Според статистиката на Организацията по прехрана и земеделие на ООН през 2017 г. световното производство на храни е 2,627 милиарда тона, от които 618 милиона тона са произведени в Китай, което представлява 23,5% от общото световно производство на храни през същия период . За да се поддържат такива високи добиви, селскостопанското производство на Китай изисква потреблението на голямо количество земеделска земя и сладководни ресурси всяка година. Въпреки това недостигът на гореспоменатите ресурси в Китай е изключително очевиден. Според статистиката площта на обработваемата земя на глава от населението е по-малка от 0,1 hm2, което е само една трета от световното количество на глава от населението и по-малко от една седма от тази в Съединените щати; Сладководните ресурси на глава от населението в Китай са по-малко от 2200 m3, само 1/4 от средното за света, което го прави една от страните с най-бедните водни ресурси на глава от населението в света. Следователно голямо количество химически торове трябва да се използват в селскостопанското производство в Китай, за да се осигури цялостен добив.
Въпреки това, в селскостопанското производство на Китай степента на използване на торове не е задоволителна. Като вземем за пример азотните торове, през 2017 г. общото количество азотни торове, приложени в Китай, достигна 22,06 милиона тона, което представлява 35% от общото количество в света. Въпреки това, общата степен на използване на азотни торове в Китай беше по-малко от 35% през тази година, причинявайки големи отпадъци. Следователно работниците в областта на селскостопанската наука и технологиите в Китай постепенно започват да изучават висококачествени водоразтворими торове, за да се адаптират към процеса на интегриране на водни торове [1-2]. Според изследването, проведено от Националния център за насърчаване на селскостопанските технологии, в момента има над 30 милиона хектара обработваема земя, подходяща за интегриране на вода и торове в Китай, докато текущият дял на приложение в страната е само 3,2%. Следователно потенциалът за развитие на водоразтворимите торове в Китай е много огромен и е ключов фокус за бъдещото развитие на торове.
Водоразтворимият тор е многоелементно съединение и бързодействащ тор, който е напълно разтворим във вода. Има характеристиките на добра разтворимост във вода, без остатъци и може директно да се абсорбира и използва от корените и листата на културите. Като важен компонент на интегрирането на водни торове, водоразтворимите торове имат очевидни предимства. Първо, може значително да подобри степента на използване на торовете. Според статистиката степента на използване на конвенционалните торове в Китай е около 30%, докато степента на използване на водоразтворимите торове е между 70% и 80%. Може също така да намали общото количество наторяване, което отговаря на основните изисквания на националния двоен въглероден цикъл; Второ, водоразтворимите торове имат високо съдържание на хранителни вещества и цялостно хранене, което може значително да подобри добива и качеството на културите, което ги прави една от ключовите посоки за развитие на бъдещата индустрия за торове; И накрая, насърчаването и използването на водоразтворими торове, придружено от интегрирането на вода и тор, може да спести голямо количество сладководни ресурси и да помогне за подобряване на качеството на живот на китайските жители.
В момента все още има много проблеми за решаване при производството и използването на водоразтворими торове в Китай. Лошата разтворимост във вода и високото съдържание на неразтворими вещества могат лесно да причинят запушване на котлен камък в тръбопроводите, особено в райони с високи концентрации на калциеви и магнезиеви йони във водата за напояване. Понастоящем изискването за неразтворими във вода вещества в разтворимите торове в Китай е 0,5%, докато интегрираната система за водни торове обикновено е фиксирана или полуфиксирана, с изключително фини и трудни за почистване изходи за вода, които лесно се блокират от неразтворими във вода вещества. Част от солта в тора ще корозира тръбопровода. Понастоящем тръбите на интегрираната система за вода и тор са направени предимно от въглеродна стомана или пластмаса, сред които тръбите, изработени от въглеродна стомана, са склонни към корозия от кислород, вода, киселина и основи, което съкращава експлоатационния живот на системата и увеличава разходите за използване. Основният компонент на водоразтворимите торове са химически торове, които лесно могат да причинят уплътняване на почвата и дисбаланс на почвените микробни общности след продължителна употреба, което в крайна сметка води до влошаване на плодородието на почвата. Въз основа на горните причини, с развитието на интегрирането на водни торове, големите местни и чуждестранни химически компании последователно разработиха химикали с ефект на инхибиране на мащаба и корозията, за да решат проблемите при производството и използването на водоразтворими торове. Сред тях полиаспарагиновата киселина и нейните производни са най-широко изследваните вещества.
1.1 Приложение на полиаспарагинова киселина във водоразтворими торове
Полиаспарагиновата киселина (PASP) е изкуствено синтезиран водоразтворим протеин, който естествено съществува в слузта на морски миди като стриди. Това е активно вещество, използвано от морските миди за обогатяване на хранителни вещества и създаване на черупки. Полиаспарагиновата киселина, като нов тип синергист на тора, може да подобри усвояването на азот, фосфор, калий и микроелементи от културите; В допълнение, полиаспарагиновата киселина е нетоксична, безвредна и напълно биоразградима, което я прави световно признат зелен химикал. Резултатите от изследвания и приложения в страната и чужбина показват, че полиаспарагиновата киселина, като синергичен агент за водоразтворими торове, има основни ефекти в следните аспекти.
