納米顆粒的綠色合成及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

陳城 吳楚

（長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北荊州 434025）

納米技術(shù)研究是一個(gè)新興的科學(xué)領(lǐng)域，納米材料是目前材料科學(xué)中最具活力的研究領(lǐng)域之一。納米顆粒（nanoparticles，NPs）可使用3 種途徑合成，即物理、化學(xué)和生物方法，每一種合成途徑都有優(yōu)缺點(diǎn)（Marimuthu et al.，2020）。在過去幾年中，NPs 的大規(guī)模生產(chǎn)采用的是化學(xué)方法，該方法條件簡單，產(chǎn)量大，易于控制，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但在合成過程中需要添加還原劑以及多種分散劑和穩(wěn)定劑，會(huì)對環(huán)境造成污染。納米顆粒的合成有兩種方法：自上而下和自下而上合成。自上而下的合成方法即將散裝材料的尺寸縮小到納米級(jí)，此過程是通過各種技術(shù)進(jìn)行的，例如蒸發(fā)-冷凝、激光燒蝕或其他物理方法（Baker et al.，2005；Prasad et al.，2012；San et al.，2014；Picca et al.，2016；Sportelli et al.，2016；Sakono et al.，2020；Zhan et al.，2020）。相反，自下而上的合成方法即將原子組裝成原子核，然后生成NPs（Yamamoto et al.，2017；Parashar et al.，2020）。NPs 的綠色合成是一種自下而上的合成方法，類似于化學(xué)還原，其中昂貴的化學(xué)還原劑被天然產(chǎn)物（如植物葉片）的提取物所取代，用于合成金屬或金屬氧化物NPs（Mahadevan et al.，2017；Kshirsagar et al.，2018；Bhuiyan et al.，2020；Adak et al.，2021）。NPs 綠色合成過程所產(chǎn)生的廢棄物很少，且對環(huán)境影響很?。⊿alam et al.，2014；Prasad et al.，2016）。與傳統(tǒng)方法相比，其生物合成途徑被認(rèn)為是安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和無毒的（Abdelghany et al.，2018；Fouda et al.，2019；Ullah et al.，2020；Salem &Fouda，2021）。因此，綠色合成方法對納米材料的生產(chǎn)與應(yīng)用具有重要意義。目前，NPs 已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、信息技術(shù)、生態(tài)和環(huán)境、能源和工業(yè)等方面，在人們的日常生活中發(fā)揮著重要作用，因此NPs 的研發(fā)與應(yīng)用已成為一個(gè)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和益處引起了高度關(guān)注，特別是在開發(fā)獨(dú)特的納米殺蟲劑和納米肥料方面（Zulfiqar et al.，2019；Sihag et al.，2021；Scott-Fordsmand et al.，2022）。本文對近年來NPs 綠色生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜合評述，旨在促進(jìn)其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以期達(dá)到減肥增效、減少農(nóng)業(yè)面源污染的目的。

1 納米顆粒綠色合成技術(shù)

納米材料可控、簡單、經(jīng)濟(jì)和安全的合成是新時(shí)代納米技術(shù)發(fā)展所必需的（Rai et al.，2018）。NPs 綠色合成是一種經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)保的技術(shù)，并且在合成過程中無需使用高溫、高壓、高能量和有毒化學(xué)物質(zhì)（Adeyemi et al.，2019）。在真菌和植物材料中發(fā)現(xiàn)的天然可利用的生物化合物已被證實(shí)可以替代化學(xué)還原劑用于納米顆粒的綠色合成（Sudheer et al.，2022）。

1.1 基于真菌材料的納米顆粒合成

真菌具有合成納米顆粒的能力（Siddiqi et al.，2018；Elegbede et al.，2019，2020）。與其他生物方法相比，利用含有不同代謝物的真菌生物質(zhì)濾液作為制造金屬NPs 的綠色合成方法更加經(jīng)濟(jì)、高效（Mohamed et al.，2019；Soliman et al.，2021）。目前，許多真菌已被廣泛應(yīng)用于NPs 的生物合成，例如青霉菌（Ma et al.，2017；Neethu et al.，2018a）、構(gòu)巢曲霉（Vijayanandan &Balakrishnan，2018）、木霉菌（Mishra et al.，2014；Qu et al.，2019）、尖孢枝孢菌（Bhargava et al.，2016）、尖孢鐮刀菌（Naimi-Shamel et al.，2019）、棒曲霉菌（Verma et al.，2011）、米曲酶變種（Binupriya et al.，2010）等。不同的真菌可合成不同類型的納米顆粒（表1）。真菌的廣泛使用歸因于它們能夠分泌大量蛋白質(zhì)或酶，且其為容易生長繁殖，并易于繼代培養(yǎng)的可再生資源（Spagnoletti et al.，2019），具有生產(chǎn)可用于不同方向化合物的巨大潛力。在銀納米顆粒的生物合成中使用真菌作為還原劑和穩(wěn)定劑具有能產(chǎn)生大量蛋白質(zhì)、高產(chǎn)量、操作簡單和毒副作用低等優(yōu)點(diǎn)（Guilger-Casagrande &de Lima，2019）。

