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专利名称::含有营养素的保湿剂的制作方法
技术领域:
:本发明一般涉及用于可控地向植物组织(例如活体植物的根球)递送水和营养素的凝胶状保湿基质(例如美国专利4,865,640中所述的基质)。相关申请资料本PCT专利申请要求2006年6月12日提交的美国专利申请11/452,034的优先权,其通过引用并入本文。
背景技术:
:商品DRiWATER凝胶("DriWATER")在美国专利4,865,640("'640专利,,)中具体描述,其整个说明书并入本文。在过去几年里,所述产品已经在全世界应用,并且成功地为用户提供了向植物递送緩释水的产品。DRiWATER是羧曱基纤维素交联的聚合物,%水、%羧***纤维素钠("CMC")%硫酸铝组成。当在高剪切混合器中一起混合时,羧***纤维素化合物的羧酸基团和硫酸铝中的铝之间的交联将水捕获在重凝胶(heavygel)中,所述重凝胶在45,000+厘泊的最终粘度下稳定化。该可商购产品的緩释特征由用凝胶作为食物源的微生物的作用引起。凝胶最终通过微生物降解产生游离水。降解纤维素的微生物可存在于所有类型的土壤中并且产生用于分解纤维素的酶。该技术可看作是为植物供水的緩释方法。DRiWATER还用于控制释放水的速率,以便不会为任何植物品种过度供水。如果
DRiWATER产品除仅仅供水之外还提供一些益处(例如使根增长),该产品将对植物更有益。根块增长将导致生长更快、外形更美观并改善植物对营养的吸收。DRiWATER凝胶包装在纸盒、杯子、人造肠衣(syntheticcasing)或任何其它可部分或全部打开的合适的容器中,用于施加在植物根际(rhyzosphere)附近。植物的正常生长需要18种元素。碳、氢和氧存在于空气和水中。氮、磷、钾、镁、钙和硫以及碳存在于土壤中。本领域技术人员将上述元素称为"常量营养素",因为植物大量利用这些元素。用量小得多的9种其它元素被称为"微量营养素"或"痕量元素,,并且存在于土壤中。这9种微量营养素是铁、锌、钼、镍、锰、硼、铜、钴和***。所有18种元素,常量营养素和微量营养素均是植物生长所必需的。在大多数区域中,由于缺锌可能使土壤中存在的足够常量营养素不能容易地被植物获得。事实上,在48个邻近州中有至少42个州的土壤缺锌。当添加锌时促进植物生长。多年来已经认识到锌对作物生长的重要性。缺锌具有许多症状,包括矮化生长、新叶片叶脉间的浅绿色区域、叶片较小、节间缩短以及玉米和高粱中中脉每一侧上的宽白带。锌是植物中许多酶系统所必需的,其具有三种主要功能,包括催化、助催化和结构完整性。锌有助于影响光合作用、新生长和根发育的重要生长调节剂的产生。锌促进增进根发育和根系延伸所需的细胞生长一改善营养素吸收、新叶片的形成和新芽旺盛的生长、甚至更成熟以及改善的逆境耐受性。如果锌供应不
足,植物对其它植物营养素例如氮的利用将降低。当土壤中缺锌时,如果在种植时将锌置于根际附近,那么仅需要少量的锌。因此,提供含有锌的DRiWATER是有利的。事实上已知,如果将碳酸氢钠或任何其它强碱性产品与柠檬酸或任何其它粉末状的酸混合然后加水,结果将是激烈的化学反应。该化学反应中和PH,因此对植物体无影响。如果将本发明的干成分运给最终使用者以便在施用地点将它们混合,这在许多情形下将是更有利的。然而,由于干成分的吸水性,不使用高剪切混合器不可能获得良好的交联。本发明为96%至99%水的事实使其运输非常昂贵。
发明内容本发明涉及当与生物有机体相互作用时释放浸渍水(impregnatedwater)、气体和营养素的基质,所述基质包含纤维素化合物、水合金属盐、水、微量营养素、至少一种植物生长添加剂、至少一种防腐剂、表面活性剂和醋酸成分的混合物,%,平均分子量为90,000至700,000,由下式表示R-O-C(iOM,其中"M"是取代所述纤维素化合物的羧基上的氢的金属,"R"是纤维素链;。/。%;"/。%;所述微量营养素选自锌和锌盐,"/。至
