废弃胶原保水材料对植物生长的影响研究

Study on effects of waste collagen-based water-retaining materials on plant growth

摘要

青藏高原草地退化日趋严重问题亟待解决，而修复退化草地最重要的方式就是种草.为改善青藏高原草地土壤的保水效果，促进植物生长，以水解皮革废弃物提取的胶原蛋白为原料，将其与丙烯酸和丙烯酰胺接枝，制备得到不同胶原含量的改性胶原保水材料（Col-g-PAAM）.通过吸水率的差异确定最佳胶原使用量后，再负载不同含量的TiO₂，制得新型胶原基水凝胶（Col-g-PAAM@TiO₂）.以青藏高原特色植物紫花苜蓿、青稞和燕麦为栽培对象，分别探究不同胶原含量、不同TiO₂含量及不同Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量对三种植物的发芽率、发芽势、株高、干重、湿重等的影响.实验结果表明，当胶原含量为40%、TiO₂含量为0.4%时，Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶对紫花苜蓿、青稞和燕麦生长的发芽率、发芽势，以及植物株高和湿重具有显著的促进作用，尤其在Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量为0.15%的情况下，三种实验植物生长状况最佳.结果不仅为退化草地修复提供关键的保水材料和优化的应用条件，还实现了皮革废弃物的资源化再利用，兼具生态与经济双重效益.

Abstract

The grassland degradation on the Qinghai-Tibet Plateau is becoming increasingly severe and urgently requires resolution. The most important method for restoring degraded grasslands is planting grass. To improve the water retention effect of grassland soil on the Qinghai-Tibet Plateau and promote plant growth， this study used collagen extracted from hydrolyzed leather waste as a raw material. The collagen was grafted with acrylic acid and acrylamide to prepare modified collagen-based water-retaining materials （Col-g-PAAM） with different collagen contents. After determining the optimal collagen dosage based on differences in water absorption rates， TiO₂ was loaded at varying concentrations to produce a novel collagen-based hydrogel （Col-g-PAAM@TiO₂）. Taking characteristic plants of the Qinghai-Tibet Plateau—alfalfa， barley， and oats—as cultivation subjects， the effects of different collagen contents， TiO₂ contents， and Col-g-PAAM@TiO₂ hydrogel addition amounts on the germination rate， germination potential， plant height， dry weight， and fresh weight of these three plants were investigated. The experimental results showed that when the collagen content was 40% and the TiO₂ content was 0.4%， the Col-g-PAAM@TiO₂ hydrogel significantly enhanced the germination rate， germination potential， plant height， and fresh weight of alfalfa， barley， and oats. Particularly when the Col-g-PAAM@TiO₂ hydrogel addition amount was 0.15%， the growth conditions for the three experimental plants were optimal. These experimental results not only provided key water-retaining materials and optimized application conditions for the restoration of degraded grasslands but also achieved the resource recycling of leather waste， offering both ecological and economic benefits.

Graphical abstract

关键词

胶原 / 皮革废弃物 / 退化草地修复 / TiO₂ / 紫花苜蓿 / 青稞 / 燕麦

Key words

collagen / leather waste / degraded grassland restoration / Titanium dioxide / alfalfa / barley / oat

草地是青藏高原最主要的陆地生态系统类型，其面积约占青藏高原土地总面积的60%^［1］.然而，近年来受气候变化和人类活动等影响，青藏高原草地退化严重。这不仅威胁着生态安全和区域可持续发展^［2］，还会导致生物多样性和多种生态系统功能的丧失^［3］.面对这一生态危机，《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年）》明确提出将实施“青藏高原生态屏障区生态保护和修复重大工程”，重点加强青藏高原草地、森林、湿地等重要生态系统保护和修复^［4］.在国家生态文明建设和青藏高原中华水塔保护的大背景下，高原草地生态保护已成为关键任务^［5］.

