納米科技如何影響農(nóng)業(yè)，又將推動(dòng)農(nóng)業(yè)走向何方？

文/本刊編輯 李冬霞，陳紅新，朱煥煥，劉艷鵬

納米技術(shù)的基石是納米材料，納米材料的概念最初是在20世紀(jì)80年代初期由德國(guó)學(xué)者Gleiter教授提出的，并首次獲得了人工制備的納米晶體[1]。隨著物質(zhì)的超微化，納米材料產(chǎn)生了與宏觀物質(zhì)不同的理化性質(zhì)，使其具有了普通材料不具備的優(yōu)越性能，因而在新材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在過(guò)去的30年中，納米技術(shù)的研究及應(yīng)用主要集中在電子、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域，當(dāng)然也包括農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)而言，納米材料與生產(chǎn)環(huán)境的相容性非常重要。農(nóng)業(yè)較其他領(lǐng)域來(lái)說(shuō)具有特殊性，其生產(chǎn)是在相對(duì)開(kāi)放的環(huán)境中進(jìn)行，能量和物質(zhì)在土壤—大氣—生物之間自由地交換。納米材料對(duì)于土壤、大氣、微生物和植物的影響直接影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，所以，研究納米材對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的影響尤為重要。

目前，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在植物保護(hù)、作物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)和土壤修復(fù)幾個(gè)方面。納米農(nóng)藥、納米肥料、納米傳感器和納米土壤修復(fù)的出現(xiàn)極大程度地改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況；但是，這些納米材料及納米技術(shù)的濫用，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中積累了大量的人工納米顆粒，而一些納米粒子被證明對(duì)人類(lèi)是有毒的，這對(duì)環(huán)境安全和人類(lèi)健康產(chǎn)生了巨大的隱患。如何合理地使用納米技術(shù)，使其在造福人類(lèi)的同時(shí)避免產(chǎn)生額外的環(huán)境壓力和生物毒害，是我們面臨的亟待解決的問(wèn)題。

納米材料比普通材料有何神奇之處？

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸（0.1～100 nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米一詞來(lái)源于"nano"——意思是微小的，1 nm只有頭發(fā)直徑的1/50 000。納米粒子由于尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般宏觀粒子，所以具有獨(dú)特的力、磁、光、電和化學(xué)性質(zhì)。

由于納米材料結(jié)構(gòu)的特殊性和熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其具有特殊的效應(yīng)。

表（界）面效應(yīng)，當(dāng)粒子尺寸達(dá)到納米級(jí)別的時(shí)候，表面原子數(shù)增多導(dǎo)致表面活性增加，吸附力增強(qiáng)、熔點(diǎn)下降，同時(shí)增加了粒子活性，使其具有強(qiáng)的催化能力。量子尺寸效應(yīng)，納米材料中處于分立的量子化能級(jí)中電子的波動(dòng)性帶來(lái)了納米材料的一系列特殊性質(zhì)，如高度光學(xué)非線性、特異性催化和光催化、強(qiáng)氧化和還原性[2]。小尺寸效應(yīng)，由于顆粒尺寸變小導(dǎo)致宏觀性質(zhì)的改變稱為小尺寸效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生光吸收性增加、熔點(diǎn)降低等現(xiàn)象。宏觀量子隧道效應(yīng)，微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)，納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過(guò)宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。

材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定導(dǎo)致其出現(xiàn)了常規(guī)材料所沒(méi)有的一些特別性能，例如一些金屬到納米程度，就由導(dǎo)體變?yōu)榱私^緣體；陶瓷到了納米程度，硬度是鋼的上百倍；碳納米管可以吸收99%的光。正是納米材料的這些神奇性能使得其在越來(lái)越多的領(lǐng)域己獲得和正在獲得廣泛的應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)中的納米材料有哪些？

在納米科技出現(xiàn)之前納米顆粒就早已存在于環(huán)境中，自然界的大氣、水體及土壤等環(huán)境介質(zhì)中均有納米顆粒的分布。火山爆發(fā)、礦物腐蝕和有機(jī)物降解等自然過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生天然納米顆粒，同時(shí)在人類(lèi)的生產(chǎn)生活過(guò)程中（如焚燒、工業(yè)排放和汽車(chē)尾氣等）也會(huì)伴隨納米顆粒的產(chǎn)生。在此，主要討論的是人工納米材料。

納米材料分為4類(lèi)：（1）碳基納米材料（CNMs），包括球狀碳納米材料、單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）；（2）金屬納米材料，例如量子點(diǎn)、金屬納米材料（nAu、nZn、nAl）、金屬氧化物納米材料（TiO2、ZnO和Al2O3）；（3）樹(shù)狀聚合物納米材料，是由納米級(jí)支鏈單元聚合而成，通常是三維球狀結(jié)構(gòu)；（4）納米聚合材料，是不同的納米材料聚合而成，與單組分的納米材料相比，具有更好的溶解度，且毒性更低[3]。

用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的納米材料比較廣泛，包括碳納米材料、金屬及其氧化物納米材料以及其他的一些納米聚合材料等。

碳納米材料

碳納米材料是指尺寸小于100 nm的碳材料，因?yàn)槠浯嬖诙喾N同素異形體，所以表現(xiàn)出多樣的結(jié)構(gòu)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域涉及到的碳納米材料包括：碳納米管、石墨烯（氧化石墨烯、水溶性石墨烯）、富勒烯（C60（OH）、納米洋蔥碳等）、碳納米角及碳納米顆粒等[4]（圖1）。

