一种类藻酸盐的制备方法及类藻酸盐在制备抑制种子陈化的制剂中的应用
文献发布时间：2024-04-18 19:52:40
技术领域
本发明涉及污水处理剩余污泥处理技术领域，尤其是涉及一种类藻酸盐的制备方法及类藻酸盐在制备抑制种子陈化的制剂中的应用。
背景技术
随着人口的增长、社会的发展，生活污水量急剧增加，污水处理厂的数量和规模也逐步提升。随之而来的则是一个更为棘手的问题，大量剩余活性污泥如何安全处置。幸运地是，利用高温碳酸钠～酸凝～碱溶法从污泥胞外聚合物中提取的类藻酸盐作为一种新型高附加值产物，似乎可妥善的解决该问题。但，急需找到一个CAS源ALE可适用的场景，以解决量大、面广的CAS剩余污泥。
种子自成熟后便开始衰老，故而种子的陈化是其储藏中最需要防止的目标之一。为了防止其变质，提升发芽率、增加产量，传统农业会利用烟碱类种衣剂对种子进行拌种，如涂覆吡虫啉、噻虫啉等。但该类物质会在伴随植物生长，最终进入人体，且不易被代谢掉，已有众多研究表示该类物质可在在人体胆汁、肾脏、血液中检出，破坏人类的肠肝环境，影响健康。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种类藻酸盐的制备方法。该方法采用碳酸钠～酸凝～碱溶法，采用多次离心辅助，原料活性污泥无需烘干，可直接取用污水处理厂排放的剩余污泥，适合实际生产需求；得到的类藻酸盐(ALE)具有高的稳定性，其具有很好的涂敷效果，能够很好地附着于种子表面。
本发明的目的之二在于提供一种类藻酸盐(ALE)，所述类藻酸盐(ALE)由上述制备方法制备得到。
本发明的目的之三在于一种类藻酸盐在制备抑制种子陈化的制剂中的应用。本发明意外地发现凝胶状类藻酸盐水溶液具有良好的涂敷效果，且富含糖蛋白、P等天然组分，还含有一定的的特异性亲、疏水基团和结构，可有效的防水或防油，ALE的该特性可以有效的防止或延缓种子陈化。
本发明的目的之四在于一种种衣剂，所述种衣剂包括本发明方法制备得到的类藻酸盐；将该种衣剂在种子陈化方面起到很好的抑制作用。
本发明的目的之五在于一种种衣剂的使用方法，该方法具有很好的涂敷效果，喷涂ALE后的种子表面光滑且附着性良好。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种类藻酸盐的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将污泥进行离心处理，得到第一沉淀物，将第一沉淀物、溶剂和碳酸盐混合，并进行高温处理，得到第一混合液；
(2)将第一混合液进行离心处理，得到上清液，调节上清液的pH至酸性后，再进行离心处理，得到第二沉淀物；
(3)将第二沉淀物和溶剂混合，并调节混合液的pH至碱性后，再进行透析、干燥，得到类藻酸盐。
在本发明中，所述类藻酸盐的制备方法采用碳酸钠～酸凝～碱溶法，其中采用多次离心辅助，原料活性污泥无需烘干，可直接取用污水处理厂排放的剩余污泥，制备过程无需添加表面活性剂，海类藻酸盐回收率高，适合实际生产需求；得到的类藻酸盐(ALE)具有高的稳定性，其具有很好的涂敷效果，能够很好地附着于种子表面。
在本发明中，步骤(1)中，所述污泥为剩余活性污泥，包括但不限于传统活性污泥(CAS)和/或好氧颗粒污泥(AGS)。
优选地，步骤(1)中，所述离心处理的参数为：离心力为3000～5000G，例如可以是3000G、3500G、4000G、4500G、5000G等，离心时间为10～30min，例如可以是10min、15min、20min、25min、30min等。
优选地，步骤(1)中，所述溶剂为水。
在本发明中，所述溶剂用于定容，使第一沉淀物完全溶解。
在本发明中，第一沉淀定容时应捣碎使其完全溶解。
优选地，步骤(1)中，所述碳酸盐为碳酸钠。
优选地，步骤(1)中，所述第一沉淀物、溶剂和碳酸盐的质量比为(1～10):(100～500):(0.5～2.5)；
其中，“1～10”例如可以是1、2、4、6、8、10等；
其中，“100～500例如可以是100、200、300、400、500等；
其中，“0.5～2.5”例如可以是0.5、0.6、0.8、1、1.2、1.5、2、2.5等。
优选地，步骤(1)中，所述高温处理在搅拌下进行，所述搅拌的温度为70～90℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃、90℃等，搅拌的时间为20～40min，例如可以是20min、25min、30min、35min、40min等，搅拌的转速为400～600r/min，例如可以是400r/min、450r/min、500r/min、550r/min、600r/min等。
