葡萄糖改性尿素的反應(yīng)特征及其對(duì)尿素轉(zhuǎn)化率的影響

張英強(qiáng)，袁 亮，張水勤，李燕婷，王立艷，趙秉強(qiáng)*

[1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083]

尿素是農(nóng)田氮肥的主要品種，占我國(guó)氮肥總量的近65%[1]。尿素施入土壤后很快水解為氨和水，大量的銨極易通過(guò)氨揮發(fā)、硝化反硝化和淋溶等途徑損失，成為環(huán)境氮污染的主要來(lái)源[2]。

將增效材料與尿素科學(xué)配伍，對(duì)尿素進(jìn)行改性以降低尿素的轉(zhuǎn)化速率，提高尿素肥料利用率是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。常用的增效劑主要為腐殖酸、海藻酸等天然活性有機(jī)高分子。如袁亮等[3]將腐殖酸、海藻酸和氨基酸加入到熔融尿素中制得系列改性尿素，其氮肥表觀(guān)利用率較普通尿素提高了3.1～15.6個(gè)百分點(diǎn)，小麥籽粒產(chǎn)量增加了3.7%～13.6%。Zhang等[4]將腐殖酸與尿素熔融制得腐殖酸改性尿素，其在玉米上施用的增產(chǎn)效果較普通尿素增加了5.6%～8.7%，玉米氮素吸收量提高了11.5%～29.5%。小分子有機(jī)物葡萄糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同樣含有較高反應(yīng)活性的羥基和醛基官能團(tuán)。已有研究表明葡萄糖改性尿素可降低尿素?fù)p失[5–6]。王彬[7]通過(guò)將葡萄糖與尿素在130℃熔融條件下制備出葡萄糖改性尿素，在室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中，葡萄糖改性尿素短期(1天)內(nèi)的水解速率低于尿素，在田間試驗(yàn)中，較尿素提高了土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量、玉米產(chǎn)量和氮肥表觀(guān)利用率。陳栓虎等[8]、張蕾等[9]、Viswanathan 等[10–11]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖在加熱條件下水解得到的5-羥甲基-2-糠醛 (HMF) 的醛基可能與尿素的胺基發(fā)生聚合反應(yīng)。王彬等[6]通過(guò)傅里葉變換紅外光譜表征發(fā)現(xiàn)葡萄糖加入到熔融尿素中，會(huì)與尿素分子發(fā)生結(jié)合，減少尿素結(jié)構(gòu)中伯酰胺氮含量。趙蕊[12]利用傅里葉紅外變換光譜表征發(fā)現(xiàn)，尿素胺基可能與糖類(lèi)醛基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，將部分氨基保護(hù)起來(lái)，減少尿素?fù)p失。上述研究表明，葡萄糖中的活性官能團(tuán)(羥基/醛基)可與尿素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但對(duì)葡萄糖與尿素熔融時(shí)的反應(yīng)特征及其產(chǎn)物的具體化學(xué)結(jié)構(gòu)研究相對(duì)較少，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與減緩尿素水解之間的關(guān)系尚不明晰。因此，我們通過(guò)傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)、X射線(xiàn)光電子能譜法(XPS)和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)等方法，研究了葡萄糖與尿素的反應(yīng)位點(diǎn)及其產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過(guò)生物脲酶法探究葡萄糖對(duì)尿素轉(zhuǎn)化調(diào)控效應(yīng)與反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，旨在為高效氮肥研發(fā)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器與試劑

Nicolet IS10紅外光譜儀(FTIR，美國(guó)Nicolet公司)，ESCALab250型X射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS，美國(guó) Thermo Scientific 公司)，安捷倫 Agilent 1100高效液相色譜儀(HPLC，日本島津公司)–Thermo Scientific TSQ Quantum Ultra 質(zhì)譜聯(lián)用 (LC-MS，安捷倫Agilent公司和美國(guó)Thermo Scientific公司)。