碳納米材料可以促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)、種子萌發(fā)、生物量的積累，可以作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。相關(guān)研究在西葫蘆、大蒜、番茄、萵苣、黃瓜、油菜、蘿卜、玉米、水稻、大豆、小麥等作物中均有開(kāi)展。

碳納米材料具有抗菌能力，可用于植物病害防治。例如碳納米管可有效抑制禾谷鐮刀菌和尖孢鐮刀菌，對(duì)植物青枯病具有良好的防治作用[5]。碳納米材料的抗菌機(jī)制主要是細(xì)胞膜損傷（物理穿刺作用）和氧化應(yīng)激，這種物理性的抑菌作用不容易引起病原菌的抗性，從而是比較理想的殺菌劑[6]。

碳納米材料具有大的比表面積、豐富孔隙結(jié)構(gòu)，具有良好的吸附性，可以去除污染物。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中主要用于水體和土壤的改良。碳納米材料可以吸附土壤中的重金屬污染物（Pb2+、Cd2+、Co2+等）、有機(jī)污染物（1,2-二氯苯、二惡英等）。石墨烯為發(fā)現(xiàn)較晚的一種碳納米材料，對(duì)重金屬離子的吸附能力遠(yuǎn)大于碳納米管，是一類(lèi)很有研究和應(yīng)用前景的高效重金屬離子吸附劑。

碳納米材料可以作為基礎(chǔ)電極的修飾材料，用來(lái)檢測(cè)農(nóng)藥殘留和重金屬污染。例如利用多壁碳納米管修飾電極建立除草劑敵草隆的快速檢測(cè)方法[7]。利用多壁碳納米管修飾電極，可以在不引入汞膜的條件下在水中可同時(shí)檢測(cè)Cd2+和Pb2+含量。多壁碳納米管修飾電極靈敏度高、穩(wěn)定性好、檢測(cè)范圍較廣、選擇性強(qiáng)、抗干擾性好[8]。

圖1 碳納米材料

金屬納米材料

金屬納米材料對(duì)作物具有雙重作用，既可以促進(jìn)又可以抑制種子萌發(fā)和植株生長(zhǎng)。含有植物必需微量元素（Fe、Mg、Zn、Cu和Mn等）的金屬納米材料在低濃度時(shí)可以作為肥料，在高濃度的情況下則作為農(nóng)藥加以利用。

同時(shí)，金屬納米材料（nAu、nAg、nCu、nCr、nFe、nZn等）已被證明具有抗菌的作用，因而作為納米農(nóng)藥廣泛應(yīng)用于植物保護(hù)中。

一些金屬及其氧化物的納米材料可以用于水體和土壤污染治理。常用的金屬納米粒子包括Fe、Fe3O4、FeS、TiO2、MnO2、Al2O3等。主要機(jī)制包括：物理吸附，例如MnO2去除Cr6+主要是靠靜電吸附以及特異性吸附[9]；化學(xué)吸附，化學(xué)吸附是通過(guò)電子轉(zhuǎn)移或電子對(duì)共用形成化學(xué)鍵或表面配位化合物等方式產(chǎn)生的吸附[10]，例如Al2O3可以去除水中Pb2+、Cd2+、Cr6+、Co3+、Ni2+和Mn4+；氧化還原反應(yīng)，例如納米零價(jià)Fe去除水中重金屬離子除了吸附作用還有還原作用；光催化還原，TiO2作為重要的光催化劑，在光照的條件下，價(jià)帶的電子受到激發(fā)會(huì)向?qū)кS遷，因此會(huì)形成電子（e-）空穴（H+）對(duì)，所形成的電子具有還原反應(yīng)，能還原具有高還原電位的重金屬離子[10]；共沉淀作用，納米零價(jià)Fe與零價(jià)Al的混合物在去除廢水中的Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+的過(guò)程可與重金屬離子形成氫氧化物沉淀，從而達(dá)到去除重金屬的目的[11]。

其他納米材料

有一些來(lái)自于植物提取物的納米材料，例如海藻酸鹽、殼聚糖、玉米醇溶蛋白和天然橡膠等，由于其來(lái)源豐富、無(wú)毒無(wú)害、可被降解，在納米農(nóng)藥、肥料中具有廣泛的應(yīng)用。目前，出現(xiàn)了很多將植物源納米材料和無(wú)機(jī)材料結(jié)合開(kāi)發(fā)的納米復(fù)合材料，復(fù)合后的材料兼具有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，例如殼聚糖和無(wú)機(jī)材料制成的納米復(fù)合材料充分發(fā)揮各組分的抗菌作用，使材料的抗菌性能得到提高，同時(shí)改善了殼聚糖的機(jī)械強(qiáng)度，殼聚糖作為穩(wěn)定劑的同時(shí)還可起到限制納米粒子團(tuán)聚的作用[12]。另外，還有有機(jī)納米材料互相結(jié)合制成的納米材料，例如，海藻鹽/殼聚糖納米材料結(jié)合百草枯制成了一種新型的快速無(wú)特異性的除草劑，靶向性強(qiáng)且對(duì)土壤污染較小。

