摘要：聚γ-谷氨酸是一种由微生物合成水溶性的生物可降解性的新型高分子材料，广泛应用于农业、医药，食品、日化等领域，是一种公认的极具发展潜力的绿色化学产品。聚γ-谷氨酸作为肥料增效剂，在改良土壤结构，提高土壤持水保肥能力，减少对环境造成的污染，缓释化学肥料方面能产生良好的作用，具有显著的社会效益、经济效益和环保效益。介绍了聚，一谷氨酸及作为复合肥增效剂的性能特点、生产方法、国内进展和应用前景，并对国内今后聚，一谷氨酸及其增效复合肥的发展提出了一些建议。
聚γ-谷氨酸，英文Poly-γ-glutamic acid，简称γ-PGA，是自然界中微生物发酵产生的水溶性高分子氨基酸聚合物，由于其独特的理化和生物特性，被广泛用于医药、食品、农业、环保、日化、烟草、皮革、沙漠绿化和植物种子保护等领域，具有极大的开发价值和应用前景。
作为肥料增效剂使用，聚γ-谷氯酸的生物可降解型吸收促进剂的特性得以充分的发挥和利用，既可以进一步增加作物的产量，还可以对肥料起到很好的缓释作用，使肥料在土壤中的释放时间较传统肥料延长了4倍左右。在促进作物吸收的同时还起到抑制肥料成分快速分解和流失的作用，可直接减少肥料的用量20％以上，降低过量或施用化肥不当等造成的环境污染，具有显著的增产节肥效果。聚γ-谷氨酸增效复合肥的使用，对于促进我国农业的可持续发展，建设社会主义和谐新农村具有重要的现实意义。
1 性能特点
聚γ-谷氨酸结构为D型谷氨酸(D-Glu)和L型谷氨酸(L-Glu)通过α-氨基和γ-羧基形成肽键的高分子聚合物，通常是由5000个左右的谷氨酸单体组成，在每一个重复单元的α-碳原子还有一个游离的羧基，其结构式如下：
由于分子链上有大量游离羧基，易于修饰，为材料的功能化提供了条件，使其具有一般聚羧酸的性质，相对分子量范围一般在10万～200万之间。作为一种高分子聚合物，聚，一谷氨酸具有生物可降解性、超强吸水和保水性、良好生物相容性，低免疫原性、对环境无污染，对人体无毒害等一系列独特的物理化学和生物学特性，其降解产物为无公害的谷氨酸。
由于聚γ-谷氨酸极易溶于水，分子中含有1000个以上的超强亲水性基团(-COOH)，能充分保持土壤中水分，改进黏重土壤的膨松度及空隙度、改善砂质土壤的保肥与保水能力。聚γ-谷氨酸特别是具有极强的吸水保湿性能，最大自然吸水倍数可达到1108γ-4倍，比目前市售的聚丙烯酸盐类吸水树脂高1倍以上，对土壤水分的吸收倍数为30～80倍。聚γ-谷氨酸的水浸液在土壤中具有一定的保水力和较理想的释放效果，在干旱地区使用有明显的抗旱促苗效应，并能有效提高肥料的溶解、储存、输送与吸收。
聚γ-谷氨酸还具有多阴电性，能有效阻止化肥中SO2-4、CO2-3、PO3-4、CO4O2-4与Ca、Mg等微量元素的结合，避免产生低溶解性盐类与沉淀作用，使作物更能有效吸收土壤中微量元素，促进作物根系的发育、加强抗病性。 对酸、碱具有绝佳缓冲能力，可有效平衡土壤酸碱值，避免因长期使用化学肥料所造成的酸性土质及土壤板块化。此外，对于pb2+，Cu2+、Cd2+、Cr3+、Al3+、As4+等重金属离子，聚γ-谷氨酸有极佳的螫合效果，可作为重金属吸收剂，避免作物吸收过多土壤中有毒重金属。
2 生产方法
聚γ-谷氨酸的合成方法较多，有传统的肽合成法、二聚体缩合法、纳豆提取法和微生物发酵法等。由于化学合成法难度很大，没有工业应用价值，因此对于聚γ-谷氨酸合成方法的研究目前主要集中在微生物发酵领域。而对于微生物生产聚γ-谷氨酸的研究，日本最初是利用纳豆菌对谷氨酸进行聚合而成的，处于世界领先的技术水平。