葡萄糖(Glucose，Glu，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，尿素(Urea，分析純，含量≥99.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，脲酶試劑(活力：～1 U/mg，Sigma公司)。

1.2 葡萄糖改性尿素的制備

將葡萄糖(Glu)按照10%的添加量加入到130℃熔融尿素中，攪拌30 s，冷卻后粉碎，過(guò)0.15 mm篩，制得葡萄糖改性尿素(GluU)[6]。同時(shí)制備僅熔融不添加葡萄糖的普通尿素(U)作為對(duì)照。將以上樣品利用FTIR、XPS和LC-MS等儀器表征其特征。預(yù)試驗(yàn)表明，當(dāng)葡萄糖添加量較小時(shí)，葡萄糖改性尿素中葡萄糖與尿素的反應(yīng)產(chǎn)物含量過(guò)低，未達(dá)到儀器檢測(cè)閾值范圍，因此，選擇添加10%的葡萄糖與尿素熔融反應(yīng)后所得產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，以明晰葡萄糖與尿素之間的反應(yīng)特征，而添加量的變化對(duì)結(jié)構(gòu)表征過(guò)程中反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)無(wú)影響。

同時(shí)參考上述肥料制備方式，分別制備葡萄糖添加比例分別為0.2%、0.5%和1.0%，反應(yīng)時(shí)間30 s的葡萄糖改性尿素系列，分別記為GluU0.2、GluU0.5和GluU1.0，同時(shí)制備僅熔融不添加葡萄糖的普通尿素(U)作為對(duì)照。供試尿素性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試尿素中葡萄糖添加比例及含氮量Table 1 Additive proportion of glucose and N content in prepared urea

1.3 材料結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 官能團(tuán)結(jié)構(gòu)測(cè)定試驗(yàn)通過(guò)美國(guó)尼高力公司的IS10型紅外光譜儀對(duì)材料官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析。測(cè)試條件：將2 mg樣品和200 mg光譜純溴化鉀混合后，在紅外燈的烘烤下進(jìn)行研磨、壓片，通過(guò)傅里葉紅外光譜儀記錄 4000 cm–1～400 cm–1波段內(nèi)樣品的紅外光譜特征。每個(gè)樣品掃描32次，分辨率為4 cm–1。

1.3.2 供試肥料表面原子成鍵測(cè)定試驗(yàn)通過(guò)美國(guó)賽默飛公司的ESCALab250型X射線(xiàn)光電子能譜儀對(duì)材料表面元素組分、化學(xué)價(jià)態(tài)和形式進(jìn)行表征。測(cè)試條件：激發(fā)源為單色化Al Kα X射線(xiàn)，功率為150 W。分析時(shí)的基礎(chǔ)真空約為 6.5×10–10mbar。結(jié)合能用烷基碳 C 1s峰 (284.8 eV)校正。

1.4 供試尿素有機(jī)組分測(cè)定

試驗(yàn)通過(guò)安捷倫公司的1100高效液相色譜儀和賽默飛TSQ Quantum Ultra質(zhì)譜聯(lián)用分析樣品的物質(zhì)組成。測(cè)試過(guò)程中流動(dòng)相為乙腈∶水= 95∶5，流速為0.3 mL/min；質(zhì)譜的離子源為電噴霧離子源，模式為ESI positive，電離電壓為8 kV，鞘氣壓力為45 psi，輔助氣壓力為15 psi，毛細(xì)管溫度為350℃，以液相色譜進(jìn)樣方式進(jìn)入，不流入色譜柱，進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。

1.5 尿素轉(zhuǎn)化率測(cè)定

依據(jù)GB/T 35113—2017標(biāo)準(zhǔn)，將制得的GluU0.2、GluU0.5、GluU1.0和U分別加入脲酶溶液(活力 ～1 U/mg)，置于(25±2)℃恒溫箱中培養(yǎng)30 min后，在分光光度計(jì)上比色，計(jì)算尿素分解率[13]。

