結構化學和生物活性研究對發展腐植酸精細化產品的啟示

周霞萍

1 華東理工大學資源與環境工程學院 上海 200237

2 南京臻暘生物科技有限公司 南京 210000

3 上海臻衍生物科技有限公司 上海 200237

在結構化學研究領域，可以將分子量相對高、組成復雜的有機縮合多羧酸無定型混合物的腐植酸原料比成一塊鑲嵌拼圖的花布，通過工具（工藝）可以選擇性地裁剪（分離）成圖案單一或較單一的布塊，而通過縫制加工（合成）又可以成為人們需要的服裝（精細化產品）。其中按溶劑性質將腐植酸分成黃腐酸、棕腐酸、黑腐酸，可看成是將花布變成較純圖案的途徑之一。而黃腐酸、棕腐酸、黑腐酸作為中間產物，能否成為精細化產品，要看是否需要進一步裁剪（分離精制）如何縫制（合成），以及穿在不同生命體上的風采了。

1 腐植酸結構化學和生物活性研究對發展精細化功能肥料、飼料和農藥產品的啟示

隨著對腐植酸研究的日益深入，近幾年，在談論腐植酸對功能肥料、飼料、農藥的作用時，常常將腐植酸作為連接土壤—肥料—植物營養的橋梁和紐帶[1]，并用植物生長刺激素、維生素/抗菌素、生物酶/超氧化物歧化酶（SOD）等實質性名詞來代替。對于腐植酸生物高分子聚合物（圖1），它發揮作用的原理值得深思。

圖1 Stevenson的腐植酸結構模型Fig.1 Humic acid model suggested by Stevenson

據相關文獻介紹，各種腐植酸中含有的類似生物素的物質達240多種[2]。它既有氫醌結構作用，又有赤霉素、吲哚乙酸、萘乙酸等微生物的代謝產物——生物刺激素的作用，還有腐植酸鹽的抗菌作用。比較圖1與圖2、圖3、圖4，不難發現，生物素、抗菌素的結構中都有羥基（-OH）或羧基（-COOH）、胺基（-NH2）、酰胺基（-NH），還有-ONa、-OK、-COONa、-COOK以及C、H、N、O、S等。可見，腐植酸與生物素、抗菌素的結構有相似，也有差異。冉軍艦等[3]將編碼的氨基酸序列與GenBank庫中的芽孢桿菌溶素、伊枯草菌素和桿菌抗霉素D等作基因分析，發現氨基酸系列與抗菌素的相似性達到99%。從而可以看到，分子降解（裁剪）合適的腐植酸結構組分對于發展腐植酸微生物精細化產品有潛在的應用價值。而要分析腐植酸是否具有抗菌素的作用，可以與特定的氨基酸組合，呈“腐植酸+”的形式，并經過與活性組分的基因測定，再加以判斷。

近年來，谷端銀[4]在“純化腐植酸對NO3-脅迫下黃瓜種子萌發及生理生化特性的影響”研究中發現，添加純化腐植酸（PHA）使黃瓜種子發芽率、主根長、側根長、側根數、下胚軸長度和粗度等明顯增加，胚根脫氫酶活力增加，胚根的可溶性蛋白質含量、SOD、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性均增加。張彩鳳等[5]認為腐植酸中的小分子黃腐酸與植物細胞內SOD、CAT及POD有明顯的協同作用。

由以上2項研究可知，分子量適中的純化腐植酸、小分子黃腐酸與SOD等生物酶的作用，其復合體的活性可以通過酶活力測定。因為生物系統酶防御系統的SOD能夠催化H2O2分解為H2O和O2，使得H2O2不至于在鐵螯合物作用下反應生成有害的OH·（羥基自由基），既可減少自由基和過氧化脂質的形成，又對生物體起重要的保護作用。但通常酶標儀測定的酶活力是一個總量的概念，若要精確需要分別進行基因檢測，或者通過催化-歧化為H2O2時，通過CAT等測定反向推測[6]，在這一點上，華東理工大學參與的全國肥料和土壤調理劑標準化技術委員會腐植酸肥料分技術委員會確立的《腐植酸生物有機肥》標準制訂中，對近20種全國各地收集的腐植酸生物肥料進行了淀粉酶、磷酸酶、CAT等酶活力測定，并在完成這項標準制訂的同時，研制生產出具有生物防治功能的腐植酸生物有機肥。