优选地，步骤(2)中，所述离心处理的参数为：离心力为3000～5000G，例如可以是3000G、3500G、4000G、4500G、5000G等，离心时间为10～30min，例如可以是10min、15min、20min、25min、30min等。
优选地，步骤(2)中，调节上清液的pH至2～2.5，例如可以是2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5等。
优选地，步骤(2)中，采用添加酸溶液的方式调节上清液的pH。
优选地，所述酸为无机酸。
优选地，所述酸溶液为盐酸溶液。
优选地，所述酸溶液的浓度为0.5～1mol/L，例如可以是0.5mol/L、0.6mol/L、0.7mol/L、0.8mol/L、0.9mol/L、1mol/L等。
优选地，步骤(3)中，所述第二沉淀物和溶剂的质量比为(1～10):(50～200)；
其中，“1～10”例如可以是1、2、4、6、8、10等；
其中，“50～500例如可以是50、100、200、300、400、500等。
优选地，步骤(3)中，调节混合液的pH至8～9，例如可以是8、8.2、8.4、8.6、8.8、9等。
优选地，步骤(2)中，采用添加碱溶液的方式调节混合液的pH。
优选地，所述碱溶液为氢氧化钠溶液。
优选地，所述碱溶液的浓度为0.5～1mol/L，例如可以是0.5mol/L、0.6mol/L、0.7mol/L、0.8mol/L、0.9mol/L、1mol/L等。
优选地，步骤(3)中，所述透析用截留分子量为2000～5000kDa(例如可以是2000kDa、3000kDa、4000kDa、5000kDa等)的透析袋和/或透析膜。
优选地，步骤(3)中，所述透析的温度为15～25℃(例如可以是15℃、16℃、18℃、20℃、22℃、25℃等)，透析的时间为20～30h，例如可以是20h、22h、24h、26h、28h、30h等。
优选地，步骤(3)中，所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度为-70～-30℃，例如可以是-70℃、-60℃、-50℃、-40℃、-30℃等，冷冻干燥的时间为20～30h，例如可以是20h、22h、24h、26h、28h、30h等。
作为本发明优选技术方案，所述类藻酸盐的制备方法包括以下步骤：
(1)将污泥以3000～5000G的离心力离心处理10～30min，去掉上清液，得到第一沉淀物，将第一沉淀物采用溶剂定容后，加入碳酸钠，并在70～90℃下、以400～600r/min的转速进行高温处理20～40min，得到第一混合液；
(2)将第一混合液以3000～5000G的离心力离心处理10～30min，得到上清液为第二混合液，在第二混合液中加入无机酸调节pH至2～2.5，再以3000～5000G的离心力离心处理10～30min，取沉淀为第二沉淀物；
(3)将第二沉淀物采用溶剂定容后，加入无机碱调节pH至8～9，得到第三混合液，将第三混合液进行透析和冷冻干燥，得到类藻酸盐固体。
第二方面，本发明提供一种类藻酸盐，所述类藻酸盐由第一方面所述的制备方法制备得到。
第三方面，本发明提供一种类藻酸盐在制备抑制种子陈化的制剂中的应用。
优选地，所述类藻酸盐为第二方面所述的类藻酸盐。
优选地，所述类藻酸盐的来源为污泥，优选为剩余活性污泥。
优选地，所述制剂的剂型包括粉剂、可湿性粉剂、可溶性粉剂、粒剂、水剂、乳油、水乳剂、微乳剂、水分散粒剂、悬浮剂、烟剂、缓释剂、种衣剂或油剂中的任意一种或至少两种的组合，优选为种衣剂。
优选地，所述类藻酸盐在所述抑制种子陈化的制剂中的浓度为0.1～10％，例如可以是0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％等，优选为1～4％。
第四方面，本发明提供一种种衣剂，所述种衣剂包括第二方面所述的类藻酸盐和溶剂。
优选地，所述种衣剂为凝胶状水溶液。
优选地，所述溶剂为水。
优选地，所述种衣剂中上述的类藻酸盐的浓度为1～4％，例如可以是1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％等。
第五方面，本发明提供一种种衣剂的使用方法，所述方法包括以下步骤：将所述的种衣剂喷涂于种子表面，并进行种子陈化。
