《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Polyhydroxyalkanoate-Based Biodegradable Coatings for Controlled-Release Urea Fertilizers: Effects on Oil Palm Seedling Growth and Soil Microbial Communities
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Nassareeya Binlateh、Nuchnaphat Noocharoen、Sorapong Benchasri、Kanokphorn Sangkharak泰国北大年府他辛大学科学与数字创新学院生物技术硕士学位课程毕业摘要本研究采用基于聚羟基烷酸酯（PHA）的可降解涂层制
Nassareeya Binlateh、Nuchnaphat Noocharoen、Sorapong Benchasri、Kanokphorn Sangkharak
泰国北大年府他辛大学科学与数字创新学院生物技术硕士学位课程毕业
摘要
本研究采用基于聚羟基烷酸酯（PHA）的可降解涂层制备了控释尿素肥料（CUFs），并评估了其对肥料性能、油棕育苗生长及土壤微生物多样性的影响。为了提高PHA-CUF配方的水分吸收和养分扩散能力，加入了稻壳作为亲水性填料。与立即释放型肥料相比，PHA涂层肥料表现出更优异的养分释放特性，显著促进了幼苗的生长。表现最佳的PHA-CUF处理组使得植株高度、叶片数量、叶绿素含量、茎干粗度和新鲜生物量均优于立即释放型肥料和市售控释肥料；而未施用肥料的植株生长最差。土壤微生物分析表明，PHA-CUF的应用提高了微生物多样性，并改变了细菌群落组成，尤其是增强了与农业土壤中养分循环相关的某些细菌群体。初步的扫描电子显微镜（SEM）观察结果证实，土壤培养后聚合物涂层发生了部分降解，进一步证明了该材料的可降解性。这些结果表明，结合木质纤维素填料的PHA涂层可作为有效的控释尿素肥料载体，有助于促进植物生长和维持土壤微生物健康，同时减少对非可降解聚合物涂层的依赖。
引言
聚羟基烷酸酯（PHA）是一类由多种微生物合成的可降解且生物相容的聚酯，它们在碳源充足但营养物质受限的条件下可作为细胞内的碳和能量储存化合物[1]。PHA通常分为短链型（scl-）和中链型（mcl-）[2]。由于其可调的物理化学性质（如柔韧性、结晶度和降解速率），PHA在工业和生物医学应用中成为传统石油基塑料的可持续替代品[1]。近年来，PHA的应用范围已拓展到农业领域，特别是在控释肥料（CRF）方面。CRF的设计目的是根据植物的吸收情况逐步释放养分，从而提高养分利用效率，减少养分流失，并降低环境污染，相比传统的立即释放型肥料（IRF）具有显著优势[3],[4],[5]。然而，由于合成聚合物（如聚烯烃和聚氨酯）的成本高昂且降解性较差，CRF的大规模应用受到限制[6]。因此，PHA等可降解聚合物已成为环保的可持续肥料配方选择[7]。
尿素是最常用的氮肥，占全球氮肥消费量的70%以上，对保障全球粮食安全至关重要[6]。但目前大多数尿素肥料以未涂层形式使用，导致氮素通过挥发和渗透流失迅速丧失，氮素利用效率仅约为30%-35%[5],[8]。为解决这一问题，人们探索使用PHA基涂层作为尿素CRF的可降解基质。例如，聚（3-羟基丁酸）（PHB）已被用于生菜（Lactuca sativa）和匍匐剪股颖（Agrostis stolonifera）的栽培中，显示出更好的养分释放控制和土壤微生物富集效果[9],[10],[11]。然而，PHB的高熔点（Tm ≈ 180 °C）使其难以用于尿素颗粒的涂层制备，因为肥料通常在较低温度下就会分解[10]。为克服这一挑战，研究人员开发了熔点较低的共聚物（如聚（3-羟基丁酸-聚（3-羟基己酸）[P(3HB-co-3HHx]）。Murugan等人[12]的研究表明，P(3HB-co-3HHx)与油棕树干纤维结合使用能有效降低养分释放速率，提高养分利用效率，并促进油棕育苗根际微生物多样性。不过，目前P(3HB-co-3HHx的生产成本较高，且依赖于使用Tenebrio molitor幼虫从Cupriavidus necator中提取原料，限制了其规模化应用[13]。
