碳納米管在農(nóng)業(yè)中的應用研究進展

袁程飛，謝伶俐，陳 帆，許本波

(長江大學 生命科學學院，湖北 荊州 434025)

碳納米管在農(nóng)業(yè)中的應用研究進展

袁程飛，謝伶俐，陳 帆，許本波*

(長江大學 生命科學學院，湖北 荊州 434025)

碳納米管為一種新型納米材料，在新能源、新材料、生物傳感器等諸多領域得到廣泛關注和應用。由于其具有優(yōu)異的跨膜能力和吸附效應等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)上也得到廣泛關注和應用。綜述了碳納米管在植物生長發(fā)育調(diào)控、植物病害防治及環(huán)境保護等方面的作用，探討了其在農(nóng)業(yè)上的應用前景，為利用碳納米管調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、防治植物病害、消除環(huán)境污染奠定基礎。

碳納米管； 農(nóng)業(yè)； 抑菌； 環(huán)境保護

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍 (1～100 nm) 或由它們作為基本單元構成的材料。由于納米材料良好的機械、光學、化學及生物學特性，使其具有高硬度、高韌性、低溫超塑性和易加工等傳統(tǒng)材料無與倫比的優(yōu)點，目前正被廣泛應用于能源、醫(yī)藥、細胞和組織培養(yǎng)、電子、新材料和環(huán)境保護等方面。1993年，Iijima等[1]首次在高分辨率透射電鏡下發(fā)現(xiàn)了碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)，其徑向尺寸和軸向尺寸均為微米量級，管子兩端封口，由于其獨特的結構和獨有物理、化學、生物學特性以及巨大應用潛力而備受人們的關注。目前，關于碳納米管的研究主要集中在新能源[2]、新材料[3]和生物傳感器[4]等方面，而在農(nóng)業(yè)上的研究相對較少，主要集中在植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)[5]、植物病害防治[6]、環(huán)境保護[7]等方面，為此從上述三方面綜述了碳納米管在農(nóng)業(yè)上的應用研究進展，為利用碳納米管調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、防治植物病害、治理環(huán)境污染奠定基礎。

1 碳納米管對植物生長發(fā)育的影響

碳納米管可以進入植物組織細胞，從而影響植物的生長和發(fā)育，影響植物體內(nèi)物質代謝[8]。Canas等[9]研究發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管對洋蔥和黃瓜根的伸長具有促進作用。低濃度多壁碳納米管可以穿過番茄種子的種皮，提高種子的吸水量，進而促進種子發(fā)芽及根、莖的生長，增加總生物量[10]。多壁碳納米管除了可以促進番茄生長、提高其生物量外，還能夠影響土壤中微生物的組成，使厚壁菌和擬桿菌數(shù)量增加[11]。Mondal等[12]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的多壁納米管和氧化多壁納米管能夠增加芥菜種子含水量，提高根組織的吸水率和運輸效率。另外，Liu等[13]發(fā)現(xiàn)，碳納米管還可作為分子轉運載體進入煙草細胞，并可傳遞不同的物質進入到不同的植物細胞器中，這其中就包括礦質元素。Tiwari等[14]研究表明，低濃度的多壁納米管能夠促進玉米幼苗對水分的吸收，加速其生長，進而提高其生物量，并且提高了植株對Fe2+、Ca2+的吸收效率。綜上所述，碳納米管能夠影響植物種子及根對水分的吸收，進而影響植物對養(yǎng)分的吸收，從而促進植物的生長和發(fā)育[13]。除了上述碳納米管對植物生長發(fā)育的積極作用外，也發(fā)現(xiàn)了一些碳納米管的副作用。在對水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，多壁碳納米管對懸浮培養(yǎng)的水稻細胞有毒害作用，并引起部分細胞的團聚[15]，誘導水稻細胞ROS積累和氧化脅迫[16]；同時還發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管會導致水稻開花推遲和結實率下降，產(chǎn)量減少[17]。因此，碳納米管對植物生長發(fā)育的影響是復雜多變的，這主要取決于碳納米管的類型[9]、濃度[18]、粒徑[19]以及植物基因型[9]。

