天津大学丁辉教授团队：生物基凹凸棒接枝共聚物固沙材料的制备及性能研究 | MDPI Polymers

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文章导读

土壤荒漠化是全球最严峻的生态环境问题之一。传统的机械固沙、生物固沙和化学固沙存在机械化程度低和生态效益不高的弊端。研发一种环境友好、成本低廉的固沙材料对防沙治沙工程意义重大。

天津大学丁辉教授团队在 Polymers 期刊发表的文章，以凹凸棒 (Attapulgite Stick, APT)、淀粉、磺甲基化木质素和菌丝为原料，采用接枝共聚的方法，制备了生物基凹凸棒接枝共聚物固沙材料 (Bio-based Attapulgite Copolymer, BAC)，并研究了 BAC 的结构及其在实际应用中对土壤理化性质和微生物群落的影响。

BAC 的应用性能

如图 1a 所示，沙土的含水率随着时间的变化越来越低。BAC 处理后的沙土在整个实验中的含水率均高于共聚物固沙材料 (Copolymer Sand-fixing , CSF)，其中 CSF 处理后的沙土在 20 h 左右就接近干燥，而 BAC 组的沙土在 50 h 后水分才完全蒸发。在图 1b 所示的抗水蚀实验中，3% BAC 处理后的沙土和 2%~3% CSF 处理后的结果相似，证明了 BAC 良好的抗水蚀性能。图 1c 所示的抗风蚀实验中，在 12、14、16 和 18 m/s 的风速下，BAC 的固沙率达到 70% 以上。图 1d 的稳定性实验中，BAC 固沙材料在 20 ℃ 以下表现出良好的稳定性。

图 1. 应用性能：(a) 保水性实验；(b) 抗水蚀实验；(c) 抗风蚀实验；(d) 稳定性实验。

SEM 表征结果

对比图 2a、b，酸改性后的 APT 出现了团聚现象，原有的片层结构和棒状晶体变少，局部结构断裂坍塌，矿物聚集体解聚。APT 经酸改性后，材料的孔道随着碳酸盐矿物的分解作用和阳离子置换作用得以疏通，这增加了材料的吸水性和保水性。由图 2c 可以看出，淀粉、木质素和 APT 被容纳在聚丙烯酰胺 (Polyacrylamide, PAM) 网中，材料表面平滑且具有疏松孔道。图 2d 中的淀粉、木质素和 APT 由于缺少 PAM 的支撑呈现层片状，具有较大的疏松孔道和粗糙表面，证明了材料较强的吸水性能。由于缺少 PAM 的支撑，其抗风蚀能力和抗水蚀能力较差。图 2e 显示了 PAM 和木质素的镶嵌结合，二者的接枝共聚分子是通过分子链相互交联形成的网状连接结构。图 2f 中 APT 与 PAM 相结合后，原本光滑的 PAM 表面出现了 APT 纤维簇并分布着许多小孔隙，这说明材料具有吸水能力。

图 2. SEM 电镜图：(a) APT 原矿；(b) 经6 mol/L 硫酸改性的 APT；(c) CSF；(d) 淀粉-木质素-APT；(e) 木质素-PAM；(f) APT-PAM。

发芽率实验结果

水在种子萌发中起着至关重要的作用，当缺水 (0 times) 时，四组几乎没有发芽；相反，当水量增加时，发芽率指数型增长。发芽率结果显示：Blank 组总体发芽率最低 (20%)，生物固沙材料 (Biological Sand-fixing, BSF) 和 BAC 组发芽率最高 (95%)。对比图 3a 和 b，CSF 组的种子发芽率较高，可以证明 CSF 材料具有一定的保水效果，有利于种子萌发。CSF 组发芽率 (41%) 低于BAC (95%) 组，这证明了菌丝体对种子发芽有积极作用。

图 3. 灌溉次数对四组沙土中发芽率的影响。(a) Blank；(b) CSF；(c) BSF；(d) BAC。

微生物群落丰度及多样性

如图 4a 所示，经 BAC 改良后的沙土中厚壁菌门的相对丰度达 44.3%。厚壁菌可以产生抵抗脱水和极端环境的芽孢，而厚壁菌的丰度较高则表明经 BAC 改良后的沙土中某些微生物发生变化。如图 4b 所示，所有样品在纲水平以放线菌纲和拟杆菌纲为主。沙土改良后样本中出现了 Blank 组中未出现过的芽单胞菌和糖酵母菌。BAC 组中芽孢杆菌纲的占比最高。研究表明，芽孢杆菌是土壤益生微生物，在能有效去除土壤有机污染物的同时，也有利于恢复土壤生态环境。

基于 Bray-Curtis 相似性指数，作者对前 50 个分类属和 5 个样本均进行了层次聚类，进一步分析了属水平上的微生物群落概况 (图 4c)。聚类分析结果显示，经 CSF 改良沙土样品微生物组成与其他组样本微生物组成均不接近。CSF 组样本中的代表性属为Bosea、Ochrobactrum、Brevundimonas、Sphingobacterium，而 Blank 组代表性属为Paracoccus、Cellulomonas、Paenibacillus。但是前 50 个属中有 15 个属被这两个样本共享，这说明这两个样本组成相对接近。经 BAC 改良的沙土样品和 Plant 样品最为相关，这说明在改良后的沙土上进行植被对促进土壤发育具有积极作用。由于 BAC 材料是在 CSF 材料基础上添加菌丝形成的，所以经 BSF 改良的沙土样品和经 BAC 改良沙土样品之间存在密切关系。

图 4. 基于 (a) 门水平、(b) 纲水平和 (c) 属水平的各样本的微生物群落组成。

研究结论

BAC 在应用性能实验中，显示了良好的保水性、抗水蚀、抗风蚀和稳定性。发芽率实验中，BAC 处理土壤中的有机物、总氮、可用磷和有效钾明显增加，土壤体积密度、土壤孔隙度和土壤团粒结构得到有效改善。BAC 和 BSF 组在 7 天内发芽率为 95%，而 CSF 组为 41%。16S rDNA 的高通量测序表明，经 BAC 处理后的微生物的多样性更高。此外，BAC 组和 Plant 组的样本相似，证明了植被在土壤发展中的重要性。总之，BAC 是一种低成本、环保的固沙材料，能够促进沙壤固定和改良。

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原文出自 Polymers 期刊

Wang, H.; Zhao, R.; Wu, X.; Zhao, D.; Xue, H.; Zhang, Y.; Dai, N.; Song, D.; Zhang, M.; Ding, H. Preparation and Properties of Bio-Based Attapulgite Copolymer (BAC) Sand-Fixing Material. Polymers 2023, 15, 265.

   Polymers 期刊介绍

主编：

Alexander Böker, University of Potsdam, Germany

期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。

2021 Impact Factor	4.967
2021 CiteScore	5.7
Time to First Decision	13 Days
Time to Publication	31 Days

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