一种可降解的生物基多孔材料及其应用

技术领域

本发明涉及环境保护领域，尤指一种可降解的生物基多孔材料及其应用。

背景技术

生态环境保护是功在当代、利在千秋的事业，病虫害治理的绿色化转型是农业发展的重要方向，传统的以农药为主的病虫害治理方式给生态环境带来了巨大的污染，生物防治是利用生物及其产物控制虫害的方法，不仅能直接大量的消灭害虫，且对人、畜、植物安全，对保持生态平衡，保护生物多样性，保障农业的可持续发展有广阔的应用前景。本文所述的材料就是一种被用于生物防治领域的载体材料。

所述病虫害中，其中虫霉的主要特点是从虫尸上主动弹射分生孢子而侵染寄主并诱发流行病。虫霉的生活史因种类不同而有差异，依据休眠孢子存在与否大致可分为两种情形，即无性循环和有性循环，主要分为5个阶段。一是侵入阶段，以静水压弹射的初级分生孢子或次生孢子，落于寄主体壁上，萌发形成芽管和附着胞，以机械力或酶解的方式穿透寄主体壁而侵入血腔。二是局部发育阶段，虫霉以菌丝体或原生质体形式在寄主体内缓慢发育，主要通过分泌脂肪酶来水解吸收寄主的脂类物质。三是全面侵染阶段，虫霉侵袭到寄主各个部位，后期分泌蛋白酶水解寄主肌肉等组织。四是“木乃伊”阶段，寄主体内充满菌体，失水变成僵尸状态。五是产孢阶段，虫霉菌丝重新突破体壁形成分生孢子梗，向周围弹射分生孢子进入新一轮的侵染循环，或在虫尸体内形成休眠孢子而进入休眠阶段。

虫霉自寄主尸体向周围弹射分生孢子，虫霉的产孢潜能和投射距离，除受到环境温湿度的影响，还受到生物因素的影响。虫霉引发的昆虫病害的传播，按距离远近分为中远程、近程和原地传播。原地传播主要是指感病虫尸上弹射的分生孢子感染其周围的寄主，或上次流行后宿存在土壤中的休眠孢子萌发而引起的侵染，即土壤传病假说。研究表明，新蚜虫疠霉虽从无休眠孢子被发现，但却能在土壤中宿存80天后诱发寄主感染。近程传播是指虫霉流行病向邻近区域蔓延，主要通过带病寄主或粘染分生孢子的寄主天敌的的活动，或虫尸上弹射的分生孢子随微风飘散。虫霉致病机理以及在寄主种群中的巨大流行潜力，从1970年代起就吸引人们不断地尝试应用虫霉防治农林害虫。目前报道的虫霉菌丝制剂包括枯干菌丝、海藻酸盐颗粒、吸水凝胶颗粒。枯干菌丝只宜在零度以上的低温下冷储，即便如此，贮存期仍不足3个月。单纯的海藻酸盐菌丝颗粒或吸水凝胶颗粒与蚜虫个体大小相仿，但其产孢量远不及天然蚜尸。另外，海藻酸盐颗粒保水能力差，失水较快，而吸水凝胶虽吸湿保水能力较强，但内容物如各种添加物易外渗。

害虫防治是农业生产过程中的重要环节，对保障国家粮食安全具有重要意义，对生态环境和人类健康造成严重威胁，迫切需要新技术来克服这些问题。病虫害治理的绿色化转型是农业发展的重要方向，传统的以农药为主的病虫害治理方式给生态环境带来了巨大的污染，相较于传统的病虫害治理方式，生物防治是利用生物及其产物控制虫害的方法，不仅能直接大量的消灭害虫，且对人、畜、植物安全，对保持生态平衡，保护生物多样性，保障农业的可持续发展有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的第一目的是开发一种内部空间丰富、材料吸湿性好、力学性能稳定的可降解的生物基多孔材料。