1.1 Дисперсионен ефект на полиаспарагиновата киселина
Основните причини за блокиране на тръбопровода по време на използване на водоразтворими торове включват утаяване, причинено от химични реакции между торове, намалена разтворимост, причинена от pH на водата и неразтворими във вода вещества в торовете. Тези неразтворими във вода вещества, образувани по различни пътища, постепенно се придържат към вътрешността или изхода на тръбопровода, особено неразтворими във вода соли като калций и магнезий, като по този начин блокират цялата система.
Полиаспарагиновата киселина, като нов тип зелен дисперсант, може да предотврати и облекчи образуването и агрегацията на неорганичен солев камък, когато се прилага към системи за капково (спрей) напояване. Той може да диспергира образувания котлен камък в малки частици, суспендирани във водната система, като по този начин намалява проблема със запушването на водоразтворимите торове в системата по време на употреба. Според изследвания полиаспарагиновата киселина, като хелатиращ дисперсант във водните циркулационни системи, има добри хелатиращи и диспергиращи ефекти върху железни оксиди, калциев карбонат, титанов диоксид, цинков хидроксид, магнезиев хидроксид, магнезиев оксид, манганов диоксид и др. Koskan et al. смятат, че полиаспарагиновата киселина може да предотврати отлагането на котлен камък върху топлопреносните повърхности и тръбопроводите на водната система.
Междувременно изследвания върху ефектите на молекулното тегло на полиаспарагиновата киселина и системната температура върху инхибирането на мащаба потвърдиха, че ефектът на инхибиране на мащаба на полиаспарагиновата киселина е тясно свързан с нейното молекулно тегло, но не и с температурата на системата. Обикновено се смята, че ефектът на инхибиране на мащаба на полиаспарагиновата киселина, синтезирана по различни методи, е тясно свързан със съответния мащаб. Например, полиаспарагиновата киселина, използваща аспарагинова киселина като суровина, има по-добър ефект на инхибиране на котления камък върху CaF2, докато полиаспарагиновата киселина, използваща малеинов анхидрид и неговите производни, има по-добър ефект на инхибиране на мащаба върху BaSO4, SrSO4, CaSO4 и др. Ross et al. потвърдиха, че оптималният диапазон на средно молекулно тегло за диспергиране на полиаспарагинова киселина като калциев карбонат, калциев сулфат и бариев сулфат е между 10000 и 4000. Quan Zhenhua и други установиха, че когато температурата на водата е под 60 ℃, температурната промяна е малка ефект върху степента на инхибиране на мащаба на полиаспарагиновата киселина; Когато Ca2+ е 800 mg/L и дозировката на полиаспарагиновата киселина е само 3 mg/L, степента на инхибиране на мащаба все още може да достигне над 90%. При 20 ℃ полиаспарагиновата киселина причинява забавяне от поне 150 минути в нуклеацията на калциевия карбонат. Всички тези проучвания показват универсалността на ефективността на инхибиране на котления камък на полиаспарагиновата киселина спрямо температурата.
1.2 Инхибиране на корозията на полиаспарагиновата киселина
Обикновено се смята, че полярните групи (включително N и O групи) в полиаспарагиновата киселина се адсорбират върху метални тръбопроводи, което значително подобрява енергията на активиране на процеса на метална йонизация. В същото време неполярните групи (алкил R) са подредени по насочен начин встрани от метала, образувайки хидрофобен филм, като по този начин инхибират корозията на метални тръбопроводи от водни разтвори, като ефективно защитават системите за капково напояване при интегрирането на вода и тор, удължаване на експлоатационния живот на оборудването и намаляване на производствените разходи. Полиаспарагиновата киселина има ефекти на инхибиране на корозията върху различни метални материали като въглеродна стомана, мед, месинг и бяла мед в различни системи [25]; Когато концентрацията на полиаспарагинова киселина е 100 mg/L, степента на инхибиране на корозията на въглеродната стомана може да достигне 93%, а при тази концентрация полиаспарагиновата киселина може да забави скоростта на корозия на въглеродната стомана с 90%, като ефективно удължава експлоатационния живот на тръбопроводът.
В съответните проучвания изследователите са открили, че полиаспарагиновата киселина има добър инхибиторен ефект върху корозията на тръбопроводите във водни системи при различни pH условия. Изследванията на Benton предполагат, че използването на полиаспарагинова киселина и нейните соли с молекулно тегло от 1000 до 5000 и концентрация от 25 mg/L в корозивна среда на солен разтвор с pH от 4,0 до 6,6 може ефективно да инхибира корозията на въглеродна стомана от въглероден диоксид . Когато Калота и др. и Silverman et al. [30] изследват ефективността на инхибиране на корозията на полиаспарагиновата киселина върху желязото при различни условия на pH, температура и влага, те откриват, че полиаспарагиновата киселина има добра ефективност на инхибиране на корозията, когато pH е по-голямо от 10. Mansfeld et al. [31] установяват, че добри резултати могат да бъдат постигнати и при pH в диапазона от 8 до 9. Следователно полиаспарагиновата киселина може да разреши корозията на тръбопроводите по време на използването на различни формули на водоразтворими торове, което е полезно за прилагането на фиксирани или полуфиксирани тръбопроводни системи.
