生物助劑在植物營養(yǎng)領域的應用

生物助劑在植物營養(yǎng)領域的應用

生物助劑在植物營養(yǎng)領域的應用微生物，微生物分泌物及酶催化產(chǎn)物等生物助劑產(chǎn)品應用于植物營養(yǎng)領域均可稱為植物生物刺激劑（plantbiostimulant）或生物刺激素。植物生物刺激素不是激素，也不是農(nóng)藥，且不同于傳統(tǒng)肥料，它以農(nóng)作物為靶標，當應用于植物或植物根系周圍時，可以刺激植物自然生理過程，以增強或有益于植物對營養(yǎng)的吸收、營養(yǎng)吸收效率的提升、對非生物脅迫的耐受性和農(nóng)作物品質(zhì)的提升。生物刺激素在植物中的應用主要通過生物刺激素、生物刺激素與營養(yǎng)元素組合形成特種肥料（生物刺激素-大量元素組合類產(chǎn)品）兩個途徑在農(nóng)業(yè)中進行規(guī)模應用。1、植物生物刺激素市場概況及空間大小植物生物刺激素的概念由來已久，最早可追溯到19世紀后葉達爾文發(fā)現(xiàn)的植物生長素，之后，Loehwing（1937年）和A．M．Kinnersley（1993年）對植物生物刺激素的概念和應用進行了描述。植物生物刺激素產(chǎn)品在全球市場已存在多年，其銷售推廣在2007年開始快速增長。2011年，歐洲生物刺激素工業(yè)委員會（EBIC）和美國生物刺激素聯(lián)盟相繼成立，并對植物生物刺激素進行了規(guī)范。2021年，全球生物刺激素的市場規(guī)模約為29億美元，年均復合年增長率超過10%，預計到2026年將達到50．4億美元，未來五年的復合增長率仍將超過10%。其中，歐洲是全球生物刺激素最大的區(qū)域市場，約占全球銷售額的40%；北美洲和亞洲約占全球銷售額25%；拉丁美洲占比相對較低。在歐洲市場，主要由西班牙、意大利和法國引領生物刺激素的生產(chǎn)和使用，促使該產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展。在北美市場，美國占該地區(qū)生物刺激素銷售額的四分之三，成為全球最大的國家市場。2018年，美國發(fā)布《2018年農(nóng)業(yè)提升法案》，將生物刺激素的定義、審核、登記及標簽納入了聯(lián)邦法律。在眾多作物中，大田作物是生物刺激素的最大使用對象，其中包括2017年約160萬公頃的玉米，并預計到2025年將有超過3，600萬公頃的玉米使用生物刺激素。在拉丁美洲，作為高價值作物的主要生產(chǎn)國，巴西是生物刺激素的主導市場。隨著Valagro公司于2017年在圣保羅州開設大型生物刺激素工廠，預計拉丁美洲的生物刺激素市場將逐步受到重視。亞太地區(qū)是生物刺激素銷售增長最快的地區(qū)。我國的環(huán)境問題導致政府大力推廣環(huán)保新型水溶性肥料，包括含有微生物、聚谷氨酸、殼寡糖、腐植酸等植物生物刺激素的水溶性肥料，國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部于2017年公開提出積極支持使用含聚谷氨酸肥料來推進化肥的減量增效2。我國植物生物刺激素增長迅速，越來越多地被整合到作物生產(chǎn)系統(tǒng)中，以改變作物的生理過程，從而優(yōu)化生產(chǎn)力。2016年，我國生物刺激素市場規(guī)模約2億美元，預計到2027年我國生物刺激素市場規(guī)模將突破11億美元。2、新型特種肥料市場概況及空間大小肥料是提供一種或一種以上植物必需的營養(yǎng)元素，改善土壤性質(zhì)、提高土壤肥力水平的一類物質(zhì)。傳統(tǒng)化學肥料包括氮肥、磷肥和鉀肥，對于糧食的增產(chǎn)有巨大的作用，但目前存在傳統(tǒng)肥料產(chǎn)能過剩、過度施肥和盲目施肥造成農(nóng)業(yè)面源污染、肥料對糧食增產(chǎn)效果降低和肥料利用率低等問題。