包含二氧化钛纳米颗粒的促进植物生长的液体组合物

摘要

本发明涉及包含二氧化钛纳米颗粒的促进植物生长的液体组合物。该组合物包含作为主要成分的含二氧化钛胶体的水性溶液。二氧化钛纳米颗粒大小是可以容易地被吸收到植物的大小。在用水稀释该水性溶液而使二氧化钛达到希望的浓度前，为防止水性溶液中二氧化钛纳米颗粒快速沉淀调节水性溶液的pH。同时本组合物包含植物生长所必需的辅助物质和分散用的表面活性剂。本组合物通过增加植物光合作用效率而增加作物产量，提高植物对病原菌的杀菌活性。并且本组合物可以改进由于过多使用生物化学肥料而导致的环境污染问题，也有助于增加农民收入。

说明书

技术领域

本发明涉及包含二氧化钛纳米颗粒(nanoparticles)的促进植物生长的液体组成物。更详细地说，本发明涉及对病原体具有杀菌作用，部分地为植物提供养分和构成物质，并可以在植物光合作用中增加植物太阳能利用效率而有效地增加作物产量的促进植物生长的液体组合物。

技术背景

目前农业领域需要解决的问题是将为增产粮食而过多施用各种化学物质造成的土地荒废以及环境污染问题最小化。

按现有技术促进植物生长的方法广义可分类为两种。

第一、利用化学肥料的方法，暂时似有效，但最终恶化植物生长的土壤条件。这样产生了为改善恶化的土壤条件必须进行再次施肥的恶循环。因此该方法从长期角度来看是不优选的。

第二、利用作为植物提出物或人工合成的类似物质的植物生长调节剂的方法。

利用N-酰基丙氨酸衍生物、吲哚乙酸、赤霉素、苄基氨基嘌呤、吲哚丁酸、或其混合物的方法是已知的。但这一方法价格昂贵，具有必须使用醇溶剂的操作问题。这也涉及引起对植物体化学伤害的局限。

并且，使用这些物质虽然提供一定的生长促进效果，但也出现副作用以及无法避免地涉及到由于不适当地使用化学物质而造成的伤害。为调整体内的新陈代谢植物必须适应周围环境。不过，这一仅限于植物生长的方法会引起生产力下降甚至杀死植物。

同时，韩国专利10-0287525(题为“植物生长促进剂”)公开了一种利用2-甲基-4-二甲基氨基甲基-5-羟基苯并咪唑从而抑制突变，防止氧化以及增加对疾病抗性的植物生长促进剂。

上述的化学肥料和植物生长调整剂主要由具有各种成分的人工合成的有机物质组成，这样，即使使用同样的化肥或生长调节剂，根据使用条件的不同其得到结果是不同。

最近，有一种以包含复合成分的天然无机物代替化学肥料的尝试，但是效果令人不满意，而且因混合重金属而似乎会引起大的伤害。

同时，有一些通过利用已知物质的功能而开发新的植物生长促进剂的尝试，但它们也显示了并不充分的效果，下降的经济效率以及局限的适用范围。

本发明说明

本发明涉及包含二氧化钛纳米颗粒(nanoparticles)的促进植物生长的液体组合物。本发明包括发现促进植物生长以及新陈代谢，而同时并不引起环境污染问题的新物质。另外还包括进行对植物的优化应用试验。

植物生长所必需的因素包括养分、湿度、温度、光等。当其它条件相同时，植物生长按照最小养分定律由最不足的无机元素量决定。尽管对各种不同植物的每一个来说，优化无机元素供应率是必需的，但是由于植物生长的土壤或者周围环境条件不同而实际很难。

因此，本发明人背离常规的有机物肥料和无机元素组合的形式，尝试寻找目前为止没有利用过的新的物质。

根据植物从基于太阳能的光合作用合成的物质中得到养分并生长这一事实，本发明人进行了寻找可利用太阳能的物质的尝试。

作为符合上述目的的物质，本发明人已经发现对人体以及植物具有确保安全性、和具有包括灭菌以及分解有毒生物在内的功能、由容易得到的物质形成的光催化性二氧化钛(TiO₂)。