尿素分解率 (%) = (初始尿素態(tài)氮含量–轉(zhuǎn)化后剩余尿素態(tài)氮含量)/初始尿素態(tài)氮含量×100

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

傅里葉變換紅外光譜圖用OMNIC 9.0軟件進(jìn)行基線(xiàn)校正和數(shù)據(jù)平滑校正，所有數(shù)據(jù)采用Origin 2021進(jìn)行繪圖，采用SPSS 17.0和Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析和處理間差異顯著性分析(P<0.05)，采用XPS PEAK41軟件對(duì)XPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分峰擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖改性尿素的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)

由傅里葉變換紅外光譜(圖1)可知，與Glu和U相比，GluU保留了更多的普通尿素U特征，表現(xiàn)為在3441 cm–1左右出現(xiàn)了伯胺NH2反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，3348 cm–1左右出現(xiàn)了NH2對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，1680 cm–1處出現(xiàn)了伯酰胺 C=O 伸縮振動(dòng)，1625 cm–1左右出現(xiàn)了NH2變角振動(dòng)，1466 cm–1左右出現(xiàn)了伯胺C―N伸縮振動(dòng)，1154 cm–1左右出現(xiàn)了脂肪族伯銨C―N伸縮振動(dòng)。不同的是，與U相比，GluU在1599 cm–1并沒(méi)有出現(xiàn)伯酰胺NH2變角振動(dòng)，且GluU 在 3441 cm–1～3348 cm–1范圍伯胺 NH2雙峰伸縮強(qiáng)度減弱，推測(cè)葡萄糖與尿素胺基發(fā)生反應(yīng)，影響了―NH2的振動(dòng)強(qiáng)度，這與王彬等[6]發(fā)現(xiàn)10%的葡萄糖添加量熔融尿素在1600 cm–1處伯酰胺NH2變角振動(dòng)消失的結(jié)果相吻合[6,14]。與Glu相比，GluU同樣在1078～1034 cm–1左右出現(xiàn)糖類(lèi)C―OH伸縮振動(dòng)，這與Mohsin等[15]表征葡萄糖結(jié)構(gòu)結(jié)果一致，但不同的是 Glu 在 3441 cm–1～3348 cm–1的糖類(lèi) O―H 伸縮振動(dòng)峰的振動(dòng)強(qiáng)度和峰寬均低于GluU，這可能是GluU同時(shí)含有―OH和―NH2，二者在此處的特征峰發(fā)生堆疊，形成一個(gè)較寬的特征峰。紅外光譜對(duì)材料官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的分析但是由于特征峰的重疊，不能準(zhǔn)確地判定葡萄糖與尿素發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，還需要通過(guò)XPS和LC-MS等手段對(duì)材料做進(jìn)一步分析。

圖1 傅里葉變換紅外光譜Fig. 1 FTIR spectra of samples

2.2 葡萄糖改性尿素的表面原子成鍵

由U、GluU和Glu的XPS全譜圖(圖2)可知，GluU和U中主要含有C、N、O 3種元素，Glu中主要含有C、O兩種元素。XPS測(cè)得的各元素相對(duì)含量為測(cè)試材料表面10 nm以?xún)?nèi)的相對(duì)原子百分比含量。對(duì)GluU、U和Glu所含各元素所在區(qū)間進(jìn)行窄掃，其分峰擬合圖見(jiàn)圖3、圖4和圖5，各材料表面元素及元素不同形態(tài)的相對(duì)含量見(jiàn)表2、表3和表4。由表面元素含量(表2、表3和表4)對(duì)比可知，與普通尿素相比，葡萄糖與尿素熔融后，葡萄糖改性尿素中碳元素和氮元素所占比例有所降低，而氧元素所占比例有所增加，這是由于葡萄糖不含氮元素，其碳元素含量為51.2%，低于普通尿素13個(gè)百分點(diǎn)；葡萄糖氧元素含量為48.8%，高于普通尿素30.9個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 XPS全譜圖Fig. 2 The XPS full spectra of samples

