喬 俊，趙建國，解 謙，邢寶巖，杜雅琴，屈文山，王海青

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納米炭材料對作物生長影響的研究進(jìn)展

喬 俊1，趙建國1※，解 謙2，邢寶巖1，杜雅琴1，屈文山1，王海青1

（1. 山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，大同 037009； 2. 山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，大同 037009）

納米炭材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用到材料科學(xué)、能源、環(huán)境修復(fù)以及制藥等領(lǐng)域。隨著納米炭材料生產(chǎn)和使用的不斷增加，納米炭材料將不可避免地被釋放到環(huán)境中，并對環(huán)境中的各種植物以及作物造成未知的影響。近年來，將納米炭材料應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，考察納米炭材料對作物的影響成為新的研究熱點(diǎn)。該文綜述了各類納米炭材料（包括炭納米管、富勒烯、炭納米洋蔥和石墨烯等）對作物的生長影響，現(xiàn)有研究表明，各類納米炭材料對作物種子的萌發(fā)和幼苗根莖的生長、作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及作物的抗逆性方面造成影響；此外，施加含納米炭材料的肥料對作物的產(chǎn)量品質(zhì)，肥料的利用率也造成影響，但其中的影響機(jī)理還不完全清楚，仍有待于進(jìn)一步研究。研究納米炭材料與作物的相互作用關(guān)系，可為納米炭材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，促進(jìn)增產(chǎn)提供新的思路和指導(dǎo)，因而具有重要的意義。

作物；生長；納米炭材料；品質(zhì)；納米炭增效肥

0 引 言

納米材料是指三維空間尺度中至少有一維處于納米量級（1～100 nm）的材料。納米炭材料是納米材料中非常重要的一類，目前納米炭材料主要包括石墨烯（graphene）、炭納米管（carbon nanotubes）、炭納米角（carbon nanohorns）、富勒烯（fullerene）、炭納米洋蔥（carbon nano-onion）和炭納米量子點(diǎn)（carbon nano quantum dot）。其中，石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的平面二維晶體。炭納米管和炭納米角可看成是由片層石墨烯卷曲形成的一維尺度無縫中空管，管徑具有納米尺寸，長度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。富勒烯、炭納米洋蔥球和炭納米量子點(diǎn)可看成是由片狀的石墨烯包圍而成的零維尺度具有球狀結(jié)構(gòu)的納米材料。富勒烯是由多個(gè)碳原子組成的中空球體或橢球體分子，經(jīng)典的富勒烯C60是由12個(gè)五元環(huán)和20個(gè)六元環(huán)組成的多面體碳原子簇合物。炭納米洋蔥是以C60為核心的同心多層球面套疊結(jié)構(gòu)的碳分子，各層碳原子數(shù)按602（為層數(shù)）遞增，層與層間距約0.34 nm與石墨烯的層間距十分接近。炭納米量子點(diǎn)是一類尺寸在10 nm以下，類球形的具有獨(dú)特?zé)晒庑再|(zhì)的炭顆粒。這些納米炭材料由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)界的各個(gè)領(lǐng)域，包括電子、材料、能源、制藥、環(huán)保等[1-3]。各種納米炭材料的大量生產(chǎn)和使用將不可避免地造成這些材料向環(huán)境中釋放，其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)已引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[4-6]。

近年來，將納米炭材料應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，研究納米炭材料對農(nóng)作物的影響逐漸成為新的研究熱點(diǎn)[7-9]，目前關(guān)于納米炭材料對作物影響方面的研究可大致分為兩類：一類是關(guān)注各種納米炭材料對作物生理、毒理方面的影響，主要涉及到各類納米炭材料存在下對作物種子的萌發(fā)、幼苗根莖的生長、作物產(chǎn)量和品質(zhì)、以及作物抗逆性等方面的影響；另一類是關(guān)注將納米炭材料應(yīng)用在施肥方面，側(cè)重研究納米炭材料在農(nóng)業(yè)節(jié)肥增效方面的影響。由于植物在自然界中扮演“生產(chǎn)者”的角色，環(huán)境中的納米炭材料對植物產(chǎn)生的影響將直接關(guān)系到各級“消費(fèi)者”的食物來源，從而對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。此外，農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，納米炭材料對作物生長帶來的影響也關(guān)系到農(nóng)業(yè)的未來以及人類社會的穩(wěn)定發(fā)展。因此，深入研究環(huán)境中的納米炭材料對作物生長的影響及其作用機(jī)理，不僅對拓展納米炭材料應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有重要意義，同時(shí)也對于評估納米炭材料的環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有十分重要的意義。

1 納米炭材料對作物生理及毒理的影響

1.1 納米炭材料對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

隨著納米炭材料不斷進(jìn)入到環(huán)境當(dāng)中，作物的種子將暴露在富含各類納米炭材料的環(huán)境之中。環(huán)境中的納米炭材料，將構(gòu)成對作物種子萌發(fā)及幼苗生長的生理和毒理的影響，近年來受到學(xué)者的普遍關(guān)注[10-12]。

