[发明专利]用于生物系统的营养素组合物

说明书

发明主题内容

本发明涉及用于生物系统如人类、动物、植物和微生物的营养素组合物。

发明背景

例如人类、动物、植物和微生物的生物系统需要无机元素(痕量元素、大量元素)和矿物质，用于生理学过程和用于合成活性物质。这种生物系统可用的营养素来源以非常不同的量和化学改性来提供必需的元素和矿物质。因此，本领域需要使生物系统能用上具有数量合适且为可利用形式的无机元素和矿物质的附加营养素。

根据各种研究，对于关键的过程而言，认为多于30种的痕量元素是必要的。痕量元素包括大部分的金属，如铁、铜、锰和锌，但也包括一些非金属，如碘、硒、溴和氟。

人类、动物、植物和微生物的饮食中缺乏痕量元素可导致缺陷症状、毒性作用或降低的产率，例如在微生物过程如生物发酵中，或者在植物和动物生产中。

除了生物系统的吸收能力以外，营养素可用性的主要因素包括提供给生物系统的数量和浓度，以及营养素以怎样的形式提供给生物系统。后面的营养素的形式不仅包括营养素存在的化合物自身，还包括把营养素提供给生物系统的环境条件，例如pH。

土壤中营养素对植物的可用性受到各种因素影响。因此，例如当土壤的pH在5-7时，痕量元素B、Cu和Zn有对植物的最佳可用性，但Fe和Mn在pH低于6时具有更好的可用性，但Ca和Mg在pH大于6.5时具有更好的可用性。土壤中过渡金属对植物的可用性可通过形成各种络合物而受到显著限制。Fe、Zn、Cu和Mn的氧化物和羟基氧化物对这些元素在土壤中的溶解度起着重要作用，特定土壤结构的普遍氧化还原电势起着决定性作用。

存在多个生物化学示例，其中具有特殊功能和特殊独特金属组合的痕量元素转换生物圈中的大量物质。例如，锰和镁的组合以及它们的化学计量比在光合作用中起着重要作用。在消化过程中，钼和镁或铜和镁的离子比例在底物氧化和后续的能量储存中起着重要作用。

尽管铁是土壤中最频繁存在的元素，但在许多土壤中对植物可用的量是受限制的。来自大多数初级土壤矿物质的铁都以二价Fe(II)形式存在，但通过有氧条件下的风化过程氧化并固定为Fe(III)氧化物。尽管土壤中存在可观的更大量的Fe(III)，但Fe(II)对植物生理学来说更重要，因为到目前为止它是更容易吸收的形式。来自常规肥料的Fe(II)也迅速氧化，并常常以未使用的形式沉淀在土壤基质中。已知的肥料以硫酸亚铁、硫酸铵铁、柠檬酸铵铁、葡萄糖酸铁、木质素磺酸铁的形式或者也以螯合物的形式包括铁。例如，硫酸亚铁的铁含量为约20％，用作肥料是相对廉价的，且可作为土壤施肥或叶片施肥来施肥。但是，通过土壤施肥的硫酸亚铁通常是没有效果的，因为发生快速沉淀反应，得到Fe(III)，特别是在pH值大于7的土壤中。

痕量元素的叶片施肥可通过表面活性剂来改善，它对营养素的分布和吸收都有影响。可使用的表面活性剂是植物油、菜籽油甲酯、蛋白质衍生物、离子和非离子润湿剂、有机硅酮、聚合物、蜡等。它们作为润湿剂，用于改善叶片表面的润湿；作为渗透剂，用于促进把营养素吸收进入植物；或者作为粘合剂，用于改善营养素和叶片表面的粘附。

通过叶片施肥，使用硫酸亚铁和铁与DTPA或EDTA的螯合物来消除或阻止变色病，但结果各异。虽然硫酸亚铁是更不贵的化合物，但更贵的铁螯合物通常具有更好的作用，因为铁以稳定形式存在且还可被叶片直接吸收。通过叶片施肥来改善吸收的努力包括硫酸亚铁和柠檬酸盐一起的制剂，或在酸性制剂条件下直接使用铁木质素磺酸盐和Fe(III)盐。

施肥到土壤的铁螯合物是水溶性的，且在密集灌溉事件中或在低发育(vegetation)的秋季和冬季，容易从植物的根部区域洗出。对于一些合成螯合物而言，一个可能低估的问题是重金属的潜在连接能力，以及后续地洗出增加。一些铁螯合物可能对土壤中存在的微生物和菌根有有害影响。

为了改善更不昂贵的铁肥料形式例如硫酸亚铁的效率，已提出了具有限定的营养素缓慢释放的所谓的受控释放肥料(CRF)。其它方法涉及用亲水性聚丙烯酰胺凝胶来带施肥硫酸亚铁，把铁肥料颗粒包封在硫中，或者把铁螯合物固定在琼脂(Sepharose)凝胶中。各种天然存在的晶体铁化合物，例如蓝铁矿(Fe₃(PO₄)₂·8H₂O)和黄铁矿(FeS₂)，具有比FeSO₄更高的效率，但更不容易获得并因此更加昂贵。