(化材学院 武芳芳) 近日，化学与材料科学学院MEE团队在综合领域高水平刊物Chemical Engineering Journal(IF=13.273)杂志在线发表题为“Auricularia auricula biochar supported γ-FeOOH nanoarrays for electrostatic self-assembly and pH-responsive controlled release of herbicide and fertilizer”的研究论文，该研究通过设计静电自组装结构，实现典型农药及肥料的pH响应调控释放，在农用化学材料交叉研究方面取得新进展。自我校化学学科进入ESI大学和科研机构排名全球前1%以来，如何继续实现学科建设新突破是需要长期努力思考的问题，本次药肥控释材料的研究是其发展方向的一次新尝试。

如今，过量药肥的滥用造成了严重的资源浪费与环境污染，迫切需要发展环境敏感控释体系。本研究通过热解-氧化两步法原位合成了γ-FeOOH纳米阵列修饰的功能型生物炭复合材料(γ-FeOOH@BC)。γ-FeOOH纳米阵列的负载显著增强了生物炭的表面正电荷(零点电荷从2.7提高到7.8)，这使得负离子状态的可溶性药肥物质可以通过静电吸引作用自主附着在γ-FeOOH@BC上。同时，该材料的表面带电性能对pH高度敏感，可通过改变环境pH值实现药肥物质的准确释放。研究表明，可溶性药肥在γ-FeOOH@BC上的组装效果与本身酸度系数密切相关。当环境pH值等于药肥物质酸度系数（pKa）时，QNC和PO₄^3-的组装量可达到最大，分别为94 mg·g^-1和92 mg·g^-1。而pH增加至7.8时，γ-FeOOH@BC的表面电荷由负转正，与负离子状态的QNC或PO₄^3-产生表面静电斥力，可实现QNC (45%)和PO₄^3- (63%)的快速释放，两者的释放率最终在pH=11时均可达到88%。5轮次敏感性试验证明，γ-FeOOH@BC具有良好的敏感度保持性，QNC/PO₄^3-的组装或释放效率均能保持在75%以上。此外，实验发现此材料与方法在实际水土环境中同样具有应用前景。在含2.7 mg·L^-1 PO₄^3-的实际土壤中，γ-FeOOH@BC能破坏土壤对磷素的固定化作用，同这部分磷素形成自组装结构，实现土壤中无效磷的活化与控制释放，提高磷素的作物利用效果。同时，γ-FeOOH@BC上装载的QNC可在实际水土环境中被释放，对稗草进行选择性去除。本研究工作不仅开发了一种高灵敏度的pH响应载体，而且为农药和肥料的控释设计了一种有效的方法，对于后续控释材料开发及实际环境施用提供了新思路。

团队介绍

MEE课题组，致力于以化学材料手段为基础，“围绕作物，服务农业”， 针对作物生长环境及调控开展研究工作，主要包括植物光学环境及土壤环境调控两大方向。首先，植物光学实验室精准控制的光源，为水稻、辣椒、柑橘、茶苗和拟南芥等作物提供匹配的光食谱，以此实现植物的定向精准调控。另外，以各类生物质为原材料，基于原料筛配、过程控制、试剂辅助、方式耦合、参数优化等方式，开展生物炭的定向制备、调控改性及高效功能化等方面的研究，重点关注治污菌群、金属/金属化合物、营养物等功能成分的负载联用，并将所获得的功能化生物炭（复合）材料应用于重金属污染固持、土壤生态修复、工业污水净化等环境治理与农业生态领域。目前拥有“湖南省光学农业工程技术研究中心”和“生物炭湖南省工程研究中心”两个省级科研平台，2021年与农学院成立农用化学材料学科交叉联合实验室，共同开展研究，同时获批筹备农业农村部“国际农林有机废弃物综合利用专业科技创新院”。现有专职研究人员8名，博士研究生7名，硕士研究生30余名，在SCI期刊累积发表研究论文120余篇，主持国家重点研发、湖南省重点研发、国家自科基金等各类科研项目20余项。

通讯作者：周南，教授，湖南农业大学，zhounan@hunau.edu.cn

论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134984