目前，有關(guān)各類納米炭材料對種子萌發(fā)及幼苗根莖生長的研究均有報(bào)道，此類研究多數(shù)是將各類納米炭材料配制成溶液，采用這類溶液對種子進(jìn)行萌發(fā)和幼苗生長試驗(yàn)。例如：在炭納米管和炭納米角方面，Lin等使用2 g/L的多壁炭納米管溶液培養(yǎng)了6種植物（油菜、黑麥草、玉米、蘿卜、萵苣和黃瓜）種子，在種子萌發(fā)5 d后用多壁炭納米管溶液培養(yǎng)的油菜、黑麥草和玉米的根長顯著高于未加炭納米管培養(yǎng)的對照；然而，多壁炭納米管對種子根生長促進(jìn)效果并沒有在其他3種植物（蘿卜、萵苣和黃瓜）的試驗(yàn)中觀察到[13]。Canas等使用單壁炭納米管溶液對洋蔥、黃瓜、西紅柿、卷心菜和胡蘿卜種子進(jìn)行了48 h的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)單壁炭納米管溶液質(zhì)量濃度在0.16、0.9和5 g/L時(shí)，能夠促進(jìn)洋蔥和黃瓜的根生長，但對卷心菜和胡蘿卜幾乎沒有促進(jìn)作用，對西紅柿反而產(chǎn)生抑制作用[14]。袁剛強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為10～40 mg/L的單壁炭納米管溶液對水稻種子萌發(fā)有延遲作用，對水稻幼苗的生長產(chǎn)生抑制作用[15]。Lahiani等發(fā)現(xiàn)，單壁炭納米角存在下可促進(jìn)玉米、水稻、西紅柿和大豆種子的發(fā)芽以及幼苗的生長[16]。

在富勒烯、炭納米洋蔥和炭納米量子點(diǎn)方面，Nair等發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為50 mg/L的富勒烯C60溶液可提高水稻種子的發(fā)芽率達(dá)20%，并能夠顯著促進(jìn)水稻幼苗的生長[17]。Sonkar等報(bào)道了用木屑為原料制備水溶性的炭納米洋蔥，在使用質(zhì)量濃度為30 mg/L的炭納米洋蔥溶液對鷹嘴豆種子培養(yǎng)10 d后，根的生長得到了顯著促進(jìn)[18]。Tripathi等研究發(fā)現(xiàn)，在有光照或無光照條件下培養(yǎng)小麥種子10 d，經(jīng)炭納米洋蔥溶液培養(yǎng)的小麥種子，其根和莖的生物量都要明顯高于沒有用炭納米洋蔥溶液培養(yǎng)的種子，且炭納米洋蔥對小麥根的生長促進(jìn)作用更為突出[19]。Chen等采用水溶性的炭納米點(diǎn)（carbon nano-dots）研究發(fā)現(xiàn)低濃度（250和500 mg/L）炭納米量子點(diǎn)對玉米生長無毒，而高濃度（1 000和2 000 mg/L）會顯著抑制玉米根和莖的生長，造成玉米根鮮質(zhì)量降低57%～68%，莖鮮質(zhì)量降低38%～72%[20]。

在石墨烯方面的研究中，Liu等發(fā)現(xiàn)較低濃度石墨烯（5 mg/L）對水稻側(cè)根數(shù)量、根鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量指標(biāo)有明顯的促進(jìn)作用；但當(dāng)石墨烯溶液質(zhì)量濃度高于50 mg/L時(shí)，水稻種子發(fā)芽速率、根長、莖長、側(cè)根數(shù)量、根鮮質(zhì)量等都明顯受到抑制[21]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)石墨烯對西紅柿種子發(fā)芽產(chǎn)生促進(jìn)影響，石墨烯可以加速種子發(fā)芽過程，縮短發(fā)芽時(shí)間。在西紅柿幼苗生長階段，石墨烯能夠增加幼苗根和莖的長度，但根和莖的鮮質(zhì)量卻比對照稍低[22]。Anjum等研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的質(zhì)量濃度適宜時(shí)（400和800 mg/L）可促進(jìn)蠶豆根的生長，但濃度過低（100，200 mg/L）和過高（1 600 mg/L）會對蠶豆根伸長起抑制作用[23-24]。此外，筆者使用不同質(zhì)量濃度的氧化石墨烯溶液（200和600 mg/L）對綠豆、紅豆、黑豆種子進(jìn)行了培養(yǎng)，觀察氧化石墨烯對3種豆類植物發(fā)芽的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯對紅豆的種子發(fā)芽有明顯的促進(jìn)作用。如圖1所示，使用600 mg/L的氧化石墨烯溶液培養(yǎng)紅豆3 d后，紅豆的幼芽生長情況顯著好于僅使用超純水培養(yǎng)的對照。對于黑豆和綠豆，試驗(yàn)中未觀察到氧化石墨烯對種子發(fā)芽的促進(jìn)作用。

從上述的各類研究結(jié)果可以看出，各類納米炭材料存在下對作物種子萌發(fā)和幼苗生長是利或弊，論說并不一致。值得注意的是，許多研究表明在一些情況下，納米炭材料的存在不僅不會對種子萌發(fā)及幼苗生長產(chǎn)生抑制，反而會有比較明顯的促進(jìn)作用，這表明納米炭材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的潛力，而其中的作用機(jī)理也值得深入研究。目前，研究者們正從作物對納米炭材料的吸收和吸附、納米炭材料在作物體內(nèi)的遷移和利用、納米炭材料對作物產(chǎn)生的氧化應(yīng)激效應(yīng)以及對作物某些蛋白、基因的表達(dá)等方面探索其內(nèi)在的作用機(jī)制。

