一种基于信号传递的紫外线防护生物控释农药及其制备方法

本发明涉及生物农药，尤其涉及一种基于信号传递的紫外线防护生物控释农药及其制备方法。

背景技术：

1、目前，由于化学肥料的不合理使用以及工业污染的扩大，土壤问题成为制约农作物增产的关键，如何提高土壤质量、有效修复被污染的土壤成为亟待解决的问题。球孢白僵菌作为一种新型的生物农药，能够分解和降解污染物质，改善土壤结构和质量，增加土壤的通气性、保水性，促进植物生长。因此，球孢白僵菌被广泛应用于土壤的修复中。

2、然而，球孢白僵菌的使用在很大程度上受到外界环境的制约：过高或者过低的温度和ph以及强烈的紫外线照射都会影响球孢白僵菌的生长和修复能力。其中，紫外线的作用尤为明显。太阳辐射中的短波紫外线(uv-c)具有强烈的杀菌作用，能够抑制球孢白僵菌的代谢活动。为了保护球孢白僵菌在土壤中的活性和增殖能力，人们开发了紫外防护膜用于吸收外界强烈的紫外线。

3、传统的紫外防护膜仅仅只能起到保护的作用，不能根据外界环境的变化有效地实现控释的作用。因此，有学者利用天然高分子材料的缓释性能，实现″保护+控释″一体化。然而，该结构膜层较薄，很容易在土壤中破裂，无法有效保护球孢白僵菌，也达不到预期的控释效果。在此基础上，又有人试图构建多级紫外防护膜以增加其机械强度，但是膜层的厚度无法准确度量。在过厚的膜层中，仅仅只有表面的防护膜能起到吸收紫外线的作用，造成防护效率的低下和原料的浪费。除此之外，菌体在膜层内部也不能有效地交联附着，内源环境不稳定，生物相容性不高。

4、因此，目前亟需一种保护效果优良、紫外防护高效、内源环境稳定的紫外线防护生物控释农药来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于现有的紫外线防护生物农药保护效果不佳、防护效率不高、菌体难以正常生长，针对现有技术中的缺陷，提供一种基于信号传递的紫外线防护生物控释农药及其制备方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于信号传递的紫外线防护生物控释农药的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

3、(1)将生物质去除游离水分后高温加热得到多孔生物炭；

4、(2)将步骤(1)得到的多孔生物炭使用过氧化氢浸渍，得到过氧化氢改性生物炭；

5、(3)将菌株进行培养后，利用吸附法固定在步骤(2)得到的过氧化氢改性生物炭中，得到负载菌株的过氧化氢改性生物炭；

6、(4)将步骤(3)得到的负载菌株的过氧化氢改性生物炭加入到框架材料中，得到全包络框架菌株负载的改性生物炭；

7、(5)将步骤(4)得到的全包络框架菌株负载的改性生物炭与改性纤维素基紫外防护膜进一步络合，得到所述基于信号传递的紫外线防护生物控释农药。

8、在本发明中，步骤(1)生物质一般经过粉碎，通过在105℃下烘干至重量变化率小于0.1％去除游离水分。高温加热在管式炉中进行。

9、在本发明中，生物质可以是水稻秸秆、木屑或者是谷壳等。

10、优选地，步骤(1)中所述高温加热的温度为400～800℃，例如可以是400℃、500℃、600℃、700℃或800℃等。

11、优选地，步骤(1)中所述高温加热的时间为1～2h，例如可以是1h、1.5h或2h等。

12、优选地，步骤(2)中所述过氧化氢的浓度为30wt％。

13、优选地，步骤(2)中所述浸渍结束后，还包括烘干的过程得到所述过氧化氢改性生物炭。在本发明中，浸渍过程中，可适用搅拌器进行搅拌，并且振荡。烘干过程一般设置的温度为105℃。

