新型复合水凝胶AM/HAK 的制备及其对烟草生长发育的影响

杜甫，云菲，姬小明*，魏跃伟，刘国顺，于兆锦，刘俊希，李红霞

1 河南农业大学烟草学院/国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002；2 吉安市烟草公司峡江分公司，吉安 331409

水凝胶是由亲水性聚合物通过物理或化学交联相互连接而形成的高分子三维网络结构[1]，它们能够在水中迅速吸水溶胀并吸收成百倍于自身体积的水分而不被溶解[2-4]。由于水凝胶具有极高吸水性能，人们对水凝胶在不同领域的应用进行了大量的研究，如组织工程材料、再生药物和药物释放系统[5]。水凝胶具有较强的流变性，已在石油回收、涂料、药物输送、化妆品和个人护理上应用[6-11]。一些水凝胶具有良好的抗菌活性以及极强的保水性和持水性，被作为保水剂广泛应用于食品保鲜[12]和农业生产[13-17]。烟草作为一种特殊的经济作物，对水的需求量很高，烟草等作物的商用保水剂大多利用丙烯酸盐等接枝形成的聚丙烯酸盐高吸水树脂[18-20]，这种聚合物由于空间网络结构简单，吸水保水力弱。目前，复合水凝胶因其具有相对复杂的空间网络结构，相比简单的商用保水剂具有更强的吸水性和保水性，可以反复吸水和缓释水，循环利用率更高而成为研究热点。羧甲基纤维素（CMC）是一种多糖基水溶性纤维素醚，因其无毒无害并具有良好的生物相容性、可降解性以及黏性而被广泛应用于生物医学、食品工业、日化产业和农业[21]。腐植酸钾作为一种肥料广泛应用于农业生产，其在烟草上也有一定的应用，匡岗等[22]研究表明，在一定用量的腐植酸钾作用下，烤烟的常规化学成分得到改善，烤烟中性致香物质含量也有效增加。朱经伟等[23]研究表明，腐植酸钾可以改善烤烟品质。同时，腐植酸钾本身具有一定的保湿性和保润性，但是腐植酸钾和丙烯酰胺复合水凝胶未见报道。为开发新型保水剂，本研究利用丙烯酰胺（AM）、羧甲基纤维素（CMC）和腐植酸钾（HAK）合成AM/CMC和AM/HAK 两种复合水凝胶，进行结构表征，并探究两种水凝胶对植烟土壤含水率及烟草生长发育的影响。

1 材料与方法

1.1 试剂

丙烯酰胺（AM），AR，郑州派尼化学试剂厂；羧甲基纤维素钠（CMC），聚合度800 ～1200，AR，国药集团化学试剂有限公司；N, N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），AR，天津市福晨化学试剂厂；过硫酸铵（APS），AR，郑州派尼化学试剂厂；腐植酸钾（过孔径60 目筛）（HAK），河南惠农土质保育有限公司；市售“可信的”牌保水剂（聚丙烯酰胺），宜兴市可信的化工有限公司；制备凝胶所用水均是去离子水。

1.2 复合水凝胶制备

1.2.1 复合水凝胶AM/CMC 的制备

精确称取1.000 g CMC 置于100 mL 烧杯中，加入50 mL 去离子水，搅拌至CMC 完全溶解，再向烧杯中加入4.000 g AM、0.050 g APS 和0.025 g MBA，调节恒温水浴磁力搅拌器转速为200 r·min-1，水浴温度为60℃，反应3 h，得复合水凝胶AM/CMC（图1-(a)）。

1.2.2 复合水凝胶AM/HAK 的制备

精确称取1.000 g HAK 置于100 mL 烧杯中，加入50 mL 去离子水并搅拌均匀，再向烧杯中加入4.000 g AM、0.050 g APS 和0.025 g MBA， 调节恒温水浴磁力搅拌器转速为200 r·min-1，水浴温度为60℃，反应3 h，得复合水凝胶AM/HAK（图1-(b)）。

将上述制备的水凝胶置于去离子水中吸水24 h达到溶胀状态，然后置于60℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎机粉碎后过60 目孔径筛，用自封袋密封并置于真空干燥器中备用。