1）現(xiàn)有許多研究采用拉曼光譜、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、熒光光譜、熱重分析等技術(shù)發(fā)現(xiàn)植物可吸附、吸收各類納米炭材料進(jìn)入植物體內(nèi)[25-27]。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，單壁炭納米管能夠穿透完整的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入到煙草細(xì)胞中[28]。Begum等利用透射電子顯微鏡觀察到擬南芥胞吞石墨烯的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，表明石墨烯可通過胞吞作用進(jìn)入擬南芥細(xì)胞內(nèi)[29]。Sonkar等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)炭納米洋蔥處理的種子萌發(fā)后，其根部觀察到有炭顆粒的侵入，且造成根部表皮細(xì)胞外觀變得疏松[18]。Khodakovskaya等[25]和Zhang等[22]分別觀察到多壁炭納米管和石墨烯能夠穿透西紅柿的種皮，認(rèn)為此效應(yīng)可促進(jìn)種子對水分的吸收，從而促進(jìn)西紅柿種子發(fā)芽和幼苗的生長，Zhang等進(jìn)一步采用熱重分析等手段發(fā)現(xiàn)石墨烯可使種子水分含量增加17.5%[22]。

2）納米炭材料顆粒進(jìn)入植物體內(nèi)后，可通過植物木質(zhì)部或韌皮部實(shí)現(xiàn)在植物不同組織間的運(yùn)輸和遷移，有些情況下，植物可利用體內(nèi)的納米炭構(gòu)建自身組織或細(xì)胞器，從而對植物的生長造成影響。Tripathi等觀察到鷹嘴豆可吸收水溶性的炭納米管，并利用炭納米管來構(gòu)建木質(zhì)部的毛細(xì)導(dǎo)管，從而增強(qiáng)了植株的吸收和保持水分的能力，促進(jìn)根和莖的生長[27]。Serag等研究發(fā)現(xiàn)，植物擬南芥體內(nèi)木質(zhì)素的生物合成過程中，可通過氧化橋聯(lián)作用將體內(nèi)的炭納米管與單體木質(zhì)素連接起來，從而利用炭納米管來構(gòu)建導(dǎo)管[30]，促進(jìn)植物對各種大量、微量營養(yǎng)元素的運(yùn)輸。Giraldo等研究發(fā)現(xiàn)，單壁炭納米管經(jīng)植物的被動運(yùn)輸過程嵌入到葉綠體后，可增強(qiáng)植物葉綠體的光合作用活性（比對照高3倍）和電子轉(zhuǎn)移速率[31]。

3）納米炭材料可能會導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧自由基的積累，一旦超過植物抗氧化系統(tǒng)（一些抗氧化酶，如超氧化物歧化酶，過氧化氫酶，谷胱甘肽過氧化物酶等）的清除能力，就會導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡，產(chǎn)生毒害和抑制作用[32-34]。Anjum等研究發(fā)現(xiàn)[24]，氧化石墨烯質(zhì)量濃度在過低（100、200 mg/L）和過高（1 600 mg/L）時(shí)，會引起蠶豆體內(nèi)活性氧自由基的積累產(chǎn)生抑制作用，然而當(dāng)質(zhì)量濃度適中時(shí)（400和800 mg/L）有助于蠶豆種子水分含量的增加，并提高種子的過氧化氫酶的活性，降低自身脂肪和蛋白質(zhì)被氧化的程度，且能夠使種子保持細(xì)胞膜的完整性，降低細(xì)胞電解質(zhì)液體外泄的程度，從而改善了蠶豆的生長狀況，促進(jìn)蠶豆種子根的生長。

4）納米炭材料也可能通過影響植物細(xì)胞中某些基因的表達(dá)，對植物某些功能蛋白及組織表現(xiàn)出促進(jìn)作用。Yan等發(fā)現(xiàn)單壁炭納米管能夠上調(diào)2種與玉米根細(xì)胞伸長有關(guān)的2種基因（1和）的表達(dá)，可促進(jìn)種子根的生長；但對根毛生長的2種基因（1和3）表達(dá)產(chǎn)生抑制作用，因而對玉米的根毛生長產(chǎn)生抑制影響[35]。Khodakovskaya等研究發(fā)現(xiàn)，多壁炭納米管的表面電荷可誘導(dǎo)西紅柿體內(nèi)水通道蛋白基因（2）的表達(dá)，增強(qiáng)西紅柿對水分以及營養(yǎng)元素（如鈣、鐵等）的吸收效率，因此可促進(jìn)西紅柿種子的萌發(fā)和生長[36-37]。Khodakovskaya等研究發(fā)現(xiàn)，多壁炭納米管能夠誘導(dǎo)煙草的某些基因表達(dá)上調(diào)，如細(xì)胞分裂基因（）、細(xì)胞壁的形成基因（1）和水分運(yùn)輸基因（水通道蛋白，1），從而能夠促進(jìn)種子萌發(fā)和植株的生長[38]。

