昆虫源壳聚糖基磷酸盐回收水凝胶的农业应用：从废水治理到缓释肥料的可持续闭环

针对废水富营养化与磷资源不可持续问题，印度理工学院罗尔基分校团队利用黑水虻蜕皮壳聚糖（BSF）开发了负载水合氧化铁（HFO）的FeCC水凝胶吸附剂，实现磷酸盐选择性吸附（2 mg/g）与土壤中85%生物降解，其缓释特性使含5%磷量的处理组即可达到过磷酸钙（SSP）肥料等效促生长效果，为废水-农业循环经济提供创新方案。

　　

全球水资源正面临富营养化的严峻挑战，而磷酸盐作为主要诱因之一，其矛盾性在于：它既是水体污染的元凶，又是农业不可或缺的营养元素。传统磷矿资源面临枯竭风险，而污水处理厂排放的磷酸盐却难以回收利用。更棘手的是，现有除磷技术如化学沉淀法会产生大量污泥，反渗透能耗极高，生物法则存在二次污染风险。这种"治理即浪费"的困境促使科学家寻找能将污染物转化为资源的闭环解决方案。

印度理工学院的研究团队将目光投向自然界的高效转化者——黑水虻（Hermetia illucens）。这种昆虫能以厨余垃圾为食，但其蜕下的外骨骼（exuviae）往往被废弃。研究显示，这些"昆虫废料"富含α-壳聚糖（含量达9%），且含有6%的氮元素。基于此，团队创新性地开发出FeCC复合水凝胶，通过将水合氧化铁（HFO）纳米颗粒嵌入壳聚糖-羧甲基纤维素（CMC）基质，既实现磷酸盐特异性捕获，又具备缓释肥料功能。

研究采用多学科技术手段：从BSF幼虫培养（以菌群预处理厨余垃圾为饲料）到壳聚糖提取（酸碱交替脱矿与脱乙酰化）；通过溶胶-凝胶法合成HFO纳米颗粒；采用FTIR和XPS证实磷酸盐与HFO通过内层络合（inner sphere complex）结合；吸附动力学分析采用Freundlich模型和准二级动力学；植物实验选用芥菜型油菜比较FeCC与过磷酸钙（SSP）的肥效。

关键结果

1. 材料特性：FeCC具有35倍自重吸水率，FTIR显示HFO成功负载，XPS证实Fe-O-P键形成（结合能712.3 eV）。
2. 吸附性能：在共存离子（NO₃^-、SO₄^2-）干扰下仍保持2 mg/g吸附量，pH 3-9范围内效率>80%。
3. 缓释特性：10天内pH 5/7/9溶液中磷酸盐释放率>97%，土壤中90天降解85%，符合一级释放动力学。
4. 肥效验证：仅含SSP 5%磷量的FeCC处理组使油菜生物量达对照组1.8倍，茎长增加32%，且叶片氮含量显著提升（p<0.05）。

结论与意义
该研究构建了"厨余垃圾-昆虫养殖-废水处理-农业应用"的完整物质循环链：BSF转化有机废物产生壳聚糖原料；FeCC吸附剂精准回收废水磷酸盐；降解后的材料又作为氮磷双营养缓释肥回归农田。相较于传统工艺，这种方案减少93%磷矿消耗，降低污水处理污泥产量，同时通过壳聚糖的保水特性（water-retaining hydrogel）缓解干旱地区灌溉压力。发表于《Environmental Research》的这项成果，为同时应对水资源保护、粮食安全与循环经济三大可持续发展目标提供了教科书级的范例。