近年来，我国和美国等国家也开展了微生物发酵法合成聚γ-谷氨酸的研究和开发。国内浙江大学，南京工业大学等高校已经开始对微生物发酵法生产聚γ-谷氨酸开展研究，并取得了一些进展。目前，大多数研究都集中在液态发酵生产聚γ-谷氨酸，包括发酵过程研究和提取纯化过程研究，以及衍生物的生产和性质的研究。
能用于发酵生产聚γ-谷氨酸的菌种较多，有地衣杆菌，枯草芽孢杆菌等菌种，而以枯草芽孢杆菌发酵生产聚γ-谷氨酸的研究居多。南京工业大学在实验室筛选得到一株聚γ-谷氨酸高产菌株，已获专利授权，并对合成工艺条件进行了优化，采用提纯新工艺，降低了生产成本，提高了产品质量。聚γ-谷氨酸发酵产量>30g／L，转化率90％，提取收率>80％，纯度>99％。
大多数聚γ-谷氨酸产生菌都是L-谷氨酸依赖型，直接利用L-谷氨酸发酵生产聚γ-谷氨酸成本较高，影响其工业化生产。随着分子生物学新技术的应用，利用基因工程方法构建聚γ-谷氨酸工程菌种有望从根本上解除制约其生产的瓶颈问题，为氨基酸发酵行业的进一步发展奠定坚实的基础。
传统微生物发酵法生产聚γ-谷氨酸是直接利用芽孢杆菌类的一些菌株，通过控制pH、温度、通风量等参数来调节发酵过程，进而来优化发酵工艺，并使菌株在生产中进行选育，其生产工艺流程见图1。
利用聚γ-谷氨酸生产聚γ-谷氨酸增效复合肥，其组分含量按重量计，聚γ-谷氨酸通常的添加量为0.01％～1％，其余为化肥量，生产工艺流程见图2。
3 国内进展
近年来，由于人们环境意识的增强和国家可持续发展战略的要求，发展对环境友好材料和开发改善环境问题的产品成为一种产业上的趋势，由此也推动了聚γ-谷氨酸产业化研究和开发的进程。国内部分大学和研究所也积极开展了相关的研究，国内已有数家企业开始计划聚γ-谷氨酸的大规模生产。由于这些产业化研究的发展和推动，使得聚γ-谷氨酸成为现阶段最受关注的新型生物制品之一。
国内华中农业大学、南京工业大学等近年来对聚γ-谷氨酸的研究都进行了一些工作，南京工业大学开展了聚γ-谷氨酸吸水材料的制备、绿色水处理剂、肥料增效等领域的应用研究，已申请4项国家发明专利。
华中农业大学农业微生物学国家重点实验室从2001年开始，专门成立了聚γ-谷氨酸课题攻关小组，重点研究聚γ-谷氨酸的制备和应用。通过多年的系统研究，目前已经完成了实验室规模聚γ-谷氨酸的发酵、提取和剂型的研制，先后开发出聚γ-谷氨酸纯品以及10％可湿性粉剂生产工艺和技术，并
建立了相应产品分析方法和产品质量标准。在农业领域应用的研究方面，根据大田实际生产应用的需要，通过工艺改进和完善，开展了聚γ-谷氨酸在不同作物栽培过程中的施用方法和施用量，以及对作物增产和抗病机制的研究。华中农业大学目前正与湖北宜化集团、新洋丰公司等化肥生产企业合作，以使这种新型肥料增效剂能尽快用于化肥生产，并发挥出应有的作用。
2007年12月22日，由华中农业大学农业微生物学国家重点实验室和武汉禾健生物工程有限公司共同完成的湖北省科技攻关重点课题“新型肥料增效剂聚γ-谷氨酸的研制与应用”，通过了由湖北省科技厅组织的成果鉴定。在国内外率先开辟了聚γ-谷氨酸在农业领域的应用，发现了聚γ-谷氨酸具有节肥、增产和提高品质等功效。鉴定委员会一致认为该项目的研究成果具有重要的理论意义和实用价值，聚γ-谷氨酸肥料增效剂在农业领域的应用研究成果处于国际先进水平。