新型特種肥料指通過一定工藝或方法將微生物、微生物分泌物及酶催化產(chǎn)物等植物生物刺激素添加到氮肥、磷肥和鉀肥等傳統(tǒng)肥料中而形成的肥料，具有減少傳統(tǒng)肥料使用量、提高肥效、改善土壤環(huán)境等特點，是生物刺激素應用于作物的重要途徑，大幅擴增了生物刺激素的應用面積。隨著《到2020年化肥使用量零增長行動方案》《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015-2030）》等方針政策的發(fā)布實施和農(nóng)戶理性用肥的意識提高，市場對新型特種肥料的認可度和需求使用量不斷增加，近年來新型特種肥料的發(fā)展呈穩(wěn)步上升趨勢。據(jù)MordorIntelligence報告，全球特種肥料市場估計將從2014年的約129億美元增長到2021年底的199．2億美元，年復合增長率為6．4%。生物基涂料行業(yè)發(fā)展概況生物基涂料與傳統(tǒng)的石油基材料相比，主要來源于植物，減少了二氧化碳的排放以及對石油的依賴，同時它的生產(chǎn)過程更加綠色，符合人們對于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的追求。到2024年生物聚合物涂料的市場規(guī)模將超過13億美元。《中國涂料行業(yè)十三五規(guī)劃》指出，到2023年，我國涂料行業(yè)總產(chǎn)值預計增長到6900億元左右。而可以預想到的是，得益于嘉寶莉生物基涂料的研發(fā)，將會引領更多的涂料企業(yè)致力于環(huán)保涂料的研發(fā)，提供更多有關環(huán)境保護的解決方案，推動經(jīng)濟社會綠色發(fā)展?？茖W家及學者認識到植物油脂是可再生資源，研發(fā)植物油涂料是今后的發(fā)展方向。擴大涂料用非食用油的來源，在國內(nèi)有很大的潛力，再加上政策支持，生物基涂料發(fā)展?jié)摿薮?。此外，根?jù)油脂和醇酸樹脂分子結構的特點，可以用酚醛、氨基、環(huán)氧、丙烯酸、聚氨酯、有機硅，氟樹脂、烴類樹脂、天然樹脂等多種途徑，對其改性，以提高涂料的物化特性，使其廣泛用于不同行業(yè)和不同的領域。生物基重防腐涂料（腰果殼油環(huán)氧樹脂體系）水性生物納米防水涂料、水性生物帶銹防銹涂料、生物基防污涂料（用天然防污劑即采用由多種海洋及陸地的動植物中提取防止海生物污損的物質(zhì)，來制造防污涂料）等相繼問世。生物基材料分類按產(chǎn)品屬性分類，生物基材料可分為生物基聚合物、生物基塑料、生物基化學纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基材料助劑、生物基復合材料及各類生物基材料制得的制品等。其中，生物基可降解材料具有傳統(tǒng)石油基塑料等高分子材料不具備的綠色、環(huán)境友好、原料可再生以及可生物降解的特性；生物基纖維已廣泛應用于時裝、家居、戶外及工業(yè)領域，正逐步走向工業(yè)規(guī)?；瘜嶋H應用和產(chǎn)業(yè)化階段；生物基塑料產(chǎn)品在包裝材料、一次性餐具及購物袋、嬰兒紙尿褲、農(nóng)地膜、紡織材料等領域獲得較好地應用，并被市場普遍認可與接受。按常見產(chǎn)品形式，生物基材料主要可分為五大類：生物基平臺化合物、生物基塑料、多糖類生物基材料、氨基酸類生物基材料、木塑復合材料。其中，生物基平臺化合物即聚合成原材料高分子的化學單體，如乳酸，1，3-丙二醇等；生物基塑料是目前應用最廣泛、研究較深入的生物基材料，代表產(chǎn)品有聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯等。生物基化學纖維行業(yè)概況生物基化學纖維是利用農(nóng)林海洋廢棄物副產(chǎn)物加工而成，是來源于可再生生物質(zhì)的一類纖維。生物基化學纖維具有綠色、環(huán)境友好、原料可再生以及生物降解等優(yōu)良特性，有助于解決當前全球經(jīng)濟社會發(fā)展所面臨的資源和能源短缺、環(huán)境污染等問題。