表1 用于納米顆粒生物合成的真菌

1.2 基于植物材料的納米顆粒合成

植物介導(dǎo)的納米顆粒綠色合成是利用植物提取物合成納米顆粒。與使用微生物進(jìn)行NPs 的綠色合成相比，使用植物提取物具有成本效益和環(huán)保優(yōu)勢（Ahn et al.，2019）?；谥参锊牧系腘Ps 合成是指在室溫與常壓下，利用莖、葉等提取物中的生物分子（如水溶性植物代謝物和輔酶）將金屬離子還原為納米顆粒（Mittal et al.，2013）。目前為止，植物部位如葉片、莖、根、花、種子、樹皮及其代謝物已成功用于納米顆粒的有效生物合成（表2）。

表2 用于納米顆粒生物合成的植物名稱及部位

2 納米顆粒的毒性

納米技術(shù)有望減少農(nóng)業(yè)投入的成本和對環(huán)境的影響，同時(shí)提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。雖然NPs的應(yīng)用對社會(huì)發(fā)展有著積極的影響，但釋放到環(huán)境中的NPs 污染空氣、水和土壤，對植物、微生物和動(dòng)物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。NPs 的植物毒性取決于植物種類、生長條件、接觸時(shí)間、濃度、NPs 的類型和大小等（Dash &Kundu，2020）。Siegel 等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，無論金納米顆粒的具體大小如何，高濃度的金納米顆粒均能使擬南芥?zhèn)雀臄?shù)量和長度顯著減少；植物直接暴露于金納米顆粒中能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生毒性，抑制側(cè)根生長。Xia 等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，銀納米顆?？赡芡ㄟ^滲透真菌細(xì)胞并破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞成分來抑制毛孢子菌的生長。納米顆粒對動(dòng)物也能產(chǎn)生毒性作用。Gao 等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，稀土納米氧化釔能夠破壞小鼠骨組織，影響骨骼的發(fā)育。Sun 等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，短期接觸高劑量（＞ 12.5 mg·L-1）的氧化銅納米顆粒會(huì)導(dǎo)致斑馬魚胚胎和幼體肝臟發(fā)育不全，視網(wǎng)膜神經(jīng)發(fā)育不良，并伴隨著運(yùn)動(dòng)能力的下降，顯示出肝毒性和神經(jīng)毒性。盡管目前研究了一些納米材料的生物效應(yīng)，但是各種類型納米顆粒的毒性機(jī)制仍不清楚。

3 納米顆粒對植物的影響

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的主要生產(chǎn)者，植物在具有大量天然納米材料的環(huán)境中進(jìn)化（Zuverza-Mena et al.，2017）。對不同植物進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明，NPs 可以抑制或促進(jìn)種子發(fā)芽、植物生長和發(fā)育。另外，NPs 對植物的抗蟲、抗病以及各種抗逆能力也有一定的影響。