1.3 复合水凝胶的FT-IR 表征

将上述干燥后的复合水凝胶样品与干燥后的溴化钾混合后充分研磨制备KBr 压片，然后采用美国Thermo 公司iS50 型傅里叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱检测，波长扫描范围为4000～500 cm-1。

图1 复合水凝胶AM/CMC 和复合水凝胶AM/HAKFig. 1 Composite hydrogel AM/CMC and composite hydrogel AM/HAK

1.4 复合水凝胶的SEM 表征

将冷冻干燥后的两种水凝胶样品的截断面进行喷金处理，然后通过扫描电子显微镜（SIGMA-500，Zeiss，德国）测定其表面样貌。

1.5 复合水凝胶吸水保水性能测试

1.5.1 吸水性能测试

利用平衡溶胀度来表征水凝胶的吸水性能。取适量的两种干凝胶样品称重记为M0（g），放入加有100 mL 去离子水的烧杯中吸水48 h，待吸水饱和达到溶胀平衡后取出，用滤纸擦干水凝胶表面水分并称重，记为Me（g），水凝胶的平衡溶胀度SR（g·g-1）用以下公式计算：

1.5.2 保水性能测试

取适量溶胀平衡后的水凝胶样品，用滤纸擦干表面水分，置于玻璃表面皿上并放置于室温下，每隔2 h称重1 次，记录水凝胶在12 h 内的质量变化，根据以下公式计算保水率：

式中，M0为干凝胶的质量，g；Mt为t 时水凝胶失水后的质量，g；Me为溶胀平衡后水凝胶的质量，g。

1.6 烟草盆栽试验

1.6.1 试验设计

分别称取3.000 g 干燥并过60 目筛的上述水凝胶样品于直径15 cm，高15 cm 的盆内，按1000 : 1（土样质量：干凝胶质量）的比例称取3 kg 的土样倒入盆内并与水凝胶混合均匀。混合均匀后每盆加20 g生物炭，以改善土壤通透性，防止盆栽内土壤板结。试验用土为黄褐土，取自河南农业大学许昌校区科教园区，基础肥力为：pH 7.61， 有机质19.09 g·kg-1，碱解氮74.70 mg·kg-1，速效磷8.70 mg·kg-1，速效钾114.50 mg·kg-1，水溶性氯24.80 mg·kg-1。

供试材料为烤烟品种K326，共设置3 个处理：B1，添加3.000 g 复合水凝胶AM/CMC；B2，添加3.000 g 复合水凝胶AM/HAK；空白对照CK，不添加任何水凝胶。每处理选取5 株生长一致的烟苗，重复3 次。烟苗的移栽时间为9 月16 日，地点为河南农业大学烟草学院国家烟草栽培生理生化研究基地气候室，所有盆栽均置于光照培养架上，光照强度200 µmol·m-2·s-1，每天光照12 h，平均室温25℃，相对湿度50%，烟株每隔10 天浇1 次水，每处理浇水量保持一致。烟草用肥为瓮福紫金化工股份有限公司生产液体水溶肥，m（N）: m（P2O5）: m（K2O）= 200 : 200 : 200，各处理氮用量为30 kg·hm-²。

1.6.2 测定指标

土壤含水率：采用烘干称重法[24]测定土壤含水率。

农艺性状：采用烟草行业标准YC/T 142—1998方法[25]测定移栽后60 d 烟株农艺性状。

SPAD 值：采用日本柯尼卡美能达公司SPAD-502 型便携式叶绿素仪测定中部叶位第9 片烟叶（由下往上数）的SPAD 值。

烟株干物质积累：采用文献[26]方法测定烟株的干物质积累量。

烟叶氮代谢酶谷氨酰胺合成酶GS 和谷氨酸脱氢酶GDH 活性：采用方法[27]测定GS 活性，采用方法[28]测定GDH 活性。

杀青烟叶化学成分：取中部叶位（9～12 片）鲜烟叶置于烘箱中于105℃杀青15 min，然后60℃烘干至恒重，磨碎并过60 目筛，采用德国布朗卢比公司生产AA3 型连续流动分析仪测定烟叶总糖、还原糖、烟碱、钾和氯。总糖和还原糖采用烟草行业标准YC/T 159—2002《烟草及烟草制品 水溶性糖的测定 连续流动法》测定；烟碱采用YC/T 489—2013《烟草及烟草制品 总植物碱的测定 连续流动法》测定；氯采用YC/T 162—2011《烟草及烟草制品 氯的测定 连续流动法》测定，钾采用YC/T 217—2007《烟草及烟草制品 钾的测定 连续流动法》测定。