先前有研究报道了由Enterobacter属和Bacillus thermoamylovorans产生的中链型PHA，其熔点显著低于PHB和P(3HB-co-3HHx)[14],[15]。这些热学特性使它们更适用于尿素基肥料的涂层应用，因为它们能与尿素肥料的耐热性相匹配，并便于在涂层和造粒过程中实现熔融加工。此外，生物降解研究表明这些PHA可在不产生有毒中间产物的情况下被完全分解[16]。除了环境友好性外，PHA基涂层还具有改善土壤保水性、降低侵蚀风险和良好的抗氧化稳定性等农艺优势[7]。
因此，本研究旨在利用微生物生产的PHA开发一种控释尿素肥料，作为可降解涂层材料。对该PHA基配方的物理化学性质进行了表征，并在油棕（Elaeis guineensis）育苗阶段进行了评估，对比了其植物生长性能、生物降解行为及土壤细菌多样性与传统立即释放型肥料（IRF）和市售控释肥料（CRF）的结果。
章节片段
PHA的生产与表征
本研究使用了两种不同细菌菌株生产的PHA样品。这两种聚合物均按照之前的研究方法进行制备和提纯[14],[15]。通过气相色谱-质谱（GC–MS）鉴定其为mcl-PHA[14],[15]。选择这些聚合物是基于它们独特的物理化学性质，尤其是熔点和机械性能方面的差异，这些性质直接影响其作为涂层材料的适用性
吸水性及PHA-CUF的养分释放
评估了PHA-CUF颗粒的材料性质，以了解其对吸水性和养分释放的影响。这些颗粒的密度约为1.05 ± 0.05 g/cm3，孔隙率约为18%，表明其结构紧密且具有良好的水渗透性。压缩强度（6 MPa）证明了其良好的机械强度，能够在搬运和浸渍过程中防止开裂或变形。稻壳颗粒（100–300 μm）均匀分布在颗粒内部
结论
本研究评估了以稻壳作为亲水性填料的PHA基控释尿素肥料（PHA-CUF）的性能，发现其在提高水分吸收和养分释放方面表现优异。PHA-CUF配方有效促进了油棕育苗的生长，其农艺表现与传统肥料相当或更佳。此外，宏基因组分析显示，PHA-CUF的应用改变了土壤微生物群落组成
CRediT作者贡献声明
Sorapong Benchasri：研究指导、方法设计、概念构思。Kanokphorn Sangkharak：写作——审稿与编辑、原始稿撰写、可视化处理、数据验证、研究监督、项目管理、方法设计、资金申请、概念构思。Nassareeya Binlateh：实验设计、数据分析、数据管理。Nuchnaphat Noocharoen：实验设计、数据分析
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。
手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写过程中，作者使用了Grammaly工具来提升手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审核和编辑，并对发表文章的内容负全责。
资金支持
本研究得到了泰国国家高等教育部、科学研发创新政策委员会、他辛大学（2025财年，项目编号FF-2568A105000029）以及泰国国家研究委员会（NRCT）和他辛大学的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关系：
Kanokphorn Sangkharak表示，她获得了泰国国家高等教育部、科学研发创新政策委员会和他辛大学在2025财年的财政支持。若存在其他作者，他们也声明不存在任何已知利益冲突或个人关系
致谢
作者感谢他辛大学科学学院、数字创新学院（隶属于他辛大学）以及普吉拉贾巴特农业大学农业技术学院提供的研究设施。本研究还得到了泰国国家高等教育部、科学研发创新政策委员会（2025财年），以及泰国国家研究委员会（NRCT）和他辛大学的支持。