3.1 納米顆粒對植物生長發(fā)育的影響

NPs 對植物的生長發(fā)育具有促進(jìn)或抑制作用，具體影響取決于NPs 的濃度、形狀、大小、組成和表面功能。據(jù)報(bào)道，低濃度（≤ 500 mg·L-1）的零價(jià)鐵納米顆?？纱龠M(jìn)水稻的發(fā)芽和生長（Guha et al.，2018）；而高濃度（＞1 000 mg·L-1）的零價(jià)鐵納米顆粒卻抑制水稻的生長（Wang et al.，2016）。100 mg·L-1的氧化鈰納米顆粒能促進(jìn)大豆生長，光合速率提高54%；但在500 mg·L-1濃度下，大豆光合速率降低約36%（Cao et al.，2017）。Jhansi 等（2017）把小尺寸（15 nm）的氧化鎂納米顆粒滲透到花生種子中，發(fā)現(xiàn)其促進(jìn)了花生幼苗的生長和發(fā)育。Azeez 等（2019）研究發(fā)現(xiàn)生物合成的銀納米顆?？捎糜诖龠M(jìn)長蒴黃麻（Corchorus olitoriusL.）的生長，提高根和芽的伸長率以獲得更多的營養(yǎng)吸收；還可用于延長其貨架期并增強(qiáng)其對病害的生理耐受性。Venkatachalam 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋅納米顆粒處理的棉花葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量顯著增加。NPs 通過提高植物光合系統(tǒng)的酶活性以及葉綠素含量來改善植株生長。Lu 等（2020）在使用20 μg·mL-1氨基功能化介孔二氧化硅納米顆粒的擬南芥中發(fā)現(xiàn)，其類胡蘿卜素含量增加了61.7%，葉綠體光合能力增強(qiáng)了34.3%。Siddiqui 等（2014）發(fā)現(xiàn)使用6 g·L-1二氧化硅納米顆粒與NaCl 處理相比，南瓜葉片中總?cè)~綠素含量增加了345%，葉綠素降解速率降低了45.13%，碳酸酐酶活性提高了26.62%。Malik 等（2021）發(fā)現(xiàn)銅納米顆粒和銀納米顆?？稍鰪?qiáng)小麥成熟胚胎外植體的體細(xì)胞胚胎發(fā)生和再生。在100～1 000 mg·L-1濃度范圍內(nèi)，隨著氧化銅納米顆粒濃度的增加，水稻的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和光合色素含量逐漸下降，最終導(dǎo)致其無法進(jìn)行光合作用（Costa &Sharma，2016）。其他納米顆粒對植物生長發(fā)育影響的研究結(jié)果見表3。

表3 納米顆粒對植物生長發(fā)育的影響

3.2 納米顆粒對植物抗病蟲害能力的影響

NPs 可以用作治療植物真菌病害的殺真菌劑。Kaur 等（2018）測試了由假單胞菌屬和嗜鉻桿菌屬生物合成的銀納米顆粒對鷹嘴豆感染的尖孢鐮刀菌的抗真菌活性，結(jié)果表明濃度為100 μg·mL-1的銀納米顆粒對鷹嘴豆感染的尖孢鐮刀菌的體外抗真菌活性高達(dá)95%。在水稻中，銀納米顆粒已被用于防治多種病害，如鞘枯?。⊿oltani Nejad et al.，2017）、細(xì)菌性枯萎?。ˋnnakodi et al.，2015）等。Iliger 等（2021）研究了銅納米顆粒對辣椒炭疽病菌的抑制作用，結(jié)果表明500 mg·L-1銅納米顆粒對菌絲的抑制效果為93.75%，明顯優(yōu)于500 mg·L-1多菌靈50%可濕性粉劑（72.82%）和2 500 mg·L-1氯氧化銅50%可濕性粉劑（85.85%）。Lakshmeesha等（2020）合成的氧化鋅納米顆粒具有抗真菌活性，可用于防治大豆種子傳播的真菌。同樣，Irshad 等（2020）制備的綠色二氧化鈦納米顆粒對小麥銹病具有較好的抗真菌活性，特別是用藜麥提取物合成的NPs。另外，Athanassiou 等（2018）研究表明，金屬NPs 可以用作防治各種昆蟲和害蟲的有效殺蟲劑。納米殺蟲劑作為一種綠色植物殺蟲劑，提高了蚜蟲/納米載體復(fù)合物對草莓主要蟲害（綠桃蚜蟲和雙斑蜘蛛螨）和病害（白粉?。┑姆乐涡Ч瑵M足了草莓綠色可持續(xù)生產(chǎn)中病蟲害管理的需要（Yan et al.，2021a）。其他納米顆粒對植物抗病蟲害能力影響的研究結(jié)果見表4。

