基于水凝胶体系的磷酸根响应控释农药释放行为分析
陈超文 刘彬 吴正岩
摘?要?基于Fe3+与羧甲基纤维素钠（CMC）的交联作用，制备了以凹凸棒土（ATP）为载体、吡虫啉（IM）为目标农药分子的基于水凝胶的磷酸根（PO34）响应控释农药体系（PCRPH）。利用扫描电镜、X射线衍射等表征了PCRPH。结果表明，PCRPH与PO34相互作用，主要发生溶胀和Fe3+解离。随着PO34浓度增大，PCRPH中分子间距增加并逐步解离，能有效促进内部IM分子向外扩散，实现农药的可控释放，提高农药利用率。释放动力学分析表明，IM在PO34溶液中的释放过程属于Fickian扩散。此外，溶液中IM的释放量大小不受共存阴离子Cl及pH值的影响，具有良好的稳定性，但提高温度能促进IM从PCRPH中释放。
关键词?羧甲基纤维素钠; 铁离子; 凹凸棒土; 吡虫啉; 磷酸根离子; 控释水凝胶
1?引 言
农药被广泛应用于防治杂草、虫害、病害等[1，2]，可提高粮食产量[3]。吡虫啉（Imidacloprid， IM） 作为一种烟碱类杀虫剂，因具有广谱、高效、低毒等优点而受到关注[4～6]。然而，包括IM在内的传统农药在施用过程中易通过挥发、径流迁移、淋溶浸出等方式[7]排放到环境中，不仅降低农药利用率，还会对环境产生污染[8～10]。因此，为了提高农药利用率，越来越多研究人员将研究重点放在开发新型农药方面[11]。
基于微胶囊、有机硅、纳米添加剂、多聚物及片剂等[11～16]构建缓释农药（Slow release pesticides）是解决农药流失问题的一个重要方法。上述技术主要通过在农药中引入载体、增强吸附力的方式，实现农药在较长时间内的缓慢释放，以达到提高农药利用率、降低农药流失的目的。然而，常规缓释农药无法实现农药供给与农作物需求完全匹配[17]。为了进一步提高农药利用率，实现作物与农药的供需匹配，近年发展的对外界刺激响应型控释农药（Controlled-release pesticides， CRP）的研究成为农业和环境领域的研究热点。
與传统农药相比，CRP中农药的释放可由外界刺激如温度、光、pH值等环境因子控制[17～20]，有利于实现对农药的智能化管理。Chi等[17]利用凹凸棒土（Attapulgite，ATP）和发泡剂NH4HCO3等制备复合纳米载体，与除草剂复配研制出温敏型控释除草剂颗粒，通过调节环境温度改变载体中纳米孔道数量，实现除草剂释放的温度可控释放，但温敏CRP在施用时需焚烧大量秸秆实现升温，操作复杂。
Singh等[18]通过聚乙二醇和丙烯酸酯反应构建了以香豆素聚合物为主体、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）为目标农药的光响应型CRP，在365 nm光激发下，2，4-D的释放速率加快，表明该光敏型CRP具有良好的光响应特性; 同时，该方法操作简单，能有效降低农药用量，增强农药稳定性。然而，该CRP需安装特定光源、成本较高。Qin等[19]利用植酸（PA）对秸秆（WS）改性制备复合载体PA-WS装载IM分子，研发出一种对pH值响应的控释农药体系。随着环境pH值降低，IM的释放速率增加，在pH=2时释放率可达85%。该pH敏感型CRP制备简单、成本低，然而需使用大量酸，易对环境产生污染。因此，迫切需要研制出一种操作简单、成本低且环境友好的新型控释农药。
另一方面，在农业生产中，磷肥（如Ca3（PO4）2等）被大量使用，主要发挥作用的是PO34 [21]。若以PO34为刺激源构建PO34响应控释农药系统，则具备了刺激物对作物无害、农药使用高效的特点。本研究通过将ATP、羧甲基纤维素钠（Sodium carboxymethylcellulose， CMC）及IM的混合物（ACI）与Fe3+交联，制备了一种基于水凝胶体系的PO34响应控释农药（PO34-responsive controlled release pesticide based on hydrogel， PCRPH）。制备路线如图1所示。其中，CMC表面存在大量羧基，作为水凝胶中的配位体，Fe3+则为水凝胶的中心离子[22，23]。ATP作为天然黏土材料，表面存在大量羟基（OH），吸附性强，作为IM分子的载体[17]。PCRPH作为阴离子型水凝胶，在PO34的刺激下易发生溶胀甚至溶解，由此实现IM分子的控制释放。农药在水相中的释放实验结果表明，随着PO34浓度升高，PCRPH中IM释放量迅速增加。相对于传统农药，PCRPH具备高效的农药控释效果，能进一步提高农药利用率。通过对PCRPH系统在PO34作用前后的微观结构和组成分析，确定了PCRPH的溶胀过程，同时考察了共存离子Cl、温度和pH值对IM释放的影响。本研究结果为控释农药的使用提供了理论依据。