草地生态系统修复是帮助遭受破坏的草地生态系统进行有效恢复的过程^［6］.针对不同生态区域和草地类型的退化草地修复，近年来已有诸多研究应用，并形成了实用技术与管理模式.常用的退化高寒草甸主动修复措施包括施肥、补播、翻耕、切根及草皮移植等^［7］.不同退化等级草地修复措施不同：轻度沙化草地可围栏封育自然恢复，重度沙化草地需植灌种草等生态工程，半干旱、干旱地区则结合人工辅助与生态工程.但围栏封育的恢复措施耗时长^［8］；植灌种草管理难度较高，生长周期较长；人工辅助与生态工程成本较高、生态稳定性较低^［9］.

在此背景下，保水剂作为修复辅助材料被广泛应用^［10］.研究表明，保水剂可以改善土壤的物理结构，增加土壤孔隙度，提高土壤的通气性和水分渗透性，从而促进作物根系生长和增强作物抗旱能力^［5］.也有研究表明，保水剂可以显著提高土壤含水率^［11］.但现在市场上大多数保水剂中的农用水凝胶，是由丙烯酸或聚丙烯酰胺的单体或聚合物制成，这些聚合物在土壤中难以降解，或其降解产物具有潜在的生物毒性，且降解过程也可能对土壤微生物群落结构产生影响，不利于土壤养分的循环和作物的养分吸收^［12］.

为突破传统保水剂局限，本研究聚焦废弃皮革胶原蛋白的资源化利用.中国作为制革业大国，每年产生的皮革废弃胶原高达140万吨^［13］，这些废弃物除少量被利用外，大部分被焚烧或填埋，造成了环境的污染^［14］和可用资源的浪费^［15］，也使得其中的优质胶原蛋白和铬鞣剂（Cr₂O₃）被大量流失^［16］，但胶原有良好的吸水性与可降解性，基于其制备的水凝胶保水性能良好且可降解，兼具经济与环境可持续双重价值.同时，如果在水凝胶中引入二氧化钛（TiO₂）可提高水分吸收率，改善植物生长^［17］，增加植物干重湿重，提高植物体中生物量的累积^［18］.二氧化钛兼具促氧化与抗氧化特性，能提高盐碱环境中植物的抗氧化酶活性，以及可溶性糖、氨基酸、脯氨酸水平，从而降低过氧化氢和丙二醛含量，增强植物的渗透调节能力，更加显著地改善植物生长^［19］.

鉴于此，本研究利用皮革废料中提取的可生物降解胶原蛋白来制备保水水凝胶，将其应用于促进紫花苜蓿、青稞及燕麦等高原植物的生长，从而达到修复青藏高原退化草地的目的.通过考察不同胶原、TiO₂含量及Col-g-PAAM@TiO₂用量对植物生长的发芽率、发芽势以及植株高度、植株湿重等生长指标的作用，确定对植物生长最有利的胶原含量、TiO₂含量及Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶用量，为退化草地生态修复与治理提供有效的数据支撑.该研究不仅能够有效地解决废弃皮革所带来的资源浪费和环境污染问题，还可以大幅降低水凝胶在草地恢复中的成本，从而带来显著的经济效益和环境效益.

1 实验部分

1.1 实验原料

丙烯酸（AA）、氢氧化钠（NaOH）、过硫酸钾（KPS）、N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、丙烯酰胺（AM）、75%乙醇（CH₃CH₂OH）、二氧化钛（TiO₂）（以上试剂为分析纯，由成都市科隆化学品有限公司提供）；胶原（工业级，浙江盛汇化工有限公司提供）；紫花苜蓿种子、青稞种子、燕麦种子、过筛烘干后的泥土（三种植物种子和泥土均由青藏高原污染控制化学与环境功能材料国家民委重点实验室提供）.