根系活力：采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法[29]测定烟株的根系活力。

上述测定指标的样品取样时间均为烟株移栽后60 d。

图2 AM（a）、CMC（b）、HAK（c）、AM/CMC（d）和AM/HAK（e）的FT-IR 图谱Fig. 2 FT-IR of AM(a), CMC(b), HAK(c), AM/CMC(d) and AM/HAK(e)

1.7 数据分析

运用Microsoft Excel 2010 和origin 8.5 软件进行绘图，DPS 7.0 软件对数据进行单因素方差分析，多重比较采用Duncan 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 FT-IR 分析

如图2 所示，在图谱d 中，1667 cm-1的峰对应于丙烯酰胺C=O 键伸缩振动，1608 cm-1的峰对应于酰胺基N-H 变形振动，2925 cm-1的峰对应于-CH的反对称伸缩振动，3443 cm-1的峰对应于纤维素环上-OH 伸缩振动，1120 cm-1处表示C-O 的伸缩振动[30]。图谱e 中1665 cm-1的峰对应于丙烯酰胺C=O键伸缩振动，1608 cm-1的峰对应于酰胺基N-H 的变形振动，2928 cm-1的峰对应于-CH 的振动峰，3401 cm-1附近有一强宽吸收峰可归属为HAK 分子间缔合及分子内螯合羟基[31]，1120 cm-1的峰对应于C-O 的伸缩振动[32-33]，从上述结果证实了复合水凝胶AM/CMC 和AM/HAK 的合成。

2.2 SEM 分析

从图3-(a)和3-(b)可以看出，复合水凝胶AM/CMC 和AM/HAK 内部均拥有致密的空间网络结构，这种结果证明了水凝胶的形成。这些网络结构中包含丰富的孔洞，这些孔洞结构有利于水分子的嵌入。AM/HAK 的结构比AM/CMC 更复杂，孔洞密度更大，表明AM/HAK 的潜在吸水性要优于AM/CMC。

2.3 复合水凝胶吸水性能测试

从表1 可以看出，等质量的两种干凝胶吸水达到平衡溶胀后，复合水凝胶AM/CMC 和复合水凝胶AM/HAK 的平衡溶胀度分别为26.52 g·g-1和31.43 g·g-1，分别比市售保水剂“可信的”高出7.17 g·g-1和12.08 g·g-1，且复合水凝胶AM/HAK 比复合水凝胶AM/CMC的平衡溶胀度高出4.91 g·g-1。超高的吸水性能使得这两种复合水凝胶在植物抗旱方面具有潜在的应用价值。

图3 AM/CMC(a)和 AM/HAK(b)的SEM 图Fig. 3 SEM of AM/CMC(a) and AM/HAK(b)

表1 不同水凝胶的平衡溶胀度Tab. 1 Equilibrium swelling degree of different hydrogels

2.4 复合水凝胶保水性能测试

图4 不同水凝胶在室温下的保水率Fig. 4 Water retention rate of different hydrogels at room temperature

保水率可以用来评价一种水凝胶的保水能力。如图4 所示，在室温下放置12 h 后水凝胶AM/HAK 的保水率约为80%，高出水凝胶AM/CMC 10%左右，可见复合水凝胶AM/HAK 具有较强的保水能力。从两种水凝胶的保水率随时间变化的曲线走势可以看出，两种水凝胶在室温下逐渐失水，在0～10 h 这段时间内，两种水凝胶的保水率基本成线性变化，且保水率与时间呈负相关。从直线的斜率可以看出，水凝胶AM/HAK 失水速率要小于水凝胶AM/CMC，因此可认为，水凝胶AM/HAK 比水凝胶AM/CMC 更难失水。在10 h 后，两种水凝胶的失水速率相对于10 h前变慢，这种变化可能是因为水凝胶表层凝胶在失水变干之后对内部水分具有一定的“锁水”效果，增加了水凝胶的保水性。

