废弃豆奶衍生的可生物降解种子包膜剂：合成、促生长作用及抗旱性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Waste soy milk-derived biodegradable seed coating agent: synthesis, growth-promotion and drought resistance

　　

蔡东青|姜村|傅冰冰|舒世虎|王东方|赵攀|朱延平

中国上海201620，东华大学环境科学与工程学院

摘要

本研究开发了一种基于生物废物的可降解种子包膜剂，用以提升作物的抗旱能力。首先用KOH活化的过硫酸盐高级氧化工艺处理废弃豆浆，该工艺通过自由基引发的降解与聚合作用实现腐殖化，生成富含K⁺以及类腐殖酸和类富里酸的产物。随后加入明胶和凹凸棒石作为成膜剂和纳米载体，从而在种子表面形成包膜。在干旱胁迫条件下（土壤含水量约为10%），盆栽实验表明，与对照组相比，包膜处理组的玉米湿重增加了170.8%，发芽率提升了42.8%，根长增长了86.7%，超氧化物歧化酶活性提高了8.3%，过氧化氢酶活性提升了3.5%。该包膜在土壤中14天内即可完全降解，蚯蚓试验也显示其具有良好的生物安全性。转录组分析表明，该包膜引发了玉米幼苗的大量转录重编程，这些变化可能与包膜中的类腐殖酸和类富里酸有关，它们上调了包括转录因子、胚胎后期发育相关蛋白、水通道蛋白以及热休克蛋白在内的关键抗旱基因表达。本研究提出了一种可持续策略，即将生物废物转化为种子包膜剂，以提高作物的抗旱能力。

引言

近年来，全球气候变化导致降水量减少而蒸发量增加[1]、[2]、[3]。与此同时，水资源管理能力不足使得农田干旱问题日益严重，成为威胁粮食安全的主要因素[4]。为应对这一挑战，农业生产中通常采用施加保水剂[5]、有机肥料[6]或塑料膜覆盖[7]等方法，以提高土壤的持水能力并增强作物的抗旱性。常用的抗旱保水剂主要包括超吸水聚合物（如聚丙烯酰胺）[8]、膨润土等矿物基材料[9]，以及壳聚糖[10]和腐殖酸[11]等生物基材料。这些材料可通过直接混入土壤、与肥料混合使用或作为种子包膜剂来调节水分的吸收、储存和释放过程[12]。然而，这些材料在实际应用中仍存在诸多局限性。例如，聚合物基保水剂成本较高且难以降解，长期使用还可能造成土壤污染；而生物基材料虽然环保，但往往存在成本高和性能不稳定的问题[13]、[14]、[15]。

在种子处理领域，包膜剂已成为现代农业中的重要技术手段[16]。它们具有多种功能，包括病虫害防治、促进发芽、增强抗逆性以及提高产量[17]、[18]。目前常用的化学包膜剂通常含有杀菌剂、杀虫剂、生长调节剂以及合成成膜剂，可能会带来土壤残留和生态危害的风险。作为绿色替代品的生物基包膜剂，在实际推广过程中仍受到成本和耐用性方面的限制[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

此外，高蛋白废水具有体积大[25]、[26]、易腐败，且富含碳、氮等营养物质的特点[27]。目前主要通过生物处理方法来使其达到排放标准，但这些方法效率较低，存在资源浪费和碳排放较高的问题[28]、[29]。我们此前发现，KOH活化的过硫酸盐高级氧化工艺能够在1小时内将废弃牛奶中的易分解成分转化为稳定的类腐殖酸/类富里酸，这一过程属于自由基引发的非生物腐殖化过程[30]、[31]。其中，类富里酸是一类分子量相对较低的天然生物活性物质（例如300-1500道尔顿）[32]，其小分子成分可被植物根系主动吸收，并通过蒸腾作用向上运输，从而同时促进植物生长并提高养分利用效率[33]。

为探索高效、经济且环保的方法来提升作物的抗旱能力，本研究提出了一种新策略，即利用高蛋白废水资源来制备种子包膜剂。所制备的包膜剂仅在土壤微生物和水分的作用下才会缓慢降解，而在干燥条件下则保持稳定。此外，以废弃豆浆作为原料还显著降低了成本。本研究的创新之处主要体现在两个方面：（1）首次利用废弃豆浆的快速腐殖化作用，开发出一种低成本、高稳定性的生物基种子包膜剂。这种非生物腐殖化过程是通过在高浓度废水（通常高于克/升）中由自由基引发降解后再发生聚合反应实现的，而非对微量（即微克-毫克/升）有机污染物的简单氧化矿化作用[34]；（2）该包膜剂不仅能实现养分的缓慢释放，还能在干旱胁迫下系统地提升作物的生理活力和抗旱能力，这是通过调控与抗旱相关的基因转录表达来实现的，从而为绿色抗旱技术提供了新的材料和思路。

章节节选

化学品

所有化学品均为分析级，无需进一步纯化，本研究中所使用的所有缩写的全称见表1。废弃豆浆的其主要成分见表2，该样本由中国上海的光明乳业提供。KOH（纯度≥96%）、K₂S₂O₈（PS，纯度≥99%）、NaClO（纯度=5%）、(NH₄)₂SO₄（纯度≥99.9%）、HCl（纯度=37%）以及聚乙二醇600（PEG600）均购自中国上海的中国医药化学试剂公司。明胶

废弃豆浆的腐殖化过程

腐殖化被认为是将易腐烂的生物废物转化为肥料的核心步骤。如图2A所示，腐殖化处理前的废弃豆浆呈乳白色，荧光主要分布在II区和IV区，这说明其主要成分是蛋白质和可溶性微生物产物。经过1小时的PS/KOH处理后，废弃豆浆变为深黄色，荧光则主要集中于III区和V区，这表明

结论

我们成功利用废弃豆浆制备出了可降解的种子包膜FS3-ATP。该包膜含有类富里酸，且具有多孔结构，富含养分。在干旱条件下，用FS3-ATP处理的玉米种子表现出更强的发芽能力、更快的幼苗生长速度以及更高的生物量积累。生理分析表明，这些种子具有更好的抗逆性，抗氧化酶活性也有所提升。在干旱胁迫条件下，FS3-ATP处理使3572个与抗逆性相关的基因表达上升，这说明该包膜

CRediT作者贡献声明

蔡东青：论文撰写——初稿撰写、可视化分析、方法设计、数据整理、概念构建。傅冰冰：验证工作、软件应用。姜村：方法设计、实验研究。舒世虎：可视化分析、资源获取。赵攀：资源获取、实验研究。王东方：正式数据分析、概念构建。朱延平：验证工作、实验研究、正式数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了广西壮族自治区重点研发计划（项目编号Guike AB23026061）、东华大学2025年度学科建设与科研能力提升项目（编号113-08-0241015）、上海市自然科学基金（编号24ZR1403700）、泰山产业专家计划（编号tscy20251054）、上海市农业科技创新项目（编号2024-02-08-00-12-F00031）、江西省农业关键核心技术项目（编号JXNK202307-04-05）以及国家相关项目的支持。