生物基化學纖維的發(fā)展重點是突破生物基化學纖維產(chǎn)業(yè)化關鍵裝備的制造，攻克生物基化學纖維及原料產(chǎn)業(yè)化技術瓶頸，實現(xiàn)生物基化學纖維的規(guī)?；a(chǎn)，同時進一步拓展在服裝、家紡和產(chǎn)業(yè)用紡織品領域的應用。2015年至2020年，我國化學纖維工業(yè)總產(chǎn)量由4872萬噸增長至6025萬噸，整體呈上升趨勢。從我國化學纖維產(chǎn)量主要品種構成來看，滌綸是占比最高的化學纖維。2019年滌綸產(chǎn)量占全國化纖工業(yè)總產(chǎn)量的比例為81．53%；其次是粘膠纖維，產(chǎn)量占比為7．08%。2015年，我國生物基化學纖維的產(chǎn)能約為19．55萬噸，2019年其產(chǎn)能增至57．98萬噸。生物基化學纖維的品種眾多：從生物學的屬性，可分為動物質(zhì)纖維、植物質(zhì)纖維和微生物質(zhì)纖維；從產(chǎn)業(yè)分類，可分為農(nóng)副產(chǎn)生物質(zhì)纖維和海副產(chǎn)生物質(zhì)纖維。根據(jù)生產(chǎn)過程，生物基纖維可分為三大類：1）生物基原生纖維，經(jīng)物理方法加工處理成后直接使用的動植物纖維；2）生物基再生纖維，即以天然動植物為原料，經(jīng)過物理或化學方法制成紡絲溶液，而后通過適當?shù)募徑z工藝制備而成的纖維；3）生物基合成纖維，以生物質(zhì)為原料，通過化學方法制成高純度單體，而后經(jīng)過聚合反應獲得高分子量的聚合物，再經(jīng)適當?shù)募徑z工藝加工成的纖維。生物基復合材料行業(yè)發(fā)展概況淀粉基生物降解塑料：一般是改性淀粉與生物降解聚酯（如PLA/PBAT/PBS/PHA/PPC等）的共混物，它能夠完全生物降解，可堆肥，對環(huán)境無污染，廢棄物適合堆肥、填埋等處理方式。以淀粉為基礎的生物基塑料：一般是改性淀粉與聚烯烴（如PP/PE/PS等）的混合物。它的環(huán)保意義在于能夠減少石化資源的使用，減少二氧化碳排放，廢棄物適合焚燒處理。改性淀粉具有三大特點：1．疏水性。淀粉經(jīng)化學改性后完全疏水，并且水分含量＜1%，與其它合成高分子材料具有良好的相容性。2．耐溫性。改性淀粉在熱塑加工過程中可承受230℃的高溫而不變黃、不分解。3．熱塑性。改性淀粉能夠在塑料加工設備上熱塑加工。隨著消費者對塑料產(chǎn)品偏好的逐漸轉(zhuǎn)移，可再生環(huán)保材料受市場追捧熱度不斷升溫。受其影響，生物基塑料市場需求力度加大。隨著各國政府對生物塑料的重視。RnRMarketResearch公司稱，近年來各國相繼出臺限塑令，不斷加大對傳統(tǒng)塑料使用的監(jiān)管力度，這有利于進一步推高生物基尤其是淀粉基塑料的需求走勢。目前，國內(nèi)淀粉基材料及制品主要生產(chǎn)企業(yè)及現(xiàn)狀：武漢華麗6萬噸/年；深圳虹彩2．5萬噸/年；蘇州漢豐1萬噸/年；浙江天禾3．5萬噸/年；浙江華發(fā)1萬噸/年；山東必可成1萬噸/年；其它生產(chǎn)企業(yè)還包括南京比澳格、常州龍駿等。木塑復合材料（Wood-PlasticComposites，WPC）是以木纖維和植物纖維為主要原料（鋸木、木屑、竹屑、稻殼、麥秸、大豆皮、花生殼、棉秸稈等），再和各種塑料（PE、PP、PVC、ABS和PE等），添加其他化學助劑，按一定比例混合，經(jīng)高溫擠塑模具擠出成型。木材的供應不足已經(jīng)成為世界許多國家普遍存在的問題。木塑復合材料作為理想的代木代塑新材料，具有防腐防蛀、防水防潮、耐磨阻燃、節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)再利用、力學性能強等諸多優(yōu)點，其前景在國內(nèi)外均被看好。目前我國木塑復合材料及制品的制造水平、產(chǎn)量及出口量已躍居世界前列，但從木塑復合材料行業(yè)競爭格局看，美國在木塑復合材料的生產(chǎn)開發(fā)和應用上依然居于世界領先地位。