为了以上目的，开发一种可降解的生物基多孔材料，所述生物基多孔材料，在480-500分钟时对去离子水的吸水倍数达到55-60g/g；其由以下工艺制备：纤维素粉末70-100份、淀粉粉末30-45份、羟丙甲纤维素粉末10-15份，混合均匀，称为A；酵母菌粉1-5份，置于水温40-60℃热水中，搅拌均匀，静置5-15min，称为B；将搅拌均匀的B倒入A中，并加入水搅拌至均匀团状，称为C；将C放至于室温下发酵4～6h，将发酵后的C放至于100℃水蒸气环境下加热1-2h，取出后根据需要分割成大小不同的材料，置于50-80℃烘箱中烘干3-6h即可。

进一步，其孔隙的直径大小为50-800μm；其中40-60％的孔隙直径为600-800μm。

进一步，所述孔隙呈蜂窝状或类蜂窝状。

进一步，所述吸水倍数测试方式如下：

将干燥的生物基多孔材料称质量m′

每个生物基多孔材料的吸水倍数测5-10次，取平均值为最终吸水倍数。

进一步，所述生物基多孔材料，在2200-2500分钟时对去离子水的吸水倍数达到95g/g以上。

进一步，所述生物基多孔材料，在140-190小时对去离子水的消胀保水倍率达到30-40％。

进一步，所述消胀保水倍率的检测方法如下：

准确称取生物基多孔材料放入尼龙袋中，将尼龙袋整体浸泡于去离子水中，待其达吸水平衡后，取出置于空气中，每隔一段时间称量其质量，按下式计算不同时间的消胀保水倍率：

其中WR为消胀保水倍率(％)，Wt为预定时间的生物基多孔材料与尼龙袋的总质量(g)，We为达到吸水平衡后尼龙袋和生物基多孔材料样品的总质量(g)，Wa为尼龙袋质量(g)，Wo为准确称取的干燥时生物基多孔材料的质量(g)。

上述任一项一种可降解的生物基多孔材料的应用：作为菌体的载体应用于农业病虫害的防治，所述的菌体为Pno7，CT1211-1-A，CT-170119或Mos-1A。

进一步，所应用的病虫害防治区域，其环境为弱酸环境，进一步其酸度介于PH值为5.6-7之间。

进一步，在每棵农作物株上接种5-20粒装载菌体的所述的生物基多孔材料。

本发明以淀粉、纤维素为基材，羟丙甲纤维素为粘合剂，通过混合发酵使内部产生大量气孔，再经过高温固化，形成坚固的形态。其作为特定菌种的载体，使其存活和运输，并在特定的环境下释放扩散。这种菌种可以是针对某种特定农作物害虫，通过侵入害虫体内使其致病死亡。

本发明采用发酵菌丝制剂化的策略，即使用载体对菌丝进行吸附。在对菌丝人工培养时，需解决其对环境较为敏感且对含水量要求高的问题，同时为避免载体对环境造成二次污染，必须选择可生物降解、保水性能强的新材料制备载体。本专利生物基多孔材料具有丰富的内部空间，可以作为微生物载体；所述生物基多孔材料具有良好的吸湿性，且保水能力较强；所述生物基多孔材料为可生物降解材料，其组分均来自于自然原料中，不会对环境造成污染；所述生物基多孔材料具有良好的力学性能，便于使用和运输；

附图说明

作为非限制性例子给出的具体说明更好地解释本发明包括什么以及其可被实施，此外，该说明参考附图，在附图中：

图1是实施例1-5的生物基多孔材料吸水倍数数据图；

图2是实施例1-5的生物基多孔材料消胀保水倍率数据图；

图3是微观形貌分析生物基多孔材料的孔隙直径数据统计图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。

实施例1

其由以下工艺制备：

纤维素粉末70份、淀粉粉末30份、羟丙甲纤维素粉末15份，混合均匀，称为A；

酵母菌粉3份，置于水温40-45℃热水中，搅拌均匀，静置15min，称为B；

将搅拌均匀的B倒入A中，并加入水搅拌至均匀团状，称为C；

将C放至于室温下发酵4～6h，将发酵后的C放至于100℃水蒸气环境下加热1-1.5h，取出后根据需要分割成大小不同的生物基多孔材料；将生物基多孔材料置于60-70℃烘箱中烘干4-5h即可。