光催化剂是指通过吸收来自太阳光或者人工照明的必需波长范围的光帮助发生化学反应的物质。

这样的光催化性物质具有在光照射下使用氧(O₂)和水(H₂O)作为氧化剂将有毒物质氧化成为二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)的功能。

近年来，相对廉价、不会被光分解、可以以半永久方式使用、且不会导致环境污染问题的二氧化钛作为光催化剂受到瞩目。

并且，包括日本、欧洲以及美国的先进工业国把二氧化钛作为抗菌、除臭、空气净化等目的应用于家庭以及工业方面，其用途正在逐渐扩大。

本发明人基于这一点首次发明把光催化性二氧化钛直接应用给植物的方法。

本发明的二氧化钛纳米颗粒是以胶态这一植物容易利用的方式被制备的，而先前的包括石灰和硅质肥料在内的无机肥料因为是固态而不容易被植物利用。

我们知道传统的石灰肥料或硅质肥料等大部分通过土壤传递，由土壤中有机酸或作物根分泌的酸慢慢溶解，然后通过吸收被植物利用。

但是上述无机肥料具有其有效成分几乎不溶于水，以及与土壤中的微量元素铝(Al)、铁(Fe)等形成复合物的缺点，从而降低作物的吸收效率。

为了解决这一问题，需要施比植物可利用量更多的肥料，最终导致营养过分状态，所以植物可能以非正常的方式不利地生长。

本发明使用将作为主要成分的二氧化钛直接施用在作物叶上的方法，这样作物的吸收路径扩展到土壤和叶。

根据晶格结构，二氧化钛可以分为由锐钛矿(Anatase)、金红石(Rutile)、板钛矿(Brookite)组成的三种类型，并且具有根据各自晶体结构其催化活性非常不同的特点。

在这些结构中，金红石结构具有微弱光催化活性，这样主要用于包括阻断紫外线在内的辅助目的。已知锐钛矿和板钛矿结构具有相对高的光催化活性，但是根据制备方法不同其功能千差万别。

并且，光催化活性不仅和晶体结构密切相关而且与二氧化钛颗粒大小和比表面积具有密切的关联。一般地，已知随着颗粒大小减小，比表面积增加，且活性接触点的数量增加从而二氧化钛分解生物以及作为催化剂的能力更为杰出。

目前在商业可利用的光催化剂，大部分以光催化剂粉末悬浮于溶液中的状态使用，以及把二氧化钛溶胶溶液维持在载体上或载体内部的状态使用。

制备光催化剂粉末的典型方法包括将无机钛盐如氯化钛或硫酸钛水解，用碱中和，按一定重量比与水溶性金属盐混合，并高温下煅烧的方法。也包括使用有机钛前体的溶胶-凝胶(sol-gel)方法。

在这些方法中，与其他方法相比，溶胶-凝胶方法是将有机烃氧基钛(titanium alkoxide)作为起始物质，这样使颗粒大小一致，根据反应条件以平稳的方式调整晶体结构。所以溶胶-凝胶方法是典型的优选方法。

在本发明中可以使用上述描述的所有不同种类的二氧化钛。

烃氧基钛(titanium alkoxid)作为起始物质，颗粒大小为3～200nm的二氧化钛纳米颗粒被结晶，以稳定的分散体形式得到锐钛矿型结构。所得到的分散体的催化活性试验结果表明，该分散体完全不亚于市售的二氧化钛溶胶溶液，利用该分散体可以提供更好的生长促进效果。

在如上所述获得的锐钛矿型二氧化钛分散体用水稀释至适当的二氧化钛浓度，与作为有机颜料的亚甲基蓝混合，并放置在太阳光下时，可以肉眼观察到光催化剂的有机分解过程。当在分散体中存在植物病原体并接近光催化剂表面时，它们可以以与颜料同样的方法通过羟自由基作用被分解。