從上述研究結(jié)果來看，納米炭材料對作物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響很大程度上取決于作物的種類，納米炭材料的類型、劑量和性質(zhì)。目前雖然在納米炭材料影響作物種子萌發(fā)和幼苗生長的機(jī)理研究方面有一些突破，但總體上還所知有限，難以形成規(guī)律性的結(jié)論。已報(bào)道的研究多數(shù)都在考察單一類型的納米炭材料對作物的影響，而系統(tǒng)地對比不同形貌、不同性質(zhì)的納米炭材料對作物的影響，是理清納米炭材料的結(jié)構(gòu)-效應(yīng)關(guān)系的重要研究內(nèi)容，需進(jìn)一步關(guān)注。例如，Tripathi等對比了6種不同形貌、尺寸的納米炭材料（包括炭納米量子點(diǎn)、單壁炭納米管、多壁炭納米管和炭納米晶須等）在鷹嘴豆幼苗體內(nèi)的遷移，認(rèn)為各形貌和尺寸的納米炭材料更傾向通過質(zhì)外體途徑（apoplastic pathway）進(jìn)入植物體內(nèi)；幾種納米炭材料中，一維中空結(jié)構(gòu)的單壁炭納米管更具生物兼容性，可優(yōu)先進(jìn)入鷹嘴豆幼苗的木質(zhì)部，對幼苗生長的促進(jìn)作用也最明顯[39]。Lahiani等研究發(fā)現(xiàn)，4種不同形貌的納米炭材料（薄層石墨烯、螺旋狀、長尺寸和短尺寸的多壁炭納米管）對西紅柿的生長有著相同的作用機(jī)制，即都可造成水通道蛋白基因表達(dá)的上調(diào)，促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長[40]。另外，現(xiàn)有的多數(shù)研究在關(guān)注納米炭材料對作物毒性及生理影響時(shí)，試驗(yàn)的納米炭材料質(zhì)量濃度和受試作物的培養(yǎng)條件，都與自然土壤環(huán)境有著較大差別，得到的研究結(jié)果不一定能反映真實(shí)自然條件下的情形。Gogos等研究表明，在嚴(yán)格模擬自然條件的土壤微宇宙試驗(yàn)中，多壁炭納米管的垂直遷移能力以及植物對多壁炭納米管的吸收都非常有限，且植物對多壁炭納米管的吸收量與多壁炭納米管的暴露濃度無關(guān)[41]。因此，研究自然土壤環(huán)境中納米炭材料對植物的影響，同樣需要受到關(guān)注。

1.2 納米炭材料對作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

納米炭材料對作物的產(chǎn)量及品質(zhì)方面的影響也是研究納米炭材料與作物相互作用關(guān)系的重要方面。在研究方法上，有些研究是將種子先浸泡在含有納米炭材料的溶液中一段時(shí)間（或培養(yǎng)至種子萌發(fā)），再將種子（或幼苗）種植在土壤觀察對作物產(chǎn)量的影響[18,42-44]；也有研究采用水培法，在作物的培養(yǎng)液中保持一定濃度的納米炭材料，研究對作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[17,21,45]。

在炭納米管方面，Khodakovskaya等研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為50 mg/L的多壁炭納米管溶液能夠?qū)ξ骷t柿增產(chǎn)2倍多（單株果實(shí)數(shù)量為9個(gè)，未用炭納米管處理的單株果實(shí)數(shù)量僅為4個(gè)）[36-37]。在炭納米洋蔥和富勒烯方面，Sonkar等研究發(fā)現(xiàn)，使用質(zhì)量濃度為30 mg/L的炭納米洋蔥溶液對鷹嘴豆種子培養(yǎng)10 d后，再將萌發(fā)的幼苗進(jìn)行種植，植株生物量以及鷹嘴豆的產(chǎn)量明顯提高。進(jìn)一步分析果實(shí)中的C、H和N的含量后發(fā)現(xiàn)，與對照相比，炭納米洋蔥未對鷹嘴豆果實(shí)造成明顯的C、H和N含量的差異[18]。Kole等用不同濃度的富勒醇C60(OH)20溶液對種子進(jìn)行萌發(fā)培養(yǎng)后，再將種子移種在土壤中直至成熟結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中各濃度的富勒醇都能夠?qū)喙系墓麑?shí)、植株的生物量起到增產(chǎn)效果，增產(chǎn)40%～128%，但富勒醇濃度最高的處理其增產(chǎn)效果并非最好。研究還發(fā)現(xiàn)，富勒醇的處理可提高來自苦瓜的4種天然植物藥物的含量，能夠?qū)J素-B、番茄紅素、苦瓜甾和胰島素分別增產(chǎn)達(dá)74%、82%、20%和91%，從而能夠使苦瓜的品質(zhì)得到提高[42]。然而，Lin等研究了C70對水稻的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)C70處理后的水稻花期推遲了1個(gè)月，且稻穗的結(jié)實(shí)率也降低了4.6%。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)C70可以在水稻體內(nèi)進(jìn)行“代際遷移”。研究人員僅在第1代水稻種子的萌發(fā)期施加了一定濃度的C70，但令人驚訝的是，在第2代水稻幼苗的葉子中再次發(fā)現(xiàn)了C70的聚合物。這項(xiàng)研究表明，C70可以通過水稻種子進(jìn)行“代際遷移”從而可能造成對人類或其他受體的潛在風(fēng)險(xiǎn)[46]。在石墨烯方面，Begum研究了石墨烯添加量在500～2 000 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)能夠顯著抑制大白菜、土豆和菠菜根莖的生長和生物量水平，并導(dǎo)致植株葉片的尺寸變小、數(shù)量減少，石墨烯對這些植物產(chǎn)生不利影響的程度與其濃度存在劑量-效應(yīng)關(guān)系。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，石墨烯與植物體內(nèi)活性氧自由基、過氧化氫的含量以及細(xì)胞死亡也存在劑量-效應(yīng)關(guān)系，這表明石墨烯引起了氧化應(yīng)激損傷（oxidative stress necrosis），從而對大白菜、土豆、菠菜3種植物產(chǎn)生不利影響。然而，研究發(fā)現(xiàn)各種濃度的石墨烯對萵苣并未造成明顯的毒性影響[45]。Chakravarty等用0.2 g/L的石墨烯量子點(diǎn)（Graphene quantum dots）溶液先對香菜和大蒜的種子浸泡3 h然后再進(jìn)行種植，觀察香菜和大蒜的整個(gè)生長周期后發(fā)現(xiàn)，石墨烯量子點(diǎn)對香菜和大蒜的植株根、莖、葉、花和果實(shí)的生長都有明顯的促進(jìn)作用，表明石墨烯可作為這兩種作物的生長促進(jìn)劑，促進(jìn)其產(chǎn)量提高[43]。