实施例2

其由以下工艺制备：

纤维素粉末100份、淀粉粉末45份、羟丙甲纤维素粉末10份，混合均匀，称为A；

酵母菌粉3份，置于水温50-60℃热水中，搅拌均匀，静置10min，称为B；

将搅拌均匀的B倒入A中，并加入水搅拌至均匀团状，称为C；

将C放至于室温下发酵4～6h，将发酵后的C放至于100℃水蒸气环境下加热1-2h，取出后根据需要分割成大小不同的生物基多孔材料；将生物基多孔材料置于60-65℃烘箱中烘干4-4.5h即可。

实施例3

其由以下工艺制备：

纤维素粉末80份、淀粉粉末35份、羟丙甲纤维素粉末12份，混合均匀，称为A；

酵母菌粉1份，置于水温45-55℃热水中，搅拌均匀，静置15min，称为B；

将搅拌均匀的B倒入A中，并加入水搅拌至均匀团状，称为C；

将C放至于室温下发酵4～6h，将发酵后的C放至于100℃水蒸气环境下加热1.5-2hh，取出后根据需要分割成大小不同的生物基多孔材料；将生物基多孔材料置于50-70℃烘箱中烘干3-5h即可。

实施例4

其由以下工艺制备：

纤维素粉末95份、淀粉粉末45份、羟丙甲纤维素粉末10份，混合均匀，称为A；

酵母菌粉3份，置于水温40-55℃热水中，搅拌均匀，静置15min，称为B；

将搅拌均匀的B倒入A中，并加入水搅拌至均匀团状，称为C；

将C放至于室温下发酵4～6h，将发酵后的C放至于100℃水蒸气环境下加热1.5-2h，取出后根据需要分割成大小不同的生物基多孔材料；将生物基多孔材料置于60-80℃烘箱中烘干4-6h即可。

实施例5

其由以下工艺制备：

纤维素粉末100份、淀粉粉末35份、羟丙甲纤维素粉末10份，混合均匀，称为A；

酵母菌粉4份，置于水温50-60℃热水中，搅拌均匀，静置10min，称为B；

将搅拌均匀的B倒入A中，并加入水搅拌至均匀团状，称为C；

将C放至于室温下发酵4～6h，将发酵后的C放至于100℃水蒸气环境下加热1-2h，取出后根据需要分割成大小不同的生物基多孔材料；将生物基多孔材料置于70-80℃烘箱中烘干4-5h即可。

将实施例1-5所得生物基多孔材料，进行下述测试，从而观察其性能特征，具体如下：

1、吸水性能测试

将干燥的生物基多孔材料称质量(m′

得到测试数据如下表：

表一实施例1-5的生物基多孔材料吸水倍数数据

根据表一制得数据制作图1可以看出：本专利的生物基多孔材料的吸水倍数在短时间内可达到60g/g，并随着时间的推进不断提高。主要是因为本专利材料的孔隙结构较多，各孔隙之间有孔道连接，液体可以迅速进入。经过一段时间的吸水后，本专利材料的吸水倍数可达95g/g，并且能保持其基本形态的完整，主要归因于体系中醛基与羟基基团的羟醛缩合反应，形成具有更加稳定共轭双键结构的不饱和醛。盐水能达到50g/g左右，其吸附量较去离子水有明显的降低，这是因为本生物基多孔材料中有一定的亲水离子-OH，盐水中阳离子(Na+)的电荷屏蔽效应会导致阴离子静电排斥力的下降，导致生物基多孔材料内部结构与外界溶液之间的渗透压降低，使吸水能力降低。因此，我们这个专利材料更适用于酸性环境使用，尤其适用于弱酸性环境。