碳納米管可以影響植物的生長發(fā)育，而植物的生長發(fā)育在一定程度上是通過基因的表達來調(diào)控的。因此，碳納米管可能是影響了相關基因的表達，從而影響植物的生長發(fā)育。Khodakovskaya等[20]研究表明，多壁碳納米管能夠誘導番茄葉片和根部一些未知基因的表達，使其與應激相關基因的轉錄水平上調(diào)，其中包括水通道蛋白基因LeAqp2，并上調(diào)與細胞分裂和分化相關基因的表達水平。低濃度的多壁碳納米管還能夠提高煙草水通道蛋白基因NtPIP1及與細胞分化相關的NtLRX1基因的轉錄水平[21]。此外，多壁碳納米管還可以使大麥(PIP1)、玉米(PIP1-1)和大豆(IP1-2)的水通道蛋白基因轉錄水平上調(diào)[22]。Vander等[23]研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥PIP1基因過表達增強了擬南芥對干旱脅迫的耐受性。該研究間接說明，用多壁碳納米管處理植物有可能提高植物的耐旱性。García-Sánchez等[24]比較分析不同處理擬南芥的轉錄組發(fā)現(xiàn)，碳納米管能抑制擬南芥中與根毛發(fā)育相關基因的表達，上調(diào)與脅迫相關的一些基因、ABA合成關鍵基因NCED及部分植物生長素響應因子的轉錄水平，并激活激素運輸相關基因的表達。綜上，碳納米管能影響一系列基因的表達，可激活一些耐逆相關基因，但這方面的研究還有待于深入進行。

2 碳納米管在植物病原菌防治中的應用

2007年，Kang等[25]首次研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有抗菌能力。而后大量研究證明，碳納米管對革蘭氏陽性菌[26]和革蘭氏陰性菌[27]等均具有抑菌作用，是一種廣譜抗菌劑。在此基礎上，一些科學家將碳納米管用于植物病害的防治研究。Wang等[28-29]研究發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管和多壁碳納米管對植物青枯病有良好的防御能力，對禾谷鐮刀菌和尖孢鐮刀菌也具有高效抑菌作用。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管的抑菌作用是建立在碳納米管與病原菌細胞表面有效接觸的基礎上的[25]，其可能的殺菌機制主要是細胞膜損傷(物理穿刺作用)和氧化應激反應[30]，而這種物理性的抑菌作用不容易引起病原菌的抗性，從而有望成為一種新型殺菌劑來防御植物病害。

在應用中發(fā)現(xiàn)，碳納米管表面缺少羥基(-OH)和羧基(-COOH)等功能基團，抗菌活性有限，因此需要對碳納米管進行改性。如納米銅具有較強的殺菌能力，但是納米銅容易在水中囤聚，影響了其殺菌活性，將納米銅負載在碳納米管上，由于碳納米管具有巨大的比表面積，能夠裝載這些金屬及其氧化物，從而解決銅納米粒子的分散性和穩(wěn)定性差的問題，提高其殺菌效率，還能夠有效發(fā)揮碳納米管和銅納米材料的協(xié)同殺菌效果[31]。

3 碳納米管在環(huán)境保護中的應用

3.1 碳納米管在水污染治理中的應用

碳納米管具有比表面積大、表面疏水性強和π電子系統(tǒng)共軛等特點，這些都使得碳納米管對有機物和無機物具有很強的吸附親和力。因此，碳納米管是一種良好的吸附材料，在污水治理方面有廣闊的應用前景。

3.1.1 碳納米管對重金屬的吸附 一些常見的重金屬，如Cd2+、Ni2+、Pb2+、Cr2+和Hg+等都是高毒性、難降解的環(huán)境污染物，對生態(tài)環(huán)境危害巨大，對人類健康存在潛在的巨大威脅。Tofighy等[32]研究表明，碳納米管對水中的二價重金屬離子(Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Co2+)具有良好的吸附能力，且其具有一定的再生能力，再生不影響其吸附效果，極大方便了碳納米管的循環(huán)使用。雖然碳納米管具有很多的優(yōu)點，但也存在一些實際應用問題，如碳納米管從水溶液中回收困難、吸附的選擇性差、容易聚集沉淀等。因此，在將碳納米管應用于吸附除去水中污染物之前，需要對碳納米管進行表面改性，而表面改性主要是通過碳納米管自身官能團的改變及其與其他材料復合形成復合材料來實現(xiàn)的。Peng等[33]首次采用碳納米管-磁性金屬氧化物復合材料去除水中的Pb2+和Cu2+，該復合材料可采用簡便的磁處理將其分離，可有效解決碳納米材料回收難的問題。

