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第六章 壳寡糖/壳聚糖在农业方面的研究与应用(第三节)

第三节 壳聚糖/壳寡糖在农业上的应用

1)壳聚糖/壳寡糖浸泡种子与种子包衣

壳寡糖可用作许多粮食、蔬菜作物种子的处理剂,激发种子提前发芽,促进种子发育,提高种子抗菌能力,促进作物生长,提高抗病能力,从而提高粮食和蔬菜产量。目前在玉米、小麦、高粱、棉花、萝卜、大白菜和秋播菠菜中均有应用,并进行了广泛的田间试验,获得了可喜的成果1】

用壳寡糖处理棉花种子,可提高幼苗抗病能力,使棉苗长得粗壮,从而对棉花枯萎病、黄篓病能表现出较强的抑制能力。用壳寡糖处理的小麦和萝卜在大地栽培中,可减少病虫害的侵染,产量提高7%~13%。

张燕等人6】用不同浓度的壳聚糖柠檬酸溶液浸泡烟草种子,实验结果表明,适宜浓度1%~2%的壳聚糖溶液能提高烟草种子活力,促进幼苗生长;可提高呼吸速率、 叶绿素含量及可溶性蛋白含量;过氧化物醇、硝酸还原酶及淀粉酶活性也随壳聚糖处理浓度的增大而明显提高。

赵慧芝7】用不同浓度的壳聚糖柠檬酸溶液浸泡向日葵种子,其发芽指数、发芽率、幼苗株高及幼苗叶绿素含量、可溶性蛋白含量均有不同程度提高,过氧化物酶和淀粉酶的活性增强。

陈云等8】用不同平均分子量的壳寡糖处理小麦种子,实验表明:壳寡糖能够有效地促进小麦种子萌发和幼苗生长,其作用与分子量有关,分子量愈小、作用愈大。由此可见,壳寡糖是小麦生长发育的生理调节剂。

    冀宪领等9】用壳寡糖溶液处理桑树种子和对桑树进行叶面喷施,结果表明,0.5%的壳寡糖溶液处理桑树种子,可以提高桑树种子的发芽率、发芽指数和幼苗生长势。用处理过的桑叶喂蚕,可以提高产茧量和茧质。

由于壳聚糖能在作物种子表面形成一层保护膜,利于保持种子水分,又能吸收环境中的水分供作物需要,在水分过多的情况下可以阻断水分,防止种子烂掉,有利于种子萌发和出苗,而且在酸性条件下可以自然降解,是一种良好的种衣剂。目前,以壳聚糖及其衍生物为原料生产的种衣剂已在美国、荷兰等国得到广泛应用。日本已有1万多农民将壳聚糖使用于番茄、水稻、茶叶等作物的生长中,使用商品有“几丁质第一”、“有机俱乐部”、“螃蟹灰”等10】。使用壳聚糖后,可使茶叶味道香醇,可提高水稻的耐寒能力,使番茄长得颜色漂亮、味美、含糖量高。美国已有11个州采用壳聚糖处理小麦、豌豆和小扁豆种子,产量增加10%-30%。

2)壳寡糖溶液喷雾叶面和灌根

近年来应用壳寡糖溶液对植物、农作物、蔬菜、花卉、水果等的幼苗、成熟期、结果初期的叶面喷雾,根区浇灌取得了很大进展。在产量、果实质量、抗病虫害、抗逆、果实的保存均有不同程度的提高。

①壳寡糖对高橙果实膨大和品质的影响12】

研究表明,用7.5克壳寡糖加水7.5KG搅拌均匀后叶面喷雾(背面叶的吸收更好),用15克壳寡糖加水7.5KG搅拌均匀后根部浇灌,浇湿浇透。喷雾、浇灌时间,开花前7天、果实膨大期、着色期各一次(共三次)。统计学处理结果,在提高果实膨大期有显著作用。

壳寡糖对“巨峰”葡萄着色和果实品质的影响13】

研究表明,用壳寡糖分子量D<1000 ,500倍稀释,叶面喷雾

(正、背两面效果更好)。用壳寡糖分子量D<1000,200倍稀释,根部浇灌。开花前7天、果实膨大期:果实着色期共三次处理,统计学处理结果,果实品质可溶性物含量实验组高于对照组。果实着色影响,实验组着色水平明显高于对照组。