納米顆粒如何影響農(nóng)業(yè)？

納米材料在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛利用，這些人工納米顆粒也通過(guò)不同的途徑進(jìn)入到了環(huán)境中。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和英國(guó)皇家工程院做出評(píng)估，到2020年，環(huán)境中的納米顆粒總量將達(dá)到6萬(wàn)t左右[13]。隨著納米材料的大量應(yīng)用，越來(lái)越多的人工納米顆粒在環(huán)境中積累，這些納米粒子主要通過(guò)影響土壤、大氣、微生物和作物本身幾個(gè)方面進(jìn)而影響著農(nóng)業(yè)。

納米顆粒影響土壤

納米顆粒進(jìn)入土壤中的主要途徑是化肥和農(nóng)藥的使用，還有一部分通過(guò)工業(yè)廢棄物、大氣沉積和降水等進(jìn)入土壤。納米顆粒一旦進(jìn)入土壤，將與豐富的有機(jī)配體相互作用，發(fā)生一系列環(huán)境轉(zhuǎn)化，土壤中的有機(jī)質(zhì)可以吸附納米顆粒并改變其分散性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響其生物有效性和生物毒性[14]。

土壤條件可以影響納米粒子的遷移和毒性等特質(zhì)。例如nAg對(duì)氨氧化細(xì)菌的毒性隨著土壤黏性和pH值的升高而降低，因此，納米顆粒產(chǎn)生的植物毒性可能受土壤類(lèi)型的影響[15]。同時(shí)，進(jìn)入土壤的納米顆粒會(huì)對(duì)土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。

納米顆粒影響微生物

微生物在生態(tài)循環(huán)中占有重要的地位，其參與了C、N、S的循環(huán)，同時(shí)對(duì)環(huán)境變化非常敏感。土壤中的納米粒子會(huì)影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和豐度[16]。研究微生物對(duì)納米材料的響應(yīng)有利于解決納米材料生產(chǎn)和使用過(guò)程中造成的環(huán)境問(wèn)題。納米粒子通過(guò)對(duì)土壤微生物的影響從而影響N循環(huán)、土壤酶活性等。

這些影響是積極的還是消極的取決于納米粒子的大小、類(lèi)型、表面電荷及微生物種類(lèi)。nAg抑制大部分細(xì)菌和固氮微生物的生長(zhǎng)，TiO2對(duì)固氮微生物也有明顯的抑制作用[17]；TiO2和ZnO降低土壤微生物量和群落多樣性，而Fe2O3會(huì)增加土壤細(xì)菌的豐富度，使生態(tài)環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定[18]；另有研究表明，碳納米材料對(duì)土壤微生物的毒性較金屬納米材料而言要小得多[19]。

大氣中的納米顆粒影響作物生長(zhǎng)

納米顆粒釋放到大氣中可能是自然現(xiàn)象，例如森林火災(zāi)、火山活動(dòng)、礦物質(zhì)風(fēng)化、沙塵暴，也有一些是人為造成的，例如各種工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械制造向大氣中排放的納米顆粒等，這些大氣中的納米顆?？梢噪S著大氣運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到很遠(yuǎn)的地方?？諝庵械募{米粒子通過(guò)植物葉面的氣孔進(jìn)入植物葉片的韌皮部，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)到植物其他組織部位，或者通過(guò)莖表皮、柱頭等進(jìn)入植物體內(nèi)，在植物體內(nèi)積累，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)。

納米顆粒影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育

作物直接與空氣、土壤、水分接觸，環(huán)境中的納米顆粒最終通過(guò)食物鏈影響到動(dòng)物和人類(lèi)，所以，納米顆粒對(duì)作物的影響及作物對(duì)納米顆粒的響應(yīng)情況對(duì)于納米在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用至關(guān)重要。

納米顆?？梢栽谥参锔低ㄟ^(guò)質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑進(jìn)入植物，也可以通過(guò)葉面氣孔進(jìn)入植物體內(nèi)，納米顆粒一旦進(jìn)入作物體內(nèi)，它們可以轉(zhuǎn)移到各個(gè)組織（莖、葉、葉柄、花和果實(shí)）。在細(xì)胞內(nèi)，納米顆粒與細(xì)胞器相互作用，會(huì)產(chǎn)生氧化應(yīng)激、基因毒性和代謝變化等。

植物對(duì)納米顆粒的吸收受到納米粒子性質(zhì)（大小、晶體結(jié)構(gòu)、電荷）、土壤條件等因素的影響。不同植物對(duì)納米粒子的吸收具有特異性，例如，煙草吸收nAu，而小麥則不吸收[20]；同一植物對(duì)不同納米粒子的吸收及毒性響應(yīng)也不同，例如，不同的納米粒子(CeO2、Fe3O4、SiO2、TiO2、Ag、Co、Ni)對(duì)番茄植株根的生長(zhǎng)、果實(shí)產(chǎn)量的影響及積累的位點(diǎn)均不同[21]。

納米顆?？梢源碳ぷ魑锓N子萌發(fā)、促進(jìn)根系伸長(zhǎng)、提高愈傷組織的生長(zhǎng)速度以及增加生長(zhǎng)量。例如促進(jìn)小麥、大豆、番茄、蘿卜、萵苣、菠菜、洋蔥、南瓜和黃瓜等的種子萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)，并且可以促進(jìn)玉米、大豆、花生、菠菜、番茄等植物的氮代謝、提高葉綠素含量和幾種光合酶活性，還可以提高大豆、苦瓜和水稻等作物的產(chǎn)量、生物量和次生代謝物產(chǎn)量。但是，高濃度下對(duì)作物會(huì)存在負(fù)面效應(yīng)，表現(xiàn)為組織損傷、生長(zhǎng)抑制及活性氧的產(chǎn)生等。