14、优选地，步骤(3)中所述培养菌株的培养液为牛肉膏蛋白胨培养液。

15、优选地，所述牛肉膏蛋白胨培养液的ph值为5.0。

16、优选地，步骤(3)中所述菌株为球孢白僵菌或枯草芽孢杆菌。

17、优选地，步骤(3)中所述培养为：在温度为27℃，转速180r/min的摇床上培养7天。

18、优选地，步骤(3)中所述吸附方法为：在温度为27℃，转速150r/min的摇床上吸附24h。

19、在本发明中，采用吸附的方法固定化菌体，具体吸附的方法如下：将生物炭加入到玻璃离心管中，然后在121℃灭菌20分钟。在玻璃离心管冷却后将细胞悬浮液添加到管中。随后将细胞悬浮液和生物炭的混合物置于150r/min的旋转摇床上，在27℃下培养24h，直至细胞吸附到生物炭的表面和孔隙上。分离后将生物炭用去离子水多次冲洗以去除未吸附的细胞，得到负载菌体的h2o2改性生物炭。

20、本发明的步骤(4)，是本发明关键的步骤。该步骤将框架材料包络到生物炭上，具体为：(1)将uio-66-pnipam与生物炭以1∶1-1∶3的比例溶解在去离子水中，在磁力搅拌器中以150r/min的转速旋转6h，将框架材料初步覆盖在生物炭的表面。(2)uio-66和明胶按1：4的比例混合均匀后，将混合物溶解在去离子水中，并用机械搅拌(200r/min)使其均匀分散，直至形成均一的胶体。(3)将步骤1所得到的初步覆盖框架材料的生物炭加入到步骤2所得的uio-66-pnipam/明胶复合体系中，利用恒温振荡器以150-200r/min的转速振荡8-12h，使得框架材料和明胶充分包络生物炭的表面，并且呈现均一性的分布。(4)将制备好的uio-66-pnipam/明胶覆盖的生物炭放置在通风干燥的环境中，将其干燥和固化，最终得到全包络框架菌株负载的改性生物炭。

21、优选地，步骤(4)中所述框架材料为uio-66-pnipam。uio-66-nh2是一种由锆离子(zr3+)和2-氨基对苯二甲酸(nh2-h2bdc)组成的金属有机框架，可以被应用于土壤修复领域。

22、优选地，所述uio-66-pnipam的制备方法为：将2-氨基苯二甲酸和zrcl4在溶剂中反应后得到uio-66-nh2晶体，然后将uio-66-nh2晶体浸入到pnipam-nhs溶液反应，得到uio-66-pnipam。

23、pnipam为聚(n-异丙基丙烯酰胺)。pnipam-nhs溶液为聚n-异丙基丙烯酰胺-n-羟基琥珀酰亚胺酯的溶液。

24、优选地，步骤(5)中所述改性纤维素基紫外防护膜的制备方法为：将4，4’-二羟基二苯甲酮与甲苯-2，4-二异氰酸酯反应得到紫外吸收交联体，然后将紫外吸收交联体加入到纤维素溶液中，反应得到改性纤维素基紫外防护膜。

25、在本发明中，紫外吸收交联体与纤维素溶液反应过程中，一般静置6h以上，同时烘干后，在丙酮中浸泡2h，得到改性纤维素基紫外防护膜。

26、优选地，所述纤维素溶液的制备方法为：将微晶纤维素进行二次活化后，加入氯化锂得到所述纤维素溶液。

27、优选地，所述二次活化的溶剂为n，n-二甲基乙酰胺。

28、优选地，所述二次活化的为经过加热反应和降温反应的过程。

29、优选地，所述加热反应的温度为100～200℃，例如可以是100℃、150℃、180℃或200℃等。

30、优选地，所述加热反应的时间为30～40min，例如可以是30min、34min、38min或40min等。

31、优选地，所述降温反应为降温至温度为100～120℃，例如可以是100℃、110℃、115℃或120℃等。

32、优选地，所述降温反应的时间为20～30min，例如可以是20min、25min或30min等。

33、本发明还提供了一种如上所述的制备方法制备得到的基于信号传递的紫外线防护生物控释农药。

34、本发明提供的基于信号传递的紫外线防护生物控释农药，在结构上分为外、中、内三层。其中，外层为改性纤维素基紫外防护膜，用于接受外源性紫外线刺激，将光信号转变为热信号；中间层为uio-66-pnipam，即经过聚(n-异丙基丙烯酰胺)(pnipam)修饰的金属有机框架uio-66-nh2，用于产生内源性温度响应，将热信号转变为生物信号；内层为负载球孢白僵菌孢子的改性生物炭，用于定向构建菌体最适生长内环境。