优选地，所述喷涂的方式包括空气泵～喷笔喷涂、点滴喷涂或溶液浸种喷涂中的任意一种。
优选地，所述喷涂的用量为1～10kg/100kg(例如可以是1kg/100kg、2kg/100kg、4kg/100kg、6kg/100kg、8kg/100kg、10kg/100kg等)种子。
优选地，所述陈化的温度为40～60℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃、60℃等，陈化的湿度为90％以上，例如可以是90％、92％、94％、96％、98％、100％等，陈化的时间为1～6天，例如可以是1天、2天、4天、6天等。
优选地，进行种子陈化前还包括观测种衣剂喷涂后的形貌特征：喷涂后的种子表面更加均匀，表面光滑。
优选地，经测量喷涂后的种子表面N、P含量提高。
优选地，所述种子包括但不限于蔬菜种子(例如可以是生菜、黄瓜、辣椒、油菜等)、经济作物种子(例如可以是棉花、大豆等)、粮食作物种子(例如可以是小麦、玉米等)。
优选地，进行种子陈化后，对老化后的种子或出芽植株测定物理、化学等指标；物理指标包括但不限于株高、发芽率，化学指标包括但不限于酶活性。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的高附加值产物类藻酸盐制备新型种衣剂的方法可获得天然绿色环保的新型种衣剂，具有良好的涂敷效果，并对种子陈化起到一定的抑制作用；
(2)本发明的高附加值产物类藻酸盐制备新型种衣剂的方法将大量的剩余活性污泥得到了有效的资源利用，实现了废物再利用；
(3)本发明的高附加值产物类藻酸盐制备新型种衣剂的方法不仅无添加任何改性化学试剂，还为种子的萌发提供了一定的营养。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为类藻酸盐的制备方法的工艺流程图。
图2A为本发明应用例1未喷涂种衣剂前种子表面的SEM图(100X)；
图2B为本发明应用例1未喷涂种衣剂前种子表面的SEM图(1.00KX)；
图2C为本发明应用例1喷涂种衣剂后种子表面的SEM图(100X)；
图2D为本发明应用例1喷涂种衣剂后种子表面的SEM图(1.00KX)；
图3为本应用例1和对比应用例1的生菜发芽率对比图。
图4A为本应用例1和对比应用例1的CAT酶活性对比图。
图4B为本应用例1和对比应用例1的POD酶活性对比图。
图4C为本应用例1和对比应用例1的APX酶活性对比图。
具体实施方式
除非本文另有定义，连同本发明使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常理解的含义。术语的含义和范围应当清晰，然而，在任何潜在不明确性的情况下，本文提供的定义优先于任何字典或外来定义。在本申请中，除非另有说明，“或”的使用意味着“和/或”。此外，术语“包括”及其他形式的使用是非限制性的。
一般地，连同本文描述的细胞和组织培养、分子生物学、免疫学、微生物学、遗传学以及蛋白和核酸化学和杂交使用的命名法和其技术是本领域众所周知和通常使用的那些。除非另有说明，本发明的方法和技术一般根据本领域众所周知，且如各种一般和更具体的参考文献中所述的常规方法来进行，所述参考文献在本说明书自始至终引用和讨论。酶促反应和纯化技术根据制造商的说明书、如本领域通常实现的或如本文所述来进行。连同本文描述的分析化学、合成有机化学以及医学和药物化学使用的命名法、以及其实验室程序和技术是本领域众所周知和通常使用的那些。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
图1为类藻酸盐的制备方法的工艺流程图，如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：(1)将污泥进行离心处理，得到第一沉淀物，将第一沉淀物、溶剂和碳酸盐混合，并进行高温处理，得到第一混合液；(2)将第一混合液进行离心处理，得到上清液，调节上清液的pH至酸性后，再进行离心处理，得到第二沉淀物；(3)将第二沉淀物和溶剂混合，并调节混合液的pH至碱性后，再进行透析、干燥，得到类藻酸盐。
实施例1
本实施例提供一种类藻酸盐，所述类藻酸盐由以下方法制备得到：
(1)取150mL小红门污水厂剩余活性污泥在4000G条件下离心20min，去掉上清液，得到第一沉淀物，采用去离子水定容到200mL后加入1g的碳酸钠并80℃条件下以500r/min的转速搅拌35min，加热完成后的溶液为第一混合液；