%;所述植物生长添加剂选自植物生长激素和植物生长调节剂,。/。%;所述防腐剂选自苯甲酸钠、山梨酸钾和醋酸,。/%;%%;所述醋酸成分选自醋酸或醋酸盐,。/。%。本发明还涉及以预定的緩释速率向土壤中的植物提供水、气体和营养素的方法,所述方法包括将基质置于土壤中以及将植物根置于所述基质附近,所述基质包含纤维素化合物、水合金属盐、水、微量营养素、至少一种植物生长添加剂、至少一种防腐剂、表面活性剂和醋酸成分的混合物,所述纤维素化合物为lwt。/。至3wt。/。,其包含葡萄糖单元,分子量为卯,000至700,000,由下式表示R-OCH2-COOM,其中"M"是所述纤维素化合物葡萄糖单元上的取代的金属,"R"是纤维素链;。/。/。;。/。%;所述微量营养素选自锌和锌盐,。%;所述植物生长添加剂选自植物生长激素和植物生长调节剂,。/。%;所述防腐剂选自苯甲酸钠、山梨酸钾和醋酸,。/。%;。/。%;所述醋酸成分选自醋酸或醋酸盐,醋酸根的浓度为所用水重量的
%%。本发明涉及DRiWATER保湿基质,其用于可控地向植物递送水、微量营养素例如锌、常量营养素、植物生长添加剂(包括植物生长激素和植物生长调节剂)、防腐剂和表面活性剂,与向植物的整个垂直根系递送的方式相同。将常量营养素和微量营养素添加到DRiWATER凝胶中会对植物有益,这对本领域技术人员来说似乎是显而易见的。然而,锌是二价阳离子(当在水溶液中时取决于pH),因此会干扰纤维素化合物和硫酸铝中的铝之间的交联,导致粘度不稳定。例如,添加肥料成分而不添加离子抗衡(ioniccounter-balancing)化学品会破坏凝胶交联并使凝胶粘度不稳定,或者在一些情形下使凝胶完全液化。因此,组成以及将锌加入到含有离子抗衡化学品的凝胶系统时的比率是比率敏感的。%(重量/重量)%(重量/重量)醋酸的比率将石危酸锌和醋酸的组合引入到DRiWATER凝胶中。科学实验显示DRiWATER中的该硫酸锌和醋酸组合使得辣椒植林的根增长最多,根块增加是用最初的DRiWATER处理的208%至283%。此外,如上所述,初步实验显示植物生长添加剂、防腐剂和表面活性剂的加入负面影响DRiWATER凝胶的粘度。还必须以精确比率引入这些化合物,以便不会使粘度不稳定。所述化合物还必须在彼此数学计算的特定摩尔当量内,以防止使DRiWATER凝胶不稳定。此外,该原则是激素/营养素选择性的,这意味着一些激素/
营养素根本不能引入,因为它们破坏凝胶的交联。还应当注意,每种化合物都需要特定的平衡/抗衡化学成分。就是说,用于每种激素/营养素的特定激素/营养素组合是选择性的,并且与每一种其它激素/营养素相比起到不同的化学作用。因此,每种激素/营养素需要不同的平衡/抗衡化学成分。本发明的一个实施方案还涉及基于除暴露于微生物的程度之外的因素来控制添加营养素的DRiWATER的液化速率。暴露于土壤中微生物的表面积控制DRiWATER液化速率。暴露的表面积越大,DRiWATER凝胶液化越快。本发明的一个实施方案涉及将碳酸氢钠或任何其它强碱性物质与柠檬酸或任何其它粉末状的酸加入到上述其它干成分中。%%%%的杼檬酸添加到上述不含醋酸的配方中。上述百分率是施用地点处待添加的水重量的重量百分率。图l是显示根据本发明的一个实施方案由向凝胶中添加硫酸锌和醋酸引起的粘度变化的图。图2是才艮据本发明的一个实施方案用最初的DRiWATER处理的植物的图。%(重量/重量)%(重量/重量)醋酸的DRiWATER处理的植物的图。发明详述本发明涉及用于可控地向植物组织(例如植物的整个垂直根系)递送水、微量营养素、常量营养素、植物生长添加剂、防腐剂和表面活性剂的DRiWATER凝胶状保湿基质的分配。本发明向植物递送水和上述营养素,从而在预定时间段内以预定速率促进植物发育和生长并提供期望的植物养护。
通常已知将营养素和激素添加到植物中改善植物生长。例如,许多微量营养素可见于大多数标准肥料中,但是必须是离子形式(大多数元素在水中电离)以被植物吸收。在传统供水中,通过将肥料和营养素与水混合并将所述混合物倾倒或滴加到植物周围而向植物提供营养素。然而,任何过量的土壤不能保留的水和肥料将最终到达地下含水层中。本发明的一个目的是通过DRiWATER凝胶可控地向植物组织递送水、微量营养素、常量营养素、植物生长添加剂、防腐剂和表面活性剂。然而,初步实验表明,大多数营养素和激素的加入负面影响DRiWATER凝胶的粘度,使得DRiWATER凝胶不能适当地发挥作用。