1.2 制备水凝胶

首先把盛有丙烯酸的烧杯置于冰水浴环境中，缓慢滴加氢氧化钠溶液，进行中和反应.在此过程中，需确保反应充分且混合物得以充分冷却.之后，按顺序依次添加胶原水解物溶液、引发剂过硫酸钾溶液和交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺溶液持续搅拌直至各成分完全溶解并均匀混合.将该混合溶液转移至温度设定为60 ℃的恒温烘箱中，反应时长为4 h.反应结束后，取出产物干燥并磨碎.使用浓度为75%的乙醇对其进行清洗，以有效去除未参与反应的单体.接着，把清洗后的产物放入温度为80 ℃的烘箱中烘干至恒重.将烘干后的样品进行粉碎操作，并通过60目筛网进行筛分，最终获得白色或淡黄色的高吸水性水凝胶粉末，该步骤制备出的产物为Col-g-PAAM.将二氧化钛与Col-g-PAAM混合，通过反应制成含TiO₂的复合水凝胶，即Col-g-PAAM@TiO₂.采用相同的方法，可制备不含胶原的聚丙烯酸丙烯酰胺水凝胶（PAAM）.分别改变胶原或者TiO₂的用量，可得到不同含量的Col-g-PAAM@TiO₂系列产物.

1.3 紫花苜蓿、青稞及燕麦种植

1.3.1 试验土壤准备与播种

选用经过80目过筛与除杂处理后，烘干控制适宜湿度与纯净度的泥土作为种植基质.此处理步骤旨在去除泥土中的杂质、病原菌以及过大颗粒，为紫花苜蓿、青稞及燕麦种植种子提供纯净、疏松且透气性良好的生长环境.选取合适规格的种植盆，将处理好的土壤均匀地填入种植盆中，控制土壤高度为10 cm.然后向每盆种植土中添加100 mL自来水，使土壤充分湿润，为种子萌发创造适宜的湿度条件.挑选品质优良且大小均匀的紫花苜蓿、青稞和燕麦种植种子各20粒，均匀地播撒在种植盆内的土壤表面.

1.3.2 分组设置与浇灌处理

本实验设置三个空白组及对应的多个对照组，以探究不同胶原含量、不同TiO₂含量及不同Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量对紫花苜蓿、青稞和燕麦种植生长的影响.空白组一仅均匀撒上60 g经过过筛的土壤和不添加胶原的水凝胶（PAAM），并向每盆种植土中添加100 mL水.空白组二仅均匀撒上60 g经过过筛的土壤和不添加TiO₂的胶原基水凝胶（Col-g-PAAM），并向每盆种植土中添加100 mL水.空白组三仅均匀撒上60 g经过过筛的土壤和添加100 mL水.对应的对照组撒上均匀的不同胶原含量、不同TiO₂含量及不同Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量的水凝胶，且经过相同处理的60 g土壤并添加100 mL水.为确保实验结果的可靠性和准确性，每个处理组均设置三个平行组，总计种植至少135盆紫花苜蓿、青稞和燕麦.本实验采取控制不同植物浇水量的方式，模拟青藏高原退化草地环境，以土壤湿度为基准，每两天浇水一次，保持土壤的湿度，每次浇水量根据实验分组要求进行.本实验所有种植均在20 ℃、相对湿度30%条件下进行.

1.3.3 生长监测与管理

以胚芽长度的一半作为紫花苜蓿、青稞和燕麦种子发芽的判定标准.每日定时测量、记录各盆紫花苜蓿、青稞和燕麦种植的发芽数和幼苗高度.种植结束后，测定各组所有发芽植株干重和湿重，并计算其平均值.根据公式（1）计算植物的发芽率，公式（2）计算植物的发芽势.

\mathrm{发芽}\mathrm{率}\left(\mathrm{\%}\right)=\frac{\mathrm{总发}\mathrm{芽数}}{\mathrm{供试}\mathrm{种子}\mathrm{数}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}.（1）

\mathrm{发芽}\mathrm{势}\left(\mathrm{\%}\right)=\frac{\mathrm{5}\mathrm{天内}\mathrm{发芽}\mathrm{种子}\mathrm{数}}{\mathrm{供试}\mathrm{种子}\mathrm{数}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}.（2）

式中：发芽率指测试种子总发芽数占供试种子数的百分比，反映的是种子最终能发芽的比例；发芽势指在发芽过程中发芽种子数达到最高峰时（具体以发芽试验5天内），发芽种子数占供试种子数的百分比，反映的是种子发芽速度和整齐度，能体现种子活力的强弱.