此外，华中农业大学以自主开发的聚γ-谷氨酸的发酵生产技术为依托。和华北制药集团合作，共同实施聚γ-谷氨酸产业化，目前已完成聚γ-谷氨酸的规模化试生产试验，进入产业化工厂设计阶段。华中农业大学和湖北省烟草科研所共同开发和研制的聚γ-谷氨酸生物增效型烟草专用肥产品，已在湖北香青化肥有限公司完成规模化生产和推广应用。
2008年，湖北新洋丰肥业有限公司开始进行聚γ-谷氨酸增效肥料研制与产业化开发，并申报了荆门市重点科技攻关项目，同时被列为华中农业大学与荆门市签约的合作项目之一，重点解决聚γ-谷氨酸增效剂和增效肥产业化生产中所面临的技术工艺问题。通过开发聚γ-谷氨酸系列增效肥料并实现大面积应用，促进了科学施肥技术的简单化、物质化和明了化，降低测土配方施肥技术难度。荆门市土壤肥料工作站还开展了聚γ-谷氨酸增效肥料的大田试验示范工作，在油菜、小麦等作物上开展了不同配方、不同肥料用量和施用方式的试验示范。
湖北新洋丰肥业有限公司“新型高效复合肥产业化开发”项目获2008年湖北省重大科技专项资金500万元。该项目由湖北新洋丰肥业有限公司和华中农业大学合作开发，目标为以市场需求为导向，提高资源和肥料利用率，分别开发出硫基型、氯基型聚，一谷氨酸增效复合肥新产品，建立和完善针对烟草、蔬菜、水稻、玉米，柑橘等不同作物的聚γ-谷氨酸增效复合肥应用技术体系，完成聚γ-谷氨酸增效复合肥的应用效果评价和大面积试验示范推广，提高产品科技含量，实现产品产业化开发和工业化规模生产。
4 施用效果
聚γ-谷氨酸是一种效果良好的肥料增效剂，使用聚γ-谷氨酸可减少肥料用量，在农业生产中推广应用将取得较好的社会效益和经济效益。在保证植物生长正常的情况下，每亩施用聚γ-谷氨酸肥料增效剂10～50g，具有促进作物主要营养元素积累、促进根系发育和增加抗病性等作用。聚γ-谷氨酸的施用通常可提高化肥施用效率10％～30％，使烟草、蔬菜等作物增产8％～31％，水稻增产明显，改善了作物的品质，并对肥料起到更好的缓释效果，使肥料在土壤中的释放时间较传统肥料延长了4倍左右，在促进作物吸收的同时还起到抑制肥料成分快速分解和流失的作用。特别是在低肥力土壤上使用效果更好，其产量提高的幅度更大，可直接减少肥料的用量20％以上，同时被土壤中微生物降解，降低过量或施用化肥不当等造成的环境污染，极大地改善农村的生态环境。
在肥料、杀虫剂、除草剂，驱虫剂等使用时，加入适量的聚γ-谷氨酸可以延长这些药物在作用对象表面上的停留时间，不易因干燥、下雨而被冲刷掉，又可改善土壤团粒结构，从而提高土壤的保水性、透水性和透气性，缩小土壤的昼夜温差变化，达到改良劣质土壤，使农作物增产丰收的目的。此外，聚γ-谷氨酸在自然界土壤环境中的半衰期为1周时间，能被微生物逐步降解为作物生长所需的谷氨酸。
聚γ-谷氨酸复合肥的田间小区试验表明，能提高小白菜的产量，增幅可达20％以上，还能提高莴苣的产量，增幅可达15％以上。华中农业大学和湖北省烟草科研所将聚γ-谷氨酸可湿性粉剂施用量为每亩200～400g，聚γ-谷氮酸烟草专用增效肥施用量为每亩20～30kg。施用于白肋烟生长的底肥期、追肥期或底肥期和追肥期同时施用，烟草苗期水培试验和盆栽试验表明，聚γ-谷氦酸能提高烟草的产量，水培试验增幅可达15％以上，盆栽试验增幅可达20％以上。5应用前景
