近期，海南大学材料科学与工程学院卢凌彬课题组在天然高分子领域中国科学院一区Top期刊《Carbohydrate Polymers》（IF=11.2）上，发表了题为“An eco-friendly versatile superabsorbent hydrogel based on sodium alginate and urea for soil improvement with a synchronous chemical loading strategy”的研究论文，是团队关于天然高分子功能化开发在农业保水剂领域的最新成果。论文第一作者为我校材料科学与工程学院硕士生牛晨熙，通讯作者为我校卢凌彬教授，海南大学为唯一单位。
超吸水性水凝胶可以吸收自身重量几百至上千倍的水分，可在干旱条件下释水，潮湿条件下吸水，充当土壤中的微型水库，缓解干旱对农作物的影响，在农业种植领域有着重要的应用。尤其是通过在体系中引入肥料，可以促进农作物的生长，极大提高超吸水性水凝胶的功能性。但是，利用合成高分子制备的超吸水性水凝胶，使用时可能产生微塑料，对环境和生物存在潜在危害；而肥料淋失带来的环境问题也受到世界范围内的广泛关注。卢凌彬教授课题组利用天然高分子海藻酸钠为主体，通过“同步化学负载”策略，开发了一种环境友好型多功能超吸水水凝胶。该水凝胶不仅具有优异的可降解性、吸水保水性和肥料缓释性能，可提高农作物的抗旱性，还能有效助力农作物的生长发育和品质提高，是一类新型的兼顾环保和功能性的土壤改良剂，在土壤改良和农林种植领域有巨大的应用潜力。
图1 “同步氮化交联”策略构建SAUR水凝胶
该策略巧妙地利用尿素作为交联剂，同时实现海藻酸钠的交联和氮化，验证了水凝胶结构中尿素“单交联”和“双交联”两种交联模式的变化。获得的SAUR水凝胶含有丰富的孔隙结构，可以为水的输送提供毛细作用，使水凝胶具有优异的吸水性能。得益于高孔隙率和海藻酸钠的亲水性，SAUR水凝胶在去离子水中的平衡溶胀度最高可达730.55 g/g，含有SAUR水凝胶的土壤保水性能明显提高，使得水分在土壤中的停留时间增加，极大提高了农作物的抗旱能力（图2）。SAUR水凝胶具有良好的生物降解性，降解同时可以向土壤中缓慢释放氮磷钾元素（图3），增强土壤肥力，有效促进农作物生长。此外，SAUR水凝胶可以提高农作物的品质，生长的空心菜比空白组含有更多的维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白以及更少的硝酸盐（图4）。
图2(a) 一个月后空白组、样品组和对照组的番茄植株照片；(b) 断水一周后，空白组和样品组的番茄植株照片
图3 (a) SAUR在土壤中降解不同阶段的照片；(b) SAUR降解过程中土壤中全氮、硝态氮、磷、钾含量
图4 45天后空白组、对照组和样品组中空心菜的维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白和硝酸盐含量
该项研究对土壤荒漠化治理、干旱环境下农业种植、以及环境友好型功能材料发展和天然高分子高质利用等方面有重要的应用价值，获得了海南省重点研发项目（ZDYF2022XDNY187）支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121676