由XPS C 1s分峰擬合結(jié)果(圖3和表2)可知，普通尿素U中有兩個(gè)不同碳類(lèi)型的峰，結(jié)合能分別為289.0和284.8 eV，其中位于284.8 eV處的峰屬于空氣中污染碳，不參與尿素分子中碳類(lèi)型的認(rèn)定，因此普通尿素中的碳是以酰胺態(tài)碳(N―CO―N，289.0 eV)的形式存在[16]。Glu存在3個(gè)不同碳類(lèi)型的峰，結(jié)合葡萄糖分子結(jié)構(gòu)判斷，這3種碳類(lèi)型分別是醛基碳(―CHO，286.6 eV)、羥基碳(C―OH，285.2 eV)和亞甲基碳/次亞甲基碳(C—C/C―H，284.8 eV)，這3種形式的碳占所有含碳鍵比例分別為15.0%、35.1%和49.9%；葡萄糖與尿素熔融后的GluU除了含有上述的酰胺態(tài)碳(N―CO―N，289.1 eV)、羥基碳(C―OH，286.7 eV)和亞甲基碳/次亞甲基碳(C—C/C―H，284.7 eV)外，還檢測(cè)到了結(jié)合能為286.1 eV的碳，該碳可能是葡萄糖與尿素熔融反應(yīng)結(jié)合的碳(―CX)，這4種形式的碳占所有含碳鍵比例分別為9.0%、45.6%、20.1%和25.2%[17–19]。

表2 肥料表面碳原子含量及C 1s峰中各形態(tài)碳的比例 (%)Table 2 Surface carbon atoms content in fertilizer and the contribution of each carbon form to C 1s peak

圖3 XPS C 1s分峰擬合圖Fig. 3 XPS C 1s peak fitting spectra of samples

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與含有15.0%醛基碳(結(jié)合能286.6 eV)的Glu相比，GluU并未檢測(cè)到醛基碳(―CHO)的存在，該碳的結(jié)合能由286.6 eV偏移至286.1 eV，說(shuō)明該碳的化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變，與該碳相連的新原子電負(fù)性低于醛基碳中與碳相連的氧原子，該原子對(duì)碳原子吸電子能力變?nèi)?，?dǎo)致該碳結(jié)合能降低[20]，推測(cè)醛基碳與尿素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成另一種類(lèi)型的碳形態(tài)(―CX)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)羥基碳(C―OH)的結(jié)合能由 285.2 eV (Glu)偏移至 286.7 eV，說(shuō)明GluU中羥基碳周?chē)碾娮釉泼芏仍黾覽21–22]，這表明葡萄糖與尿素發(fā)生反應(yīng)的位置與羥基碳相鄰。綜合以上結(jié)果認(rèn)為，葡萄糖的醛基與尿素發(fā)生反應(yīng)過(guò)程中，葡萄糖中與羥基碳相鄰醛基上的碳氧雙鍵發(fā)生斷裂，形成電負(fù)性低于醛基碳的結(jié)構(gòu)―CX，導(dǎo)致葡萄糖改性尿素中羥基碳周?chē)娮釉泼芏雀哂谄咸烟荹23]。

由XPS O 1s的分峰擬合結(jié)果(圖4和表3)可知，U中只含有羰基碳(C=O，531.8 eV)，Glu含有兩個(gè)不同氧形態(tài)的峰，根據(jù)葡萄糖分子結(jié)構(gòu)可知，這兩種氧類(lèi)型分別是羥基氧(C―OH，531.4 eV)和醛基氧(―CHO，530.7 eV)，其占所有含氧鍵總量分別為51.1%和48.9%。需要指出，對(duì)O 1s譜圖中531.4和530.7 eV進(jìn)行峰歸屬時(shí)通過(guò)對(duì)比羥基氧與醛基氧的負(fù)電性，發(fā)現(xiàn)羥基氧的負(fù)電性較低，相應(yīng)的結(jié)合能相對(duì)較高，對(duì)比二者的相對(duì)含量，發(fā)現(xiàn)峰歸屬結(jié)果一致[21,24]，同時(shí)葡萄糖的羥基氧(C―OH)結(jié)合能(531.4 eV)與 Chen 等[25]發(fā)現(xiàn)羥基氧 (C―OH)的結(jié)合能位于531.4 eV結(jié)果吻合。此外，GluU中的氧以羥基氧 (C―OH，532.9 eV)和羰基氧 (C=O，532.3 eV)的形態(tài)存在，其占所有含氧鍵總量分別為50.65%和49.35%。