納米材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

納米技術(shù)研究應(yīng)用通常是納米技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合；納米專(zhuān)家與其他各科技領(lǐng)域?qū)＜蚁嘟Y(jié)合；納米專(zhuān)家與企業(yè)家相結(jié)合。另外，納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密銜接，科技成果很快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。納米材料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用開(kāi)始于21世紀(jì)初，目前主要應(yīng)用于植保和土壤修復(fù)等方面。

納米農(nóng)藥

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)藥被用作殺菌劑、殺蟲(chóng)劑，或除草劑，通過(guò)噴灑或播撒在不同植物的生長(zhǎng)階段來(lái)達(dá)到植物保護(hù)的目的。但是，農(nóng)藥的濫用會(huì)導(dǎo)致病原菌產(chǎn)生抗藥性，同時(shí)，大量的農(nóng)藥會(huì)隨著土壤流失、或者被光和微生物分解，從而造成使用效率低、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。納米農(nóng)藥指的是將農(nóng)藥原藥和載體粒子納米化后, 形成具有納米效應(yīng)、低用量、高藥效、環(huán)境友好的新型農(nóng)藥制劑。

納米農(nóng)藥與傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥相比，有以下優(yōu)勢(shì)：（1）納米材料可以用作分散劑添加在農(nóng)藥中，增加農(nóng)藥有效成分的穩(wěn)定性和溶解性。例如納米制劑Syngenta's Banner MAXX?、'Nano-5'，這2種制劑已經(jīng)上市，可控制多種植物病原體，且農(nóng)藥的相容性和穩(wěn)定性都較好。（2）納米材料被用作靶向運(yùn)輸載體或者是控釋裝置，增加靶向性，起到可控緩釋和保護(hù)作用。例如，納米SiO2可以將靶向基因轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中，該技術(shù)目前已經(jīng)用于制備殺蟲(chóng)劑等制劑中；多孔SiO2納米顆粒內(nèi)部蜂窩狀的結(jié)構(gòu)可以填裝化學(xué)成分，而且還有獨(dú)特的“蓋子”結(jié)構(gòu)，可以封存里面的成分，“蓋子”結(jié)構(gòu)在溫度、pH值、水分和酶等特定條件下打開(kāi)，可以實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的控釋和有效利用，也可以避免農(nóng)藥光降解[22]。（3）納米材料可以直接作為農(nóng)藥使用，一些納米粒子本身具有優(yōu)良的殺菌殺蟲(chóng)的效果，如Ag、Au、TiO2、Cu、ZnO等。有研究表明，疏水型的SiO2納米材料可以進(jìn)入昆蟲(chóng)表皮層，隨后造成昆蟲(chóng)失水死亡，這些納米殺蟲(chóng)劑較傳統(tǒng)殺蟲(chóng)劑對(duì)植物和環(huán)境更友好[23]；nAg對(duì)灰霉病有很強(qiáng)的抑制作用[24]。這些納米顆粒不僅可以單獨(dú)作為納米農(nóng)藥使用，還可以互相結(jié)合共同作為農(nóng)藥制劑，例如新型的Si/Ag納米微粒，既結(jié)合了Ag的殺菌特性，又結(jié)合了Si對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增加產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)，是一種增強(qiáng)型的納米農(nóng)藥。

目前，納米技術(shù)在農(nóng)藥的應(yīng)用主要包括納米乳劑、納米載藥系統(tǒng)、植物源農(nóng)藥等。

納米乳劑

納米乳劑這類(lèi)農(nóng)藥是由油、表面活性劑和水形成的膠體分散體系[25]，比傳統(tǒng)農(nóng)藥有更好的穩(wěn)定性，不易沉降和聚集；藥液易于在葉面上鋪展，滲透性強(qiáng)。例如，納米乳劑（扮綠）可以增大農(nóng)藥溶解度；納米氯菊酯、納米球殺蟲(chóng)劑可以促進(jìn)農(nóng)藥吸收、提高利用效率。但是納米乳劑靶向性和控釋性能不突出，且對(duì)環(huán)境安全存在威脅。

納米載藥系統(tǒng)

納米載藥系統(tǒng)是指采用人造納米材料以吸附、包裹、偶聯(lián)、鑲嵌等方式負(fù)載農(nóng)藥所構(gòu)建的納米載藥系統(tǒng)[26]。納米微囊以多孔納米材料為載體，將農(nóng)藥包裹于其中，可以減少環(huán)境條件對(duì)農(nóng)藥的損耗，提高農(nóng)藥利用率，同時(shí)增加農(nóng)藥穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)靶向投遞和控釋的功效。滅多威草甘膦或磺酰脲類(lèi)納米微囊除草劑可以實(shí)現(xiàn)靶向投遞；包埋井岡霉素的空心多孔硅微囊包埋烯啶蟲(chóng)胺的TiO2-M262聚合物可以防止農(nóng)藥提前降解，實(shí)現(xiàn)控釋和保護(hù)的作用。

