新疆干旱盐碱条件下聚天冬氨酸凝胶保水剂降解影响因素及降解可控性研究

Using super absorbent polymer in arid areas to saving water and increasing production is a new way of water saving research at present. In this subject, environment-friendly polyaspartic acid super absorbent polymer is chosed as the research object. At first，because the degradation rate of PASP is too fast and the degradation is not controllable, it is very necessary to study the degradation factors and degradation mechanism of PASP in arid and saline alkali environment of Xinjiang. Then, more stable polyaspartic acid double network gel is prepared by molecular simulation. Analysis of the rules between the structure and properties of double network gel by molecular dynamics calculation, the theoretical model of double network is established, which is used to guide its synthesis, determinated of the actual degradation performance of the double network gel and verified with the theoretical calculation results.Based on the double network gel, a new controllable polyaspartic acid super absorbent polymer is prepared through various ways, such as changing network structure, local group charge properties, hydrophobicity and hydrophobicity of surface structure, adding auxiliaries such as microbial inhibitors, enzyme inhibitors, etc. Finally, the influence of new super absorbent polymer on soil environment and crop growth is studied, which lays a scientific foundation for its practical application.

在干旱地区利用土壤保水剂达到节水增产目的是目前节水研究的一种新途径和新方法。本项目选取可降解、绿色环保的聚天冬氨酸凝胶保水剂为研究对象，结合目前聚天冬氨酸凝胶保水剂存在的降解速度过快，降解不可控的缺陷，有针对性地寻找影响其在新疆干旱、盐碱环境下降解的关键因素，研究降解机理。再通过分子模拟手段制备稳定性更高的聚天冬氨酸双网络凝胶，采用分子动力学计算分析双网络凝胶结构与性能之间的规律，建立理论模型并依据理论模型指导双网络凝胶的合成，测定实际降解性能与理论计算结果相印证，并通过网络结构，局部基团电荷性质、亲/疏水及表面结构的变化及添加微生物抑制剂、酶抑制剂等多种手段控制降解速度从而得到降解可控新型聚天冬氨酸保水剂。最后研究新型保水剂对土壤环境及农作物生长的影响，为其实际应用奠定科学基础。

新疆地处欧亚大陆腹地，年降雨量小于210mm，属于极端干旱地区，在干旱半干旱地区利用保水剂达到节水增产是当前农业节水的新方法。聚天冬氨酸（缩写PASP）凝胶的亲水性基团和三维网络结构可使其具有优异的吸水保水性，且良好的生物降解性从而使其在农林保水剂中具有应用潜力。本课题主要针对PASP凝胶保水剂降解速度过快，降解不可控的缺陷，有针对性地寻找影响其在新疆干旱、盐碱环境下降解的关键因素，并通过多种手段改性PASP凝胶，最后探究PASP凝胶对作物生长和土壤微环境的影响，明确应用规程。结果表明：在田间种植中，细菌、真菌等微生物对PASP凝胶的降解均有显著影响，从施加过聚氨基酸的棉田土壤中分离菌株278株，分属18个属，通过对聚天冬氨酸保水剂降解功能进行初筛，从中获得 25 株功能菌株，并对菌株新物种TRM 66268-LWL（命名为聚天冬氨酸链霉菌 Streptomyces polyasparticus）进行降解性能验证，发现其对 PASP 的降解率超过 70%。通过无机矿物复配、新型交联剂制备及结合分子模拟制备半互穿、互穿水凝胶等手段制得一系列新型PASP凝胶，无机矿物复配制备的PASP凝胶吸水保水性显著降低，但成本有明显的减少，有一定应用价值；丙三醇三缩水甘油醚为交联剂制备的PASP凝胶由于其交联密度更高，网络结构更稀疏，在吸水性和耐盐性上均有提高；与丙烯酸、丙烯酰胺制得半互穿、互穿水凝胶具有更优异的粘弹性，且网络中有难降解的碎片，其降解周期有一定程度延长。最后，聚天冬氨酸凝胶作为保水剂应用于棉花种植发现该产品不仅具有良好的吸水性，保温性，还可以提升肥效及降低浅层土壤的盐碱度，明确产品田间用量为75 kg ha-1为宜，其降解代谢产物提高了过氧化氢酶和碱性磷酸酶的酶活性，降低了脲酶的活性，还改变了土壤的微生物群落结构，并且对细菌群落的影响大于真菌群落。本课题的研究为开发新型聚天冬氨酸凝胶及作为农林保水剂在干旱、半干旱地区的应用提供了理论基础和数据支持。