2、保水性能测试

准确称取生物基多孔材料放入尼龙袋中，将袋子浸泡于蒸馏水中，待其达吸水平衡后，将多孔材料样品置于空气中，每隔一段时间称量多孔材料质量，按下式计算样品不同时间的消胀保水倍率。

式中：W

得到测试数据如下表二：

表二 实施例1-5的生物基多孔材料消胀保水倍率数据

利用表2数据制作图2，从表2和图2中可以看出，随着时间的增加，水的滞留量减少了，但是去离子水的消胀保水倍率还是较高，而且去离子水中的消胀保水倍率要明显大于盐水中的消胀保水倍率，具有相对较高的保水性，且在192h后能保持接近40％的水。主要是由于酵母微生物的存在，将其中的淀粉、纤维素进行发酵，从而产生较多的孔隙，提高了生物基多孔材料的致密性，从而使得水渗透到更致密层的能力提高了。生物基多孔材料的致密孔隙，使得材料的吸水能力提高，同时也提高了其消胀保水倍率。在盐水中，其消胀保水倍率仅为20％，主要是受盐溶液中阳离子的影响，使得材料内部的渗透压降低，导致消胀保水倍率快速下降。因此，说明本专利的生物基多孔材料具有锁水性能，尤其在弱酸环境下，适合作为菌种载体进行广为使用。

3.微观形貌分析

利用SEM显微观察实施例1-5所得的生物基多孔材料，首先剪出一小块待测生物基多孔材料样品，然后利用导电胶将其固定在扫描电镜的导电台上，喷金处理后用扫描电镜测试其表面形貌，加速电压3kV；得出如图3直径分布图所示，可以看出生物基多孔材料的孔隙大小分布在0-800μm之间，且其中40-60％的孔隙直径为600-800μm。是由于加入酵母菌后，将内部的淀粉转化为糖分，然后产生二氧化碳，在水蒸气的作用下受热膨胀，从而使得内部的交联网络形成，交联网络密集多呈蜂窝状或类蜂窝状结构。

4.真菌在本专利材料中的存活和扩散情况

分别称取1％酵母粉，1％蛋白胨，4％葡萄糖，0.5％乳化芝麻油，1.5％琼脂，制备成萨氏培养基，将菌株转接到含蛋黄和牛奶的萨氏培养基平板(80％萨氏培养基，11.5％蛋黄，8.5％牛奶)上，20℃和12L:12D条件下活化培养7天。将菌落中菌丝体接入装有20mL含0.1％乳化芝麻油的萨氏培养液的锥形瓶中，在20℃下摇荡培养4天，随后将菌液以1:10的比例转接到新鲜的萨氏培养液中扩大培养4天。

本实验中对这几种菌种进行了测试：Pno7；CT1211-1-A；CT-170119；Mos-1A。

将实施例1-5制备的生物基多孔材料，碾碎成一定尺寸的块状物质，放置于上述配制的培养液中，置于20℃条件下培养24h，利用SEM观察弹孢量。另外找出市面上现有的几款材料，如尼龙静电纺丝材料(片状)、PCL静电纺丝材料做相同的测试，具体观察情况如下表三到表五：

表三 尼龙静电纺丝材料(片状)测试情况

表四PCL静电纺丝材料测试情况

表五 本专利实施例1-5材料测试情况

由上述表三到表五记录的测试情况可以看出，本专利材料对于各菌种的存活和扩散提供了很好的承载效果，其中表五中可以看出几种测试的菌种都能生长，且可以观察到弹孢，弹孢量还较高；而对比例的表三、表四，要么无法生长，即使可以生长也观察不到弹孢现象，只有一种菌种有弹孢现象还只是低量弹孢。进一步验证了本专利技术的优越性和可推广性。