2.5 不同水凝胶对植烟土壤含水率的影响

从表2 可以看出，在烟株移栽后60 d，添加水凝胶的处理B1 和B2 盆栽土壤含水率均显著高于对照CK（P＜0.05），B1 和B2 处理的含水率分别比CK高出2.40 和3.65 百分点，B2 处理土壤含水率较高。可见，复合水凝胶不仅有保水效果，而且还可以提高植烟土壤的含水率。

表2 不同处理植烟土壤的含水率Tab. 2 Moisture content of tobacco growing soil under different treatments

2.6 不同水凝胶对烟草农艺性状的影响

图5 为移栽后60 d 不同处理烟株的照片，从图中可以看出三个处理之间差异较明显。从表3 可以看出，处理B1 和B2 烟草的株高、茎围、节距、有效叶片数、最大叶长和最大叶宽均显著高于CK（P＜0.05），B1 和B2 处理间差异不显著（P＞0.05）。表明两种水凝胶的加入可明显改善烟草的农艺性状，促进烟草生长发育。

表3 不同处理烟草的农艺性状Tab. 3 Agronomic characters of tobacco under different treatments

图5 不同处理烟草的生长发育Fig. 5 Growth and development of tobacco under different treatments

2.7 不同水凝胶对烟草SPAD 值的影响

表4 显 示，处 理B1 和B2 烟 草 的SPAD 值 均高于CK，三个处理均具有显著差异。B2 处理烟草SPAD 最 高， 高 出CK 3.67 mg·g-1， 占CK 的10.22%，说明复合水凝胶AM/HAK 可以显著提高烟草的SPAD 值。

表4 不同处理烟草的SPAD 值Tab. 4 SPAD values of tobacco under different treatments

2.8 不同水凝胶对烟草生物量的影响

表5 显示，移栽后60 d，CK、B1 和B2 处理之间烟草地上部鲜质量差异显著（P＜0.05），处理B1和B2 烟草地上部株鲜质量分别比CK 提高8.21 g/株和19.03 g/株，地上部干质量分别提高1.30 g/株和2.93 g/株，占CK 的23.30%和52.51%。B1 和B2 根、茎、叶干质量相比CK 均有所提高，结果表明，添加复合水凝胶AM/CMC 和AM/HAK 可以明显提高烟草的生物量。

表5 不同处理烟草的生物量Tab. 5 Tobacco biomass under different treatments

2.9 不同水凝胶对烟草氮代谢酶GS 和GDH 活性的影响

图6 不同处理烟草GS 酶和GDH 酶活性Fig. 6 Activities of GS enzyme and GDH enzyme of tobacco under different treatments

从图6-(a)和6-(b)可以看出，与CK 相比，处理B1 和B2 烟草谷氨酰胺合成酶GS 活性均显著增加（P＜0.05），分别增加1.81 µmol·(g·h)-1和2.12 µmol·(g·h)-1，分别比CK 提高了38.68%和45.30%。B1、B2 和CK 三处理间烟草谷氨酸脱氢酶GDH 活性具有显著差异（P＜0.05），其中活性最高的是B2 为89.48 U·g-1，其次是B1 为65.81 U·g-1，活性最低的是CK为49.03 U·g-1。B1 和B2 比CK 分别提高了16.78 U·g-1和40.45 U·g-1，占CK 的34.22%和82.50%。复合水凝胶的添加使烟草谷氨酰胺合成酶GS 和谷氨酸脱氢酶GDH 的活性明显增加，说明复合水凝胶可以促进烟草氮代谢，有利于增加烟草氮代谢效率[34]。

2.10 不同水凝胶对杀青烟叶化学成分的影响

表6 不同处理杀青烟叶化学成分Tab. 6 Chemical constituents of flue-cured tobacco leaves treated with different treatments

2.11 不同水凝胶对烟草根系活力的影响

如图7 所示，三处理烟草根系生长发育具有明显的差异，施加复合水凝胶处理根系发育旺盛，更有利于肥料和水分的吸收和利用。从图8 可以看出，烟草根系活力最大的是B2，最小的是CK。三处理之间烟草根系活力差异较为显著（P＜0.05），B1 和B2 分别比CK 提高 31.76%和63.98%，说明添加复合水凝胶可使烟草根系活力明显提高，提高效果最好的是B2处理，即添加复合水凝胶AM/HAK 处理。

