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芥菜茎通过冷冻解冻与化学交联制备环保超级吸水凝胶，吸水率达8191%，持水性能优异（空气14天，土壤80天），铁负载后12小时释放45%铁元素，水melon发芽率84%，土壤持水能力提升48%，实现农业废弃物循环利用与土壤改良。
Tarun Kumar Gayen|Mohammad Amdad Ali|Sudhir G. Warkar
应用化学系，德里技术大学，印度德里110042
摘要
通过使用冷冻-解冻技术和化学交联方法，将农业废弃物芥菜茎进行升级回收，合成了具有超强吸水性的环保生物水凝胶。这种优化后的水凝胶被应用于农业领域，在室温（约25°C）下的膨胀能力约为8191%。该水凝胶在室温下空气中可保持水分14天，而与土壤混合后能保持水分80天，相比之下，对照土壤仅能保持水分24天。与对照组相比，土壤的最大持水能力提高了约48%。土壤埋藏生物降解实验显示，水凝胶在90天后重量减少了约93%。对水凝胶的植物毒性测试以及西瓜的盆栽实验表明，其发芽率和发芽指数分别为84%和268%。最后，通过原位聚合技术将铁负载到水凝胶中，作为微量营养素载体，证明了其释放微量营养素的能力。水凝胶在水中释放铁的速度约为45%。释放动力学符合Korsmeyer-Peppas模型，表明属于超快速传输类型（即更快的侵蚀过程）。
引言
随着农业生产量的增加，农业废弃物的产生也在增加，过去50年里农业生产量增加了两倍多[1]。更多的生产带来了更多的废弃物，并污染了土壤、水和空气。芥菜茎是收获芥菜后留下的农业废弃物之一。芥菜油是印度的一种食用油，由芥菜籽（Brassica juncea）制成。农民通常会在田间和家中焚烧芥菜茎、秸秆和残余物，这会产生温室气体并造成环境污染[2]。因此，这种农业生产方式是不可持续的，影响了地球的未来[3]。为了解决这一问题并实现联合国的可持续发展目标（SDG）第12项：“负责任的消费和生产”，需要采取积极和可持续的废物管理措施[4]。对这些农业废弃物的升级回收有助于循环经济的发展，符合联合国SDG 12的目标[4]。芥菜茎可以经过适当处理，转化为纤维素和水凝胶等有价值的材料，从而促进循环生物经济和环境的可持续性[4]。
芥菜茎是世界上最重要的生物质资源之一，其中含有约49%的纤维素、30%的半纤维素以及少量的木质素、蜡、矿物质和其他化合物[5]。其中，纤维素是最重要的生物聚合物，具有β-1,4连接的脱水-D-葡萄糖单元线性链，具有生物降解性和生物相容性[6]。由于纤维素分子中含有丰富的羟基，可以通过物理或化学交联方法轻松改性地制成水凝胶、复合材料和缓释药物、肥料等的载体材料[7]。
纤维素及其衍生的水凝胶因其多功能性和环保特性而受到研究人员的关注。它们在多个行业中有着广泛的应用，例如在生物医学领域，可用于伤口治疗、药物输送系统和组织工程支架；在化妆品和制药领域，可用于保湿剂和缓释制剂[8]。此外，纤维素水凝胶还应用于可持续纺织品、3D打印生物墨水、自修复建筑材料以及超级电容器和电池等储能设备[9]。
纤维素水凝胶可以通过增强土壤的保水能力、作为养分载体和改良剂来改善农业生产，特别是在干旱或易受干旱影响的地区[10]。它们通过持续供应水分和养分促进植物生长，从而减少灌溉频率[11]。一种用于农业应用的传统橡胶基水凝胶表现出1410%的膨胀率，并且不会抑制种子发芽[12]。一种基于乳清的水凝胶具有1400%的再膨胀能力和约19%的保水率，可作为农业用土壤改良剂[13]。稻草基纤维素水凝胶的膨胀能力约为7722%[14]。交联的纤维素-环氧氯丙烷聚合物在295 K下可吸收161%的水分[15]。纤维素纳米纤维和羧甲基纤维素基水凝胶负载尿素后，在水中10天内释放了33%的尿素，90天后重量减少了约81%[16]。合成了一种含有5%球形再生纤维素的钠羧甲基纤维素与羟乙基纤维素复合材料水凝胶，用于研究磷酸一铵（MAP）肥料在水中12小时和土壤中20小时的释放情况，而未涂层MAP在水中的释放时间为约2小时，在土壤中为约10小时[17]。纳米纤维素/海藻酸钠/金属有机框架（MOFs）水凝胶用于尿素释放，结果显示30天后仅释放了50%的尿素[18]。
本研究旨在从农业废弃物（如芥菜茎）中合成纤维素和超强吸水性水凝胶（吸水量可超过其重量的300倍），以应用于农业。作为概念验证，我们研究了其膨胀性、脱水性、保水能力、最大持水能力和生物降解性。我们还通过植物毒性和西瓜种植实验评估了该水凝胶的性能。此外，还研究了基于纤维素的超强吸水性水凝胶作为铁微量营养素载体的应用。
材料
芥菜茎（MS）从印度德里附近的德里技术大学周边农田收集。环氧氯丙烷（ECH，98%）、氢氧化钠（98%）、尿素（99%）、盐酸（36%）、醋酸（99.8%）、过氧化氢（30%）和氯化铁（98%）均从Thermo Fisher Scientific（印度德里）购买，并按原样使用。去离子水（DI）在实验室自制。所有化学品均按原样使用。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）
记录了MSC和水凝胶在4000 cm-1至500 cm-1范围内的FTIR光谱（图4a）。3430-3200 cm-1之间的宽峰代表O-H伸缩振动[4]；2934-2860 cm-1之间的宽峰归因于C-H伸缩振动[25]；1666-1595 cm-1之间的峰表示吸附水的-OH弯曲[26]；1440-1305 cm-1之间观察到C-H和C-H2伸缩振动[27]；1014 cm-1处的强峰代表C-O、C-C和C-O-C键的振动结论
本研究使用芥菜茎作为原料制备了纤维素基生物水凝胶。优化后的水凝胶在五次循环后的再膨胀率为2186%，表明其在干旱地区的土壤改良等可持续农业应用中具有潜力。与对照土壤相比，水凝胶/土壤混合物能够多保持水分56天。将3%的水凝胶掺入土壤后，土壤的最大持水能力得到提升
作者贡献声明
Tarun Kumar Gayen：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源准备、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思。Sudhir G. Warkar：撰写 – 审稿与编辑、监督。Mohammad Amdad Ali：撰写 – 审稿与编辑、监督
利益冲突
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
伦理审批和参与同意
本手稿为原创论文，未在其他期刊上发表。作者同意遵守版权规定。
出版同意
作者已修订手稿并同意发表。
数据可用性
数据可应要求提供。
资金支持
作者声明在准备本手稿过程中未接受任何资金、资助或其他支持。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢
德里技术大学（DTU）在研究期间提供的实验室支持。
