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80年代初期由德國學者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)域具有廣闊的應用前景。在過去的30年中，納米技術(shù)的研究及應用主要集中在電子、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域，當然也包括農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

對于農(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)域來說具有特殊性，其生產(chǎn)是在相對開放的環(huán)境中進行，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)域的應用主要集中在植物保護、作物生長調(diào)節(jié)和土壤修復幾個方面。納米農(nóng)藥、納米肥料、納米傳感器和納米土壤修復的出現(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人類是有毒的，這對環(huán)境安全和人類健康產(chǎn)生了巨大的隱患。如何合理地使用納米技術(shù)，使其在造福人類的同時避免產(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遠小于一般宏觀粒子，所以具有獨特的力、磁、光、電和化學性質(zhì)。

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

表（界）面效應，當粒子尺寸達到納米級別的時候，表面原子數(shù)增多導致表面活性增加，吸附力增強、熔點下降，同時增加了粒子活性，使其具有強的催化能力。量子尺寸效應，納米材料中處于分立的量子化能級中電子的波動性帶來了納米材料的一系列特殊性質(zhì)，如高度光學非線性、特異性催化和光催化、強氧化和還原性[2]。小尺寸效應，由于顆粒尺寸變小導致宏觀性質(zhì)的改變稱為小尺寸效應，會產(chǎn)生光吸收性增加、熔點降低等現(xiàn)象。宏觀量子隧道效應，微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應，納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(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。

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)決定導致其出現(xiàn)了常規(guī)材料所沒有的一些特別性能，例如一些金屬到納米程度，就由導體變?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越多的領(lǐng)域己獲得和正在獲得廣泛的應用。

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)、礦物腐蝕和有機物降解等自然過程都會產(chǎn)生天然納米顆粒，同時在人類的生產(chǎn)生活過程中（如焚燒、工業(yè)排放和汽車尾氣等）也會伴隨納米顆粒的產(chǎn)生。在此，主要討論的是人工納米材料。

納米材料分為4類：（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、金屬納米材料（nAu、nZn、nAl）、金屬氧化物納米材料（TiO2、ZnO和Al2O3）；（3）樹狀聚合物納米材料，是由納米級支鏈單元聚合而成，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，因為其存在多種同素異形體，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植物根系生長、種子萌發(fā)、生物量的積累，可以作為植物生長調(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，對植物青枯病具有良好的防治作用[5]。碳納米材料的抗菌機制主要是細胞膜損傷（物理穿刺作用）和氧化應激，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，對重金屬離子的吸附能力遠大于碳納米管，是一類很有研究和應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，用來檢測農(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檢測Cd2+和Pb2+含量。多壁碳納米管修飾電極靈敏度高、穩(wěn)定性好、檢測范圍較廣、選擇性強、抗干擾性好[8]。

圖1 碳納米材料

金屬納米材料

金屬納米材料對作物具有雙重作用，既可以促進又可以抑制種子萌發(fā)和植株生長。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，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)藥廣泛應用于植物保護中。

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]；化學吸附，化學吸附是通過電子轉(zhuǎn)移或電子對共用形成化學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，例如納米零價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，價帶的電子受到激發(fā)會向?qū)кS遷，因此會形成電子（e-）空穴（H+）對，所形成的電子具有還原反應，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Fe與零價Al的混合物在去除廢水中的Cr6+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+的過程可與重金屬離子形成氫氧化物沉淀，從而達到去除重金屬的目的[11]。

其他納米材料

有一些來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，由于其來源豐富、無毒無害、可被降解，在納米農(nóng)藥、肥料中具有廣泛的應用。目前，出現(xiàn)了很多將植物源納米材料和無機材料結(jié)合開發(fā)的納米復合材料，復合后的材料兼具有機和無機材料的優(yōu)點，例如殼聚糖和無機材料制成的納米復合材料充分發(fā)揮各組分的抗菌作用，使材料的抗菌性能得到提高，同時改善了殼聚糖的機械強度，殼聚糖作為穩(wěn)定劑的同時還可起到限制納米粒子團聚的作用[12]。另外，還有有機納米材料互相結(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特異性的除草劑，靶向性強且對土壤污染較小。