实验说明,用壳寡糖溶液喷雾和根部浇灌方法是促进农作物提高产量、提高果实品质的很好方法与措施。

3)壳寡糖/壳聚糖改良土壤

甲壳素作为一种高分子的有机物,具有改良土壤的作用。在土壤中施用,它能有效地改善土壤的团粒结构,还可改善土壤微生物区系,促进土壤中放线菌等有益微生物的生长,抑制病原微生物生长和繁殖。与此同时,由于甲壳素及其衍生物具有可降解性,在土壤中可被微生物降解,且分解后是优质的有机肥料,增加土壤有机质含量。赵云强等利用壳聚糖为主要原料制成的土壤改良剂,应用于小麦种植,其产量提高29%。1963年美国Michell等人在土壤中加入龙虾壳或甲壳素,结果使土壤植物病原真菌引起的病害如大豆根腐病,胡萝卜、莴苣、甜菜等幼苗猝倒病和线虫病得以减轻。进一步研究表明,土壤中放线菌数量增加,真菌数量减少,能分解甲壳质的细菌数量也增加3-5倍,这些分解甲壳素的细菌产生甲壳素酶能抑制部分真菌的生长或杀死线虫的卵。

日本高桥直喜(1999)利用壳聚糖与可溶性蛋白(如胶原蛋白)合成液体土壤改良剂,降解后可供作物吸收,能抑制病原菌生长繁殖,改善土壤团粒结构,在土表面形成薄膜,有保墒作用,将农药或化肥掺入其中均已分散,可取得缓释效果。孙军德等(2000)研究,土壤中施用壳聚糖制剂后,放线菌等有益微生物数量增加,病原真菌数量减少。1999年湖北朱岩等提出:用海藻酸钠-壳聚糖-海藻酸钠体系微胶囊包埋固态菌,处理植物幼苗,使固氮菌把空气中的氮固定在根苗周围,供作生长发育的营养,由此改变传统的施肥方法。这种无污染的生物肥料的设想,为改变当前化肥生产的弊端提出了一条新颖的、极具开发前途的思路10】

另外,利用甲壳素及其衍生物具有吸湿性和保湿性的特点,可与其他材料混合配成抗旱剂或保湿剂,这对于干旱少水的农业区是有很大意义的。

4)壳聚糖地膜

使用以往地膜可以增加土壤温度,保水保墒,促进农作物早熟,提高产量。在地膜使作物丰收的同时,也造成了严重的环境污染。废膜残留在土壤中不能分解,土壤结构遭到破坏,土地透气性变差,植物的生长和对水的吸收都受到阻碍,“白色革命”附带来了“白色公害”。

利用壳聚糖的成膜性及生物降解性,用壳聚糖与纤维素混合,在一定温度下流延干燥,即可形成薄膜。这种薄膜具有良好黏附性、通透性和一定抗拉强度的农用地膜,代替现在广泛使用的聚乙烯地膜,消除“白色污染”使土壤板结、不利于农作物生长的现象,这种地膜在土壤中能降解为小分子,因此它将取代聚乙烯地膜。如以含10%甲壳素或壳聚糖制成的聚乙烯-甲壳素或聚乙烯-壳聚糖膜,6个月后能被土壤中的微生物完全降解,而且这种地膜伸缩性好,湿润状态下也有足够的强度。

5)壳聚糖杀菌、杀虫剂

    由于壳聚糖具有生物相容性、安全无毒、可生物降解等优点,可作农药的载体,即设法把农药键合到壳聚糖高分子链上,以其为载体,生产低毒、高效农药。利用壳聚糖制造新型对环境无危害的有机杀虫剂,为开发新型无污染无毒农药开辟了一条新路。

美国马里兰IGENE公司正在利用壳聚糖生产一种新型用于杀死线虫的有机农药。据估计,线虫每年造成的世界农业损失达100亿美元,这种新型有机农药与化学杀虫剂不同,它不是直接杀死害虫,而是刺激土壤微生物产生一种杀死线虫和虫卵的酶,间接地把害虫杀死。该产品不溶于水,因此不会导致地下水污染,更不会产生农药残留11】

