成本低，方法簡(jiǎn)便，具有良好的緩釋效果和明顯的pH響應(yīng)性，在實(shí)際應(yīng)用中具有潛在價(jià)值和應(yīng)用前景。

3)在今后的研究中，將針對(duì)不同類型土壤進(jìn)行特定改良。通過(guò)對(duì)所制備的土壤改良劑進(jìn)行功能優(yōu)化，使其可以針對(duì)溫度、光熱、離子等作出響應(yīng)，從而在特定條件下，發(fā)揮改良劑最大的效用。