從上述研究結(jié)果來看，各類納米炭材料對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響表現(xiàn)不一，有些情況下納米炭材料可提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，可能與納米炭材料類型、濃度以及受體作物種類這3方面因素有關(guān)。探究納米炭材料對作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面的作用機(jī)理，從而使農(nóng)業(yè)上利用納米炭材料進(jìn)行趨利避害是一項(xiàng)重要課題，但這方面的研究還比較欠缺。促進(jìn)作物生長及產(chǎn)量的原因有：納米炭材料促進(jìn)作物種子萌發(fā)、誘導(dǎo)作物體內(nèi)水通道蛋白的表達(dá)，從而促進(jìn)根的生長以及對水分和營養(yǎng)元素的吸收等；納米炭材料可吸附一些營養(yǎng)離子（如NH4+和NO3-），減緩營養(yǎng)離子的流失[47]；可能還與相關(guān)的酶、蛋白和基因表達(dá)有關(guān)，但還未見報(bào)道，需深入研究。

1.3 納米炭材料對作物抗逆性的影響

作物在環(huán)境條件惡劣（如干旱、高溫、高寒、高鹽等）的情況下，本身具有一定的抵抗不利環(huán)境的某些性狀，即抗逆性。在自然環(huán)境條件惡劣時(shí)，納米炭材料的存在可能會對作物抗逆性表現(xiàn)構(gòu)成未知影響。Wang等通過在培養(yǎng)體系中加入聚乙二醇來模擬干旱，另加入NaCl來模擬高鹽，研究微克級別（0～1 000g/L）的氧化石墨烯在干旱或高鹽的條件下，對擬南芥的抗逆性影響[48-49]。研究結(jié)果表明，在非脅迫環(huán)境條件下（不干旱、非高鹽），不同質(zhì)量濃度的氧化石墨烯（10、100、1 000g/L）對擬南芥的發(fā)芽、幼苗根莖生長以及花期等幾乎沒有抑制作用，但也未觀察到促進(jìn)作用，證明微克級別的氧化石墨烯在良好環(huán)境條件下對擬南芥的生長是安全的。但是在干旱和高鹽條件下，氧化石墨烯質(zhì)量濃度為1 000g/L時(shí)會加重惡劣條件對擬南芥生長的不利影響，表現(xiàn)在植物鮮質(zhì)量減少，根長度變短等。進(jìn)一步酶分析結(jié)果表明，在有氧化石墨烯存在下并疊加外界不利環(huán)境條件時(shí)，擬南芥體內(nèi)的過氧化氫含量較高，發(fā)生氧化應(yīng)激損傷的壓力較大。然而，Martinez-ballesta等研究表明[50]，在高鹽情況下，多壁炭納米管的存在能夠誘導(dǎo)花椰菜根部細(xì)胞膜脂類的組成和硬度發(fā)生變化，改變細(xì)胞膜的通透性，促進(jìn)花椰菜對水分的吸收和CO2的同化，從而緩解環(huán)境中高鹽帶來的不利影響，促進(jìn)花椰菜的生長。目前，炭納米材料對作物的抗逆性影響的報(bào)道還非常有限，還無法判斷炭納米材料的存在究竟對作物抗逆性表現(xiàn)是利或弊，仍有待深入研究。

2 納米炭材料用作肥料對作物的影響

除了關(guān)于納米炭材料對作物生理、毒理方面研究外，考慮到納米炭材料的小尺寸、高表面能等特性，能夠吸附養(yǎng)分離子，促進(jìn)土壤中肥料的可利用性等，也有很多學(xué)者關(guān)注將納米炭材料在施肥階段加入，主要考察納米炭材料用做肥料時(shí)，對作物產(chǎn)量、品質(zhì)以及農(nóng)田肥料利用等方面的影響。