表4 納米顆粒對植物抗病蟲害能力的影響

3.3 納米顆粒對植物抗非生物脅迫的影響

納米顆粒可以減輕非生物脅迫對植物的不良影響。葉面施用氧化鋅納米顆粒可以通過調(diào)節(jié)植物抗氧化系統(tǒng)來緩解低溫脅迫對水稻的傷害（Song et al.，2021）。硒納米顆粒通過增強(qiáng)高粱抗氧化防御系統(tǒng)而抵御高溫脅迫傷害（Djanaguiraman et al.，2018）。NPs 還可提高作物對滲透脅迫的耐受性，例如高鹽度、干旱等。氧化鈰納米顆粒通過更好地維持胞質(zhì)K+/Na+的能力來提高棉花的耐鹽性（Liu et al.，2021）。在干旱脅迫下，植物根際促生菌可以使植物具有耐旱性，當(dāng)它們與氧化硅納米顆粒聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，植物耐旱能力更強(qiáng)（Akhtar et al.，2021）。氧化鋅納米顆粒能夠減輕黃瓜的鎘脅迫（Shah et al.，2021）。蝦青素納米顆粒的應(yīng)用有助于維持鎘脅迫下小麥植株的養(yǎng)分獲取和離子穩(wěn)態(tài)，從而改善了鎘脅迫下植物的形態(tài)生理特征、超微結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)狀況（Zeshan et al.，2022）。氧化鐵納米顆?？蓽p輕水稻幼苗中的砷毒性（Khan et al.，2020）。其他納米顆粒對植物抗非生物脅迫影響的研究結(jié)果見表5。

表5 納米顆粒對植物抗非生物脅迫的影響

4 納米顆粒在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

納米技術(shù)是一種先進(jìn)的創(chuàng)新方法，用于開發(fā)和分析基于金屬NPs 的新配方，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有許多潛在應(yīng)用（Saratale et al.，2018），是改善農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的有效工具，有助于促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。納米顆粒在農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用于納米肥料、納米農(nóng)藥和納米保鮮材料等方面，可以幫助提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，減少化學(xué)污染，甚至保護(hù)植株免受環(huán)境壓力，因此納米顆粒在農(nóng)業(yè)上已得到了廣泛應(yīng)用。

4.1 納米肥料

傳統(tǒng)礦物肥料受養(yǎng)分吸收效率和高損失的影響，而納米肥料的發(fā)展為這種經(jīng)濟(jì)損失帶來了新的解決方案。應(yīng)用納米復(fù)合肥進(jìn)行控釋，可以改善土壤肥力，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收，調(diào)節(jié)根際微生物，刺激作物生長和產(chǎn)量增加（Wang et al.，2020）。Fouda 等（2020）研究表明，葉面施用20 mg·L-1銀納米顆粒的洋蔥在生長狀態(tài)、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面都表現(xiàn)為最好。與使用較大劑量（2 000～2 500 mg ·L-1）的商品肥相比，綠色合成的銀納米顆粒可用作環(huán)保納米肥料。Yusefi-Tanha 等（2020）將氧化鋅納米顆粒作為在缺鋅土壤中生長作物的新型納米肥料以提高大豆產(chǎn)量。Sharma 等（2022）研究發(fā)現(xiàn)采用氧化鎂納米顆粒處理后，硬皮豆芽根的長度、生長量和葉綠素含量明顯增加；碳水化合物和蛋白質(zhì)的積累量分別增加了4%～20%和18%～127%，總酚類化合物和類黃酮含量分別增加了7%～20%和50%～84%。

4.2 納米農(nóng)藥

納米農(nóng)藥代表了一種新興的納米生物技術(shù)發(fā)展，它可以封裝農(nóng)藥以進(jìn)行控釋并提高農(nóng)藥的選擇性和穩(wěn)定性（Paramo et al.，2020；Usman et al.，2020）。作為農(nóng)用化學(xué)品的特殊載體，納米材料可以為除草劑、化肥和殺蟲劑提供更大的比表面積，并確保其按需釋放（Shang et al.，2019）。Lv 等（2021）在前人合成的抗病毒化合物氯因康嗪的基礎(chǔ)上，對制備的氯因康嗪負(fù)載海藻酸鈉納米凝膠進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出比氯因康嗪更高的葉片粘附力，并且表現(xiàn)出長達(dá)7 d 的持續(xù)釋放效果，并能持續(xù)激活活性氧和抗氧化水平，誘導(dǎo)植物體內(nèi)水楊酸含量的增加及其應(yīng)答基因PR2的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)煙草對煙草花葉病毒侵染的持續(xù)抗性。Vivekanandhan 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，微生物介導(dǎo)合成的銅納米農(nóng)藥對目標(biāo)害蟲具有高毒性，而對非目標(biāo)生物體表現(xiàn)較低毒性。NPs 的施用劑量及其毒性仍然是NPs 作為納米農(nóng)藥商業(yè)化的主要問題。

