納米技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應用研究進展

吳靈輝

(楊凌職業(yè)技術(shù)學院 經(jīng)濟與貿(mào)易分院, 陜西 楊凌 712100)

1 納米技術(shù)介紹

“納米技術(shù)”這個術(shù)語是基于前綴“納米”，該前綴來自希臘語，表示為“十億分之一”。它是生物技術(shù)、化學加工、材料科學、系統(tǒng)工程、生物芯片、納米晶體和納米生物材料等多學科的融合[1]。它在自然界中隨處可見，比如壁虎爪子的黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有納米量級的凹形結(jié)構(gòu)，可使得其腳掌與各種表面完美貼合；人的牙齒也是高度鈣化的納米結(jié)構(gòu)組織，硬度超過鋼鐵等等。

同時，納米技術(shù)被廣泛應用于材料與制備、微電子與計算機、生物技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品等領域。比如，納米纖維素添加到食品包裝材料中，可改善包裝的機械性能，提高降解能力，也可提高包裝的阻隔性能，抑制空氣中水分、氧氣等對所包裝食品品質(zhì)的影響，從而發(fā)揮延長食品貨架期的作用[2]；利用納米技術(shù)制作的納米顆粒，可以成功穿透“血腦屏障”，為修復腦損傷精準送藥[3]；金屬氧化物、有機顆粒、無機顆粒和其他類型納米顆粒等納米材料可以提高原油采集率[4]。

2 納米技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應用

2.1 農(nóng)藥、化肥緩釋與精準輸送

農(nóng)藥、化肥在控制病蟲危害、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量方面有顯著作用，但農(nóng)藥和化肥的過度使用不僅不能被農(nóng)作物有效吸收，還會污染我們賴以生存的環(huán)境并危及人體健康。因此精準科學地施用農(nóng)藥和化肥，對促進植物生長、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境是必不可少的[5]。農(nóng)藥控釋制劑對于實現(xiàn)農(nóng)藥的有效利用以及減少環(huán)境污染是非常理想的。相較與傳統(tǒng)材料，納米材料顆粒尺寸小和比表面積大等特點使其具有了傳統(tǒng)材料所不具備的物理和化學特性。因此將納米材料作為載體，使農(nóng)藥和化肥均勻地分布其中，緩慢地向土壤中釋放藥劑和養(yǎng)分，可以更好的提高農(nóng)藥和化肥的利用率。

目前，有金屬納米顆粒(如無機納米材料、納米金)及生物活性納米顆粒(如納米羥基磷灰石、碳納米管)等作為納米載體，在農(nóng)藥、化肥緩釋和精準輸送中采用[6]。其中，無機納米材料由于具有物理穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，吸附力強，被廣泛用于藥物擔載和釋放領域中，Kun等(2011)將農(nóng)藥負載于納米碳酸鈣中，考察了載藥效率、緩釋性能、殺菌效果和穩(wěn)定性。表明該材料對立枯病絲核菌的殺菌效果優(yōu)于傳統(tǒng)工業(yè)用的纈氨霉素，釋放時間可延長至2周[7]。

納米微球、納米微囊、納米膠束和納米凝膠等是現(xiàn)有基于材料負載的納米農(nóng)藥[8]。例如，納米凝膠載體可以改善小分子農(nóng)藥的抗病毒活性。Lv等(2021)在前人合成的抗病毒化合物氯因康嗪(CHI)的基礎上，對制備的CHI負載海藻酸鈉納米凝膠進行了改進，發(fā)現(xiàn)CHI@ALGNP表現(xiàn)出比CHI更高的葉片粘附力，并且表現(xiàn)出長達7 d的持續(xù)釋放，并能持續(xù)激活活性氧和抗氧化水平，誘導水楊酸含量的增加及其應答基因PR2的表達，從而實現(xiàn)煙草對煙草花葉病毒侵染的持續(xù)抗性[9]。

在精準農(nóng)業(yè)中，通過包膜、膠結(jié)處理肥料也可以達到肥料的控釋和緩釋。如，Adisa等(2019)表明工程納米材料(ENMs)可以通過影響土壤中肥料養(yǎng)分的有效性和植物對養(yǎng)分的吸收來提高作物生產(chǎn)力[10]；滕青等(2018)研究得出使用緩釋納米肥料，可實現(xiàn)養(yǎng)分持久緩慢地釋放，也可提高土壤中微生物數(shù)量和酶活性[11]。

如何將農(nóng)藥和化肥精準的輸送至特定農(nóng)作物上，生物技術(shù)的進步以及納米材料的應用，可為此提供解決方法。基于納米傳感器的智能輸送系統(tǒng)，可以檢測到植物病毒的存在、土壤養(yǎng)分水平和作物病原體[12]，從而精準地將農(nóng)藥和營養(yǎng)液輸送到特定農(nóng)作物，以此減少不必要的浪費，降低投入成本，提高精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。而涂有氧化鋅納米顆粒的肥料可增強植物對養(yǎng)分的吸收，并將養(yǎng)分輸送到特定地點[13]。