2.1 納米炭材料用做肥料對作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

中國學(xué)者在將納米炭作為肥料添加劑方面做了大量研究，所用納米炭材料一般為5～50 nm的球狀納米炭。劉鍵等[51]研究將球狀納米炭添加在肥料中制成納米炭增效肥（nano-fertilizer，納米炭占肥料總量的0.3%），研究表明納米炭增效肥能夠促進(jìn)蘿卜、卷心菜、茄子、辣椒、西紅柿、芹菜和韭菜的生長，可使這些作物的產(chǎn)量提高20%～40%，并提早上市時(shí)間5～7 d，從而提升經(jīng)濟(jì)效益。在品質(zhì)方面，納米炭增效肥的施用能夠?qū)κ卟酥械母黝悹I養(yǎng)成分含量造成影響。例如，施用納米炭增效肥培育的蘿卜，其胱氨酸、脯氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的含量可增加11.1%～140%，而酪氨酸、精氨酸、組氨酸、纈氨酸和賴氨酸的含量卻減少了11.1%～30.0%；施用納米炭增效肥的茄子除胱氨酸減少了16.7%外，其他上述氨基酸的含量均有增加（增幅為11.5%～42.9%）；施用納米炭增效肥的芹菜其氨基酸含量均有增加，增幅為15.4%～70.0%；施加納米炭增效肥的辣椒氨基酸含量降低了42.86%～72.73%，但辣椒中維生素C的含量提高了1.5倍，可提高辣椒的品質(zhì)及增強(qiáng)其耐貯性。在對冬小麥的研究發(fā)現(xiàn)，納米炭增效肥可使冬小麥增產(chǎn)12.34%～19.76%，小麥蛋白質(zhì)含量減少7.52%，脂肪含量增加33%[52]。與傳統(tǒng)化肥相比，添加納米球狀炭制備的納米炭增效肥能使水稻增產(chǎn)10.3%、玉米增產(chǎn)10.9%～16.7%、大豆增產(chǎn)28.8%，且能使大豆中植物油含量提高13.2%。還可促進(jìn)春玉米早熟，納米炭增效肥的產(chǎn)投比可達(dá)13.5∶1.0，能使每公頃增加純經(jīng)濟(jì)收入2 777.5元[53]。對煙草種植方面，施加納米炭增效肥不僅可提高煙葉單葉質(zhì)量和產(chǎn)量[54]，還能在一定程度上改善烤煙的品質(zhì)，表現(xiàn)在明顯提高了烤煙煙葉的鉀離子含量（平均提高幅度為20%）和鉀氯比值，使煙草香氣品質(zhì)得到提高[55]。此外，筆者對比了施用含納米炭的氮肥與普通氮肥對萵筍和水蘿卜2種蔬菜的生長影響，發(fā)現(xiàn)施用納米炭增效肥能夠使萵筍果實(shí)質(zhì)量增加17.6%～41%，水蘿卜果實(shí)質(zhì)量增加29%，即納米炭隨氮肥混和施入后對萵筍和水蘿卜實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)。圖2給出了普通氮肥和含納米炭的氮肥對萵筍和水蘿卜果實(shí)生長影響的照片，從圖2a中可以看出，納米炭施加能明顯提高萵筍果實(shí)的直徑，從而實(shí)現(xiàn)萵筍增產(chǎn)。圖2b中可明顯觀察到，納米炭添加種植出水蘿卜的果實(shí)表皮顏色明顯變深，呈紫紅色。進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果表明，納米炭可誘導(dǎo)促進(jìn)水蘿卜體內(nèi)花青素的合成，使表皮花青素含量增加，顏色變紫?；ㄇ嗨鼐哂锌寡趸?、抗衰老的功效，花青素含量的增高有助于提升水蘿卜的營養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)。

由此可見，與傳統(tǒng)肥料制成納米炭增效肥可對許多蔬菜、糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物起到增產(chǎn)、改善作物品質(zhì)等的積極影響。目前，對于納米炭增效肥可促進(jìn)作物增產(chǎn)的可能作用機(jī)理，報(bào)道的主要有：

1）納米炭的添加可促進(jìn)作物對土壤中營養(yǎng)元素的吸收。由于納米炭材料有較大的比表面積，吸附性強(qiáng)，易于吸附土壤溶液中的養(yǎng)分離子，此外納米炭與肥料形成納米增效肥后具有良好的導(dǎo)電性能，可提高根系細(xì)胞外電化學(xué)勢梯度，提高土壤中無機(jī)營養(yǎng)元素的遷移速率，從而促進(jìn)離子進(jìn)入根系細(xì)胞，促進(jìn)作物對營養(yǎng)離子的吸收[56-57]。謝劍平等研究發(fā)現(xiàn)，納米炭可促進(jìn)擬南芥對K、P、Mg、Fe、Zn等營養(yǎng)元素的吸收，從而可能促進(jìn)擬南芥根、莖的生長和生育期的提前[58]；李淑敏等研究表明，納米炭可提高玉米對氮素的吸收和利用，添加納米炭的處理其玉米植株吸收氮素的量可增加20.1%，進(jìn)而使植株葉片的葉綠素含量增加，光合作用增強(qiáng)[59]；王小燕等研究表明，肥料中添加0.3%的納米炭后，可改善水稻根系周圍微環(huán)境，使氮肥更易于被根系交換吸附，進(jìn)而可促進(jìn)水稻根系對氮的吸收[60]。

2）納米炭可促進(jìn)作物對水分的吸收，進(jìn)而攜帶大量營養(yǎng)元素進(jìn)入植物體內(nèi)。納米炭材料可滲透作物種子和根表皮細(xì)胞，使外觀結(jié)構(gòu)變得疏松；一些納米炭材料可誘導(dǎo)作物的水通道蛋白表達(dá)以及根伸長基因的表達(dá)，并參與作物根中導(dǎo)管的構(gòu)建等，這些都可能促進(jìn)作物根系的生長，有利于作物對水分的吸收。作物吸收水分的同時(shí)可攝取營養(yǎng)元素，進(jìn)而促進(jìn)作物生長。