植物源納米農(nóng)藥

植物源納米農(nóng)藥是指利用植物資源開(kāi)發(fā)的農(nóng)藥，包括從植物中提取的活性成分、植物本身和按活性結(jié)構(gòu)合成的化合物及衍生物。植物源農(nóng)藥具有可降解性、低毒性和環(huán)境友好性，所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，其存在一定局限性，例如易降解、藥效時(shí)間短、穩(wěn)定性差、不容易貯存等問(wèn)題。目前用于納米植物源農(nóng)藥的納米材料主要有玉米醇溶蛋白、殼聚糖、海藻酸鹽和天然樹(shù)膠等。玉米醇溶蛋白是玉米的主要貯藏蛋白，具有獨(dú)特的溶解性能。由于該蛋白質(zhì)具有較低的水溶性、較高的包被率、生物降解性和生物相容性，可以被用于制備納米植物源農(nóng)藥的包封材料，具有良好的理化性質(zhì)并能保護(hù)活性成分免受紫外線降解，還能有效防治重要的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)——二斑葉螨[27]。天然樹(shù)膠由于成本低廉和無(wú)毒的特性，是納米包封材料的優(yōu)良選擇。另一種有效的天然高分子是海藻酸鹽, 它是通過(guò)堿水解法從藻類(lèi)中提取的生物聚合物，由于海藻酸鹽具有生物相容性和膠凝性，已被廣泛用于制備植物源農(nóng)藥等的多種納米粒子/微粒制劑，能有效地防治微生物，是一種防治病原菌的理想劑型。殼聚糖納米農(nóng)藥可以抑制辣椒真菌病害（炭疽病、根霉病）。

納米材料在增加生物活性的同時(shí)，也可增強(qiáng)有效成分對(duì)環(huán)境中非靶標(biāo)生物的生物有效性和生態(tài)毒性，所以雖然利用納米農(nóng)藥可以控制害蟲(chóng)種群、抑制病原菌，但是其可行性和安全性還需要進(jìn)一步評(píng)估和驗(yàn)證。納米農(nóng)藥登記注冊(cè)和監(jiān)管過(guò)程中的環(huán)境安全性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法需要在常規(guī)評(píng)價(jià)方法上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和修定[28]。

納米肥料

傳統(tǒng)肥料的利用效率低，大概30%～60%的N、10%～20%的P和30%～50%的K被植物吸收了，剩余的都流失在了環(huán)境中，導(dǎo)致了資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。納米肥料由于體積小，可以進(jìn)入植物的表皮和各轉(zhuǎn)運(yùn)通道，因而可以更有效地輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。納米肥料可以大大提高肥料利用效率，包括納米結(jié)構(gòu)肥料、納米緩（控）釋肥料、納米磁性液體肥料和納米生物復(fù)合肥料幾大類(lèi)[30]。

納米結(jié)構(gòu)肥料

納米結(jié)構(gòu)肥料是將土壤中難溶性的營(yíng)養(yǎng)元素（Ca、Fe等）或富含營(yíng)養(yǎng)元素的天然礦物（鉀長(zhǎng)石、磷礦石、煤矸石等），通過(guò)一些加工手段（如球磨、切斷、?；龋┲谱鞒杉{米尺寸的肥料，或?qū)肥、P肥直接制成納米級(jí)，如納米尿素、納米磷灰石肥料等。納米結(jié)構(gòu)肥料的粒徑平均在50～80 nm，其養(yǎng)分更易被植物吸收，肥料的利用效率提高。

納米結(jié)構(gòu)肥料還能刺激植物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。中國(guó)農(nóng)科院土肥所的張夫道研究員[29]在納米結(jié)構(gòu)肥料Fe2O3和CaCO3中配施黃腐酸，使花生植株的干物質(zhì)量增加了32%，光合強(qiáng)度提高25%，葉綠素含量亦增加。隨后，眾多學(xué)者研究了納米結(jié)構(gòu)肥料在作物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，應(yīng)用在蔬菜作物如馬鈴薯、辣椒、榨菜、白菜、小白菜、番茄、甘藍(lán)、蘿卜、茄子、芹菜、韭菜上，均有較好的增產(chǎn)和明顯的節(jié)肥效果，肥料養(yǎng)分利用效率明顯提高，葉菜類(lèi)葉綠素含量增加，辣椒維生素E含量提高。

納米緩（控）釋肥料

納米緩/控釋肥料的養(yǎng)分組分不是納米材料，但其膠結(jié)包膜材料是納米材料。納米包膜材料具有好的穩(wěn)定性和吸附性，可以使肥料肥效緩釋且效果持久，保證植物肥效的持續(xù)吸收。肥料也可以包覆在納米顆粒上或封裝在納米管中，納米材料特殊的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)使得肥料的釋放得到控制。

目前納米肥料的包膜材料主要有高嶺土、沸石、高分子有機(jī)物等。天然沸石是非常理想的緩（控）釋肥料的包封材料，其對(duì)肥料的包裹過(guò)程只是改善肥料的物理特性，未破壞肥料的有效成分，用其制成的N、P、K控釋肥控釋效果明顯。殼聚糖不僅可以作為納米農(nóng)藥的載體，在納米控釋肥中有相似的功效，還可以有效地控制N、P、K肥的釋放。

