沉水植物促生缓释片的制备及应用研究

2022-04-12王猛夏明升程涛李中玉李鹏程

安徽化工 2022年2期

王猛，夏明升，程涛，李中玉，李鹏程

（安徽省通源环境节能股份有限公司，安徽合肥 230001）

沉水植物是水环境生态修复工程领域中的关键环节[1]，其群落构建的成功与否直接关系到水生态修复工程的成败。在工程实践中，构建沉水植物群落的常规施工方法是人工种植，但缺少有效的促生保活手段，栽种的沉水植物种苗生长速度较慢，成活率偏低。

芸苔素是一种新型植物激素，是公认的高效、广谱、无毒植物生长调节剂，其作用特点是在极低的浓度水平下，即可引发植物生理状态的改变，能有效增加叶绿素含量，提高光合作用效率，促根壮苗，对于促进植物生长、提高植物抗逆性和成活率具有显著效果[2-5]。Hu 的研究[6]发现，芸苔素能促进相关生长基因的转录和表达，提高细胞分裂速度，进而促进植物生长。Khripach的研究[7]发现，芸苔素可以提高植物细胞壁松动酶，进而促进细胞的伸长和分裂活性。目前芸苔素在沉水植物促生保活方面的研究鲜见报道。

无机碳源是沉水植物光合作用中制造有机物的主要原料，是沉水植物生长的主要限制因子之一[8]。自然水体中无机碳源主要以碳酸氢根离子的形式被沉水植物吸收。在植物光合作用旺盛的阶段，适量投加NaHCO3有助于提高沉水植物的生长速率，提高植物成活率[9]。

缓释技术主要应用于无机肥、农药控释或医药有效成分缓释[10-12]。硬脂酸以其优良的缓释性能、便于加工以及成本低廉的优势，在各类缓释片制备工艺中被广泛采用[13-14]。采用硬脂酸制备缓释片，可将硬脂酸在热乙醇中溶解后均匀包覆在可溶性有效成分的外表面，利用硬脂酸的疏水性，大幅降低有效成分与水的接触面积，从而起到缓释作用。硬脂酸具有一定的材料强度，便于缓释片的加工成型和运输。

本研究采用芸苔素粉剂和NaHCO3粉末作为有效促生成分，硬脂酸作为缓释剂，石英粉作为增重剂，分别制备不同硬脂酸含量的沉水植物促生缓释片，检测脆碎度，用于表征片剂的耐磨性能，以减少运输和搬运中的磨损；检测缓释性能，以了解片剂有效成分的释放情况；测试对新建苦草群落存活率的影响，以确定最佳的缓释片配比。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

芸苔素粉剂；NaHCO3粉末，AR；硬脂酸，1801；无水乙醇，AR；石英粉，800目，去离子水淘洗3遍去除可溶性杂质；苦草，生长状态良好，长势相近，平均株高约15 cm 植株；底泥，河道中采集，去除大颗粒杂质及植物残体，充分搅拌混匀；聚乙烯水缸，1 m×1 m×0.5 m，润洗3遍。

iCE 3300 AAS 型原子吸收光谱仪，赛默飞；CJY-300D 型片剂脆碎度测定仪，上海精密；TDP-2A 型压片机，上海精密；HWS-28型恒温水浴锅，上海精密；DHG-9240N型恒温鼓风干燥箱，上海幕斯。

1.2 研究方法

1.2.1 沉水植物促生缓释片制备

制备4组硬脂酸含量不同的缓释片，分别称取硬脂酸2 g、4 g、8 g、16 g 加入烧杯，向各烧杯加入无水乙醇50 mL，置于恒温水浴锅中以50℃加热至硬脂酸完全溶解，再向各烧杯中分别加入芸苔素粉剂10 g、碳酸氢钠粉末60 g，石英粉分别为28 g、26 g、22 g、14 g，充分搅拌混匀后置于恒温鼓风干燥箱中以40℃烘干3 h 至干燥状态，制得缓释混合粉末。干燥期间每隔半小时搅拌1次，防止粉末结块。

采用压片机对缓释混合粉末进行压片造粒，压力设置为5 kN，压片直径12 mm，片剂厚度6 mm，制得4 组硬脂酸含量分别为2%、4%、8%、16%的沉水植物促生缓释片，单片重量0.75～0.82 g。

1.2.2 脆碎度检测

根据片剂脆碎度检查法[15]的要求，片重为0.65 g或以下者取若干片，使其总重约为6.5 g；片重大于0.65 g者取10片。本研究制得的缓释片单片重量为0.75～0.82 g，因此4组不同硬脂酸含量的缓释片各取10片用于脆碎度测试。用吹风机吹去缓释片表层附着的少量粉末，精密称重并记录原始重量，置于片剂脆碎度测定仪的圆筒中，转速:25转/分，100 次。取出缓释片，同法吹脱表层粉末，精密称重，计算减失重量，除以片剂原始重量，即为脆碎度（%）。

1.2.3 缓释性能测定

以缓释片中NaHCO3在去离子水中的释放百分率用于表征缓释性能，将制备的4组不同硬脂酸含量的缓释片分别加入去离子水中，让其溶解释放NaHCO3，在第1天、3天、7天、28天分别取水样检测各组NaHCO3的释放百分率，检测方法参考火焰原子吸收分光光度法[16]。

1.2.4 新建苦草群落存活率的测定

将河道底泥分别铺设于5 个聚乙烯水缸，厚度为0.2 m，加入河水至0.48 m 高度，待水澄清后，在各水缸中种植100 株苦草。其中1 个水缸作为空白对照组，不添加其他实验试剂，另外4个水缸分别添加10片硬脂酸含量为2%、4%、8%、16%的沉水植物促生缓释片。