3）納米炭作為肥料添加劑可促進(jìn)作物根系活力和根際土壤酶活性的提高。李淑敏等研究表明，傳統(tǒng)氮肥添加納米炭后，能夠?qū)τ衩赘祷盍μ岣呓?倍，且明顯提高了根際土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性[59]。由于土壤脲酶活性與氮素的吸收利用有關(guān)，因而可能是納米炭促進(jìn)玉米氮素吸收的原因之一。

納米炭用做肥料添加劑可提高某些作物產(chǎn)量的直接原因是納米炭材的存在促進(jìn)了作物對營養(yǎng)元素的吸收，但其作用機(jī)制還不夠清楚。需注意的是，作物根系分泌物（如小分子有機(jī)酸、醇化物、次生代謝物等）以及根際微生物可能會對納米炭材料產(chǎn)生修飾作用，改變納米炭材料的理化性質(zhì)，從而最終影響到作物對養(yǎng)分的吸收，在未來研究中應(yīng)給予關(guān)注。有關(guān)納米炭作為肥料能夠改善某些作物品質(zhì)的具體機(jī)理，目前還所知甚少，可能需要從植物代謝，相關(guān)的酶、蛋白和基因表達(dá)層面尋找原因。

2.2 納米炭材料用做肥料對農(nóng)田節(jié)肥增效的影響

納米炭與傳統(tǒng)肥料制成的納米炭增效肥除了對作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響外，還對農(nóng)田化肥的利用率產(chǎn)生積極影響，從而起到節(jié)肥增效的作用。有研究表明，與傳統(tǒng)氮肥尿素相比，施用納米炭增效尿素可降低農(nóng)田中氮素的流失，可大幅度提高氮肥的農(nóng)學(xué)利用率達(dá)44%，在施N量相同的條件下，水稻種植施用納米炭增效尿素每公頃的經(jīng)濟(jì)效益比普通尿素可增加1 064元以上[60]。在中國河北省小麥種植區(qū)，施用含有納米炭的氮肥可大幅度降低氮肥施用量（降低20%），減少二氧化氮的釋放，并同時(shí)能夠使小麥獲得增產(chǎn)[61]。在鹽堿地等不利土壤條件下，施用含納米炭的氮肥能夠使水稻增產(chǎn)8.5%～18.4%[62]。此外還有一些研究表明，施用納米炭增效肥可對玉米[63]、煙草[55]、大豆[64]、棉花[65]、茶葉[65]、番薯[65]、花卉[66]等作物也有著不同程度的節(jié)肥增效的效果。

納米炭能夠提高傳統(tǒng)肥料的利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)肥增效的可能原因在于：一方面，添加細(xì)粒徑的納米炭能增加土壤的黏粒含量，改善土壤質(zhì)地，且納米炭具有極大比表面積，能提高土壤對養(yǎng)分元素的吸持力，從而有效控制養(yǎng)分因地上揮發(fā)、地表徑流和深層滲漏的損失[67-69]。施用納米炭增效尿素與普通尿素相比，可顯著降低土壤總氮素徑流流失量[60]。另一方面，納米炭能夠改善土壤的電化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)作物根系對土壤中養(yǎng)分的吸收，從而提高了肥料利用率，最終起到節(jié)肥增效的作用。

3 結(jié)論與展望

納米炭材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點(diǎn)，目前已在不少工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而各類納米炭材料能否應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，并給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來新思路、新變革，逐漸成為近年來有關(guān)學(xué)者研究的新課題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系到人類社會的糧食來源，納米炭材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之前需充分研究和評估對作物的影響以及沿食物鏈傳遞和放大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

從已有的研究報(bào)道來看，各類納米炭材料會對作物從種子萌發(fā)、幼苗生長、作物產(chǎn)量及品質(zhì)、作物抗逆性以及農(nóng)田肥料利用等各個(gè)方面產(chǎn)生不可忽視的影響。這些影響有的是消極、有害的，而有些是積極、有利的?？傮w上，納米炭材料對作物的影響與作物種類、作物所處生長階段、納米炭材料的性質(zhì)、濃度、作用方式以及外界環(huán)境條件等多種因素有關(guān)。研究納米炭材料對作物的影響以及在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用是一個(gè)新興領(lǐng)域，目前還有很多方面有待進(jìn)一步研究：

1）納米炭材料對作物生長產(chǎn)生有利或有害影響的規(guī)律和具體作用機(jī)理還不清楚，需要深入研究。例如，作物對各類納米炭材料的具體耐受劑量；納米炭材料的粒徑、形貌、表面理化性質(zhì)等對作物影響的規(guī)律和機(jī)制；納米炭材料的作用方式（培養(yǎng)液用于種子萌發(fā)，作為肥料添加劑等）對作物影響的規(guī)律和機(jī)制；探究納米炭材料對某些作物品質(zhì)改善機(jī)理等。

2）研究納米炭材料在作物體內(nèi)的遷移和轉(zhuǎn)化，弄清納米炭材料在作物體內(nèi)的“歸趨”和“匯集”。充分研究和評估納米炭材料在作物體內(nèi)的累積效應(yīng)和代際遷移風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能隨食物鏈、食物網(wǎng)傳遞在動物體內(nèi)富集、放大等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3）研究環(huán)境條件對納米炭材料與作物相互作用的影響。例如，在不利自然環(huán)境下，納米炭材料對作物抗逆性影響規(guī)律和機(jī)理；納米炭材料與其他污染物（如重金屬、有機(jī)類農(nóng)藥等）共存時(shí)對作物的復(fù)合影響及機(jī)制；因而需要充分考慮環(huán)境介質(zhì)，尤其是根際特殊環(huán)境下的納米炭材料對植物的作用效果，為納米炭材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要且可靠的依據(jù)。