4.3 納米保鮮材料

大多數(shù)水果和蔬菜由于其易腐爛的性質(zhì)，不能在自然條件下長期貯存。傳統(tǒng)的保存方法具有高生產(chǎn)成本和（或）保質(zhì)期不能令人滿意和（或）不良?xì)埩舻染窒扌?，而納米技術(shù)相關(guān)的保質(zhì)期延長策略有可能彌補(bǔ)傳統(tǒng)保存方法的缺點(diǎn)（Liu et al.，2020）。在包裝材料中使用納米材料可防止污染并保持食品新鮮（Salem &Fouda，2021）。納米復(fù)合材料由于其抗菌特性已被廣泛應(yīng)用于食品包裝和保存（Bhuyan et al.，2019）。例如銀納米顆粒由于其對食物腐敗微生物的滅活特性而被廣泛應(yīng)用于食物的貯存中。銀的特殊性質(zhì)，如低溫下的低揮發(fā)性和穩(wěn)定性以及對各種類型微生物的毒性，使其成為食物貯存的有益選擇。此外，不同種類的NPs 已被廣泛應(yīng)用于作物衍生食品的貯存中（Bhuyan et al.，2019）。Zheng 等（2016）通過向原有包裝材料中加入納米材料制成了新型納米包裝材料，具有納米材料的表面等離子體性質(zhì)，并表現(xiàn)出很好的力學(xué)性能、透氣性和光催化性等。徐庭巧等（2016）進(jìn)行了納米碳酸鈣改性聚乙烯膜對2 ℃下楊梅果實(shí)貯藏品質(zhì)和生理影響的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣改性聚乙烯膜的氧氣和二氧化碳透過率分別為普通低密度聚乙烯膜的72.39%和81.33%，從而有利于在包裝袋內(nèi)更快的形成低氧和高二氧化碳的環(huán)境，納米碳酸鈣改性聚乙烯膜包裝比普通包裝楊梅果實(shí)的腐爛率降低了23.74%，而總酚和花色苷含量分別增加了7.63%和14.75%；而且納米碳酸鈣改性聚乙烯膜包裝延緩了楊梅果實(shí)原果膠的降解和水溶性果膠的增加，維持了果實(shí)的品質(zhì)。

5 結(jié)論與展望

近年來，NPs 的生物合成由于其經(jīng)濟(jì)前景而受到廣泛關(guān)注。各種微生物和植物提取物可用于NPs的高效生物合成。有效利用化肥、殺蟲劑、除草劑和植物生長因子/調(diào)節(jié)劑是提高作物產(chǎn)量的重要途徑。通過不同的戰(zhàn)略構(gòu)建農(nóng)藥和化肥輸送系統(tǒng)可以提高其利用率，這有助于減輕環(huán)境污染和過度使用農(nóng)業(yè)投入物對非目標(biāo)生物體造成的負(fù)面影響（An et al.，2022）。國際社會(huì)對環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的廣泛關(guān)注，為NPs 的綠色合成及其在包括農(nóng)業(yè)在內(nèi)的各種技術(shù)中的應(yīng)用提供了一個(gè)充滿希望的未來。

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著氣候變化、植物病害、環(huán)境污染等各種問題。適當(dāng)?shù)厥褂梅忾]在各種納米制劑中的農(nóng)藥和化肥，可以達(dá)到更好的施用和控釋效果，并防止環(huán)境污染。納米顆粒作為納米肥料、納米農(nóng)藥和納米保鮮材料的應(yīng)用已有許多研究。納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但與其他領(lǐng)域相比尚未商業(yè)化和進(jìn)入市場。限制納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中發(fā)展的主要因素是回報(bào)低、生產(chǎn)成本高以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)移效率低（Kim et al.，2018）。而且，相關(guān)農(nóng)業(yè)部門對納米材料的風(fēng)險(xiǎn)分析尚未全面進(jìn)行，這些材料對人類和環(huán)境構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)仍然未知。目前，納米技術(shù)處于發(fā)展階段，還有諸多問題有待解決，納米顆粒的綠色合成及實(shí)際應(yīng)用大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，關(guān)于綠色還原過程中涉及的合成機(jī)理和確切的代謝產(chǎn)物仍不清楚，納米顆粒與作物之間相互作用的潛在機(jī)制仍需深入研究和探討。使用生物合成方法來實(shí)現(xiàn)納米顆粒的大規(guī)模生產(chǎn)仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究。目前對納米材料潛在的安全性問題報(bào)道甚少，對于多數(shù)納米材料的毒性評價(jià)都只停留在簡單的表面毒性方面，未來需要系統(tǒng)性地研究納米顆粒的生物效應(yīng)及其毒性機(jī)制。