一种负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶及其制备方法和在提高生物有效性中的应用

本发明涉及一种负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶及其制备方法和在提高生物有效性中的应用，属于新型肥料。

背景技术：

1、工程纳米颗粒(enps)在纳米农业领域具有巨大的潜力，不仅可以提高作物产量，还可以使作物获得良好的抗病性。叶面喷施是一种在农业生产中有效使用enps的方法，可避免enps被土壤固定，特别是对于铁基enps，叶面喷施可以有效提高enps的生物有效性。

2、然而，植物叶子表面覆盖着疏水性蜡质层，导致液滴飞溅、滚动和反弹。传统的农药液滴不能靶向沉积在叶片上，利用率一般在10％以下。纳米颗粒由于体积小、刚性高，其实际沉积量可能比常规农药还要低，不仅会造成经济损失，还会导致环境风险。

3、目前向液滴中添加表面活性剂是减少液滴反弹和促进液滴在疏水性叶片上沉积的主要策略。表面活性剂的添加主要通过降低其表面张力和增加冲击过程中的扩散相来增加液滴沉积量，但表面张力的降低可能导致液滴分解成更小的液滴，这将加剧液滴的漂移和蒸发，导致活性成分难以长时间保留在植物叶片表面。同时，表面活性剂在环境中难以降解，并可能带来新的污染。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶及其制备方法和在提高生物有效性中的应用，该氧化铁纳米颗粒水凝胶以叶酸/zn2+超分子水凝胶为载体，通过涡旋混匀法的方式与氧化铁纳米颗粒结合形成氧化铁纳米颗粒水凝胶，该水凝胶复合物作为肥料施用于植物时，一方面，具有一定粘度的水凝胶液滴冲击叶片时，会增大与叶片表面的黏性耗散，减小液滴的反弹，从而使有效成分大部分沉积在叶片表面，提高了有效成分的利用率；另一方面，水凝胶的网格结构中充满水分并且具有良好的缓释性，可以减少液滴的蒸发，增加有效成分的持续时间，进而提高生物有效性。

2、本发明的第一个目的是提供一种用于提高叶面喷施过程中氧化铁纳米颗粒在植物体内生物有效性的负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶复合物enps-hydrogel的制备方法，所述方法包括如下步骤：

3、(1)将六水合氯化铁和四水合氯化亚铁配置成混合溶液，并将混合溶液预热至40～60℃，然后将其滴加到预热好的naoh溶液中进行反应，反应后冷却至室温，得到的黑色沉淀物，洗涤，干燥，得到块状fe3o4；再将块状fe3o4研磨，煅烧，得到fe2o3 enps；

4、(2)配制叶酸溶液和fe2o3 enps悬浮液；然后将叶酸溶液、zn(no3)2溶液和fe2o3enps的悬浮液混合，旋涡，静置，得到enps-hydrogel。

5、在一种实施方式中，步骤(1)所述混合溶液中六水合氯化铁和四水合氯化亚铁的摩尔比为1:1.2～1:2。

6、在一种实施方式中，步骤(1)所述预热好的naoh溶液预热的温度为40～60℃。

7、在一种实施方式中，步骤(1)所述naoh溶液的浓度为1～2mol/l。

8、在一种实施方式中，步骤(1)所述naoh溶液和混合溶液的体积比为1:1～1.5。

9、在一种实施方式中，步骤(1)所述反应温度为40～60℃，时间为0.5～1h。

10、在一种实施方式中，步骤(1)所述洗涤是指采用去离子水和无水乙醇进行洗涤，直到ph值达到7。

11、在一种实施方式中，步骤(1)所述煅烧是在马弗炉进行，温度为300～500℃，时间为2～5h。

12、在一种实施方式中，步骤(2)所述叶酸溶液的配制过程为：将叶酸与去离子水混合，然后加入koh溶液，得到均匀的叶酸溶液。

13、在一种实施方式中，步骤(2)所述koh溶液浓度为0.5～1mol/l，叶酸与去离子水和koh溶液的质量体积比为2～3:50:50，g/ml/ml。

14、在一种实施方式中，步骤(2)所述fe2o3 enps悬浮液配制过程为：将fe2o3 enps加入到去离子水中，并在冰浴(0℃)下超声，获得fe2o3 enps的悬浮液。

15、在一种实施方式中，步骤(2)叶酸和zn(no3)2的物质的量比为1:1.6～1:1.9。

16、在一种实施方式中，步骤(2)叶酸和zn(no3)2的物质的量比为1:1.6。

17、在一种实施方式中，步骤(2)所述涡旋时间为1～2min。

18、在一种实施方式中，步骤(2)所述静置时间为30～60min。

19、本发明的第二个目的是提供一种由上述所述的方法制备得到的负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶enps-hydrogel。

20、本发明的第三个目的是提供一种上述所述的负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶enps-hydrogel在制备农业肥料中的应用。