2 结果与讨论

为了深度探究Col-g-PAAM@TiO₂对高原作物生长的作用机制，本研究系统考察了胶原改性水凝胶对高原作物生长的影响，重点分析了不同胶原含量、不同TiO₂含量及不同Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量对紫花苜蓿、青稞和燕麦在发芽率、发芽势、株高和干湿重这四方面的作用.

2.1 胶原含量对植物生长的影响

为探究胶原的加入对PAAM促进植物生长的影响，本研究制备了一系列胶原基水凝胶Col-g-PAAM.胶原的引入进一步提升了PAAM的吸水保水性能，这是因为胶原作为一种天然的生物材料，拥有良好的生物相容性和生物活性^［20］，能够与植物细胞相互作用，进而促进植物的生长.当胶原含量不同的时候，Col-g-PAAM对植物生长的促进效果也有所不同.胶原含量分别设置为所添加胶原与丙烯酸和丙烯酰胺质量总和的20%、30%、40%、50%，每种胶原含量各设置三组平行实验组，每盆种植土中各添加100 mL水.紫花苜蓿、青稞及燕麦的发芽率、发芽势及株高随着胶原含量的增加呈现出先增大后减小的趋势，如图1所示，相同实验条件下，胶原含量为20%到40%的Col-g-PAAM对植物的生长的促进效果随胶原含量的增加逐渐增大，在含量为40%时，促进植物生长效果最好，燕麦发芽率达到90.00%，发芽势达85.00%，株高可达16.93 cm，而50%胶原含量的Col-g-PAAM对燕麦生长促进作用较40%含量时有所下降，表现为发芽率较40%含量时下降1.80%，发芽势下降3.92%，株高下降8.86%.分析原因是40%含量的胶原保水量最为合适，水凝胶能够有效吸水、保水并改善土壤环境，为种子的萌发提供有利条件，促进植物的正常生长发育^［21］.紫花苜蓿和青稞的生长情况也呈现出相似规律，即40%胶原含量的Col-g-PAAM对紫花苜蓿、青稞及燕麦的发芽率、发芽势和株高有最高效的促进作用.

2.2 TiO₂含量对植物生长的影响

为探究TiO₂的加入对Col-g-PAAM促进植物生长效果的影响，在确定了最佳胶原含量为40%的基础上，于Col-g-PAAM上负载了不同含量的TiO₂，制备出含TiO₂的复合水凝胶，即Col-g-PAAM@TiO₂.当TiO₂含量不同时，Col-g-PAAM@TiO₂对植物生长的促进效果也有所不同.TiO₂含量设置为所添加胶原、丙烯酸和丙烯酰胺质量总和的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，每种TiO₂含量各设置三组平行试验组，每盆种植土中同样各添加100 mL水.如图2实验结果表明，相同实验条件下，TiO₂含量为0.2%到0.4%的Col-g-PAAM@TiO₂对植物生长的促进作用随着TiO₂含量的增加而增大，在含量为0.4%时促进植物生长的效果最好，青稞发芽率达到100.00%，发芽势达71.67%，株高可达18.87 cm，而0.4%到0.8%的TiO₂含量的Col-g-PAAM@TiO₂对植物生长作用却随着TiO₂含量的增加而降低，0.6%的TiO₂含量下的青稞发芽势较0.4%时的TiO₂含量下降6.98%，0.8%时的TiO₂含量下青稞发芽势下降9.31%，可能是高浓度TiO₂降低了材料的保水率，并增加了阳光反射作用，导致植物的生长受阻^［22］.紫花苜蓿和燕麦的生长情况也呈现出相似规律，即TiO₂含量为0.4%的Col-g-PAAM@TiO₂对紫花苜蓿、青稞及燕麦的发芽率、发芽势和株高有最高效的促进作用.TiO₂的引入进一步增强了Col-g-PAAM的促生长作用，这种优异的促生长性可能来源于TiO₂的协同作用.以上结果说明，一方面TiO₂的引入通过增强Col-g-PAAM网络结构显著提升其保水缓释能力，维持稳定的土壤湿度^［22］；另一方面其借助光催化效应优化根际微环境，促进养分释放和根系吸收，从而全面改善植物的水分利用效率和光合作用^［23］.