納米顆粒如何影響農(nóng)業(yè)？

納米材料在各個領(lǐng)域被廣泛利用，這些人工納米顆粒也通過不同的途徑進入到了環(huán)境中。英國皇家學會和英國皇家工程院做出評估，到2020年，環(huán)境中的納米顆粒總量將達到6萬t左右[13]。隨著納米材料的大量應用，越來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影響土壤、大氣、微生物和作物本身幾個方面進而影響著農(nóng)業(yè)。

納米顆粒影響土壤

納米顆粒進入土壤中的主要途徑是化肥和農(nóng)藥的使用，還有一部分通過工業(yè)廢棄物、大氣沉積和降水等進入土壤。納米顆粒一旦進入土壤，將與豐富的有機配體相互作用，發(fā)生一系列環(huán)境轉(zhuǎn)化，土壤中的有機質(zhì)可以吸附納米顆粒并改變其分散性和穩(wěn)定性，進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對氨氧化細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型的影響[15]。同時，進入土壤的納米顆粒會對土壤pH值、土壤有機質(zhì)等產(chǎn)生影響，進而影響植物生長發(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)，同時對環(huán)境變化非常敏感。土壤中的納米粒子會影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和豐度[16]。研究微生物對納米材料的響應有利于解決納米材料生產(chǎn)和使用過程中造成的環(huán)境問題。納米粒子通過對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、類型、表面電荷及微生物種類。nAg抑制大部分細菌和固氮微生物的生長，TiO2對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會增加土壤細菌的豐富度，使生態(tài)環(huán)境保持相對穩(wěn)定[18]；另有研究表明，碳納米材料對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

納米顆粒釋放到大氣中可能是自然現(xiàn)象，例如森林火災、火山活動、礦物質(zhì)風化、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著大氣運動擴散到很遠的地方。空氣中的納米粒子通過植物葉面的氣孔進入植物葉片的韌皮部，進而轉(zhuǎn)運到植物其他組織部位，或者通過莖表皮、柱頭等進入植物體內(nèi)，在植物體內(nèi)積累，進而影響其生長。

納米顆粒影響作物的生長發(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食物鏈影響到動物和人類，所以，納米顆粒對作物的影響及作物對納米顆粒的響應情況對于納米在農(nóng)業(yè)上的應用至關(guān)重要。

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

植物對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]；同一植物對不同納米粒子的吸收及毒性響應也不同，例如，不同的納米粒子(CeO2、Fe3O4、SiO2、TiO2、Ag、Co、Ni)對番茄植株根的生長、果實產(chǎn)量的影響及積累的位點均不同[21]。

納米顆?？梢源碳ぷ魑锓N子萌發(fā)、促進根系伸長、提高愈傷組織的生長速度以及增加生長量。例如促進小麥、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，并且可以促進玉米、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，高濃度下對作物會存在負面效應，表現(xiàn)為組織損傷、生長抑制及活性氧的產(chǎn)生等。

納米材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用

納米技術(shù)研究應用通常是納米技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合；納米專家與其他各科技領(lǐng)域?qū)＜蚁嘟Y(jié)合；納米專家與企業(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)上的應用開始于21世紀初，目前主要應用于植保和土壤修復等方面。

納米農(nóng)藥

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)藥被用作殺菌劑、殺蟲劑，或除草劑，通過噴灑或播撒在不同植物的生長階段來達到植物保護的目的。但是，農(nóng)藥的濫用會導致病原菌產(chǎn)生抗藥性，同時，大量的農(nóng)藥會隨著土壤流失、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、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)化學農(nóng)藥相比，有以下優(yōu)勢：（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輸載體或者是控釋裝置，增加靶向性，起到可控緩釋和保護作用。例如，納米SiO2可以將靶向基因轉(zhuǎn)移到細胞中，該技術(shù)目前已經(jīng)用于制備殺蟲劑等制劑中；多孔SiO2納米顆粒內(nèi)部蜂窩狀的結(jié)構(gòu)可以填裝化學成分，而且還有獨特的“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，可以實現(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納米材料可以進入昆蟲表皮層，隨后造成昆蟲失水死亡，這些納米殺蟲劑較傳統(tǒng)殺蟲劑對植物和環(huán)境更友好[23]；nAg對灰霉病有很強的抑制作用[24]。這些納米顆粒不僅可以單獨作為納米農(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對促進植物生長、增加產(chǎn)量的優(yōu)點，是一種增強型的納米農(nóng)藥。