相較美國木塑復合材料格局而言，差距具體表現(xiàn)在目前國內(nèi)木塑復合材料生產(chǎn)企業(yè)普遍規(guī)模較小、行業(yè)集中度低，真正有品牌影響力的企業(yè)很少，產(chǎn)品應用領域和創(chuàng)新能力均有待提升。竹塑復合材料（BambooPlasticComposite，簡稱BPC）是以經(jīng)過預處理改性的竹鋸末、竹屑或竹渣等纖維為主要原料，利用高分子化學界面融合原理，與熔融熱塑性樹脂（主要有PE，PP，PVC等）按一定比例混合，在助劑的作用下，經(jīng)過高溫混煉和成型加工而制得的一種具有多種用途的新型復合材料。在竹塑復合材料成分構成中，基體材料是樹脂，竹纖維作為增強材料能夠提高塑料的物理學性能，使廢舊塑料得到循環(huán)利用，改善生態(tài)環(huán)境。產(chǎn)品的主要用途：竹塑復合板材的適用范圍比較寬泛，多種類的產(chǎn)品具有比較大的選擇性。目前主要應用在樹箱、戶外鋪板、室內(nèi)地板、戶外裝飾扶手等領域。產(chǎn)品性能：竹塑復合板材可鋸、可刨、可釘，加工性能好，克服了天然木材耐用性差、易燃、易潮、易腐等缺點；又避免了單純塑料材質(zhì)的不足之外，是一種適應性較強的竹塑復合板材。與木材相比，它各向同性好、耐候性和尺寸穩(wěn)定性也好，產(chǎn)品不怕蟲蛀、不生真菌、抗強酸強堿、不吸收水分、不易變形、機械性能好，制品耐用性比單純的木質(zhì)材料高數(shù)倍，且有堅硬、強韌、耐久、耐磨等優(yōu)點。與塑料相比，它適用于各種木材加工方式，表面易于裝飾，可印刷、油漆、噴除、覆膜，且產(chǎn)品可回收利用，環(huán)保性能好，可生產(chǎn)各種顏色的整體木紋產(chǎn)品及單色產(chǎn)品。可降解塑料是指使用后可在自然環(huán)境條件下降解成對環(huán)境無害物質(zhì)的一類塑料。我國是全球塑料制品生產(chǎn)和消費大國，近年來，隨著環(huán)保監(jiān)管日益嚴格，以及國內(nèi)禁限塑政策逐步落地，可降解塑料行業(yè)迎來了良好發(fā)展時機。生物可降解塑料配套助劑是生物可降解塑料重要的伴生產(chǎn)業(yè)。面對近年來生物可降解塑料生產(chǎn)和需求發(fā)展的迅猛勢頭，作為生物可降解塑料的配套助劑正面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。全球范圍內(nèi)，可降解塑料配套助劑生產(chǎn)企業(yè)包括美國科騰、SharedPlastics、美國陶氏、德國BASF公司、日產(chǎn)化學、三井武田等企業(yè)。從國內(nèi)市場來看，我國可降解塑料配套助劑相關研究和生產(chǎn)企業(yè)有山西省化工研究所、煙臺萬華、蘇州漢豐新材料、武漢合中生物化工等。相比于歐美國家，我國可降解塑料配套助劑行業(yè)起步較晚，現(xiàn)階段仍處于起步階段，高端產(chǎn)品進口依賴度較高，未來我國可降解塑料配套助劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展任重而道遠。近年來，多重利好因素推動下，我國可降解塑料產(chǎn)能擴張迅速，可降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度加快，可降解塑料配套助劑作為可降解塑料的伴生產(chǎn)業(yè)，其市場需求持續(xù)釋放。我國可降解塑料配套助劑產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前行業(yè)發(fā)展仍處于起步階段，且高端產(chǎn)品多依賴進口，可降解塑料配套助劑空間廣闊。全球生物柴油需求高速增長2020年全球生物柴油產(chǎn)量4290萬噸，同比增長2．8%。從產(chǎn)地上看，歐盟是全球最大生物柴油產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量占比約30%，印度尼西亞是全球最大生產(chǎn)國，產(chǎn)量占比約19%。