壳聚糖在农业中的应用研究
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壳聚糖在农业中的应用研究
发布日期： 2012-07-19 发布：
2012年第10期目录 本期共收录文章20篇
摘要 首先介绍了壳聚糖的物理性质及化学结构，分析其在农业方面应用的优势；而后分别从壳聚糖在种衣剂、地膜材料、土壤改良剂、农药及肥料等农业方面的应用综合阐述；最后指出了壳聚糖在农业方面的应用研究将会向以下3个方面发展，即按照其分子量分布或者原料来源等的不同再进行分类研究、应用范围将不断扩展和细化、壳聚糖的衍生物亦将成为研究热点。
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关键词 壳聚糖；农业；应用
中图分类号 Q53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2012）10-0024-02
壳聚糖（chitosan）是一种可再生的能源及工业原材料，其生产原材料甲壳素是地球上最丰富的有机物之一，在自然界中具有较高的产量，仅次于纤维素[1-4]。据估计，每年自然界生物合成的甲壳素量远远超过其他氨基多糖，可达100亿t[5]。甲壳素系列产品如甲壳质、壳聚糖、壳寡糖等可利用生物技术制取，即以低等动物特别是节肢动物（如昆虫、甲壳动物等）的外壳为基础原料，经过脱钙、脱乙酰基反应即可制得[6]。
1 壳聚糖的物理性质
壳聚糖为白色或灰白色固体，略有珍珠光泽，为无定形半透明状态，由于制备方法不同，因而其相对分子量也不同，从数十万到数百万不等。壳聚糖可溶于1%~2%稀酸溶液中，不溶于水，具有很好的成膜性、透气性、吸湿性，热稳定性差，无毒无味，在高温下会发生基因脱落和水解现象，同时也可发生生物降解[1]。以上这些性质即可很好地说明其低毒、低残留性，王立华[7]和吴星娥等[8]在研究中指出，壳聚糖分解后的产品为肥力较高的有机物，因而可保证其在农业方面应用的优越性。
2 壳聚糖的化学结构
壳聚糖是甲壳素经脱乙酰化处理后的产物，又称为脱乙酰基甲壳素，学名为（1，4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖[9]，分子式为（C6H11O4N）n，其结构如图1所示。壳聚糖是分子量为12万~59万bp的生物大分子，可在酸和体液中溶解，人体及其他生物体都可吸收壳聚糖。因此，壳聚糖作为一种优质原料，可用于农业生产、食品加工以及保健品生产等[5，10-12]。
3 壳聚糖在农业中的应用
壳聚糖及其衍生物的应用非常广泛，如化工、医疗、日用品及食品等领域。由于壳聚糖具有抑菌防腐的作用，能提高作物的抵抗力，并且无毒，能生物降解，所以在农业上有更广泛的应用。
3.1 种衣剂
Notsu et al[13]用壳聚糖处理的种子中甲壳素酶的活性可提高1.5倍；张 娟等[14]和李薇[15]试验研究表明，壳聚糖处理能缩短种子平均发芽时间，提高作物种子的发芽率、发芽势和发芽指数。
由此可知，壳聚糖是良好的种衣剂材料。经过壳聚糖处理的种子，可增强种子的抗倒、抗低温、抗逆、抗病等性能，提高植物的免疫能力、发芽率，促进作物生长，提高作物产量[16]。壳聚糖处理的种子具有良好的防病、防虫和促进作物生长作用，处理方法既简便易行，又减少杀虫剂对使用者和环境的污染，是理想的环保型杀虫剂，宜大面积推广应用[17-18]。
3.2 地膜材料
