生物凝胶种子包衣抗老化效果研究
编者按：剩余污泥的处理处置已成为污水处理的痛点，转换资源化思路，可从中回收生物凝胶（提取自剩余污泥EPS）等有价值产品并加以应用。本研究着眼于生物凝胶中利于植物生长的有机质，探究其作为种衣剂在预防农业老化种子劣变方面的潜力。首先，实验采用傅里叶变换红外光谱与三维荧光光谱技术对不同污泥来源的3种生物凝胶及包衣前后的玉米种子进行组分和结构分析，并通过不同老化天数下的预实验筛选了老化4天的种子进行盆栽实验。实验结果发现，包衣后玉米种子平均发芽率均高于未包衣种子，抗氧化酶活性也随着喷涂层数的增加呈现上升趋势。通过主成分分析表明，要达到商业种衣剂的包衣效果，A污水厂污泥提取的生物凝胶最佳喷涂次数为8层，B污水厂为6层，C污水厂为4层。因此，在实际生产中，生物凝胶喷涂层数是种子储存过程中的一个重要决定因素。本文发表于《Environmental Research》（2025年2月）
文章亮点
1、污泥提取物——生物凝胶作为种子包衣可缓解玉米种子老化。
2、包衣后玉米幼苗基本农艺指标和抗氧化酶活性得到提升。
3、红外光谱分析表明，包衣生物凝胶可保持玉米种子的活性。
4、生物凝胶在缓解种子老化上的作用效果可与商业种子包衣相媲美。
要点内容
01、研究背景
玉米作为最重要的粮食作物之一，种子成熟后便开始老化。自然条件下，老化会造成种子内部蛋白质合成紊乱、DNA损伤、基因表达紊乱、细胞和组织损伤等影响。因此，为了促进粮食生产的可持续性，有必要对种子进行修复。种子包衣是一种防止种子老化的有效措施，常见商业种子包衣如羧甲基纤维素（CMC），具有原料丰富、易生物降解和与种子活性成分相容性好等特点。与此同时，本课题组前期的研究发现传统活性污泥（CAS）工艺污泥提取的生物凝胶也可做种衣剂，有效缓解菠菜、生菜种子的老化问题。因此，本研究进一步选择不同污泥来源的生物凝胶及不同包埋方式，以探究CAS、好氧颗粒污泥（AGS）及商业种衣剂对保护种子免受高温高湿恶劣条件的影响。
02、污泥提取物及包衣前后种子的特性分析
傅里叶变换红外光谱（FTIR）与三维荧光光谱（EEM）表征CAS和AGS提取的小红门（A污水厂）生物凝胶、东坝（B污水厂）生物凝胶及南阳（C污水厂）生物凝胶结果显示（图1），三种生物凝胶的FTIR光谱特征相似，官能团主要特征峰位保持一致，但AGS提取的生物凝胶在C-H键的伸缩振动强度较CAS提取的生物凝胶有所减弱。
采用FTIR表征不同老化天数下包衣前后的玉米种子可看出，老化过程中种子的淀粉、多糖和蛋白质等生化成分为了抵御恶劣环境会被消耗或转化。基于原始曲线，采用FTIR的二阶导数图谱可看出（图3），包衣的玉米种子在老化处理前5天仍保持活性，这表明生物凝胶在老化过程中保护了种子免受潜在的变质影响。
图1 三种生物凝胶的FTIR图谱（a）和EEM图谱：东坝生物凝胶（b）、小红门生物凝胶（c）和南阳生物凝胶（d）
图2 不同老化天数下包衣前后种子的FTIR图谱
图3 不同老化天数下，包衣前后种子的二阶导数FTIR
03、不同老化天数下的预实验
通过对包衣前后的玉米种子在老化1-6天后的发芽率（GR）、异常发芽率（ASR）、株高和根长测定发现，随着老化时间的增加，种子活力缓慢下降，所有种子的发芽率降低，但经生物凝胶包衣后，种子的发芽率得到明显提升。基于FTIR数据和植株生长参数的变化趋势，筛选了老化4天以及不同喷涂层数（2、4、6和8层）为实验变量进行后续实验。
表1 不同老化天数下包衣生物凝胶、未包衣以及包衣CMC的种子发芽率、异常发芽率、株高和根长情况
04、不同污泥来源的玉米幼苗生长情况