本发明涉及将生根化合物引入到DRiWATER中而不会使凝胶粘度不稳定。不想被任意一种理论束縳,认为本申请的组合物有助于促进根系延伸所需的细胞生长、新叶片的形成、新芽旺盛的生长、甚至更成熟以及改善的逆境耐受性。除非另外指明,本文中所有的百分率、比率和比例均是按组合物的重量计的。除非另外指明,所有温度均是摄氏度('C)。所引用的所有文献以其整体通过引用并入本文。任何参考文献的引用并非承认确定其作为所要求保护的发明的现有技术的可用性。如前所述,多年来就已认识到锌对作物生长的重要性。锌是植物中许多酶系统所必需的,其具有三种主要功能,包括催化、助催化和结构完整性。例如,在植物中,植物生长激素吲哚
-3-乙酸(IAA)(在水溶液中是阴离子,取决于pH)是天然存在的生长素。它还存在于许多细菌、真菌和藻类中。IAA调节细胞伸长、向光性、向地性、顶端优势、发根、乙烯产生、果实发育、单性结实、脱落和性别表达,所有这些均是植物9正常生长所必需的。为了维持植物正常生长,必须由植物产生并调节IAA。锌是氨基酸色氨酸向生长素IAA转化中的辅因子。添加锌将有助于维持植物中IAA水平并且促进生长、生根和健康。选择硫酸锌作为锌源基于科技文献。已经测试了许多锌源,以观察哪种化合物会被植物种更有效地利用。硫酸锌对于植物而言是最容易获得的形式。硫酸锌还包含硫酸根离子。硫酸根离子(SO,)是有利的营养素并且天然存在于土壤中。硫用于通过硫化物桥将氨基酸结合在一起,以产生酶和蛋白质,它们是生命的构成要件。研究表明醋酸的存在将提高矿物质的吸收。还已知醋酸作为防腐剂并且有助于维持凝胶的粘度以及帮助保护凝胶免受微生物降解。有必要指出的是,硫酸锌和醋酸成分的摩尔组合不恰当时,凝胶粘度会急剧下降或者增加到对任何植物种几乎无益处或亳无益处的程度。进行下述实验以举例说明形成硫酸锌和醋酸以刺激根的最大生长,并非意在以任何方式限制本发明,在不脱离本发明的精神和范围的情形下,其可以有多种变化方案实验方法和材料材料羧***纤维素钠(CMC)、铝、防腐剂、表面活性剂、七水硫酸锌、醋酸和纯水。应当指出当制备所述基质时,水的浓度可为
%%。将铝、防腐剂、表面活性剂、七水硫酸锌和醋酸倒入400mL烧杯中并混合约20分钟或直到所有固体均溶解。然后将溶液倒入10速Osterizer搅拌机(6)中并设置为"碎冰",最大输出功率为450瓦特。刀速为1100RPM。然后将CMC倒入搅拌机中。以恒定速率用15秒加入CMC同时搅拌机进行混合。继续混合另外的70秒,混合的总时间为85秒。形成约300mL凝胶,凝胶形成后使其冷却至室温约15分钟时读取粘度。在用BrookfieldHADV-II+粘度计分析的250mL烧杯中所测凝胶体积为约200mL。以厘泊(cP)为单位测量粘度以保证凝胶的稳定性。然后称取9盎斯凝胶并置入塑料肠衣(casing)中以限制暴露于空气和污染。然后将凝胶在塑料肠衣中稳定最少3天以达到代表消费品粘度的粘度。制备标记为凝胶1至凝胶5的5种不同配方的凝胶。将每种凝胶配方重复3次来测试每种凝胶配方。最初的DRiWATER凝胶用作对照(重复3次)将阿纳海姆辣椒(Anaheimpepper)植入规定的亚利桑那州原土壤中生长约3周。选择高度和茎干尺寸相似的阿纳海姆辣椒植林用于试验。在每个凝胶肠衣上开约12至15厘米的狭长切口。将每个凝胶肠衣略微打开,以使凝胶暴露于土壤。将肠衣中暴露的凝胶置于其中生长阿纳海姆辣椒的土壤上。在处理的第一天给每林植物彻底浇水。30天不浇水。植林在日温约65。F
的温室中生长。每日进行观察。在实验的第30天,从土壤中取出植物。清洁根部并拍照。然后在子叶节处切割植林并测量根块和下胚轴的鲜重。然后在根颈处切割植物并测量根块的鲜重。对于所有配方,测量鲜重并行比较。(%)克(g)(Al咖)-。'粗体星号表示最佳结果。。粗体星号表示最佳结果。。*粗体星号表示最佳结果。该实验结果证实虽然将营养素、肥料和激素加入到DRiWATER中将对植物有益,但是大多数营养素和激素的加入负面影响DRiWATER凝胶的粘度(见图1)。该实验的目的是将生根化合物引入到DRiWATER中而不会使凝胶粘度不稳定。实验表明如果以合适的比率递送,DRiWATER中硫酸锌和醋酸的组合使得辣椒植林的根增长最大