3 讨论

目前，水凝胶作为保水剂是农业生产上的一大研究热点，新型的水凝胶具有很好的应用前景。本试验合成了两种复合水凝胶，并通过傅里叶变换红外光谱法证明了水凝胶的合成，SEM 扫描电镜表明水凝胶具有丰富网络结构，通过吸水和保水测试确定了复合水凝胶具有良好的保水性能，通过盆栽试验探究了水凝胶对土壤含水率和烟草生长发育的影响。烟草对水分的需求量很高，水分供应不仅影响烟株生长发育，而且还影响烟株对肥料的吸收、氮代谢向碳代谢的转化、烟叶的糖碱协调关系以及叶片厚度与组织结构等[34]。因此，土壤含水率直接影响烟草正常生长发育。本试验中添加复合水凝胶AM/CMC 和AM/HAK 使土壤含水率明显提高，有利于烟草生长，这与王玉萍等人[35]的研究结果一致。

图7 不同处理烟草根系差异对比Fig. 7 Comparison of root system of tobacco under different treatments

图8 不同处理烟草的根系活力Fig. 8 Root activity of tobacco under different treatments

本研究制备的复合水凝胶使烟草的株高、茎围、节距、有效叶片数、最大叶长和最大叶宽均显著增加，使烟草的农艺性状得到改善，这与陈芳泉等人[36]的研究结果相吻合。在烟草中，叶绿素参与的光合作用贡献了96%的干物质积累[37]，因此，叶绿素高低直接关系到烟叶品质的高低，SPAD 值可用来表示叶绿素含量的高低[38]，烟叶叶绿素含量与SPAD 之间存在呈极显著线性关系[39-40]。本试验中，添加复合水凝胶AM/CMC 和复合水凝胶AM/HAK，烟草的SPAD值明显提高。B1 和B2 处理烟草的地上部的鲜质量和干质量均高于对照CK，表明复合水凝胶可以增加烟草的生物量，这与邹超煜等[41]的研究结果吻合，复合水凝胶AM/HAK 对烟草地上部和地下部的生长发育是最有利的。由文献[42]可知，植物水分利用效率=总生物量/总耗水量，本试验中，在浇水量一致的条件下，添加复合水凝胶的处理使烟草的生物量明显提高，表明复合水凝胶可以提高烟草的水分利用效率，这与邹超煜等[41]人得出保水剂可以提高不同作物水分利用效率的结果一致。GS 是高等植物氮代谢中十分重要的酶，它与谷氨酸合成酶（GOCAT）构成的谷氨酸合成酶循环是铵同化为氨基酸（氨同化）的主要途径[43]，GS 活性提高可增强氮代谢效率。GDH是碳氮代谢转化过程中一个关键性酶，参与碳氮平衡调节，它为三羧酸循环提供充足的碳骨架[44]。B1 和B2 处理烟草的GS 和GDH 活性均明显提高，说明烟草氮代谢比较旺盛，氮代谢向碳代谢过程转化的效率也大大提高[44]，更有利于烟草生长发育。与对照相比，添加复合水凝胶，杀青烟叶的总糖和还原糖含量提高，烟叶钾含量也提高，与杜社妮等人[45]的研究结果一致，B2 处理烟叶的钾氯比最接近优质烟叶水平[29]，烟叶的化学成分更趋向于协调。根系活力主要反映根系生命活动的旺盛程度和吸收、合成等功能的强弱程度[46]，复合水凝胶AM/CMC 和AM/HAK 使烟草的根系活力分别提高31.76%和63.98%，烟草根系生命活动旺盛程度大大提高，烟草可以吸收更多的养分，促进自身发育。

4 结论

本研究合成了两种复合水凝胶AM/CMC 和AM/HAK，其中AM/HAK 为合成的新型复合水凝胶，两种水凝胶均未见有报道应用于烟草，通过盆栽试验研究了水凝胶对烟草生长发育的影响，结果表明，两种复合水凝胶均可以促进烟草生长发育，改善烟草的品质。其中，效果最好的是复合水凝胶AM/HAK，该水凝胶原料成本较低，合成条件简单，保水性强，可为烟草栽培特别是干旱地区烟叶种植提供参考，同时，作为一种新型保水剂在其他作物上也具有广泛的应用前景。