我国是一个农业大国，化肥是农业持续发展的物质保证和粮食增产的基础。世界农业发展的实践证明，化肥施用是最快，最有效，最重要的农业增产措施。从1980年起，我国化肥施用量以年均4％的速度增长，使用量已经远远超过国际平均水平。目前我国已成为世界上最大的化肥生产国和消费国。尽管耕地面积只占世界耕地面积总量的7％，但我国的化肥施用量却接近世界总量的1/3。以氮肥为例，目前，国内每年施用纯氮约2100万吨，已经是美国的3倍，法国的1.5倍，德国的1.6倍，氮肥通过挥发、淋溶和径流等途径，平均损失高达45％，致使每年损失的氮素高达945万吨，相当于2050多万吨尿素。大量的肥料流失不仅增加了农业成本，造成巨大的经济损失，而且导致环境污染。中国农业在没有实现现代化的情况下，污染水平已经达到了工业化水平了，已经走出了一条高污染、高成本的道路。
化肥的大量损失引起一系列严重的环境问题，在北方某些农业高度集约化的地区氮肥的不合理施用造成地下水硝酸盐超标，有些地区竟达到100％的严重超标程度。南方经济发达地区，氮、磷肥过度施用导致地表水富营养化，湖泊遭到严重污染。我国130多个大中型湖泊已有60多个存在富营养化问题。现在江河湖海的污染一半以上来自农业，而不是来自于工业。此外，蔬菜中硝酸盐超标，大气中氧化亚氨排放量增加，沿海城市赤潮现象的发生等环境问题也与肥料的不合理施用有密切关系。因此如何提高肥料利用率，充分发挥化肥的作用，已成为我国发展现代农业和保护环境迫切需要解决的重大问题。
我国化肥年用量4300多万吨(折纯氮磷钾)，但是由于施肥技术的落后和滥用，每年农民用于购买化肥的资金高达1400亿元。尽管政府取消农业税，但远不能冲抵农资产品的涨价，农民的投入产出比严重失调。聚γ-谷氨酸作为肥料增效剂，制成聚γ-谷氨酸尿素、聚γ-谷氨酸复合肥及控释肥，能促进粮食、蔬菜、瓜果、花卉等农作物对养分的吸收，同时与农药并用可提高药效。如果全国有10％的化肥添加了这种增效剂，每年就可节约化肥458万吨(折纯)，相当于新建10个大型化肥厂。化肥的利用率若提高30％，则相当于节省420亿元的购买化肥的费用，每年可节约化肥1200多万吨，相当于每年生态环境将减少1200多万吨化肥污染的压力，由此而节约的治污费用则更为巨
大。因此聚γ-谷氨酸在化肥领域使用的潜在市场是相当大的，具有非常广阔的前景。
化肥增效剂除降低了农业生产成本，同时还能提高农作物的产量和品质，减少肥药流失导致的地表水及地下水体污染。调节了土壤的微环境和土壤结构，促进无公害农业的发展，推动相关产业和科学技术的进步。聚γ-谷氨酸增效复合肥如果用于粮食作物，以种植小麦为例，全国种植面积为15亿亩，按平均亩产300kg计，若施用聚γ-谷氨酸复合肥平均每亩增产10％，则全国可增加450亿千克的小麦，按每千克1.5元收购价格，农民能够增收675亿元。以种植水稻为例，全国种植面积为15亿亩，按平均产量400kg计，假设平均增产10％，则全国可增加600亿千克的水稻。用于经济作物则效益收益更加可观，同时还可节省20％氮肥的使用量，这对于发展我国现代高效农业和实现农业可持续发展具有极其重要的意义。