2.3 Col-g-PAAM@TiO₂添加量对植物生长的影响

为探究Col-g-PAAM@TiO₂促进植物生长的能力和最佳添加量，本研究制备了胶原含量为40%、TiO₂含量为0.4%的Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶并设置不同的添加量梯度，Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量分别设置为所浇水质量的0.03%、0.15%、0.3%、0.5%，Col-g-PAAM@TiO₂添加量各设置三组平行试验组，每盆种植土中同样添加100 mL水.紫花苜蓿、青稞和燕麦的发芽率、发芽势、株高及湿重随Col-g-PAAM@TiO₂添加量的不同发生相应变化.

由图3实验结果可以判断，在Col-g-PAAM@TiO₂添加量为0.03% ~ 0.15%时，Col-g-PAAM@TiO₂对植物生长的促进作用均随Col-g-PAAM@TiO₂添加量的增加而增强，而添加量为0.15% ~ 0.5%时，对植物生长的促进作用却随Col-g-PAAM@TiO₂添加量的增加而降低.在Col-g-PAAM@TiO₂添加量为0.15%条件下，紫花苜蓿发芽率达到81.67%，青稞发芽率达到90.00%，燕麦发芽率达到100.00%.该结果表明当Col-g-PAAM@TiO₂添加量为0.15%时，Col-g-PAAM@TiO₂对植物生长的促进效果均最优.然而，随着Col-g-PAAM@TiO₂添加量的增加，发芽率呈现下降趋势，在添加量为0.5%时，紫花苜蓿的发芽率为51.67%，较0.15%添加量下降30.61%，提示Col-g-PAAM@TiO₂的过量使用可能对种子萌发产生抑制作用.分析原因是过量使用改变了土壤透气性，导致种子缺氧，同时阻碍了营养物质的转运和胚芽的发育，还增加了病原菌滋生的风险，从而抑制种子的萌发.Col-g-PAAM@TiO₂添加量为0.15%时，紫花苜蓿的发芽率较空白对照组（58.33%）提高28.58%，青稞和燕麦也呈现出和紫花苜蓿相同的趋势.实验结果显示，Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶的添加显著提升了植物种子的发芽率.各组发芽势也呈现出和发芽率相同的趋势.

图4实验结果可以判断，在幼苗生长方面，水凝胶Col-g-PAAM@TiO₂的添加也表现出显著的促进作用.同发芽率与发芽势一样，当Col-g-PAAM@TiO₂添加量在0.03% ~ 0.15%时Col-g-PAAM@TiO₂对幼苗生长的促进作用随Col-g-PAAM@TiO₂添加量的增加而增强，而添加量在0.15% ~ 0.5%时对幼苗生长的促进作用也随Col-g-PAAM@TiO₂添加量的增加而下降.添加量为0.15%时，燕麦在第9天的株高达23.10 cm，较空白对照组（16.10 cm）提高30.30%.经过添加量为0.15%Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶处理，燕麦植物的湿重可达0.242 g，较空白对照组（0.137 g）提高43.39%.在Col-g-PAAM@TiO₂添加量为0.5%的条件下，燕麦的株高为20.57 cm，较0.15%添加量下降10.95%.燕麦的湿重为0.205 g，较0.15%添加量下降18.05%.紫花苜蓿和青稞也呈现出和燕麦相同的趋势.实验结果表明，添加量为0.15% Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶的添加可显著提升植物的株高与湿重这两项重要生长指标.Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶通过其优异的吸水保水性能有效改善了土壤环境，为种子萌发创造了有利条件.但仍需注意的是避免水凝胶的过量使用，过量使用可能会不利于植物的生长.