從原料結構來看，棕櫚油是生物柴油最大原料來源，占比約39%，豆油、菜籽油占比分別為25%、15%，廢棄油脂制生物柴油只占10%。生物基助劑行業(yè)發(fā)展概況助劑，又稱添加劑，是高分子材料工業(yè)中不可缺少的重要組成部分。生物基助劑是指利用生物質(zhì)或經(jīng)由生物制造得到的材料為原料制成的助劑。生物基助劑具備綠色、環(huán)保、低毒或無毒、來源可再生等特性，能替代化石基助劑，有效緩解資源短缺，是可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。參考標準GB/T39514-2020《生物基材料定義、術語和標識》，可將生物基材料助劑分為生物基增塑劑、生物基阻燃劑、生物基膠黏劑、生物基潤滑劑、生物基清潔劑、生物基表面活性劑和生物基其他助劑。增塑劑是一種添加到高分子聚合物中增加其塑性，優(yōu)化其加工性能，賦予制品柔軟性的有機物。以鄰苯二甲酸酯為代表的傳統(tǒng)增塑劑普遍具有易揮發(fā)性，當其滲透或遷移出聚合物后，將使產(chǎn)品喪失柔性，影響產(chǎn)品質(zhì)量。且鄰苯二甲酸酯類增塑劑普遍具有毒性，危害生殖系統(tǒng)并有致癌風險。阻燃劑的作用機理：在材料燃燒時抑制一種或多種要素的產(chǎn)生，達到阻止或減緩燃燒的目的。鹵系阻燃劑在高溫下會產(chǎn)生鹵化氫、二噁英等有毒物質(zhì)，對人體有害。2006年開始，歐美國家開始嚴格限制鹵素阻燃劑的應用。生物基材料可以代替鹵系阻燃劑的原因：生物基材料含碳量高、具有多羥基結構，具有優(yōu)異的成炭性能。通常生物質(zhì)單獨作為阻燃劑，對PLA的阻燃效果不佳，需要對其改性或與其他阻燃劑進行復配。但是添加量超過10%，在提高PLA阻燃性能時，會導致力學性能的下降，影響其使用性能。生物助劑行業(yè)概況生物基材料（Bio-basedMaterials）是指利用可再生生物質(zhì)或（和）經(jīng)由生物制造得到的原料，通過生物、化學、物理等手段制造的一類新型材料，如生物塑料、生物質(zhì)功能高分子材料等。生物基材料區(qū)別于用煤、石油等不可再生石化資源為原料生產(chǎn)的傳統(tǒng)化工材料產(chǎn)品，其具有原料可再生、減少碳排放、節(jié)約能源等特性，部分品類還具有良好的生物可降解性，是國際新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。展望未來，生物基材料有望在部分應用領域逐步替代傳統(tǒng)石油基材料，成為引領科技創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展的新型產(chǎn)業(yè)，并作為綠色低碳發(fā)展的主要途徑及低碳經(jīng)濟增長的亮點。目前，常見的生物基材料是以谷物、豆科、秸稈、竹木粉等可再生生物質(zhì)通過生物轉(zhuǎn)化獲得生物高分子材料或單體，然后進一步聚合形成的環(huán)境友好的化工產(chǎn)品和綠色能源等高分子材料，如包括沼氣、燃料乙醇、生物柴油和生物塑料等。此外，生物基材料還可以經(jīng)由生物制造、生物合成方法等設計或改造的生物系統(tǒng)產(chǎn)生和獲得。生物柴油行業(yè)發(fā)展概況生物燃料（Biofuel）主要包括燃料乙醇、生物柴油、航空生物燃料等，年均復合增速4．1%。生物柴油根據(jù)結構分為脂肪酸甲酯（FAME）、氫化油（HVO/HEFA），狹義上生物柴油指脂肪酸甲酯/乙酯，其根據(jù)原料來源分為豆油甲酯（SME）、棕櫚油甲酯（PME）、菜籽油甲酯（RME）、廢棄食用油甲酯（UCOME）、微生物制脂肪酸甲酯等。生物柴油主產(chǎn)地有美國、歐盟、巴西、阿根廷、印度尼西亞等。按制備工藝分類，可分為以脂肪酸甲酯為主要成分的第一代生物柴油（FAME）和氫化、異構化處理后得到的第二代生物柴油（HVO）。第一代生物柴油技術成熟、成本低，目前占比在85%以上，根據(jù)反應特點可分為酸或堿催化法、生物酶法和超臨界法等，其中酸或堿催化法目前使用較為普遍。海外