但是在水中的光催化剂的功能与施用在作物上的光催化剂功能明显不同。本发明人通过解决如下的技术问题作了将二氧化钛光催化剂应用于植物上的尝试。

首先，在记录用水稀释的二氧化钛浓度后，尝试定出能够发生生物分解的最低浓度。

本发明人已经观察到在水中的二氧化钛活性，其结果表明水中二氧化钛浓度下降时其活性下降，然后显示几乎没有或没有活性。

结果发现甚至在低于10ppm浓度时还存在活性。这一点说明了在此低浓度下二氧化钛可以充分发挥其功能而并不会引起例如作为植物光合作用中心的叶绿体等细胞内机制的损伤，并且二氧化钛也可以以相对低的费用应用于农业方面。

第二、以水稀释的二氧化钛纳米颗粒施用于作物时，随着时间的推移水分将被蒸发，未吸收的二氧化钛以固态残留在作物表面。存在的物质当完全吸收到植物时体现其功能，但发现未被植物吸收的二氧化钛部分使植物对外部胁迫具有抵抗力，对于各种植物病原体也显示了具有杀菌以及防御的有利效果。

第三、由于二氧化钛具有大约pH为4的等电点，但根据情况不同也有变化，所以在酸性和碱性范围内保持稳定的胶体形态。如果用水稀释二氧化钛纳米颗粒，随着稀释倍数增加它们渐渐靠近等电点，而最终改变为沉淀物的形态。本发明人已经发现当其pH被调节以致于稀释后至少两个小时以内二氧化钛不会形成沉淀后二氧化钛施用于叶子时，二氧化钛的效应大大提高。

并且，还发现随着在制备二氧化钛纳米颗粒过程中颗粒大小被减小，发生沉淀的时间也被延迟。

从上述结果，发现光催化性二氧化钛纳米颗粒适于作为本发明目的-植物生长和代谢促进组合物的主要构成成分。

用水稀释二氧化钛纳米颗粒并施用于作物时，发现它促进作物的生长，并显示出对植物病原体的杀菌作用。另外，一部分二氧化钛颗粒对植物提供了养分和构成物质，并且在植物光合作用过程中增加植物太阳能利用效率，从而明显地提高了作物产量。基于这些方面，完成了本发明。

本发明包含二氧化钛纳米颗粒的促进植物生长的液态组合物如下形成。

在包含二氧化钛纳米颗粒的促进植物生长的组合物中，组合物的主要成分是包含胶态二氧化钛的水性溶液(aqueous solution)，二氧化钛颗粒大小是能够容易地被植物吸收的大小。为了防止水性溶液中二氧化钛迅速沉淀，调节溶液的pH值。而且用水稀释上述溶液，使二氧化钛调整到希望的浓度。另外，添加植物生长所需要的辅助物质，添加分散用表面活性剂。

本发明人选择了光催化性二氧化钛纳米颗粒溶液作为促进植物生长以及代谢的物质，为使其可被植物有效地利用而发现了通过用水稀释可以方便地利用该溶液的方法。

该二氧化钛溶液具有锐钛矿型结构，它容易从市售得到并具有相当高的光催化活性，颗粒大小在3～200nm范围内。

将二氧化钛纳米颗粒用水稀释并施用于植物体时，一部分纳米颗粒被吸收到植物体中以致于促进植物内部光合作用进程以及代谢。未被植物吸收的剩余二氧化钛部分残留在植物表面，起到增加植物对于各种胁迫和病原体抗性的作用。

为了上述目的，可以使用各种二氧化钛纳米颗粒。颗粒大小为3～200nm的纳米颗粒有相当好的吸收性以及可加工性，并且可大大提高了作物产量，但也可以使用分散数十微米的细颗粒的溶液。

如同用扫描电子显微镜所观察到的，只要二氧化钛颗粒可以稳定地保持被分散的状态，不管是单分散状态的初级颗粒(primaryparticles)还是由初级颗粒聚集形成的次级颗粒(secondary particles)，任何二氧化钛颗粒都可以使用。

而且，可以使用各种形状的颗粒，但本发明优选使用球形、针形或板形的二氧化钛纳米颗粒。

同时，用于上述目的的二氧化钛晶体结构可以是锐钛矿型、金红石型、板钛矿型或者其混合物，但尤其优选锐钛矿型晶体结构。

锐钛矿型的晶体结构通过吸收太阳光中波长大约为380nm的近紫外线区域光而被激发，在同时通过将电子与空穴分离显示了强大的氧化力，这样它可分解大部分有毒生物。由于这个原因，相信它是最符合上述目的的晶体结构。