2?实验部分
2.1?仪器与试剂
Sirion 200扫描电子显微镜（美国FEI 公司）; ?X射线粉末衍射光谱仪（XRD，日本Rigaku公司）; UV 2550紫外-可见分光光度计（日本Shimadzu公司）; ?ICAP7200电感耦合等离子体-原子发射光谱仪（ICP-OES， 美国Thermo Fisher Scientific公司）。
CMC （粘度：600～1000 mpa.s）、FeCl3·6H2O （99%）、NaCl、Na3PO4 （96%）、HCl和NaOH（分析纯，上海阿拉丁化学试剂公司）; ATP粉末（灰色，100～200目（75～150 μm），堆密度：0.37 g/cm3，安徽明美股份有限公司）; IM （100～300目（50～150 μm），纯度97%，威海晨源分子新材料有限公司）。实验用水为超纯水（18.2 MΩ cm）。
2.2?实验方法
2.2.1?PCRPH的制备?图1为采用离子交联法制备PO34响应控释水凝胶的详细流程。将1.5 g ATP、1.6 g CMC、0.18 g IM混合均匀，得到ACI，加入适量水，使混合液的最终质量为160 g。将混合液置于60℃水浴中加热搅拌4 h，再超声处理30 min，形成均一稳定的悬浊液。用注射器吸取20 mL悬浊液，逐滴加入30 mL 0.5%（质量分数）FeCl3，由于Fe3+与CMC的交联作用，在溶液中形成直径约为1.5 mm的PCRPH凝胶球，将小球在FeCl3溶液中孵育30 min，取出，用去离子水冲洗3次。待小球表面自然风干后， 称量，得每个PCRPH凝胶球质量约为20 mg。
2.2.2?IM释放行为分析?取约0.2 g PCRPH凝胶球，分别置于25 mL不同pH值的水溶液（pH分别为5、7、9，分别用1 mol/L的HCl或NaOH溶液配制而成）、Na3PO4溶液（浓度分别为1、2和5 mmol/L，调节pH值均为7）、NaCl溶液（浓度分别为1、2和5 mmol/L），将上述系统放入恒温摇床中（30℃， 120 r/min），每隔一段时间取出1 mL 上清液， 测定溶液在268 nm处的吸光度，根据朗伯比尔定律计算溶液中IM的浓度，之后向系统中加入1 mL水，保持系统中释放溶液总体积不变。最后根据公式（1）计算IM的累积释放率（Cumulative release rate， CRR）[18]：
式中，Ct和 Vt分别表示t时刻的IM浓度（mg/L）和取出溶液的体积（mL），m0和Vtotal分别为PCRPH凝胶球的质量和溶液总体积。按此方法测定环境温度为40℃时PCRPH中IM的累积释放率。
利用ICP-OES测定在给定时间段5 mmol/L Na3PO4、5 mmol/L NaCl及水中Fe3+的释放量，以确定凝胶的溶解情况。
2.2.3?溶胀率测定?将约0.2 g PCRPH凝胶球分别浸入2 mmol/L NaCl、2 mmol/L Na3PO4溶液以及水中，保持系统温度为30℃，浸泡2 h后， 取出凝胶球，用滤纸将球表面水分吸干并称重。根据公式（2）计算不同溶液中对应凝胶球的溶胀率（Swelling ratio， SR）：
式中，mt表示浸泡时间t后凝胶球质量，m0为凝胶球初始重量。
3?结果与讨论
3.1?样品表征
3.3.1?材料形貌分析?图2为PCRPH经Na3PO4水溶液处理前后的形貌图。由图2A可见，采用离子交联法制备的水凝胶球大小约为1.5 mm，表面光滑且包覆了一层薄膜。在PCRPH内部，CMC具有网状结构，棒状的ATP吸附在其表面并聚集成束（图2B中白色箭头所示）。同时，CMC及ATP中有些地方可明显看出增厚的情况（图2B中红色箭头所示），即为吸附的农药分子IM。经Na3PO4溶液处理2 h后，PCRPH表面开始出现龟裂，表明在PO34作用下，凝胶将产生溶胀并逐渐裂解（图2C和2D）。