圖2 頭孢菌素類抗生素的結構式Fig.2 The structural formula of cephalosporin antibiotics

圖3 植物生長素萘乙酸鈉的結構式Fig.3 The structural formula of plant growth hormone naphthalene acetate sodium

圖4 植物生長素吲哚乙酸的結構式Fig.4 Structural formula of IAA

2 腐植酸結構化學和生物活性研究對發展精細化材料產品的啟示

腐植酸的生物高分子結構，在材料上的裁剪（分離精制）力度可以更大，安全度也高。

徐正俠等[7]采用層層自組裝技術，構建了由帶負電的腐植酸和帶正電的聚二烯二甲基溴化銨組成的納米結構薄膜。紫外可見光分光光度計的測量顯示薄膜的吸收率隨著雙層數的增加而線性的增加。傅里葉變換紅外光譜的結果表明，薄膜中既含有未離解的腐植酸膠體也含有離解的腐植酸。

用華東理工大學2015年的分子量測定獲得的模型（圖5）[8]與氧化石墨烯結構（圖6）比較，它們均含有-COOH、-OH等。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，結構與石墨烯非常相似，差別在于氧化石墨烯的表面有含氧官能團。它在水中可以發生電離，形成氫鍵、共價鍵等，也可在水中形成穩定的膠體。氧化石墨烯的力學性能低于石墨烯，楊氏模量僅能達到石墨烯的20%。在進行結構組成相似性和差異性比較的基礎上，經試驗研究，研制出的與氧化石墨烯相關的新材料已獲得國家知識產權局的專利申請號。

圖5 按分子量測定、元素、官能團數量構建的黃腐酸模型Fig.5 A fulvic acid model constructed by molecular weight determination, elements and the number of functional groups

圖6 氧化石墨烯結構式Fig.6 The structural formula of graphene oxide

Xing B L等[9]將煤炭腐植酸在1800 ℃下，先進行預碳化，制成類石墨碳，再制氧化石墨烯、石墨烯-超級電容器，用于手機鋰電池、新能源車等（圖7）。煤炭腐植酸能否更廣泛地應用于新材料石墨烯， 要看其精制縮合脫除雜化基團的程度和薄度。

圖7 腐植酸合成石墨烯納米片的過程示意圖Fig.7 Chematic illustration of the procedure for synthesizing graphene nanosheets from humic acid

由中國腐植酸工業協會聯合華東理工大學-南京臻暘生物科技有限公司生產的可全降解地膜聚乳酸-功能腐植酸（PLA-GHA）在東北水稻田、湖北山坡頂上果蔬、新疆棉花試驗地推廣，并在保溫、除草、降解時間、作物收成等方面獲得數據及更好地調控改進中。中國腐植酸工業協會-華東理工大學的腐植酸抗霾產品協會標準也正在起草中。而研制的仿生泥炭產品，如育苗基質、土壤調理劑、功能肥料等產品，受到多企業歡迎，正在產業化推廣中。

腐植酸屬于生物高分子聚合物，在可降解聚酯等多種復合材料生產中，它先起著架橋作用、偶聯作用，而后可作為碳源礦源為眾多微生物菌提供能量及營養物質，又起了肥料化等作用。如在土壤生物活性調理中，腐植酸精細化材料組分通過促進生物酶的代謝作用，起到降解滲透、抑制病蟲害等作用。