当用水稀释胶态二氧化钛并施用于作物时，其稀释倍数对作物产量影响很大。

在本发明中，最终稀释后的二氧化钛纳米颗粒浓度是1～1,000ppm，优选3～300ppm，最优选3～150ppm。

如果浓度高于1,000时，经济方面费用将增加同时化学伤害可能性也增大。如果浓度低于1ppm，则二氧化钛纳米颗粒的效应将急剧降低。

由于当施用于作物叶时二氧化钛稀释液在作物产量上显示最大的增加，所以它从本质上与现有土壤调节剂不同。

由于作为本发明组合物主要成分的二氧化钛纳米颗粒本身起到大大提高作物产量的作用，所以不与其他单独的辅助添加剂混合它也显示了充分的生长促进效果。然而，对本领域技术人员来说很明显，可以加入植物生长的必须肥料成分、其他金属或者非金属氧化物、或用作吸收剂或展布剂的表面活性剂。

Li、Be、B、Na、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Se、Zr的氧化物或它们的混合物可以作为肥料成分或金属或非金属氧化物。并且只要含有上述元素的物质溶解在水里并可以被植物吸收，也可以使用上述元素的碳酸盐、盐酸盐、硝酸盐或硫酸盐。

相对于本发明液体组合物主要成分的二氧化钛固形物，加入的金属或者非金属氧化物的量是0.1～20重量％，优选0.5～15重量％。

由二氧化钛纳米颗粒溶液显示的杀菌效果是由于太阳光直接或间接照射时引起的半导体氧化强度。因此在阻断太阳光的条件下或夜间很少或几乎没有太阳光辐射的情况下，杀菌效果也将下降。

根据这一点，本发明人已经发现通过接触病原体具有消灭植物病原体能力的银(Ag)纳米颗粒可以用作另一种辅助物质。

一般来说，颗粒大小为1～100nm的银纳米颗粒稳定地分散在水性溶液中。如果施用加入到二氧化钛溶液中的银纳米颗粒，则由于银纳米颗粒的强杀菌活性而更增加二氧化钛的这种能力。此外，高价格的银纳米颗粒单独很难应用于农作物，但是当与二氧化钛纳米颗粒混合使用时，仅微小量也发挥相当高的杀菌活性。

尽管添加银纳米颗粒的量可以在保障经济效益的范围里选择，本发明人发现相对于二氧化钛固形物，其用量优选0.5～20重量％，更优选1.0～10重量％。

在本发明中，可以添加到二氧化钛水性溶液中并用作吸收剂或者展布剂的表面活性剂包括为阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂以及两性表面活性剂(Ampothetic Surfactant)等。根据施用二氧化钛溶液的植物种类不同使用不同种类的表面活性剂。

如上所述的一种或两种或更多种表面活性剂以适合的比例混合，添加到二氧化钛水性溶液中。这样的情况下，相对于二氧化钛固形物，添加的表面活性剂量优选为0.1～5重量％，更优选0.2～1重量％。

附图说明

图1显示了用本发明的促进植物生长的液体组合物处理的稻植物的杆生长效果。

实施本发明的最佳方式

下文通过实施例更详细地说明本发明。但应当注意，本发明并不局限于这些实施例，也不被这些实施例限制。

实施例1：包含二氧化钛的促进植物生长的液体组合物的制备

在本实施例中，用二氧化钛纳米颗粒制备促进植物生长的液体组合物。

该组合物特征在于包含3～200nm的二氧化钛纳米颗粒。

作为本发明二氧化钛的原料的有机烃氧基钛(titanium alkoxide)，使用TTIP(四异丙醇钛(Titanium-Tetraisopropoxide)，JUNSEI，97％)。