21、本发明的第四个目的是提供一种基于上述所述的水凝胶enps-hydrogel提高植物光合作用和生物量的方法，所述方法是将水凝胶enps-hydrogel直接喷洒于植物表面。

22、在一种实施方式中，所述植物为大豆。

23、在一种实施方式中，所述水凝胶enps-hydrogel浓度为10～100mg/l。

24、在一种实施方式中，所述水凝胶enps-hydrogel浓度为50mg/l。

25、在一种实施方式中，所述喷洒量为每株植物5～10ml。

26、在一种实施方式中，所述喷洒的方式为：每天喷施或间隔1天喷施或间隔3天喷施。

27、在一种实施方式中，所述喷洒的方式为：每天1次，连续喷施5天或间隔1天连续喷施3天或间隔3天喷施2天。

28、在一种实施方式中，所述喷洒的方式为：间隔1天连续喷施3天。

29、在一种实施方式中，所述植物为大豆，品种为中黄13。

30、在一种实施方式中，所述喷洒时期为幼苗期(三叶一心时期)。

31、在一种实施方式中，所述喷洒的高度为5～25cm。

32、在一种实施方式中，所述喷洒的高度为25cm。

33、在一种实施方式中，所述喷洒时，植物叶片倾斜角度为0～40°。

34、本发明的有益效果：

35、(1)本发明制备的enps-hydrogel，一方面可以提高有效成分在叶片表面的沉积量，另一方面，水凝胶作为一种优良的载体，其可以减少水分的蒸发，增加有效成分的持续时间，提高生物有效性；其中，enps-hydrogel与叶面的粘附能力相对于fe2o3 enps悬浮液提高了76.8％，叶片沉积量提升了48.2％-168.9％；

36、(2)由于enps生物有效性的提高，在叶面喷施enps-hydrogel后，与fe2o3 enps悬浮液相比，enps的施用量可减少40％，同时大豆光合作用速率依然可提高89.8％，气孔导度增加157％，鲜重干重分别提高37.6％和104.4％；水凝胶负载enps可以达到减施增效的目的。

技术特征：

1.一种用于提高叶面喷施过程中氧化铁纳米颗粒在植物体内生物有效性的水凝胶enps-hydrogel的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合溶液中六水合氯化铁和四水合氯化亚铁的摩尔比为1:1.2～1:2。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述预热好的naoh溶液预热的温度为40～60℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述naoh溶液的浓度为1～2mol/l。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述naoh溶液和混合溶液的体积比为1:1～1.5。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述反应温度为40～60℃，时间为0.5～1h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述洗涤是指采用去离子水和无水乙醇进行洗涤，直到ph值达到7。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述煅烧是在马弗炉进行，温度为300～500℃，时间为2～5h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述koh溶液浓度为0.5～1mol/l，叶酸与去离子水和koh溶液的质量体积比为2～3:50:50，g/ml/ml。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述fe2o3 enps悬浮液配制过程为：将fe2o3 enps加入到去离子水中，并在冰浴(0℃)下超声，获得fe2o3 enps的悬浮液。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述叶酸和zn(no3)2的物质的量比为1:1.6～1：1.9。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)叶酸和zn(no3)2的物质的量比为1:1.6。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述涡旋时间为1～2min。

14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述静置时间为30～60min。

15.一种由权利要求1～14任一所述的制备方法制备得到的负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶enps-hydrogel。

16.权利要求15所述的负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶enps-hydrogel在制备农业肥料中的应用。

17.一种基于权利要求15所述的水凝胶enps-hydrogel提高植物光合作用和生物量的方法，其特征在于，所述方法是将水凝胶enps-hydrogel直接喷洒于植物叶片表面。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述水凝胶enps-hydrogel浓度为10～100mg/l。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述喷洒量为每株植物5～10ml。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述喷洒的方式为：每天喷施或间隔1天喷施或间隔3天喷施。

21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述喷洒的高度为5～25cm。

22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述喷洒时，植物叶片倾斜角度为0～40°。

技术总结本发明公开了一种负载氧化铁纳米颗粒的水凝胶及其制备方法和在提高生物有效性中的应用，属于新型肥料技术领域。本发明ENPs‑hydrogel的制备：将六水合氯化铁和四水合氯化亚铁配置成混合溶液，并预热至40～60℃，然后将其滴加到NaOH溶液中进行反应，得到Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;；再将Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;研磨，煅烧，得到Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;ENPs，再与叶酸溶液、Zn(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;2</subgt;溶液混合，得到ENPs‑hydrogel；将该ENPs‑hydrogel作用新型肥料，不仅可以提高有效成分在叶片表面的沉积量，而且作为一种优良的载体，其可以减少水分的蒸发，增加有效成分的持续时间，提高ENPs的生物有效性，达到“减施增效”的目的。技术研发人员：王震宇,贾哲敏,何锋,王传洗,陶梦娜受保护的技术使用者：江南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13