目前，納米技術(shù)在農(nóng)藥的應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。例如，納米乳劑（扮綠）可以增大農(nóng)藥溶解度；納米氯菊酯、納米球殺蟲劑可以促進農(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)境條件對農(nóng)藥的損耗，提高農(nóng)藥利用率，同時增加農(nóng)藥穩(wěn)定性，實現(xiàn)靶向投遞和控釋的功效。滅多威草甘膦或磺酰脲類納米微囊除草劑可以實現(xiàn)靶向投遞；包埋井岡霉素的空心多孔硅微囊包埋烯啶蟲胺的TiO2-M262聚合物可以防止農(nóng)藥提前降解，實現(xiàn)控釋和保護的作用。

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)中得到了越來越廣泛的應用。但是，其存在一定局限性，例如易降解、藥效時間短、穩(wěn)定性差、不容易貯存等問題。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、海藻酸鹽和天然樹膠等。玉米醇溶蛋白是玉米的主要貯藏蛋白，具有獨特的溶解性能。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——二斑葉螨[27]。天然樹膠由于成本低廉和無毒的特性，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, 它是通過堿水解法從藻類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?。?。

納米材料在增加生物活性的同時，也可增強有效成分對環(huán)境中非靶標生物的生物有效性和生態(tài)毒性，所以雖然利用納米農(nóng)藥可以控制害蟲種群、抑制病原菌，但是其可行性和安全性還需要進一步評估和驗證。納米農(nóng)藥登記注冊和監(jiān)管過程中的環(huán)境安全性與風險評估方法需要在常規(guī)評價方法上進行重新設計和修定[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，導致了資源的浪費和環(huán)境的污染。納米肥料由于體積小，可以進入植物的表皮和各轉(zhuǎn)運通道，因而可以更有效地輸送營養(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合肥料幾大類[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養(yǎng)元素（Ca、Fe等）或富含營養(yǎng)元素的天然礦物（鉀長石、磷礦石、煤矸石等），通過一些加工手段（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，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，提高作物產(chǎn)量。中國農(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%，光合強度提高25%，葉綠素含量亦增加。隨后，眾多學者研究了納米結(jié)構(gòu)肥料在作物生產(chǎn)中的應用效果，應用在蔬菜作物如馬鈴薯、辣椒、榨菜、白菜、小白菜、番茄、甘藍、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、高分子有機物等。天然沸石是非常理想的緩（控）釋肥料的包封材料，其對肥料的包裹過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N、P、K、微量營養(yǎng)素、甘露糖和氨基酸的吸收；在提高肥料利用率的同時，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，并起到預防水體富營養(yǎng)化和土壤污染的作用。

納米磁性液體肥料和納米生物復合肥料

納米磁性液體肥料和納米生物復合肥料是以土壤磁學和生物磁學為依據(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使得納米肥料具有磁性，更易被植物吸收，可以促進植物生長。納米生物復合肥料是在納米肥料中加入生物有益菌種和營養(yǎng)組分、中微量元素等制成。二者最大的特點是不受pH值的影響，養(yǎng)分使用效率高，可增強植物抵抗病蟲害的能力，促進代謝等。納米磁性液體肥料還具有流動性，可以作為葉面肥，容易被吸附吸收。

納米材料在肥料上的應用在帶來好處的同時，也帶來了潛在的風險。所以，納米技術(shù)在肥料中的風險和收益評估就顯得尤為重要。

納米生物傳感器

生物傳感器的研制是納米技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)的一個新的研究方向。納米材料因其獨特的理化性質(zhì)，對溫度、光、濕度和氣體濃度的變化非常敏感，通常會引起表面或界面離子價態(tài)和電子輸出的迅速改變，而且響應快，靈敏度高。作為納米生物傳感器，具有高敏性、快速性和高準確性等特點，這些高靈敏度的納米傳感器在監(jiān)測農(nóng)業(yè)污染物、管理植物生長和植物保護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。

納米傳感器檢測農(nóng)藥殘留

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

納米傳感器在農(nóng)殘檢測分析中存在以下優(yōu)點：操作簡單，靈敏快速，特異性好，可用于檢測復雜樣品中農(nóng)藥含量；傳感器的組裝簡便，檢測成本低。納米傳感器的應用對于保證食品安全具有重要意義。