納米緩（控）釋肥可以增加作物對(duì)N、P、K、微量營(yíng)養(yǎng)素、甘露糖和氨基酸的吸收；在提高肥料利用率的同時(shí)，還明顯降低了土壤中硝酸鹽的含量，減輕了土壤鹽漬化。目前，納米材料膠結(jié)包膜的緩（控）釋肥料已經(jīng)用于水稻、小麥、玉米、棉花、花生、蔬菜、水果等大田作物和經(jīng)濟(jì)作物，取得了明顯增產(chǎn)效益，且土壤理化性能顯著變好，保肥能力提高。納米緩（控）釋肥料的施用提高了營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率，最大限度地降低了施用頻率，并起到預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化和土壤污染的作用。

納米磁性液體肥料和納米生物復(fù)合肥料

納米磁性液體肥料和納米生物復(fù)合肥料是以土壤磁學(xué)和生物磁學(xué)為依據(jù)，以粉煤灰等為磁性載體與常規(guī)肥料加工成的低成本高效益新型肥料。納米材料的小尺寸效應(yīng)使得納米肥料具有磁性，更易被植物吸收，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)。納米生物復(fù)合肥料是在納米肥料中加入生物有益菌種和營(yíng)養(yǎng)組分、中微量元素等制成。二者最大的特點(diǎn)是不受pH值的影響，養(yǎng)分使用效率高，可增強(qiáng)植物抵抗病蟲(chóng)害的能力，促進(jìn)代謝等。納米磁性液體肥料還具有流動(dòng)性，可以作為葉面肥，容易被吸附吸收。

納米材料在肥料上的應(yīng)用在帶來(lái)好處的同時(shí)，也帶來(lái)了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。所以，納米技術(shù)在肥料中的風(fēng)險(xiǎn)和收益評(píng)估就顯得尤為重要。

納米生物傳感器

生物傳感器的研制是納米技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的一個(gè)新的研究方向。納米材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)，對(duì)溫度、光、濕度和氣體濃度的變化非常敏感，通常會(huì)引起表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子輸出的迅速改變，而且響應(yīng)快，靈敏度高。作為納米生物傳感器，具有高敏性、快速性和高準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，這些高靈敏度的納米傳感器在監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)污染物、管理植物生長(zhǎng)和植物保護(hù)等方面具有巨大潛能。

目前，用于納米傳感器的納米材料有磁性納米粒子、碳納米管、量子點(diǎn)等，這些粒子都具有較高的電荷轉(zhuǎn)移能力、大的比表面、高的生物親和性和防止光降解的特性。

納米傳感器檢測(cè)農(nóng)藥殘留

納米傳感器通過(guò)感受元件捕獲各類(lèi)信息，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成可被信號(hào)處理器接收信號(hào)的一類(lèi)探針或者裝置，主要由感受器、信號(hào)換能器和信號(hào)處理器3部分組成。具有化學(xué)及光電性能的納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用為農(nóng)藥殘留檢測(cè)提供了一個(gè)新的途徑。

納米傳感器在農(nóng)殘檢測(cè)分析中存在以下優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，靈敏快速，特異性好，可用于檢測(cè)復(fù)雜樣品中農(nóng)藥含量；傳感器的組裝簡(jiǎn)便，檢測(cè)成本低。納米傳感器的應(yīng)用對(duì)于保證食品安全具有重要意義。

表面增強(qiáng)拉曼光譜傳感器被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)毒死蜱和噻苯咪唑（涕必靈），南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了電化學(xué)發(fā)光生物傳感器，在測(cè)定食品樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留方面獲得了較好的效果。研究顯示：甲基對(duì)硫磷和毒死蜱在0.1～50.0 nmol/L濃度范圍內(nèi)與電化學(xué)光信號(hào)抑制率成正比，毒氟磷的檢測(cè)范圍為50～500 nmol/L[31]。

納米傳感器檢測(cè)植物病害

納米材料在病原體檢測(cè)中發(fā)揮著重要的積極作用，如基因芯片、納米傳感器、納米熒光探針等，且目前均有應(yīng)用。納米基因芯片曾被應(yīng)用于檢測(cè)番茄植株病原菌和病毒，具有檢測(cè)準(zhǔn)確、快速的優(yōu)勢(shì)；nAu已被制成傳感器，可用于病原菌的檢測(cè)；SiO2納米探針熒光信號(hào)更明顯，用于檢測(cè)茄科植物的細(xì)菌性葉斑病病原菌。

納米材料在植物病害早期診斷方面也有廣泛應(yīng)用，由于植物在遇到病、蟲(chóng)害或其他逆境時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些特征化合物，如茉莉酸、茉莉酸甲酯、水楊酸等，通過(guò)檢測(cè)這些特征化合物，判斷植株是否感病。Wang等[32]利用nCu修飾的金電極從感染了核盤(pán)菌的油菜種子中檢測(cè)到明顯的氧化峰，且測(cè)取水楊酸的濃度，而普通的金電極未測(cè)得明顯的氧化峰。另外，植物在感染某種病原菌的情況下會(huì)產(chǎn)生一些特殊的揮發(fā)性物質(zhì)，通過(guò)檢測(cè)這些揮發(fā)性物質(zhì)可以推測(cè)植物是否感染了某種病原菌，如利用TiO2納米電極檢測(cè)病原菌產(chǎn)生的4-乙基愈創(chuàng)木酚等標(biāo)志性揮發(fā)物質(zhì)。