我国是一个干旱缺水严重的国家，人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4，在世界上名列110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。我国耕地面积的一半以上处于水资源紧缺的干旱、半干旱地区，旱灾是我国的主要自然灾害之一，涉及范围广、历时长，每年遭受各种自然灾害的农田面积和粮食作物减产损失中，旱灾占一半以上。每年因旱灾损失减产粮食100亿～200亿千克，干旱缺水已成为我国农业稳定发展和粮食安全供给的主要制约因素。而用聚丙烯酸、聚天冬氧酸、聚γ-谷氨酸等高分子聚合物添加在复合肥中配制成的抗旱增效复合肥，既能减少水土养分流失，又能通过水肥的交互作用起到缓释效果，提高水肥利用率，一次施用即可达到肥田好保水的双重效果。因此，在农作物缺水和干旱的地区，聚γ-谷氨酸增效复合肥具有较高的推广应用价值。
目前，随着国际金融危机对化肥企业的影响日益加重，产品滞压，而选择开发聚γ-谷氨酸尿素、硫基聚γ-谷氨酸增效复合肥、氯基聚γ-谷氨酸增效复合肥及作物专用高塔增效肥料等具有优异性能的新型肥料产品投放市场，聚γ-谷氨酸添加量少，工艺流程简单、生产成本增加不多，既使企业调整产品结构，增强市场竞争力，又能满足农民对肥料施用节支增收的需求。高效化肥及农药吸收促进剂是非常迎合当前市场，也是提高土地综合效益的有效措施，开发生产不仅得到国家的大力扶持，也得到农民的广泛欢迎。聚γ-谷氨酸增效剂和增效肥的产业化开发和应用是特别适合我国国情的简单易行的措施，成为当今肥料生产的新方向之一，市场前景十分广阔，已经越来越受到更多化肥企业的高度重视。
6 发展建议
6.1 尽快完善聚γ-谷氨酸生产工艺
聚γ-谷氨酸可以利用淀粉、糖蜜、葡萄糖、柠檬酸等原料制取，这些原料大多是农副产品，来源广泛、价格低廉，采用生物工程发酵，能合成超大分子聚合物，较之采用化学方法合成的聚天冬氨酸分子量更大，肥料增效功能更为明显。当前应加强对聚γ-谷氨酸制取关键工艺过程的研究，优化菌种培养条件，完善聚γ-谷氨酸的提取工艺，开发出工艺简单，产品纯度高、成本低、质量好的生产技术，进一步提高聚γ-谷氨酸的发酵水平和产品收率，这将有利于聚γ-谷氨酸作为化肥增效剂的推广应用，同时也使聚γ-谷氨酸增效复合肥更具经济效益和市场竞争力。
6.2 开发聚γ-谷氨酸增效复合肥新品种
聚γ-谷氨酸增效复合肥中聚γ-谷氨酸的添加量少、生产成本低，而且使用方便、抗旱保水、增产节肥效果明显，是新型的聚肽型缓释增效肥。针对不同作物和不同地区的需要，生产企业应创新化肥品种，开发生产多种类型的聚γ-谷氨酸增效肥料，除可添加在尿素中，制成聚γ-谷氨酸尿素外，还可以利用多种营养元素，制成尿基聚γ-谷氨酸增效复合肥、硫基聚γ-谷氨酸增效复合肥、硝基聚γ-谷氨酸增效复合肥，同时也可以适应经济作物种植的需要，开发出聚γ-谷氨酸增效专用肥料，加快化肥产品的更新换代，满足发展节约、效益、安全的低碳、生态、高值农业的需要。
6，3 拓展聚γ-谷氨酸及其增效复合肥的应用
作为一种新型肥料增效剂，聚γ-谷氨酸具有很好的节肥增产增收的效果，大大提高作物对肥料的利用率，合理降低肥料的施用量，减少环境污染，是保证粮食增产丰收与生态环境相协调、促进农业可持续发展的有效措施和战略需要。聚γ-谷氨酸除作为肥料增效缓释剂、植物生长促进剂和抗旱保水剂单独使用外，还可以添加除草剂、杀虫剂等生产高养分含量，制成集肥料、农药、除草剂或生长素为一体的增效复合肥新型化肥品种，这样不仅可以实现肥料的多功能化，降低农业生产成本，而且还能使农作物产量上升，达到农产品增值和农民增收的目的。
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