35、相比于现有的控释农药，本发明通过三层结构，既实现了紫外线的高效防护，同时又能保证内部菌体生长环境的稳定，达到控释效果。

36、外层为改性纤维素基紫外防护膜，该膜层可有效的保护生物农药在释放过程中不受紫外线的影响。纤维素膜材料是一种生物可降解的天然高分子材料，不会对环境造成污染，具有良好的生物相容性和机械强度。苯甲酮及其衍生物是常用的紫外线吸收剂，通过苯甲酮基团修饰纤维素材料，可为生物农药设计出一种兼具有缓释和紫外防护能力的膜层。同时该紫外防护膜还能充当外界信号源，将紫外线的光信号转化为热信号并向内传递，使得生物农药达到了精准控释。

37、生物农药的中层为uio-66-pnipam。其中uio-66-nh2是一种由锆离子(zr3+)和2-氨基对苯二甲酸(nh2-h2bdc)组成的金属有机框架，可以被应用于土壤修复领域。由于其比表面积大、孔隙结构良好，可以通过静电作用、化学吸附等方式吸附土壤中的有毒污染物，并且表面羧基和氨基可以与有机分子发生化学反应，以降解吸附在表面的有机污染物。除此之外，uio-66-nh2表面的氨基基团具有良好的生物相容性，可以为菌体提供营养物质以及数量庞大的附着孔位，构建稳定的内源环境。通过与土壤微生物的协同作用，uio-66-nh2可以促进土壤微生物的生长和代谢，从而加速土壤的修复。pnipam是一种常见的温敏材料，当温度低于其临界溶解温度(lcst)时，pnipam具有较高的溶解度，而当温度高于lcst时，则会形成凝胶状态。uio-66-pnipam可以很好地接受外层发送来的温度信号，产生内源性温度响应。

38、最内层为负载生物菌的h2o2改性生物炭。生物炭经过h2o2修饰，极大地丰富了表面酸性含氧官能团含量，并使其理化性质更稳定，抗生物分解能力更强。由于生物炭的缓冲作用，其ph能稳定在4.0-5.5的酸性范围内，与生物菌特性相吻合。除此之外，h2o2改性增加了生物炭的比表面积，丰富的孔隙结构使得球孢白僵菌有足够的初级繁衍位点进行增殖。炭菌的良好耦合能够有效减少农业的面源污染，促进土壤修复，达到″1+1＞2″的效果。

39、基于信号传递的紫外线防护生物控释农药，其信号传递机理如下：

40、由于外层的改性纤维素基防紫外线膜中存在苯甲酮基团，在紫外光的刺激下，羰基受到激发生成自由基。此时如果环境中存在伯胺类物质，该自由基会发生夺氢反应，伯胺类物质的氢被剥夺，而原有的自由基则会转变为新自由基；如果此时没有氢供体，苯甲酮自由基会在氧气的作用下消除自由基。经过苯甲酮的这一系列转变，紫外线能量被转变为热能释放出来并向内传递，由此实现光信号向热信号的转变。当uio-66-pnipam接收到热信号后便产生温度响应：如果外界的紫外辐射强度较低，即在接受冷应激的情况下，uio-66-pnipam表面的温度响应聚合物会由三维的球网结构向二维的线网结构坍塌，由此生物菌的通道打开，释放速率增加；如果外界的紫外辐射强度较高，即在热应激的情况下，温度响应聚合物则会由二维的线网结构纠缠成三维的球网结构，生物菌无法通过致密的球网，因此释放速率降低。即由uio-66-pnipam实现热信号向生物信号的转变。

41、实施本发明，具有以下有益效果：

42、本发明提供的基于信号传递的紫外线防护生物控释农药相比于现有的控释农药，本发明通过三层结构，既实现了紫外线防护效果，同时又能保证内部菌体生长环境，不会对环境造成污染，具有良好的生物相容性和机械强度，同时本发明的紫外防护膜还能充当外界信号源，将紫外线的光信号转化为热信号并向内传递，使得生物农药达到了精准控释的效果。