納米傳感器管理植物生長(zhǎng)

納米傳感器可以測(cè)量作物養(yǎng)分狀況、水分水平、土壤肥力等，有助于監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)。單壁碳納米管研制成的一個(gè)輻射傳感器可以有效地檢測(cè)植物組織的物質(zhì)含量，可以進(jìn)一步指導(dǎo)肥水管理；帶有GPS系統(tǒng)的納米傳感器可以自主地監(jiān)測(cè)土壤和作物狀況，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化管理。

納米土壤改良

土壤是人類(lèi)賴以生存的重要條件之一，地球表面的陸地面積占地球表面總面積的29%，其中現(xiàn)有耕地約占全球陸地總面積的10%。據(jù)國(guó)土資源部評(píng)價(jià)，我國(guó)優(yōu)等、高等地僅占耕地總面積的32.6%，而中等、低等地合計(jì)占到67.4%，耕地質(zhì)量總體偏低。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究方法的不斷創(chuàng)新，巨大的比表面積、超強(qiáng)的吸附、催化和螯合能力使得納米材料在眾多土壤修復(fù)材料中脫穎而出。

修復(fù)土壤重金屬污染

土壤的重金屬主要包含Cu、Pb、Cr等，治理土壤重金屬污染的方法都是基于以下原理進(jìn)行：（1）通過(guò)活化作用，加強(qiáng)重金屬在土壤中的溶解性和遷移性，加入可以吸收或吸附重金屬的物質(zhì)，從而去除重金屬；（2）通過(guò)鈍化作用，使重金屬在土壤中的形態(tài)改變?yōu)闅埩魬B(tài)，植物無(wú)法吸收、蓄積，從而降低了危害。相較于固化（穩(wěn)）定化法、化學(xué)還原法、土壤淋洗法、電化學(xué)修復(fù)法、生物修復(fù)法等傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)，納米技術(shù)具有超高的修復(fù)效率，許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了納米相關(guān)的土壤修復(fù)研究。

方戰(zhàn)強(qiáng)等[33]以羧甲基纖維素為穩(wěn)定劑對(duì)納米零價(jià)Fe進(jìn)行了修飾，72 h內(nèi)污染土壤中Cr去除率達(dá)到了80%，同時(shí)修復(fù)后土壤中的白菜幼苗對(duì)Cr的蓄積能力明顯降低。在修復(fù)多種重金屬方面，張偉賢等[34]提出根據(jù)污染土壤所含重金屬種類(lèi)及含量的不同，調(diào)整作為修復(fù)劑的納米零價(jià)Fe的濃度、處理時(shí)間以及液固比等參數(shù)，可一次性去除土壤中存在的Cr、Cu、Zn、Cd、Pb等，且此技術(shù)操作簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。崔巖山等[35]通過(guò)整理前人研究成果，匯總了目前應(yīng)用于土壤重金屬修復(fù)的主要納米材料及其應(yīng)用效果（表1）。

修復(fù)土壤有機(jī)物污染

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)藥以及氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和石油烴等典型有機(jī)污染物被排入土壤環(huán)境，弱化土壤的生產(chǎn)能力，并通過(guò)生物富集作用對(duì)人體產(chǎn)生致突變、致畸和致癌的潛在危險(xiǎn)。納米零價(jià)Fe可以修復(fù)被多氯聯(lián)苯、DDT等有機(jī)物污染的土壤；納米光催化物質(zhì)在紫外線照射下，產(chǎn)生的氧和氫氧自由基有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，可以與細(xì)菌、有機(jī)物等發(fā)生反應(yīng)，生成CO2和H2O，從而分解土壤環(huán)境中的有機(jī)化合物和細(xì)菌等。Reddy等[36]在應(yīng)用納米零價(jià)Fe和傳統(tǒng)顆粒鐵粉降解土壤中的毒死蜱時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米零價(jià)Fe的降解率為90%，而傳統(tǒng)顆粒鐵粉的降解率僅為32%。陳宗保[37]使用不同形貌的納米ZnO降解對(duì)硫磷、甲基對(duì)硫磷和三硫磷，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比粒狀結(jié)構(gòu)降解效果更好。

表1 應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)的典型納米材料

納米技術(shù)是把雙刃劍

雖然很多納米材料對(duì)作物生長(zhǎng)、植物保護(hù)甚至是環(huán)境污染治理都有很好的應(yīng)用前景，但是不少納米材料被證明對(duì)植物、動(dòng)物和人有毒性等負(fù)面效應(yīng)，所以農(nóng)業(yè)納米材料的使用為人類(lèi)及生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

納米材料產(chǎn)生毒性的機(jī)制有3種：（1）納米材料可向接觸介質(zhì)直接釋放有毒物質(zhì)，例如nAg釋放自由Ag+；（2）納米粒子表面與介質(zhì)的相互作用可能產(chǎn)生有毒物質(zhì)；（3）納米粒子直接和目標(biāo)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生毒性效果，例如碳納米管可以直接與細(xì)胞膜反應(yīng)或者插入DNA從而產(chǎn)生毒性。

納米材料對(duì)植物的毒性

納米粒子進(jìn)入植物體內(nèi)通常會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，最終影響植物對(duì)其的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)。