日本学者西川昌史等用壳聚糖与纤维素混合，在一定温度下进行流延干燥，即可形成薄膜[19]。王立华[7]和吴星娥等[8]研究表明，将壳聚糖与纤维素后形成的薄膜用作地膜，可消除“白色污染”造成的土壤板结、不利于农作物生长的现象，因为其可以被生物降解。万 鹏等[10]利用甲壳素与聚乙烯醇的共混物制得具有高阻隔气体透过性、可生物降解及崩解的塑料薄膜，且该薄膜的力学性质可达到一般塑料薄膜的强度。
3.3 土壤改良剂
多个学者研究了壳聚糖在土壤改良剂生产中的应用，如在土壤中加入蟹壳，就是人工改善自然界甲壳质循环紊乱的一种尝试。首先从动物甲壳中分离出壳聚糖，施用于土壤中，可以达到抑制土壤中病原菌的繁殖，促进作物进长的目的。将壳聚糖制成胶体溶液、颗粒剂或粉剂，施到土壤中，也能起到阻止霉菌繁殖、促进作物生长的作用[20-22]。黄丽萍等[23]研究制取叶面液体肥料，其基本成分就是壳聚糖，同时配以化肥、微量元素等营养成分及防腐剂，可用于无土栽培生产中。
3.4 农药
目前，国外一些国家在壳聚糖的应用方面进行了广泛研究，并取得显著的成果，如俄罗斯、韩国、美国、加拿大、日本等，我国在此方面也取得了一些成果，如利用壳聚糖及其衍生物防治小麦、大麦、玉米、大豆、水稻、蔬菜、果品等的病害。于汉寿等[24]用1.075、3.172 g/kg壳聚糖拌种处理种子，对油菜菌核病的抑制效果达30%~50%，对水稻恶苗病的相对防效达80%以上，可有效抑制病害的发生。赖 凡等[25]观察不同浓度壳聚糖对小麦赤霉病菌、稻纹枯病菌灰霉病菌、甘薯软腐病菌等16种植物病原真菌生长的影响，发现壳聚糖对其中大多数真菌都有一定的抑制作用，且抑制作用随着壳聚糖浓度的增大而增强，但壳聚糖浓度超过30 mg/mL后保持稳定的抑制作用。Nicole et al[26]用1 mg/mL壳聚糖浸泡番茄根，表明该处理可抑制由镰刀菌引起的番茄茎腐病，抑制效果为70%。
研究表明，壳聚糖还可作为植物的灭菌剂使用，番茄上喷洒0.4%壳聚糖溶液，可消除烟草斑纹病毒的危害。用壳聚糖溶于弱酸中所得的溶液处理植物的种子或幼苗，可以提高其对致病因素的抵抗力和环境的耐受力，这种作用可应用于林业、园艺和其他谷类、水果等生产。在某些农药的外层包裹甲壳素制成的膜，可减缓农药的释放速度，使农药能在土壤中发挥长期的效果[27]。
3.5 肥料
壳聚糖液体肥料作为一种新型肥料，在农业生产中得到越来越广泛的应用。马金芝等[28]通过在生菜上施用壳聚糖液体肥料，表明其可使生菜的生长速度加快，增产率达19.7%。孔 伟[29]研究表明，壳聚糖作为肥料缓释载体，能够有效地达到缓释的目的。陈 强等[30]研究表明，壳聚糖与其他物质联用作为肥料使用时，并不是简单的混合，而是在助剂的作用下，分子在溶液中充分溶胀、溶解，高分子充分伸展和混合形成了大分子之间新的物理联系，使分子内及分子间的次价力产生很大的变化，导致分子结构变化及分子间排列重组，形成新的稳定结构膜。
据报道，壳聚糖还可用于饲料、饵料添加剂（如乳清鸡饲料添加剂、反刍动物的包膜饲料添加剂、稀土壳聚糖饵料粘合剂、募基葡糖虾饵料添加剂等）和食物保鲜剂、防腐剂等。
4 展望
目前，壳聚糖在农业方面的应用研究还处于起步阶段，未来将按照其分子量分布或者原料来源等的不同在农业上进行分类研究及应用，以发挥其最大效率。壳聚糖由于其天然、环保、无毒害残留等优势，在农业方面的应用范围将不断地扩展和细化。随着壳聚糖应用领域的拓宽和研究的不断深入，壳聚糖衍生物在农业上的应用研究亦将成为必然趋势。
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