(2)将第一混合液在4000G条件下离心20min，取上清液得到第二混合液，加入1mol/L的盐酸调节pH至2.2后继续在4000G条件下离心20min离心，去掉上清液，得到第二沉淀物；
(3)采用去离子水将第二沉淀物定容到100mL后，继续加1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.5，得到第三混合液，将第三混合液在纯水中透析(所述透析用截留分子量为3500kDa的透析膜，透析的温度为20℃，透析的时间为24h)，并冷冻干燥(冷冻干燥的温度为-50℃，冷冻干燥的时间为24h)，得到类藻酸盐固体。
实施例2
本实施例提供一种类藻酸盐，所述类藻酸盐由以下方法制备得到：
(1)取150mL小红门污水厂剩余活性污泥在3000G条件下离心30min，去掉上清液，得到第一沉淀物，采用去离子水定容到200mL后加入1g的碳酸钠并75℃条件下以400r/min的转速搅拌40min，加热完成后的溶液为第一混合液；
(2)将第一混合液在3000G条件下离心30min，取上清液得到第二混合液，加入1mol/L的盐酸调节pH至2.0后继续在3000G条件下离心30min离心，去掉上清液，得到第二沉淀物；
(3)采用去离子水将第二沉淀物定容到100mL后，继续加1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.2，得到第三混合液，将第三混合液在纯水中透析(所述透析用截留分子量为3500kDa的透析膜，透析的温度为20℃，透析的时间为24h)，并冷冻干燥(冷冻干燥的温度为-50℃，冷冻干燥的时间为24h)，得到类藻酸盐固体。
实施例3
本实施例提供一种类藻酸盐，所述类藻酸盐由以下方法制备得到：
(1)取150mL小红门污水厂剩余活性污泥在5000G条件下离心10min，去掉上清液，得到第一沉淀物，采用去离子水定容到200mL后加入1g的碳酸钠并85℃条件下以600r/min的转速搅拌30min，加热完成后的溶液为第一混合液；
(2)将第一混合液在5000G条件下离心10min，取上清液得到第二混合液，加入1mol/L的盐酸调节pH至2.5后继续在5000G条件下离心10min离心，去掉上清液，得到第二沉淀物；
(3)采用去离子水将第二沉淀物定容到100mL后，继续加1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.8，得到第三混合液，将第三混合液在纯水中透析(所述透析用截留分子量为3500kDa的透析膜，透析的温度为20℃，透析的时间为24h)，并冷冻干燥(冷冻干燥的温度为-50℃，冷冻干燥的时间为24h)，得到类藻酸盐固体。
应用例1
本应用例提供一种种衣剂配置方法及使用方法，具体步骤如下所示：
(a)将实施例1制备的类藻酸盐固体配置成质量分数为2.5％的凝胶状水溶液，得到种衣剂；
(b)将步骤(a)得到的种衣剂利用空气泵和喷笔喷涂在生菜种子表面，所述喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
图2为本发明应用例1未喷涂种衣剂前和喷涂种衣剂1天后种子表面的形貌对比图；如图2A～图2D所示，未喷涂种衣剂前，种子表面较为粗糙，喷涂后种衣剂分布均匀、种子表面光滑。
应用例2
本应用例提供一种种衣剂配置方法及使用方法，具体步骤如下所示：
(a)将实施例2制备的类藻酸盐固体配置成质量分数为2.5％的凝胶状水溶液，得到种衣剂；
(b)将步骤(a)得到的种衣剂利用空气泵和喷笔喷涂在生菜种子表面，所述喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
应用例3
本应用例提供一种种衣剂配置方法及使用方法，具体步骤如下所示：
(a)将实施例3制备的类藻酸盐固体配置成质量分数为2.5％的凝胶状水溶液，得到种衣剂；
(b)将步骤(a)得到的种衣剂利用空气泵和喷笔喷涂在生菜种子表面，所述喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
应用例4
本应用例提供一种种衣剂配置方法及使用方法，具体步骤如下所示：
(a)将实施例1制备的类藻酸盐固体配置成质量分数为1％的凝胶状水溶液，得到种衣剂；
(b)将步骤(a)得到的种衣剂利用空气泵和喷笔喷涂在生菜种子表面，所述喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
应用例5