3 腐植酸結構化學研究和生物活性研究對發展精細化醫藥產品的啟示

腐植酸（烏金）做藥用，從中晚唐時期記載將近1200年，從巴比倫（現在的伊拉克境地）的泥浴記載已有3000多年。能用于腐植酸醫藥的產品較飼料等產品的精制級別是有差異的，但對提高免疫能力的有些作用機理是相似的。秦萬德[10]指出，腐植酸是治療疾病的理想基礎藥（類似于中藥）。當機體有病毒等入侵或滋生腫瘤等時，服用腐植酸藥物，再及時補以有針對性的專一性藥物或專一性治療方法予以抗擊，可以認為由“腐植酸+”增加了藥物的靶向性作用。研究腐植酸對消化系統潰瘍與出血癥的治療和對抗腫瘤、乙型肝炎、HIV感染等疾病的效果，從礦源腐植酸的結構化學和生物活性出發，來驗證與乙酰化水楊酸（阿司匹林，圖8）結構或萜類、甾類、雌酮（圖9）、嗎啡結構（圖10）或視黃醇（維生素A）結構有相似效應，主要可歸于組合官能團（藥效團）對免疫系統細胞的影響以及膠體性質構成的療效[11，12]。

腐植酸與葡聚糖有免疫調節的協同作用，這為拓展藥用腐植酸原料提供了依據。腐植酸抗牙周炎癥是由于提高了白細胞介素-8；腐植酸醒酒是由于-COOH等弱酸與酒的醇分子反應形成了酯；阿司匹林-核桃吡喃酮-黃腐酸組分具有抗腫瘤效應，這是華東理工大學早些年的發明專利與實驗結果，以及華東理工大學和云南藥業公司多年前的授權發明專利，已經注重腐植酸藥物的加成效應、靶向效應，經過著名藥學院、醫學院的動物實驗、生物細胞實驗和毒性限量實驗獲得的有效數據，都應該屬于“腐植酸+”的范疇。在研究“腐植酸+”藥物、保健品等精細化產品中，研究腐植酸的結構穩定性是很重要的[13～15]。

圖8 阿司匹林結構式Fig.8 The structural formula of aspirin

圖9 雌酮結構式Fig.9 The structural formula of estrone structure

圖10 嗎啡結構式Fig.10 The structural formula of morphine

4 結束語

時代在發展、科技在進步，腐植酸的資源（原料）也在不斷增加。如山東泉林嘉有集團公司給出的腐植酸形成的示意圖（圖11）[16]，理解了腐植酸的前體物主要是木質素的結構，將秸稈纖維素用于造紙，而將紙漿廢料木質素氧化成生物腐植酸/生物黃腐酸（BHA/BFA），加以分離精制技術等創造了“一草兩業”的輝煌業績。

腐植酸精細化產品的開發，只有注重原理、趨于定量構效，通過“腐植酸+”增加靶向結構，才能從必然王國轉向自由王國，進入“工業4.0時代”，并期待腐植酸醫藥健康的春天早日到來[17]。

圖11 腐植酸形成的示意圖Fig.11 A schematic diagram of humic acid formation

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“農業質量年”行動正式啟動腐植酸應當把好“土肥和諧”第一關

2018年2月6日，農業部在福建福州召開“全國推進質量興農綠色興農品牌強農工作會議”，農業部部長韓長賦出席會議并宣布“農業質量年”行動正式啟動。

會議要求，農業系統各部門（1）要圍繞推動農業高質量發展、實現質量興農想辦法、出對策、獻力量；（2）要當好推動農業高質量發展的“主力軍”；（3）要匯聚推動農業高質量發展的“同盟軍”；（4）要擴大推動農業高質量發展的“朋友圈”，在更大范圍、更廣領域匯聚推進質量興農工作的正能量。

質量興農，第一關就是把優質“產出來”。產出優質的農產品，離不開優越的土肥關系。構筑“土肥和諧”關系，腐植酸有的是能量。與土與肥與生態，讓腐植酸從農產品源頭安全生產抓起，是腐植酸的本質要求，也是腐植酸人應有的自覺行動。 （中腐協秘書處 供稿）