最后，納米炭材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)之前，還需要廣泛的農(nóng)田試驗(yàn)研究對其積極效果進(jìn)行充分驗(yàn)證。

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Review of effects of carbon nano-materials on crop growth

Qiao Jun1, Zhao Jianguo1※, Xie Qian2, Xing Baoyan1, Du Yaqin1, Qu Wenshan1, Wang Haiqing1

(1.037009,; 2.037009,)

Carbon nano-materials (CNMs) due to their unique structure and physicochemical properties are being used in the field of material science, energy, environmental remediation and medicine. As the production and application of CNMs continues to expand, CNMs will be inevitably discharged into the environment and generate unknown impacts on plants and crop species. Presently, more and more studies on CNMs are concentrated around their interactions and distribution within plants especially crops. In this paper, we review the literature about impacts on plant growth generated by four types of CNMs (carbon nanotube, fullerene, carbon nano-onions and graphene). Previous studies reveal that CNMs-exposed plants exhibit different response to stress, including seed germination, root and stem growth, biomass yields and nutritional quality. In some cases, CNMs are shown to be helpful in seed germination, root growth, photosynthesis and crop production, such as the use of fullerenes in bitter melon, the effect of graphene oxide on red bean germination, the growth promoters effects of carbon nano-onions for gram plants, the ability of carbon nanotubes to enhance growth in tobacco cells, increase the seed germination and growth of tomato plants and cause root enhancement in wheat plants. Further mechanisms investigation of CNMs on plants showed that the carbon nanotubes could increase the protein expression of water channel, as tracheal elements of the xylem vessels are responsible for water channel transport in plants, results in the overall enhanced growth of plants. While the CNMs are useful to increase the crop production and fruit manifold, but there are many other aspects, CNMs are known to be phytotoxic and harmful. Reports show that graphene significantly inhibited plant growth and biomass levels. It also decreased the number and size of leaves in a dose-dependent manner and caused oxidative stress-induced necrosis in cabbage, tomato and red spinach seeds during development. The transmission of CNMs to the next generation coming from the treated seeds has been reported, the fullerene (C70) aggregates were found in second-generation seedlings when the first generation was exposed only during germination. The ability of CNMs transmitted to the progeny suggests the potential that CNMs may present chronic exposure hazard to human and other receptors. According to the studies, the toxic effect of CNMs on plants seems to be related to the nano-materials’ concentration, the exposure time and the plant species used during the study. When nano-carbon was added to the fertilizer, nano-fertilizer was formed. Compared with the conventional fertilizer, the nanocarbon-synergistic fertilizer had the function of promoting the growth of the crops, nutrients content and fertilizer agronomic efficiency. The nano-synergistic fertilizer increased the rice yield of 10.3%, the spring maize of 10.9%-16.7%, the soybean of 28.8% and increased the soybean oil content of 13.2%. Nano-fertilizer also could improve the quality of the vegetables; the content of anthocyanin of summer radish was increased and the peel color turned prunosus. The amino acid content of celery treated with nano-synergistic fertilizer was shown to be 15.4%-70.0% higher than that with urea treatment. Compared to urea application alone, the nano-carbon fertilizer synergist was found to be able to improve N agronomic efficiency by 40.1% while minimizing N losses when added into urea. The mechanism of nano-synergistic fertilizer on crops showed that nano-carbon mixed with water became the superconductor, which increased the electric potential of soil and release large amounts of nutrient elements. However, it is still not fully understood how these actions induced by CNMs. Given the potential widespread application of nanotechnology in agriculture, resolution of this question remains a critical issue of concern. Importantly, more research is urgently needed in the area of CNMs-plant interactions; and with this fundamental knowledge, development of novel idea and guidance for implementation of CNMs in agriculture and food manufacturing will be possible.

crops; growth; nano-materials; quality; nano-carbon synergistic fertilizer

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022

S129; S19; S311

A

1002-6819(2017)-02-0162-09

2016-09-06

2016-12-23

山西省新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才資助項(xiàng)目；大同市科技攻關(guān)項(xiàng)目（201315，201422-1，201422-6，2015024，2016110）；大同市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2014105-7）；山西大同大學(xué)博士科研啟動基金。

喬俊，男，山西大同人，博士，主要從事環(huán)境化學(xué)，污染生態(tài)學(xué)等的研究。大同 山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，037009。 Email：qiaojun_nk@163.com

趙建國，男，山西天鎮(zhèn)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事功能納米炭材料的制備及應(yīng)用研究。大同 山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，037009。Email：jgzhaoshi@163.com

喬 俊，趙建國，解 謙，邢寶巖，杜雅琴，屈文山，王海青. 納米炭材料對作物生長影響的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：162－170. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022 http://www.tcsae.org

Qiao Jun, Zhao Jianguo, Xie Qian, Xing Baoyan, Du Yaqin, Qu Wenshan, Wang Haiqing. Review of effects of carbon nano-materials on crop growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 162－170. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022 http://www.tcsae.org