許多納米顆粒具有植物毒性，抑制植物生長(zhǎng)和改變生理活性、生化和遺傳特征。抑制植物生長(zhǎng)體現(xiàn)在降低種子發(fā)芽率，抑制葉片、根莖生長(zhǎng)，改變根尖形態(tài)，延遲花期，影響產(chǎn)量等；發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，包括產(chǎn)生活性氧、脂質(zhì)過(guò)氧化、蒸騰速率降低，細(xì)胞壁破壞，葉綠素含量降低，光合作用減弱等；遺傳水平的毒性包括破壞有絲分裂，造成染色體粘附和碎片化，染色體畸變，基因改變，DNA結(jié)構(gòu)受損，細(xì)胞活力下降等。

當(dāng)然，納米粒子對(duì)植物表觀上促進(jìn)或沒(méi)有影響并不代表其對(duì)植物細(xì)胞沒(méi)有影響或不具有基因毒性；反之，某些納米材料可能對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生毒性或是造成某種基因毒性，也不一定產(chǎn)生植物表觀生長(zhǎng)的改變[38]。

納米材料對(duì)人、動(dòng)物的毒性

大量研究表明，納米粒子會(huì)對(duì)人和動(dòng)物產(chǎn)生毒性。這些納米粒子在人體內(nèi)積累，容易引起和造成一系列疾病，例如呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，對(duì)人類(lèi)健康造成巨大的安全隱患，nAg的毒性大于石棉，碳納米管在動(dòng)物試驗(yàn)中也體現(xiàn)出了和石棉同樣的毒性。如果這些納米材料被用于農(nóng)業(yè)，納米顆粒將在土壤、大氣和水體中存在，隨著食物鏈進(jìn)入人體，將會(huì)引發(fā)一系列健康問(wèn)題。

針對(duì)納米毒性的相關(guān)舉措

隨著納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起和納米農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于納米產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估越來(lái)越重視。各國(guó)政府先后啟動(dòng)了對(duì)納米生物毒性的研究，且支持力度不斷增加。近幾年來(lái)，世界各地政府和企業(yè)紛紛建立相關(guān)政策來(lái)管理納米材料的生產(chǎn)和流通。

在美國(guó)，幾個(gè)政府組織包括：美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA-NIFA）、美國(guó)環(huán)保局（EPA）、美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）等組織就納米技術(shù)產(chǎn)品的安全性提供指導(dǎo)并就監(jiān)管方面提出建議。2005年，美國(guó)把納米計(jì)劃的總預(yù)算的1%投入納米健康與環(huán)境研究；2010年12月和2013年12月，美國(guó)職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所（NIOSH）分別公開(kāi)了碳納米管（CNT）和碳納米纖維（CNF）的推薦暴露極限和職業(yè)暴露最終說(shuō)明；2011年6月，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）發(fā)布判斷制品是否為納米產(chǎn)品指導(dǎo)方案[39]。同樣的，歐洲等國(guó)家也在進(jìn)行相關(guān)的工作：2004年，歐洲宣布啟動(dòng)“納米安全性綜合研究計(jì)劃”；2011年，德國(guó)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估委員會(huì)（BFR）和聯(lián)邦環(huán)境局（UBA）對(duì)各類(lèi)納米材料可能產(chǎn)生的致癌作用進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；歐盟第六、七框架計(jì)劃將納米科技的人體安全健康和環(huán)境效應(yīng)列為最優(yōu)先支持課題, 投入近24億歐元，并制定了歐盟2015—2025年的納米安全計(jì)劃。

這種建立相關(guān)機(jī)構(gòu)和法規(guī)來(lái)規(guī)范管理納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的措施是非常行之有效的方法，通過(guò)國(guó)際合作可以規(guī)避納米產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)和減少環(huán)境污染。

納米科技與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

隨著納米技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，其帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值也越來(lái)越大。農(nóng)業(yè)納米技術(shù)的快速發(fā)展，在解決了糧食問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題，農(nóng)藥肥料盲目使用，使得大量人工納米粒子釋放到了空氣、水、土壤中，直接或者間接地影響著環(huán)境的安全和人類(lèi)的健康。

納米技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛力在很大程度上仍需要探索和開(kāi)發(fā)，人們希望通過(guò)納米技術(shù)優(yōu)化作物養(yǎng)分管理、減少肥料損失和降低農(nóng)藥的使用和殘留。但是，面對(duì)納米材料的毒性，在研究和應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該謹(jǐn)慎，需要對(duì)納米粒子對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)制定相關(guān)的法律法規(guī)來(lái)規(guī)范納米粒子的使用和處理。否則，其可能威脅到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

相關(guān)從業(yè)人員、企業(yè)和政府應(yīng)努力掌握納米材料相關(guān)知識(shí)和性能，具備開(kāi)發(fā)納米新材料的能力；同時(shí)，要在應(yīng)用納米技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)上制定相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低；生產(chǎn)過(guò)程中制定安全操作條例和產(chǎn)品保存及運(yùn)輸?shù)姆绞?；發(fā)展納米材料回收、再利用和再處理技術(shù)；在應(yīng)用納米材料對(duì)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)治理時(shí)，必須確保這些技術(shù)不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)二次污染。

未來(lái)，按照農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的要求，妥善可控的將納米技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，可以推動(dòng)我國(guó)農(nóng)資產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，提高農(nóng)產(chǎn)品加工質(zhì)量與效率，促進(jìn)生物質(zhì)資源多級(jí)轉(zhuǎn)化利用，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。