240ml的70％硝酸与8.94L去离子水混合。

向此溶液里逐滴加入720ml的TTIP。

混合液在80℃下回流搅拌进行水解。

反应结束时，获得蓝色的二氧化钛胶体溶液。二氧化钛固体：2.0％，pH＝7.0。

用XRD观察，发现上述二氧化钛胶体的晶体结构为锐钛矿型。所存在的95％以上二氧化钛纳米颗粒大小在15～25nm的范围内。

向上述二氧化钛胶体溶液里加入70％硝酸300ml以致于溶液被调整为pH0.5。

在此溶液中加入7990L水，使二氧化钛浓度成为25ppm。

此溶液(样品A)作为植物的施用溶液。

应用试验

在实施例1获得的样品A作为施用于植物的溶液，选择稻和玉米植物作为试验植物由样品A处理。使用稻植物时，为了检测由于环境变化而引起的产量变化，比较在实验室PET容器里栽培的植物和直接在露地栽培的植物。

所述样品被施用于已经完成分蘖的个体上，这样可以排除分蘖间差异对于产量的影响。

为了验证施用于各作物的二氧化钛纳米颗粒的植物生长促进效果，收获后记录稻植物的杆长、重量、谷粒重以及千粒重(即，每千粒谷粒的重量)，并记录玉米植物的个体重量。

为了验证包含在样品A中的二氧化钛纳米颗粒的杀菌以及防御能力，选择两种植物病原体，依照韩国化学技术研究所提供的筛选方法进行测试。

测试实施例1：测试实施例1组合物对于稻植物的效果

在相同条件下把完全分蘖的稻植物种在PET容器中，分为样品A与对照的溶液施用于稻植物上，并检测其效果。

表1：在PET容器中生长的稻植物重量和谷粒重量的测定结果

稻植物的总    重量  (平均，g)相对于对照的重量增加(％) 谷粒总重量  (平均，g)相对于对照的作物产量增加    (％)  样品A    119.1    21.6    19.2     44.4  对照    97.9    0.0    13.3     0.0

在表1中，将实施例1描述的溶胶-凝胶法制备的二氧化钛溶液稀释并施用于植物的样品A，由于二氧化钛纳米颗粒的生长促进效果，显示了在重量上与对照植物相比20％以上的增加。尤其谷粒总重量与对照植物相比增加40％以上。该结果表明，与对照相比样品A对作物产量的增加是显著的。

测试实施例2：测试实施例1组合物对于稻植物的效果

把完全分蘖的稻植物种在露地，分成样品A和对照的溶液施用于稻植物上，并检测其效果。

图1显示，当施用二氧化钛溶液(样品A)时，与对照相比杆长度增加大约13％。对于收获时的稻植物状态，与对照相似，样品A表现出良好的直立性和光截捕作用(light interception)，几乎很少或没有倒伏。

表2：生长在露地的稻植物重量和谷粒重量的测定结果

稻植物的总重量(平均，g)相对于对照的重量增加(％)谷粒总重量(平均，g)相对于对照的作物产量增加(％)样品A145.0639.9 205.2 31.8对照103.660.0 155.7 0.0

表2显示，在露地施用二氧化钛溶液时，如同在PET容器中的情况一样，作物产量提高30％以上。

表3：露地生长的稻千粒重和谷壳比率的测定结果

    千粒重(g)  谷粒中谷壳比率(％)    样品A    24.22    17.2    对照    24.38    17.9

为了分析二氧化钛溶液对于作物产量的影响，表3显示了露地收获的谷粒中千粒重和谷壳比率。样品A显示了与对照类似的千粒重和谷壳比率。这表明作物产量是由于谷粒数增加，而不是谷粒重量的增加而增加的。

图1也显示杆长增加了13％，表2显示谷粒重量增加31.8％。这表明当施用包含二氧化钛的溶液时不仅仅增加了长度还促进植物代谢从而生产出更大量的谷粒。

测试实施例3：测试实施例1组合物对玉米植物的效果

露地栽培的饲料用玉米植物分别施用样品A和对照，检测其效果。

表4：玉米植物重量和产量增加的测定结果

 玉米植物的总重量    (平均，g) 相对于对照的 产量增加(％)    样品A    3,670    46.1    对照    2,511    0.0

表4显示当田间作物饲料用玉米植物施用二氧化钛纳米颗粒时，作物产量增加了40％以上。虽然因为只测量了收获的玉米植物的重量这些结果可能有些差异，但上述结果还是验证了二氧化钛纳米颗粒促进生长以及代谢的效果。