表3 肥料表面氧原子含量及O 1s峰中各形態(tài)氧的比例Table 3 Surface oxygen atoms content in fertilizer and the contribution of oxygen species to O 1s peak

表4 肥料表面氮原子含量及N 1s峰中各形態(tài)氮的比例Table 4 Surface nitrogen atoms content in fertilizer and the contribution of each nitrogen form to N 1s peak

圖4 XPS O 1s分峰擬合圖Fig. 4 XPS O 1s peak fitting spectra of samples

對(duì)Glu和GluU中羥基氧(C―OH)和羰基氧(C=O)相對(duì)含量分析發(fā)現(xiàn)，葡萄糖與尿素熔融后并沒(méi)有大幅度提升羰基氧(C=O)相對(duì)含量，同時(shí)GluU羥基氧(C―OH)含量與Glu含量相當(dāng)，這可能是由于尿素分子雖然含有羰基氧(C=O)，但葡萄糖在與尿素熔融時(shí)，葡萄糖中的醛基氧(―CHO)參與反應(yīng)，C=O化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，與尿素反應(yīng)生成新物質(zhì)，導(dǎo)致羰基氧相對(duì)含量并未大幅提高[8–9]。該結(jié)果與 XPS C 1s中并未檢測(cè)到醛基碳 (―CHO)，同時(shí)檢測(cè)出另一種未知碳形態(tài)(―CX)的結(jié)果吻合，推測(cè)是葡萄糖的醛基與尿素發(fā)生反應(yīng)。

由XPS N 1s的分峰擬合結(jié)果(圖5和表4)可知，U中的氮形態(tài)是以酰胺態(tài)氮的形式(N―CO―N，399.7 eV)存在，在GluU中的氮主要是以酰胺態(tài)氮的形式(N―CO―N，400.1 eV)存在，同時(shí)還檢測(cè)到了結(jié)合能為399.4 eV的氮，該氮可能是葡萄糖的醛基與尿素的胺基反應(yīng)結(jié)合的氮(―NX)，其占所有含氮鍵總量的43.2%[19]。結(jié)合GluU C 1s圖譜中檢測(cè)到含有未知的碳結(jié)構(gòu)(―CX)，醛基碳(―CHO)結(jié)構(gòu)消失，O 1s譜圖結(jié)果表明部分羰基C=O化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，從這兩個(gè)依據(jù)進(jìn)行推測(cè)，可能是葡萄糖的醛基與尿素的酰胺基發(fā)生了反應(yīng)，導(dǎo)致未知氮結(jié)構(gòu)(―NX)的結(jié)合能降低。該結(jié)果與FTIR圖譜(圖1)中GluU位于3441 cm–1處伯胺NH2反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)強(qiáng)度減弱，在1599 cm–1并沒(méi)有出現(xiàn)伯酰胺NH2變角振動(dòng)結(jié)果相一致。然而葡萄糖醛基與尿素胺基發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)物的物質(zhì)組成和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)尚不明晰，還需通過(guò)LC-MS進(jìn)一步分析。

圖5 XPS N 1s分峰擬合圖Fig. 5 XPS N 1s peak fitting spectra of samples

2.3 葡萄糖改性尿素的物質(zhì)組成

液相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用可以很好地根據(jù)物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)推測(cè)物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。采用LC-MS方法在正離子模式下對(duì)U和GluU進(jìn)行分析，其質(zhì)譜圖如圖6所示，根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量的大小在質(zhì)譜庫(kù)中尋到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物。

