【學術亮點】Hybridizing Mg–Fe Layered Double Hydroxide with Pectin Natural Polymer for Organic Ligand-Responsive Phosphate Release: An Innovative Controlled-Release Phosphorus Fertilizer
Ecological Agriculture: Optimization and Validation of Soil Carbon Sequestration Prediction Models【Department of Soil Environmental Sciences / Tzou, Yu-Min / Distinguished Professor、Liu, Yu-Ting / Distinguished Professor】
生態農業：土壤碳蓄存之預測模型優化及驗證【土壤環境科學系/鄒裕民特聘教授、劉雨庭特聘教授】
| 論文篇名 | 英文：Hybridizing Mg–Fe Layered Double Hydroxide with Pectin Natural Polymer for Organic Ligand-Responsive Phosphate Release: An Innovative Controlled-Release Phosphorus Fertilizer 中文：將鎂鐵層狀雙氫氧化物與果膠天然高分子混成：創新型具有機酸響應性的控釋磷肥 |
| 期刊名稱 | Journal of Agricultural and Food Chemistry |
| 發表年份,卷數,起迄頁數 | 2025, 73, 7131-7139 |
| 作者 | Li, Wen-Hui; Hsu, Liang-Ching; Chen, Han-Yu; Chen, Yi-Chun(陳奕君); Teah, Heng Yi; Kung, Yu-Yu; Tzou, Yu-Min(鄒裕民); Liu, Yu-Ting(劉雨庭)* |
| DOI | 10.1021/acs.jafc.4c12454 |
| 中文摘要 | 磷（P）對植物生長至關重要，但其在農業上的利用常受土壤固定與環境流失的限制。本研究以蘋果與柑橘來源的果膠（pectin-A/C）與鎂鐵層狀雙氫氧化物（Mg–Fe LDH）進行混成，開發出一種可受有機酸調控的磷酸鹽（PO₄）釋放系統。我們評估了不同金屬前驅物濃度下所得 LDH 複合物（0.5LDH-A/C、2.5LDH-A/C）的結構特性與磷酸鹽釋放行為。所有複合材料的 PO₄ 吸附量均高於未改質的 Mg–Fe LDH，其中 2.5LDH-A 的吸附量達到 118.2 mg g⁻¹。在釋放動力學方面，0.5LDH-A/C 能持續緩釋至 1056 小時，而 2.5LDH-A/C 在 4 mM 檸檬酸存在下則釋放出 87.7% 的 PO₄，展現了對有機酸的響應性。同步輻射光譜結果顯示，LDH 層中鐵的取代及 Fe(III)-P 物種的形成是影響 PO₄ 釋放的關鍵因素。0.5LDH-A/C 的長效緩釋特性與 2.5LDH-A/C 的有機酸響應行為，凸顯了這些材料在提升肥料利用效率、保障糧食安全並降低環境衝擊方面的潛力，對永續農業發展具有重要意義。 |
| 英文摘要 | Phosphorus (P) is vital for plant growth, but its agricultural use is limited by soil fixation and environmental loss. This study developed an organic ligand-responsive phosphate release system by hybridizing magnesium–iron-layered double hydroxides (Mg–Fe LDH) with pectin from apple and citrus (pectin-A/C). Structural properties and phosphate (PO4) release of LDH hybrids with different concentrations of metal precursors (0.5LDH-A/C, 2.5LDH-A/C) were evaluated. All hybrids exhibited higher PO4 sorption than pristine Mg–Fe LDH, with 2.5LDH-A reaching 118.2 mg g–1. Phosphate release kinetics showed that 0.5LDH-A/C provided slow release up to 1056 h, while 2.5LDH-A/C released 87.7% PO4 with 4 mM citrate, responding to organic ligands. Synchrotron spectroscopy revealed that Fe substitution in LDH layers and Fe(III)-P species was the key influencing PO4 release. The slow-release behavior of 0.5LDH-A/C and the ligand responsiveness of 2.5LDH-A/C highlight their potential to enhance sustainable agriculture by improving fertilizer efficiency, ensuring food security, and minimizing environmental impact. |
| 發表成果與本中心研究主題相關性 | 此研究對永續農業創新發展中心的貢獻，在於開發出兼具高效養分利用與環境友善的新型磷肥材料。傳統磷肥常受土壤固定與流失影響，降低利用率並造成水體污染。本研究將果膠（pectin-A/C）與鎂–鐵層狀雙氫氧化物（Mg–Fe LDH）混成，建立一種可受有機酸調控的磷酸鹽（PO₄）釋放系統，展現長效緩釋與環境響應雙重特性。結果顯示，0.5LDH-A/C 可長時間穩定釋放磷，減少重複施肥需求；2.5LDH-A/C 則能隨根際有機酸的存在快速響應釋放磷素。同步輻射光譜分析進一步揭示，Fe 取代及 Fe(III)-P 物種的形成是調控 PO₄ 釋放的關鍵機制。 本研究成果對中心的核心理念具有直接意義：1. 保障糧食安全:提升肥料利用效率，促進作物養分吸收。2. 降低環境衝擊:減少磷流失與水體優養化風險。3. 推動農業創新:建立智慧型肥料研發基礎，契合低碳與永續發展目標。綜合而言，本研究不僅拓展了控釋肥料的新方向，也為中心在資源循環利用與永續農業創新提供了具體而前瞻的研究支持。 |