测试实施例4：杀菌试验

为了验证按照本发明用于叶面施用液中的二氧化钛纳米颗粒对于植物病原体的杀菌活性以及防御能力，依照韩国化学技术研究所提供的筛选方法进行试验。

在试验中，Pyricularia oryzae(RCB)和灰色葡萄孢(Botrytiscinerea(TGM))作为植物病原体，初级筛选方法如下进行。

首先将稻瘟病，Magnaporthe grisea KJ201细胞株作为病原体接种在米糠琼脂培养基(米糠(Rice Polish)20g，葡萄糖10g，琼脂15g，蒸馏水1L)，并在25℃培养箱中培养两周。

用Rubber Polishman在已经生长病原体的培养基表面刮涂，移取气生菌丝。将培养基于25～28℃放置在荧光灯下的培养架上48小时，使其形成孢子。接种病原体时，将分生孢子悬浮在无菌蒸馏水配制成106分生孢子/ml浓度的分子孢子悬液，然后充分地喷雾在由化学试剂处理的稻植物(2～3片正常叶阶段)上，使喷雾液可以流下。

被接种的稻植物放置在加湿箱中黑暗状态下24小时，之后在相对湿度80％以上、温度为26℃的恒温恒湿箱里致病七天后，检测其感染的叶面积。

同时，对于番茄灰霉病，将作为病原菌的灰色葡萄孢接种土豆琼脂培养基，培养在25℃培养箱7天，然后进一步在维持每天12小时光照/12小时黑暗的情况下培养7天以形成孢子。

接种疾病时，将培养基中形成的分生孢子收集为土豆葡萄糖培养液(Potato dextrose broth)，使用血球计数器记数使分生孢子浓度达到106分生孢子/ml。然后将它们接种在化学试剂处理的番茄幼苗(2～3叶阶段)上。接种的番茄植物在相对湿度95％以上、20℃的加湿箱中致病3天，并检测其感染的叶面积。

在二氧化钛溶液处理中，用水将该溶液稀释到二氧化钛浓度为100ppm。4组溶液分成各种疾病2组，放置在台上，用喷雾枪(1kg/cm²)旋转喷雾在植物上，使得溶液可以均匀地附着在整个植物上。然后将植物生长在温室中并接病原体。

表5：稻瘟病和番茄灰霉病保护值(Protective value)的测定结果

KSC No.钛浓度(ppm)保护值(％)稻瘟病(RCB)番茄灰霉(TGM)47314100 7817

如上所述施用的二氧化钛溶液显示对稻瘟病具有很高的杀菌活性，对番茄灰霉也显示弱的杀菌活性。

表6：一般杀菌剂和二氧化钛溶液保护值的比较

  植物病  对照试剂浓度(ppm)  保护值(％)  稻瘟病  (RCB)  Blasticidin-S    50    100    1    70  番茄灰霉病  (TGM)  Fludioxonil    50    100    5    56

表6显示了作为杀菌剂的对照试剂的杀菌活性和使用浓度。本发明的二氧化钛溶液尽管与对照试剂相比显示了降低的杀菌活力，但不论对哪种病原菌都具有杀菌活性。如果植物还没有被病原体攻击，则二氧化钛溶液具有优势，因为残留在植物上的二氧化钛纳米颗粒部分可起到抑制损害产生的作用。尤其是，二氧化钛溶液具有对生物体无害的优点。

也就是说，把二氧化钛施用于植物体时，它们显示出对于植物的杀菌以及防御活性的同时表现出促进植物生长和代谢的效果。所以施用二氧化钛纳米颗粒的植物面对病虫害很强壮，而且表现了对周围环境变化的相当好的适应性，从而提高作物产量。

工业适用性

如上所述，本发明提供包含二氧化钛纳米颗粒作为主要成分的液体组合物。

把该促进植物生长的组合物施用于植物时，一部分二氧化钛被植物体吸收，然后起到促进植物内部光合作用机能以及新陈代谢的作用，未被吸收的部分残留在植物体表面从而起到了增加植物对各种外来病原体之抗性的作用。尤其是，二氧化钛纳米颗粒不论病原体的种类都显示了杀菌活性，因此可以用于广泛的应用范围中。