2.2 病蟲害管理

農(nóng)作物病蟲害的高發(fā)以及其對藥物抗藥性的增強，會造成農(nóng)作物的大面積減產(chǎn)，進而威脅我國糧食安全。而納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展對解決農(nóng)作物病蟲害問題提供了新的路徑，有助于開發(fā)高效和有潛力的病蟲害管理辦法。納米載體在病蟲害控制方面的作用。比如，天然材料羧甲基纖維素(CMC)和松香(RS)為原料，制備CMC-g-PRSG載體，組成納米農(nóng)藥AVM@CMC可提高被包裹農(nóng)藥在水中的分散性和穩(wěn)定性，并能有效的黏貼在葉片上防止農(nóng)藥損失，還能調(diào)節(jié)pH值控制農(nóng)藥在納米載體中的釋放率，進而實現(xiàn)長時間控制害蟲[14]。相對于傳統(tǒng)的病蟲害防治，納米技術(shù)的優(yōu)勢在于：納米載體可損傷害蟲體壁造成失水或擾亂害蟲的正常生理功能；功能化的納米載體可實現(xiàn)靶向遞藥來提高藥物利用率；納米載體上功能基團的引入及其尺度效應，可提高殺蟲劑在植物表面的粘附性及被植物吸收的性能，可運載核算農(nóng)藥進入植物，進而調(diào)控植物或害蟲目標基因表達[15]。

納米材料在病蟲害控制方面的作用。銀納米顆粒物、銅納米顆粒物、硅納米顆粒物等均可提高植物對病原菌的抗菌性[16]。其中，2 ug·mL-1銀納米顆粒物能顯著抑制小麥根腐病菌孢子的萌發(fā)，10 ug·mL-1可高效控制玫瑰白粉??；100 ug·mL-1對黃瓜和南瓜等白粉病有較好的防控力度[17～22]；納米二氧化硅可通過物理吸附作用穿透害蟲的表皮脂質(zhì)，破壞它們的水屏障，進而殺死害蟲[23]。另外，多種納米顆粒合成物，如納米二氧化硅-銀納米顆?？煽刂浦参锊≡婢?，包括灰葡萄孢菌、稻瘟病和炭疽病菌等[24]。納米乳液也可用于農(nóng)藥制劑，有效防治農(nóng)業(yè)中的各種害蟲[25]。

2.3 植物生長發(fā)育

植物生長過程是指細胞、組織或植物體在發(fā)育過程中發(fā)生體積和質(zhì)量不可逆增加[26]。Nasrollahzadeh等(2020)表明施用金屬納米顆粒能有效提高植物中對應元素的含量，進而促進植物生長[27]。比如，氧化鈦和鐵基納米顆粒能夠通過改變植物激素水平來延緩衰老和加速細胞分裂，進而促進植物生長[28]。納米氧化鎂(MgONPs)可顯著促進番茄幼苗生長，在該納米顆粒物的刺激下番茄葉綠素含量提高了47.37%，含水量提高了13.14%[29]。其他的納米銀、納米鐵等金屬納米顆粒物，也對植物生長發(fā)揮著重要作用[30～31]。它們或是通過提升植物礦物質(zhì)元素含量，或是使植物高效率吸收營養(yǎng)物，來提升植物生長速度。

除金屬納米顆粒物外，非金屬納米顆粒物也可促進植物生長。比如，李婷婷等(2020)發(fā)現(xiàn)納米陶瓷對高羊茅的種子萌發(fā)和幼苗生長有促進作用，但是過量添加對高羊茅生長構(gòu)成逆境脅迫[32]。原海燕等(2021)發(fā)現(xiàn)納米硫可極大阻控油菜對鉛的吸收，并顯著緩解鉛對油菜的毒害，促進油菜幼苗的生長[33]。同時，碳納米顆粒物可以在一定濃度下促進小麥、玉米的根和莖生長，也可以促進大豆的發(fā)芽率[34～35]。另外，納米傳感器(位移、電感式、圖像采集、植物激素和植物徑流傳感器)可測量植物的葉片、果實、莖桿等外部特征，也可測量植物徑流、激素等內(nèi)部特征，這些傳感器通過測量植物內(nèi)外部特征變化來指導精準灌溉、施肥以及病蟲害防治等，植物始終處于最佳生長狀態(tài)[26]。

2.4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測關(guān)乎人體健康，也被消費者越來越重視。為滿足人們對安全可靠農(nóng)產(chǎn)品日益增加的需求，必須研發(fā)出可以有效快速檢測農(nóng)產(chǎn)品中有害物質(zhì)殘留的技術(shù)，建立追溯機制，倒逼農(nóng)產(chǎn)品種養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的提檔升級。但是，現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)——質(zhì)譜法、氣相色譜法、酶抑制法等[36～39]，存在操作復雜、耗時長、對儀器和操作人員要求高等缺點，不利于快速、靈敏地檢測農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[40]。新型快速的納米檢測技術(shù)的研發(fā)和應用可以很好解決以上問題。傳感器在快速檢測領域具有種類分布廣、應用范圍大、研究潛力強等特點。而納米材料具備光學、熱學、電學以及化學等方面的特殊性質(zhì)，將其應用在傳感器中，對改進和提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)具有重要意義[41]。