3.1.2 碳納米管對有機物的吸附 碳納米管除了對重金屬離子具有良好的吸附能力外，對有機物也有很強的吸附能力。多壁碳納米管對水中有機污染物1，2-二氯苯的吸附效果遠遠好于活性炭[34]，其對二惡英的吸附量也明顯高于活性炭和γ-Al2O3[35]。另外，碳納米管對脂肪烴[36]、酮[37]、胺[38]、酚[39]等也具有很強的吸附能力。而且，硝酸、檸檬酸和高錳酸鉀處理過的碳納米管比未處理的碳納米管吸附能力更強[38]。

3.2 碳納米管在農(nóng)藥殘留檢測中的應用

隨著電分析化學的發(fā)展，人們開始采用電分析方法檢測農(nóng)藥殘留物，且具有很好的效果。趙崢逸等[40]利用多壁碳納米管修飾玻碳電極(MWCNTs/GC)建立了除草劑敵草隆的快速檢測方法，MWCNTs修飾電極靈敏度高、穩(wěn)定性好、檢測線性范圍較廣、抗干擾性好。屈永霞等[41]利用多壁碳納米管修飾玻碳電極建立了一種新的檢測百草枯的電化學分析方法。

碳納米管不僅可以作為基礎電極的修飾材料，同時也可作為酶的固定材料。劉潤等[42]將乙酰膽堿酯酶(AchE)和牛血清白蛋白固定在羧基化多壁碳納米管修飾玻碳電極表面，利用乙酰膽堿酯酶能夠選擇性地催化底物水解，且其催化活性能被有機磷農(nóng)藥抑制的特性，制成用于測定有機磷農(nóng)藥的生物傳感器。

3.3 碳納米管在重金屬污染檢測中的應用

碳納米管修飾電極不僅能用來檢測農(nóng)藥殘留，還能用來檢測重金屬種類和含量。Wu等[43]利用多壁碳納米管修飾電極，在不引入汞膜的條件下在水中可同時檢測Cd2+和Pb2+含量，此電極性能穩(wěn)定、選擇性強。肖亦等[44]報道了用碳納米管修飾玻碳電極同時測定土壤中Cu2+和Cd2+含量的電分析方法。

4 展望

盡管碳納米管能夠影響植物種子的萌發(fā)及根系的發(fā)育，但因納米材料的種類和植物基因型不同，其產(chǎn)生的效果不同[8-19]，目前上述影響機制尚不明確。因此，需要借助當前的分子生物學手段(如基因組及轉錄組)揭示碳納米管影響植物生長發(fā)育的代謝途徑及作用機制。在此基礎上，更好地利用碳納米管材料調(diào)控植物的生長發(fā)育，服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管影響水通道蛋白等基因的表達[20-22]，從而影響植物對水分的吸收和轉運，因此其在農(nóng)業(yè)上具有廣泛的應用前景，而且目前已經(jīng)取得一些成果，但需深入研究碳納米管是否能提高植物耐旱性，以及如何將碳納米管應用于植物耐旱性。現(xiàn)有研究表明，碳納米管有可能對生物體產(chǎn)生一定毒性，因此需要深入研究碳納米管的作用原理，保證其安全性和穩(wěn)定性是未來研究的重點，也是應用碳納米管的前提。

雖然碳納米管技術已經(jīng)在植物病害防治方面有一些應用報道，但只在少數(shù)病害的防御上有成功報道，因此其應用范圍狹小，迫切需要進一步擴大其抑菌對象。同時需要利用新技術不斷降低使用成本。碳納米管是一種良好的吸附材料，在污水治理方面有廣闊的應用前景，但對其本身是否污染環(huán)境需要進一步研究。

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Research Progress on Applications of Carbon Nanotubes in Agriculture

YUAN Chengfei,XIE Lingli,CHEN Fan,XU Benbo*

(College of Life Science,Yangtze University,Jingzhou 434025,China)

Carbon nanotubes(CNTs) serve as a new kind of nanophase materials,which have been widely used in new energy,new materials and biosensor.In this paper,the applications of carbon nanotubes in plant growth regulation,plant disease control and environmental protection were summarized,and its application prospect in agriculture was discussed,which laid the foundation for the applications of carbon nanotubes in regulating plant growth,controlling plant disease and protecting environment.

carbon nanotubes; agriculture; bacteriostasis; environmental protection

2015-09-15

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2011AA10A104)

袁程飛(1989-)，男，湖北襄陽人，在讀碩士研究生，研究方向：植物生物技術。E-mail:511825116@qq.com

*通訊作者：許本波(1977-)，男，湖北安陸人，副教授，博士，主要從事植物生物技術研究。 E-mail:benboxu@yangtzeu.edu.cn

X85;TB383.1

A

1004-3268(2016)02-0007-05