实验周期28天，观察苦草生长状态，到期后全部拔出，计算存活率。

2 结果与分析

2.1 不同硬脂酸含量对缓释片脆碎度的影响

各组硬脂酸含量不同的缓释片脆碎度检测结果及检测后片剂外观情况统计情况如表1 所示。根据片剂脆碎度检查法的要求，片剂减失重量不得超过1%，且不得检出断裂、龟裂及粉碎。

表1 各组缓释片脆碎度检测及外观情况统计

硬脂酸含量为2%时，缓释片的脆碎度高达6.31%，片剂出现多处碎裂、裂纹及边缘块状脱落，判定为不达标。硬脂酸含量4%的缓释片脆碎度为3.12%，碎裂情况较前组改善，但仍不达标。硬脂酸含量8%时，缓释片脆碎度值大幅降低，仅为0.55%，外观改善，受试的10 片缓释片均无碎裂或裂纹。在本测试体系中，硬脂酸含量8%的缓释片性能大幅提升，推测为硬脂酸含量达到一定的阈值后形成了片剂内部的紧密包覆与粘结。由于存在边际效用递减规律，当硬脂酸含量提升到16%时，缓释片的脆碎度和外观情况仍有提升，但较为有限。

2.2 不同硬脂酸含量对缓释片缓释性能的影响

各组缓释片的缓释性能如表2 所示，以缓释片NaHCO3含量的累积释放百分率作为表征。

表2 各组缓释片NaHCO3含量的累积释放百分率

将硬脂酸含量为2%的缓释片投入去离子水中，很快出现崩解，片剂膨胀并碎裂成数个小块，溶解速度较快，仅第1 天即释放出52%的NaHCO3。之后溶解速度逐渐降低，至第28 天，缓释片有效成分基本溶出，剩下石英粉小团粒，NaHCO3累积释放率93%。硬脂酸含量为4%的缓释片在前6 天溶解速度中等，片剂表层逐渐出现孔隙，至第7 天片剂发生崩解，溶解加速，NaHCO3释放率上升至61%，之后溶解速度降低，至第28 天，剩下少量碎片，NaHCO3累积释放百分率达82%。硬脂酸含量2%和4%的这两组缓释片均未达到缓释的目的，可能是因为硬脂酸含量不足以形成致密结构，水分将片剂表层的可溶性物质溶解后形成数量众多的孔洞，侵入片剂内部[17]，发生溶胀作用，最终导致片剂崩解。

硬脂酸含量为8%和16%的缓释片在28 天测试周期内均未出现崩解现象，其中前组的NaHCO328天累积释放百分率为25%，释放量适中，溶解缓慢，有效成分释放持久，缓释性能稳定可靠；后组的NaHCO328 天累计释放百分率仅为6%，释放速度过于缓慢，在实际应用中可能难以形成有效的局部促生浓度。

2.3 不同缓释片对新建苦草群落存活率的影响

工程实践中经常出现苦草成活率低的问题，可能的原因有两方面：其一，用于群落构建的苦草苗，通常由其他水体拔出并经过长途运输至栽种地点，苦草处于根系受损、叶片水分蒸发、植株受挤压磨损等应激状态，不利于种植成活；其二，群落构建过程中，会对底泥造成大范围扰动，内源污染释放量增加[18]，对苦草造成营养胁迫，造成部分植物死亡[19]。

各组缓释片对新建苦草群落28天存活率的影响情况如表3所示。对照组没有添加促生药剂，经过28天实验周期，苦草的存活率为88%，出现12 株苦草死亡，存活苦草长势一般，该结果验证了新建苦草群落成活率低下的问题。硬脂酸含量为2%和4%的缓释片对苦草的成活率不仅没有提升，反而造成了较大的负面影响，成活率分别为75%和84%，存活的苦草较为矮小，叶片颜色泛黄，生长状态劣于对照组。硬脂酸含量为8%的缓释片对苦草的成活率和生长状态有极大的提升，成活率达到99%，苦草生长旺盛，植株高大，叶片翠绿。硬脂酸含量为16%的缓释片对苦草的成活率（94%）和生长状态较对照组也有一定的提升，但促生效果低于前组。

表3 各组缓释片对新建苦草群落28天存活率的影响

芸苔素与其他植物激素一样，对植物的生长作用具有显著的“二重性”，即低浓度促进植物生长，高浓度抑制植物生长[20]，本研究得出相似结果。硬脂酸含量为2%和4%的缓释片对苦草成活率和生长状态产生了抑制作用，结合脆碎度检测和缓释性能测定结果，分析其主要原因是这两组缓释片硬脂酸含量不足，片剂溶解过快并发生崩解，导致芸苔素短时间内迅速释放，形成较高的局部浓度，从而抑制了苦草存活和生长。硬脂酸含量为16%的缓释片内部过度包覆，有效成分难以溶出，但释放出的微量芸苔素仍然对苦草产生一定的促生效果。硬脂酸含量为8%的缓释片有效成分释放速率适中，适宜浓度的芸苔素和NaHCO3协同促进苦草生长，表现出了最佳的促生效果。

从前述结果也可推测芸苔素对苦草生长的影响程度要高于NaHCO3。碳酸氢根离子作为沉水植物的无机碳源，并无植物激素那样的“二重性”效应，而各实验组苦草的存活率和生长状态表现出了明显的“二重性”，说明芸苔素在沉水植物促生体系中占据着主导作用（见表3）。