本应用例提供一种种衣剂配置方法及使用方法，具体步骤如下所示：
(a)将实施例1制备的类藻酸盐固体配置成质量分数为4％的凝胶状水溶液，得到种衣剂；
(b)将步骤(a)得到的种衣剂利用空气泵和喷笔喷涂在生菜种子表面，所述喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
对比应用例1
本对比应用例提供一种种子陈化的方法，所述种子陈化的方法为：仅将应用例1使用的种衣剂的溶剂(不含类藻酸盐固体)喷涂在生菜种子表面，喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
对比应用例2
本应用例提供一种种衣剂配置方法及使用方法，具体步骤如下所示：
(a)将实施例1制备的壳聚糖配置成质量分数为2.5％的水溶液，得到种衣剂；
(b)将步骤(a)得到的种衣剂利用空气泵和喷笔喷涂在生菜种子表面，所述喷涂的用量为5kg/100kg种子，观测其喷涂后的形貌特征，并在50℃、100％湿度条件下使种子陈化1～6天。
测试例1
发芽率
测试样品：应用例1～5和对比应用例1～2陈化1～6天间的种子；
测试方法：陈化后的种子进行盆栽实验后，记录每日植株高度，出芽0.4mm记为种子发芽；
发芽率的计算方法如公式(1)所示：
发芽率(％)＝第15天正常发芽种子数/供试种子总数×100％式(1)
具体测试结果如表1所示：
表1
由表1测试数据可知，本发明提出的高附加值产物类藻酸盐制备新型种衣剂的方法可获得天然绿色环保的新型种衣剂，具有良好的涂敷效果，在第4天的陈化中发芽率反而明显提升，显然所述类藻酸盐种子陈化起到较好的抑制作用。
测试例2
酶活性
测试样品：应用例1～5和对比应用例1～2陈化1～6天间的种子；
测试方法：CAT、POD、APX酶活性采用紫外可见分光光度计法。其中CAT酶活性测量方法如下：1.5mL磷酸缓冲液(0.2mol/L，pH 7.8)+1mL纯水+0.2mL酶提取液+0.3mL H
计算方法如公式(2)：
其中，ΔA
POD酶活性测量方法如下：1.45mL磷酸缓冲液(50mmol/L，pH5.5)+0.5mL愈创木酚溶液(0.05mol/L)+0.5mL酶提取液+0.5mL H
计算方法如公式(3)：
其中，ΔA
APX酶活性测量方法如下：2.6mL磷酸缓冲液(50mmol/L，pH 7，含有0.1mmol/L的EDTA、1mmol/L的抗坏血酸)+0.1mL酶提取液+0.3mL H
计算方法如公式(4)：
其中，V
具体测试结果如表2所示：
表2
超氧化物歧化酶(SOD)是机体内天然存在的超氧自由基清除因子,催化超氧自由基发生歧化反应，生成过氧化氢。过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是植物活性抗氧系统中重要的酶，它们分别分解活性氧和自由基氧化产生的过氧化物和过氧化氢，在高温胁迫下条件下，活性氧自由基增加，加重了细胞膜的损伤，SOD、POD、CAT酶活性的增加，利于有效清除活性氧自由基，消除其对细胞的伤害，减少MDA的产生。
由表2测试数据可知，本发明所述类藻酸盐制备得到的种衣剂能够在陈化期间提高SOD、POD、CAT酶活性的增加，利于有效清除活性氧自由基，消除其对细胞的伤害，从提高了植物的抗氧化的能力，进而提高了植物抗病的能力，最终促进植物整体产量的提高。
测试例3
表面元素质谱分析
测试样品：应用例1～5和对比应用例1～2喷涂对应溶液前后的种子；
测试方法：利用扫描电镜(SEM)(ZEISS Gemini 300)在以下条件下进行：3kv，二次电子探测器(SE2)。此外，用原子力显微镜观测了喷涂类藻酸盐后的生菜形貌。样品制备是在室内温度和湿度的空气中进行的，将种子样品直接沾在导电胶上，并使用Quorsu SC7620溅射镀膜仪喷金约15min，随后使用ZEISS GeminiSEM 300电子显微镜拍摄样品形貌。
具体测试结果如表3所示：
表3
如表3所示，喷涂本发明所述类藻酸盐制备得到的种衣剂后，种子表面氮、磷含量明显提高，生菜种子的N含量最大提升约2.5倍，磷含量从原来的0.06提升至2.26。种衣剂的引入不仅表现出ALE具有良好的涂敷成膜特性，还可使种子表面提供部分N、P甚至S营养元素。本发明采用面广、量大的剩余活性污泥源ALE制备种衣剂，ALE提取流程简单，种衣剂制备便捷，为ALE的高值应用拓宽道路，为循环经济以及污水厂资源化做出贡献。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。