在第10天后，停止给植物浇水以营造缺水环境，研究紫花苜蓿、青稞和燕麦在缺水2天、4天、6天时的干重与湿重情况.紫花苜蓿、青稞和燕麦在不同缺水时间（2、4、6 d）下的干湿生物量如图5和图6所示，实验结果表明，添加Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶后，三种植物的湿生物量均显著增加.而添加了Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶的各植物的干生物量几乎没有差别，造成这种干湿生物量变化差异的根本原因是Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶的加入，水凝胶发挥出的保水作用为植物生长提供了更多的水分，进而增加植物的湿重，这也证明制备的Col-g-PAAM@TiO₂可帮助植物更充分地吸收水分.通过公式（3）计算三种植物的干湿生物量差值ΔB，由图7实验结果可以判断，添加了Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶的植物的干湿生物量差值显著高于未添加水凝胶的植物的干湿生物量差值，再次说明了Col-g-PAAM@TiO₂具有良好的保水吸水效果，能为植物提供更多水分和帮助植物吸收水分.在不同缺水时间下，在添加Col-g-PAAM@TiO₂添加量为0.15%时植物会比其他含量吸收更多水分.

ΔB（g）=湿生物量（g）-干生物量（g）.（3）

式中：ΔB指干湿生物量差值；干生物量指植物样本经烘干至恒重后的有机物总量；湿生物量指植物样本在自然含水状态下的总重量.

通过图8可以看出，在Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量为0.15%时三种植物生长最为健壮，植株形态指标最优，具体表现为三种植物的高度、发芽率和湿重都优于其他浓度.随着Col-g-PAAM@TiO₂浓度升高至0.5%，植物生长受到明显抑制.这些结果与定量数据相互印证，证实了Col-g-PAAM@TiO₂对高原植物生长的作用效果具有“低促高抑”的浓度效应.

3 结论

本研究聚焦于Col-g-PAAM、Col-g-PAAM@TiO₂两种水凝胶对植物生长的影响.研究表明，两种水凝胶均对紫花苜蓿、青稞和燕麦的发芽率、发芽势、株高以及湿重等生长指标展现出明显的促进效果.在不同浓度的测试中，当胶原含量为40%时Col-g-PAAM水凝胶对植物生长的促进作用最明显，引入TiO₂又可显著增强Col-g-PAAM水凝胶的保水功能，在TiO₂含量为0.4%时Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶对植物生长的促进作用最明显.在不同Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量的测试中，当Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶添加量为0.15%时，对燕麦生长的促进作用最为突出，此时燕麦发芽率高达100%，株高达到23.10 cm，湿重为0.242 g，均显著优于其他浓度处理组.紫花苜蓿和青稞的生长情况也呈现出上述相似规律，即适量添加Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶可有效优化土壤环境，为植物生长创造有利条件，进而促进植物的生长发育.

本研究在实验室环境下取得了较为理想的成果，但在实际田间环境中的应用效果仍存在一定的不确定性.特别是在青藏高原盐碱地这一特殊环境条件下，其应用成效尚需得到进一步验证.考虑到实际应用场景的复杂性和多样性，下一步研究将重点关注Col-g-PAAM@TiO₂水凝胶在促进植物生长机理和对土壤生态系统可能产生长期影响方面的研究.期望通过这些后续研究，能够为青藏高原干旱地区以及退化草地的植被恢复工作提供更为坚实的科学依据和技术支撑，推动生态修复工作的科学开展.

本文的附加材料见网络版（https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=FCWB7knoBeQ8vot2evwEYI-abeJn2Lod58rP13p1luxXE9FVKjYEjKBlGQ3U7L6DSWhlCBctGcGEQ8cUjkc8w2u-4TLCBQdn6UBFUms2-GtZRIFacOYyiFzMQ9raEXGLs4eEBxrW0bpYHtDdY4NbKH8wX2rcI3UBRWJ4cF30GyeP1ebcl5--mQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS）.

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基金资助

西南民族大学2025年度大学生创新创业训练计划项目(202510656049)