圖6 尿素(A)和葡萄糖改性尿素(B)特征峰質(zhì)譜圖Fig. 6 MS spectra of urea (A) and glucose-modified urea (B) characteristic peaks

正離子條件下U出現(xiàn)準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+，離子碎片質(zhì)荷比為60.9，結(jié)合表5中該離子碎片分子式為CH4N2O分析，這是U中尿素成分的體現(xiàn)，相對(duì)豐度為100%。正離子條件下GluU出現(xiàn)[M+H]+和[M+Na]+兩種準(zhǔn)分子峰離子峰，離子碎片質(zhì)荷比分別為60.9和245，相對(duì)豐度分別為100%和85%。結(jié)合表5離子碎片分子式分析，CH4N2O為GluU中尿素的成分，C7H14N2O6為尿素與葡萄糖反應(yīng)的產(chǎn)物。該物質(zhì)有較高的超離域度和完整的共軛體系，強(qiáng)配位的氧原子和合適的空間構(gòu)型，易與Na+形成金屬絡(luò)合物[26]。推測(cè)葡萄糖在與尿素反應(yīng)過(guò)程中，葡萄糖中的醛基和尿素的胺基發(fā)生了反應(yīng)，生成C=N的同時(shí)脫去一分子水，其結(jié)構(gòu)式如圖6 B所示。LC-MS測(cè)試結(jié)果表明葡萄糖的醛基(―CHO)與尿素的胺基(―NH2)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生親核加成反應(yīng)，生成含有C=N結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)，這充分印證了FTIR和XPS的結(jié)果，即尿素的伯胺(―NH2)與葡萄糖的醛基發(fā)生反應(yīng)，尿素伯胺發(fā)生變化，葡萄糖的醛基(―CHO)雙鍵發(fā)生斷裂，與尿素胺基結(jié)合生成含有新的碳形態(tài)(―CX，286.1 eV)的物質(zhì)。3種測(cè)試結(jié)果相互佐證和支撐，證明葡萄糖的醛基與尿素的胺基發(fā)生了反應(yīng)，生成了含有C=N結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，該結(jié)果印證了XPS C 1s測(cè)試結(jié)果，即與碳相連的新原子電負(fù)性低于醛基碳中與碳相連的氧原子。同時(shí)XPS發(fā)現(xiàn)的未知碳形態(tài) (―CX，286.1 eV)結(jié)合能與 Chiang 等[27]發(fā)現(xiàn)C=N的C 1s結(jié)合能位于286.1～286.3 eV結(jié)果相吻合，XPS發(fā)現(xiàn)未知氮結(jié)構(gòu)(―NX，399.4 eV)的結(jié)合能小于尿素態(tài)氮(400.1 eV)與Dong等[28]和Steffan 等[29]發(fā)現(xiàn) C=N―C (398.5 eV)結(jié)合能小于C―N―H (401.2 eV)結(jié)果相一致。

表5 U和GluU的質(zhì)譜數(shù)據(jù)Table 5 Date for the MS spectra of U and GluU

2.4 不同葡萄糖添加量對(duì)尿素轉(zhuǎn)化的影響

一般來(lái)說(shuō)，增效劑可能會(huì)影響脲酶活性，從而影響尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化速率，改變土壤供氮強(qiáng)度[30]。將一定量的脲酶溶液分別加入系列尿素溶液中，模擬尿素在土壤中被脲酶分解的過(guò)程，通過(guò)檢測(cè)溶液中剩余的尿素態(tài)氮含量，進(jìn)而計(jì)算此過(guò)程中的尿素轉(zhuǎn)化率。本研究中，葡萄糖以不同比例添加到熔融尿素中制備得到葡萄糖改性尿素(GluU0.2、GluU0.5和GluU1.0)和僅熔融不添加葡萄糖的普通尿素(U)的尿素轉(zhuǎn)化率結(jié)果(圖7)。