目前，納米材料主要在生物傳感、光學傳感和電化學傳感上得到應用。例如，生物納米傳感器可以精確定量地快速檢測細菌和病毒，從而提高消費者的食品安全性[42]；基于納米顆粒的生物傳感器，檢測有害物質(zhì)殘留的靈敏性和準確性都優(yōu)于傳統(tǒng)檢測技術(shù)，如對硫磷或有機磷，被廣泛用于檢測農(nóng)產(chǎn)品中的污染物和殺蟲劑或肥料中的禁用添加劑[43～44]。光學傳感器可通過金屬納米顆粒制備不同基底的拉曼光學傳感器，可提高藥物殘留的檢測精度、速度和可靠性，在藥物殘留檢測方面應用前景廣闊[45]。Hengye等(2021)采用金納米粒子(AuNPs)和四(N-甲基-4-吡啶基)卟啉組成的納米雜化系統(tǒng)作為光學探針，實現(xiàn)了對百草枯、敵百蟲、甲基托布津、毒死蜱和殺螟丹等5種農(nóng)藥的定量檢測[46]。而電化學傳感器規(guī)模小、易操作，可作為理想的現(xiàn)場檢測技術(shù)[47]。

2.5 農(nóng)產(chǎn)品加工

目前，由于農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的非有效利用，造成了一定的資源浪費。而納米技術(shù)可實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的有效利用，將其轉(zhuǎn)化成具有特殊功能的材料，這一轉(zhuǎn)化可提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，帶動農(nóng)民增收、減少資源浪費[48]。比如，利用納米技術(shù)可將包含果膠、纖維素等副產(chǎn)物，轉(zhuǎn)化成膠體納米粒子、納米纖維素等材料，在其他領域發(fā)揮作用[49～54]。

納米技術(shù)也可以加強農(nóng)產(chǎn)品的保鮮度，避免因保鮮程度不佳，造成農(nóng)產(chǎn)品浪費。Fatemeh等(2015)發(fā)現(xiàn)，脫脂牛奶、海藻糖和納米纖維素的有機結(jié)合，可以避免在冷凍中造成部分食物損失，比如蛋白質(zhì)變質(zhì)引發(fā)的食物變質(zhì)[56]。Neha等(2015)發(fā)現(xiàn)可以利用納米膠囊通過將氣味和不需要的成分截留在食物中，從而進行食物保護[57]。李月明等(2017)發(fā)現(xiàn)納米級緩釋膜抗菌效果佳、保鮮時間長，但有成本高的特點[55]。

納米化技術(shù)的融入可使食物中的有益成分充分地發(fā)揮作用，減少食品添加劑對于人體健康造成的危害。比如，用天然脂類將蘋果汁包裝成納米微粒，添加到水中可制成納米蘋果汁，進入人體后，可讓人體快速吸收[58]。通過納米封裝技術(shù)可以將靈芝中孢子成分運送到人體內(nèi)，加速人體對孢子的吸收，有利于改善傳統(tǒng)技術(shù)中，由于孢子不易被人體吸收，導致其利用效率不高難以充分發(fā)揮靈芝藥用價值的現(xiàn)狀[59]。

3 納米技術(shù)安全性

精準農(nóng)業(yè)中應用納米技術(shù)和材料，雖會為其發(fā)展提供更多可能，但鑒于納米材料的獨特性質(zhì)，會對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的負面影響。研究表明引發(fā)納米材料毒性的主要因素為自身理化性質(zhì)和環(huán)境因素，比如顆粒粒徑、濃度、作用時間、溫度及紫外線等都會影響納米材料的毒性強弱[60～63]。納米材料與技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，納米安全性更值得被全社會共同關(guān)注，未來納米材料在精準農(nóng)業(yè)中的應用，應重點研究其安全使用范圍、使用環(huán)境等，提高納米農(nóng)藥和化肥等納米產(chǎn)品的利用率、穩(wěn)定性，減少其毒性，解決其潛在危害，推進納米技術(shù)和納米材料在精準農(nóng)業(yè)中的可持續(xù)應用。

4 展望

納米技術(shù)可以在精準農(nóng)業(yè)中發(fā)揮巨大潛力，包括可實現(xiàn)農(nóng)藥和化肥的緩釋和精準輸送，減少農(nóng)藥、化肥過度使用，避免造成資源浪費及環(huán)境污染；減少因農(nóng)作物病蟲害造成的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量損失，推動農(nóng)業(yè)發(fā)展；還可促進植物生長，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、提高農(nóng)產(chǎn)品保鮮能力等等。納米技術(shù)在這幾方面的作用，符合精準農(nóng)業(yè)精準高效的理念，能實現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出的精準農(nóng)業(yè)目標。目前，我國納米技術(shù)發(fā)展迅速，但仍有很大的發(fā)展空間。未來發(fā)展納米技術(shù)的同時，應考慮納米技術(shù)的安全性，尤其是納米材料的毒性。