通过土壤盆栽实验探究了玉米种子在包衣前后的基本农艺指标。就发芽率而言，不同污泥来源提取的生物凝胶与商业种衣剂处理之间没有显著差异。但随着喷涂层数的增加，4种种衣剂的异常发芽率逐渐降至0%，这表明增加喷涂层数能显著提高种子在老化过程中抵御变质的能力。在植株干重鲜重比和根干重与鲜重比上，4种种衣剂的值在0.10-0.15之间。总体而言，与未包衣的玉米种子相比，不同喷涂次数下的发芽率、株高和根长显著提升，异常发芽率显著降低。其中商业种衣剂包衣效果最佳，3种生物凝胶种子包衣在一定喷涂层数下也能达到最佳效果。然而，这4种种子包衣在基本农艺指标上没有显著差异，仍需要结合生化成分进行评估。
表2 老化4天时不同喷涂层数下玉米种子的发芽率和异常发芽率
表3 老化4天时不同喷涂层数下玉米种子的株高、根长、植株DW/FW和根系DW/FW
05、不玉米幼苗的生化成分与抗氧化酶活性
通过对老化4天的种子在不同喷涂层数下的可溶性蛋白（SP）和可溶性糖（SS）含量测定发现，包衣A污水厂的生物凝胶幼苗中的SP和SS含量最大分别增加了37%和34%；包衣B污水厂的生物凝胶幼苗中分别增加了20%和6%；包衣C污水厂的生物凝胶幼苗中分别增加了35%和79%；CMC包衣的幼苗分别增加了24%和7%。这表明增加喷涂层数提高了种子抵御老化的能力。4种种衣材料可以在老化过程中保护种子免于变质，从而抑制因恶劣环境条件导致的细胞损伤所引发的细胞内物质外流。就喷涂层数而言，增加喷涂层数可能会提供更好的保护，但也存在种皮包被的胚的萌发受限制的负面影响的可能性。因此，确定种子包衣的最佳喷涂层数至关重要。
图4 喷涂不同层数的4种种衣剂下幼苗中的可溶性蛋白（a）和可溶性糖（b）含量
因此，对玉米幼苗包衣前后植株的酶活性进行测定发现，在所有喷涂次数下，用C污水厂的生物凝胶和商业种衣剂包衣后植株的超氧化物歧化酶（SOD）活性显著低于其他污水厂包衣处理。此外，增加喷涂层数对保护种子免受老化起到了积极作用。A污水厂的生物凝胶包衣后植物中的过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）含量分别最高增加了51%、43%和32%，B污水厂生物凝胶包衣后幼苗的这三个数值分别增加了10%、6%和9%，C污水厂生物凝胶包衣后分别增加了5%、12%和47%，但CMC包衣导致的变化较小。在不同喷涂层数下，用这4种种子包衣处理后，SOD、CAT、POD和APX的活性呈现出不同的趋势。总之，用生物凝胶种子包衣喷涂种子可以保护玉米种子在老化过程中免受可能的损伤，从而减少有毒物质造成的损害。
图5喷涂不同层数的4种种衣剂下幼苗中的SOD（a）、CAT（b）、POD（c）和APX（d）活性
06、主成分分析（PCA）
通过PCA（图6）评估了3种污水厂的生物凝胶和商业种子包衣在不同喷涂层数下对玉米植株生长特性、生化成分以及抗氧化酶活性的影响。结果发现，特定的喷涂层数与所测量的指标显著相关；小红门生物凝胶对种子包衣的优化喷涂次数为8层；东坝生物凝胶优化的喷涂次数为6层；南阳生物凝胶对种子包衣优化的喷涂次数为4层；然而，对于CMC来说，喷涂层数对效果影响不大。
图6小红门生物凝胶（a）、东坝生物凝胶（b）、南阳生物凝胶（c）和CMC（d）包衣后玉米植株生长特性、生化成分以及抗氧化酶活性进行的主成分分析
07、结论
将生物凝胶做为种衣剂应用于玉米种子，主要得出以下结论：
1）红外光谱表明，包衣后玉米种子的活力得到提升，这表明生物凝胶种子包衣在缓解种子老化过程中具有相当效果。
2）包衣后植株基本农艺指标均高于未包衣植株。A、B、C污水厂提取的生物凝胶与商业种衣剂包衣后的生化成分含量最大增幅分别为35%、51%、20%和118%；在酶活性方面，增幅分别为79%、179%、7%和76%。
3）主成分分析表明，A厂生物凝胶喷涂8层、B厂生物凝胶喷涂6层以及C厂生物凝胶喷涂4层所产生的保护效果与商业种衣剂保护效果相同。这一发现表明，在一定喷涂次数下，纯化生物凝胶用于减轻种子变质方面可与商业种衣剂相媲美。