1.3 Синергични и подобряващи качеството ефекти на полиаспарагиновата киселина
Полиаспарагиновата киселина, като синергист на тора или подобрител на хранителни вещества, се съобщава по отношение на бавно освобождаване и повишаване на ефективността, повишено използване на тора, подобрено качество на реколтата и увеличен добив и доход. Изследванията показват, че добавянето на полиаспарагинова киселина към водоразтворимите торове може да удължи ефективността на тора, да гарантира, че културите абсорбират хранителни вещества равномерно през целия процес на растеж и по този начин да гарантира ефективното използване на торовете. Експериментът, проведен от Lei Quankui et al. показаха, че ефективността на използване на N, P и K торове във фъстъците се повишава в различна степен след прилагането на полиаспарагинова киселина и фъстъците са по-малко склонни към симптоми на дефицит на хранителни вещества през целия сезон на растеж. Cao Dan и др. изследва устойчивостта на полиаспарагиновата киселина и демонстрира, че използването на полиаспарагинова киселина веднъж годишно има ефект на увеличаване на добива и при двете култури.
Според докладите полиаспарагиновата киселина може ефективно да активира основната среда и микроелементите за растежа на културите, да подобри ефективността на усвояване на големи количества елементи и по този начин да увеличи използването на тора. След употреба може да подобри устойчивостта на културите към стрес, да регулира ензимната активност в културите, да увеличи добива и да подобри качеството на реколтата. Li Jiangang и др. установиха, че прилагането на полиаспарагинова киселина към култури като зелени зеленчуци води до различна степен на повишаване на съдържанието на витамин С и разтворима захар, което може ефективно да подобри качеството на зеленчуците и плодовете. Jiao Yongkang и др. установено чрез листно пръскане на различни видове хелати на полиаспарагинова киселина, че използването на полиаспарагинова киселина не само увеличава добива и качеството на круша Huangguan, но също така намалява пожълтяването. Загубите, причинени от болестта пачи нокът по крушата. Tang Huihui и др. откриха чрез тяхното проучване за прилагането на полиаспарагинов азотен тор върху североизточна пролетна царевица, че PASP N е използван за култивиране на царевица при условие на намаляване на общия азот с 1/3, без намаляване на добива на царевица и ефективно регулиране на ензимната активност в царевицата на различни етапи, което е полезно за загуба на тегло и подобряване на ефективността. Xu Yanwei и др. установяват, че след прилагане на урея, съдържаща полиаспарагинова киселина върху ориза, ефективността на тора е значително подобрена и торът не е отстранен по време на сезона на растеж. Cao Dan и др. установиха, че прилагането на полиаспарагинова киселина за култивиране на разсад от топола изисква подходящо намаляване на използването на азот, за да се облекчи високият азотен стрес, причинен от високата ефективност на използване на азота.
1.4 Характеристики на полиаспарагиновата киселина за защита на околната среда
Полиаспарагиновата киселина е полимер, съставен основно от аминокиселини, които могат да бъдат напълно разградени от микроорганизми в околната среда до използваеми аминокиселини с ниско молекулно тегло, вода и въглероден диоксид. Някой е използвал метода OECD301A, за да изследва биоразградимостта на полиаспарагиновата киселина и е открил, че количеството въглероден диоксид, освободен при третиране с полиаспарагинова киселина, е близко до референтната глюкоза. В допълнение, Xiong Rongchun и други също са показали, че полиаспарагиновата киселина е зелен химикал с отлична биоразградимост.
2 Outlook
С постепенното реализиране на целта за „един контрол, две намаления и три основни“ в селското стопанство на Китай, процесът на интегриране на водата и торовете става все по-бърз, а търсенето на водоразтворими торове, особено висококачествени водни- разтворими торове, нараства. Полиаспарагиновата киселина, като зелен и екологично чист хелатиращ дисперсант и синергист на торове, може не само ефективно да предотврати образуването на котлен камък от химически торове и корозията на тръбопроводите, но също така да подобри ефективността и качеството, със силни перспективи за приложение.
В отговор на текущия статус на приложение на полиаспарагиновата киселина във водоразтворими торове, съчетано с характеристиките на полиаспарагиновата киселина, насърчаваща производството на корени, регулираща активността на ензимите на културите, повишавайки усвояването на хранителни вещества и хелатиращи диспергирани метални елементи, авторът вярва, че развитието на полиаспарагиновата киселина водноразтворимите торове на киселинна основа трябва да се съсредоточат върху специални водоразтворими торове и водоразтворими торове от висок клас, особено подходящи за картофи и други култури за прибиране на грудки и грудки, както и в специализирани водоразтворими торове за плодове и зеленчуци с абсорбция на хранителни вещества бариери, като болест на круши и кокоши крака.