圖7 不同葡萄糖添加量下3類(lèi)尿素的轉(zhuǎn)化率Fig. 7 Urea conversion rates of glucose-modified urea products as affected by inclusion rate of glucose

本試驗(yàn)條件下，普通尿素轉(zhuǎn)化率為20.16%，GluU0.2、GluU0.5、GluU1.0 3個(gè)葡萄糖改性尿素的尿素分解率分別為15.5%、3.3%、11.0%，均顯著低于普通尿素，降低幅度為4.6～16.9個(gè)百分點(diǎn)。這可能是葡萄糖醛基與尿素發(fā)生反應(yīng)，醛基能夠結(jié)合尿素的―NH2，降低尿素的轉(zhuǎn)化速度，同時(shí)葡萄糖改性尿素中存在C=N不飽和鍵，C=N不飽和鍵在一定程度上能夠抑制脲酶活性，進(jìn)而影響尿素轉(zhuǎn)化[31–32]。3個(gè)葡萄糖添加量處理之間的尿素轉(zhuǎn)化率也差異顯著，以葡萄糖添加量為0.5%時(shí)最低，添加0.2%最高，這可能是葡萄糖在高添加量時(shí)會(huì)使GluU1.0溶液中pH下降，對(duì)脲酶產(chǎn)生一定的激活效應(yīng)，對(duì)脲酶的抑制作用減弱，導(dǎo)致GluU1.0尿素轉(zhuǎn)化率高于GluU0.5[33]，但不飽和鍵對(duì)脲酶抑制作用和pH對(duì)脲酶激活效應(yīng)之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。不同葡萄糖添加量的葡萄糖改性尿素之間差異顯著，表明在中低添加量(0.2%和0.5%)已達(dá)到顯著降低尿素轉(zhuǎn)化率的效果，為高效氮肥研發(fā)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

本研究，葡萄糖改性尿素制備過(guò)程中，葡萄糖的添加量較低，基本不改變尿素原有的理化性質(zhì)[34]，但是能夠顯著延緩尿素分解(圖7)，抑制尿素轉(zhuǎn)化的效果以添加0.5%的葡萄糖最好[7]。田間試驗(yàn)增加玉米產(chǎn)量的效果也以0.5%葡萄糖添加量最好。王彬等[6]對(duì)葡萄糖改性尿素的土培試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)至3～14 天時(shí)葡萄糖改性尿素較普通尿素提高土壤脲酶活性6.9%～8.5%，這可能因?yàn)槠咸烟歉男阅蛩卦谕寥乐蟹纸夂?，葡萄糖為微生物提供了碳源，促進(jìn)了微生物的活性[35]。張威等[36]研究表明葡萄糖與氮素配施加速了土壤有機(jī)氮的礦化速率，從側(cè)面證明了葡萄糖作為有機(jī)碳源可提高土壤微生物活性，在一定程度上促進(jìn)氮肥轉(zhuǎn)化。因此，還需開(kāi)展更加系統(tǒng)的土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，更全面深入地研究葡萄糖改性尿素在短期內(nèi)抑制、在后期促進(jìn)尿素轉(zhuǎn)化的機(jī)制。

3 結(jié)論

葡萄糖的醛基與尿素的胺基發(fā)生親核加成反應(yīng)，具體表現(xiàn)在葡萄糖醛基的C=O化學(xué)鍵斷裂，碳原子與尿素的氮原子發(fā)生結(jié)合，生成含有C=N結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。該結(jié)構(gòu)解釋了葡萄糖改性后尿素分解在培養(yǎng)前期顯著降低的原因。不同葡萄糖添加量對(duì)葡萄糖改性尿素的轉(zhuǎn)化率影響顯著，以0.5%的葡萄糖添加量降低尿素轉(zhuǎn)化率的效果較為適宜。