3.3.2?XRD分析?利用XRD分析了 Na3PO4处理前后PCRPH的晶体结构和成分的变化。如图3a所示，谱图中分别出现了明显的IM （23.8°， 26.4°， 29.7°）[24]、ATP （13.9°， 19.8°， 20.8°， 34.9°） [17]和CMC-Fe （26.7°， 37.1°， 39.7°） [22]特征峰，表明PCRPH中成功引入了ATP和IM分子，同时也形成了Fe和CMC的交联凝胶。经过Na3PO4处理后，PCRPH中IM特征峰相对强度下降，甚至消失，这是因为凝胶溶胀导致配体间缝隙增大，引发大量IM分子向溶液中扩散。图2b中ATP峰强减弱表明， 凝胶溶胀对ATP也有促进释放的作用。值得注意的是，经Na3PO4处理后，在衍射角20°附近出现了一个包络峰，为减弱的ATP双峰位（19.8°， 20.8°）和CMC标准峰位复合的结果，表明在凝胶内部Fe3+发生了与CMC的解离[22]。CMC-Fe位于37.1°及39.7°的特征峰相对峰强降低，也证明CMC-Fe凝胶的解离，二者半峰宽的增大说明CMC-Fe中部分分子间距加大，导致峰位更宽，即CMC-Fe产生溶胀。上述结果表明，Na3PO4溶液能引起水凝胶的溶胀及解体。凝胶解离的主要原因可能是PO34、HPO24等与Fe3+存在平衡反应，可促进Fe3+的解离[18]。作为阴离子型水凝胶，PCRPH溶胀的原因可能是由于PO34、
HPO24与分子链上羧基中H+的相互作用，导致链上羧基解离，分子间静电排斥力增强，引起水凝胶溶胀度增加[18]。
3.2?IM释放行为分析
3.2.1?阴离子对IM释放的影响?Na3PO4溶液浓度对IM释放的影响如图4A所示，随着PO34浓度升高，PCRPH中IM的累积释放率逐步增加，当Na3PO4浓度为5 mmol/L时，IM释放量在12 h接近平台。此时，通过裸眼观察即可发现， 凝胶已经完全溶解，表明凝胶完全解离。因此，溶液中Fe3+含量增加很快（图4C），说明PO34可引发PCRPH的解离，这与XRD结果一致。如图4B所示， NaCl溶液均不能促进PCRPH中的IM释放，这是因为Cl无法引发Fe3+或者羧基的解离。在水和NaCl溶液中，Fe3+几乎不从PCRPH中释放（图4D），说明凝胶在水和NaCl溶液中较稳定，不发生解离。
PO34、Cl及水作用下， PCRPH的溶胀情况如图5所示，Na3PO4引起PCRPH的溶胀率为182%，表明PO34对PCRPH的溶胀有促进作用，这与图3中XRD的结果一致。另一方面，在NaCl溶液中，PCRPH的溶胀率为91%，而水中PCRPH的溶胀率为98%，二者大小未发生明显变化，表明PCRPH在NaCl溶液及水中具有良好的稳定性。
3.2.2?温度和pH值对IM释放的影响?在中国长江流域，夏季土壤温度一般较高，地表昼夜温度在27～43℃范围内波动[25]。基于上述温度范围，本研究分别考察了环境温度为30和40℃时IM在水溶液中的释放，结果如图6A所示。随着温度从30℃升至40℃，分子运动加快，PO34与凝胶中CMC的羧基及Fe3+的反应更加剧烈，因此IM的释放更快。相比于30℃，在40℃时IM释放量更早达到平衡。同时，随着时间延长到12 h以上，溶液中IM浓度下降。考虑到PCRPH凝胶球在此时已经完全溶解，IM浓度下降可能是因为在溶液中釋放的ATP对部分农药分子进行了二次吸附。pH值对IM释放的影响如图6B所示，当水溶液的pH值分别为5、7和9时， PCRPH未发生明显溶胀，IM累积释放率并未发生明显变化，表明PCRPH具有良好的pH稳定性。
3.2.3?释放动力学?为了进一步研究IM的释放机理，采用First-order[26]、Ritger-peppas[26]及Parabolic Diffusion[27]3个模型拟合PO34作用下， PCRPH在水相中IM的释放动力学过程，拟合公式分别为：
其中， Mt/M∞为IM在t时刻的累积释放率; k为释放动力学常数，与释放系统的几何结构特征相关; n为释放指数， 其大小反映了不同的释放机制： n<0.4时，释放属于Fickian扩散; 0.43<n<1.0时，释放属于非fickian或反常扩散;
IM的释放动力学拟合参数（k， n， b）和相关系数（R2）见表1（释放条件： ?0.2 g PCRPH凝胶球置于25 mL 5 mmol/L Na3PO4溶液中进行IM释放）。由表1可知，以Ritger-Peppas模型拟合的IM釋放动力学方程得到的相关系数R2=0.9334，数值接近1，且在3个模型中最高; 同时，释放指数n<0.4。因此， IM在水相中从PCRPH的释放过程符合Ritger-Peppas模型，属于Fickian扩散。
4?结 论
构建了一种对PO34响应的控释农药体系 （PCRPH），以凹凸棒土为载体，吡虫啉（IM）为目标农药，羧甲基纤维素钠与Fe3+交联构建凝胶的框架。在PO34刺激下，水凝胶发生溶胀及解离，促进了内部农药分子释放。分析结果表明，水溶液中IM的释放与PO34浓度正相关，且属于Fickian扩散。另一方面，共存的Cl及溶液pH值对IM的释放无影响，说明PCRPH对PO34的响应具有特异性。此外，温度升高可促进IM从PCRPH中释放。
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