目前美国、日本、俄罗斯、加拿大、韩国和我国海峡两岸的科技工作者利用甲壳素及其衍生物防治小麦、大麦、玉米、大豆、水稻、蔬菜、果品等病虫害,取得了显著效果。姜涌明等(1999)用平均分子量为1200、850、750的壳寡糖对棉花炭疽病菌、小麦赤霉病菌、水稻白叶枯病菌、马铃薯还腐病菌、棉花角斑病菌等的生长繁殖及真菌孢子萌发均有明显抑制作用。华盛顿大学(1999)用壳聚糖处理小麦种子,可保护其免受土壤真菌侵染。李宝英等(1999)应用壳聚糖侵泡种子,小麦纹枯病和大豆根腐病发病率分别降低30%-50%和42.6%-42.9%,且病情指数明显下降。杜予民(1999)报道,用分子量2000以下的壳寡糖溶液进行小麦、豌豆拌种,可防止地下霉菌对种子的危害,提高抗病能力。另据资料(1999)报道,分子量小于3000的壳寡糖可有效控制梨黑斑病;壳寡糖稀溶液喷洒菜豆叶片,可明显减少苜蓿花叶病毒造成的病灶损伤。胡文玉等(1994)试验,壳寡糖对收获后的草莓烂果病有显著的防治效果。蒋挺大等(1994)试验,用壳聚糖溶液拌种玉米,可降低玉米植株黑穗病的发病率。

用一定浓度壳聚糖溶液直接喷到蔬菜、烟草、水果等植株上,能有效地阻止植物病虫害病原细菌的生长,诱导出植物机体对病原菌的防护机能,抑制菌类对植物的危害,起到保护作用。

壳聚糖作为药物缓释剂方面的应用已有报道,用它制造的肥料、除草剂和杀虫剂,可大大提高肥效,减少损失。据报道,用壳聚糖水溶液处理木瓜种子,可以抑制花叶病发生,抑制效果达30%~50%;芹菜苗用壳聚糖浸根处理可显著延缓尖孢镰刀菌引起的萎蔫症状;番茄苗用壳聚糖浸根或喷雾可提高番茄对根腐病的系统抗病性;黄瓜水培液中加入壳聚糖可以控制由腐霉菌引起的猝倒病。

因长期使用化学农药,病虫害的抗药性越来越强,传统农药的用量越来越大,对生态环境保护和资源的可持续开发与利用造成较大负面影响。壳聚糖具有良好的抗病虫害功能,且有安全、微量、高效、成本低等优势,可使水果、蔬菜、粮食增产10%-30%,因而可以应用于生物农药产品,部分替代化学农药。目前我国农业病虫害共2000余种,受灾面积数10亿亩。因此壳聚糖在农林畜牧上的应用对我国的农业可持续发展具有重要意义,以壳聚糖为基础的生物农药将有广阔的发展空间。

参考文献

[1]盛家荣,谭志英,许东颖,甲壳素及其衍生物在农业上的应用研究进展,广西师范学院学报(自然科学版),2002,19(4):15~17

[2]魏新林,夏文水,甲壳低聚糖(壳寡糖)的生理活性研究进展,中国药学通报,2003,(19)6:614~617

[3]杜昱光,主编《壳寡糖的功能研究及应用》化学工业出版社,2009.9:182~194

[4]刘洪涛、原旭冰、王倬、杜星光、《功能糖在生命健康领域的研究及产业发展现状》生物产业技术 2018.06(11月)

[5]马雪丽、李建峰、李喜凤,壳寡糖在农业上的应用研究综述《乡村科技.种植大观》(文章编号)1674-7909(2018)24-63-2

[6]张燕、方力、王宝,壳聚糖对烟草种子萌发及幼苗生理生化特性的影响,吉林农业大学学报,1998,20(3):28~30

[7]赵惠芝,壳聚糖对向日葵种子萌发及幼苗生理特性的影响,河北农业技术示范学院学报,1999,13(2):37~39

[8]陈云、梁建生、刘立军、胡健、郑涌明,低聚壳糖(壳寡糖)对小麦种子萌发以及幼苗生理生化特性的影响,耕作与栽培,2003(3):28~29

[9]冀宪领、盖英萍、牟志美、李卫国、张作法、低聚壳聚糖(壳寡糖)对桑树种子萌发和桑树生理特性影响的研究,桑业科学,2003,29(3):299~302

[10]刘志恒、李学荣、孙军德、刘薇薇、杨家书,几丁聚糖(壳聚糖)在农业上应用的研究进展,沈阳农业大学学报,2001,32(6):459~464

[11]段新芳,甲壳素和壳聚糖的研究及其在农林业中的应用,世界林业研究,1998,(3):9~14

[12]黄雪燕,金伟,赵灵云,壳寡糖对温岭高橙果实膨大和品质的影响,农业科技通讯,2018.12,试验研究

[13]朱潇婷、陈青英、朱敏华. 壳寡糖对“巨峰”葡萄着色和果实品质的影响初报,浙江柑橘 2018.第35券,第4期35.

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