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

納米傳感器檢測植物病害

納米材料在病原體檢測中發(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，且目前均有應用。納米基因芯片曾被應用于檢測番茄植株病原菌和病毒，具有檢測準確、快速的優(yōu)勢；nAu已被制成傳感器，可用于病原菌的檢測；SiO2納米探針熒光信號更明顯，用于檢測茄科植物的細菌性葉斑病病原菌。

納米材料在植物病害早期診斷方面也有廣泛應用，由于植物在遇到病、蟲害或其他逆境時會產(chǎn)生一些特征化合物，如茉莉酸、茉莉酸甲酯、水楊酸等，通過檢測這些特征化合物，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菌的油菜種子中檢測到明顯的氧化峰，且測取水楊酸的濃度，而普通的金電極未測得明顯的氧化峰。另外，植物在感染某種病原菌的情況下會產(chǎn)生一些特殊的揮發(fā)性物質(zhì)，通過檢測這些揮發(fā)性物質(zhì)可以推測植物是否感染了某種病原菌，如利用TiO2納米電極檢測病原菌產(chǎn)生的4-乙基愈創(chuàng)木酚等標志性揮發(fā)物質(zhì)。

納米傳感器管理植物生長

納米傳感器可以測量作物養(yǎng)分狀況、水分水平、土壤肥力等，有助于監(jiān)測作物生長。單壁碳納米管研制成的一個輻射傳感器可以有效地檢測植物組織的物質(zhì)含量，可以進一步指導肥水管理；帶有GPS系統(tǒng)的納米傳感器可以自主地監(jiān)測土壤和作物狀況，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)國土資源部評價，我國優(yōu)等、高等地僅占耕地總面積的32.6%，而中等、低等地合計占到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、超強的吸附、催化和螯合能力使得納米材料在眾多土壤修復材料中脫穎而出。

修復土壤重金屬污染

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行：（1）通過活化作用，加強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)，植物無法吸收、蓄積，從而降低了危害。相較于固化（穩(wěn)）定化法、化學還原法、土壤淋洗法、電化學修復法、生物修復法等傳統(tǒng)修復技術(shù)，納米技術(shù)具有超高的修復效率，許多學者已經(jīng)開展了納米相關(guān)的土壤修復研究。

方戰(zhàn)強等[33]以羧甲基纖維素為穩(wěn)定劑對納米零價Fe進行了修飾，72 h內(nèi)污染土壤中Cr去除率達到了80%，同時修復后土壤中的白菜幼苗對Cr的蓄積能力明顯降低。在修復多種重金屬方面，張偉賢等[34]提出根據(jù)污染土壤所含重金屬種類及含量的不同，調(diào)整作為修復劑的納米零價Fe的濃度、處理時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)操作簡單，不會產(chǎn)生二次污染。崔巖山等[35]通過整理前人研究成果，匯總了目前應用于土壤重金屬修復的主要納米材料及其應用效果（表1）。

修復土壤有機物污染

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥以及氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和石油烴等典型有機污染物被排入土壤環(huán)境，弱化土壤的生產(chǎn)能力，并通過生物富集作用對人體產(chǎn)生致突變、致畸和致癌的潛在危險。納米零價Fe可以修復被多氯聯(lián)苯、DDT等有機物污染的土壤；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的化學反應活性，可以與細菌、有機物等發(fā)生反應，生成CO2和H2O，從而分解土壤環(huán)境中的有機化合物和細菌等。Reddy等[36]在應用納米零價Fe和傳統(tǒng)顆粒鐵粉降解土壤中的毒死蜱時發(fā)現(xiàn)，納米零價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降解對硫磷、甲基對硫磷和三硫磷，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 應用于土壤重金屬污染修復的典型納米材料

納米技術(shù)是把雙刃劍

雖然很多納米材料對作物生長、植物保護甚至是環(huán)境污染治理都有很好的應用前景，但是不少納米材料被證明對植物、動物和人有毒性等負面效應，所以農(nóng)業(yè)納米材料的使用為人類及生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大的風險。

納米材料產(chǎn)生毒性的機制有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發(fā)生反應產(chǎn)生毒性效果，例如碳納米管可以直接與細胞膜反應或者插入DNA從而產(chǎn)生毒性。

納米材料對植物的毒性

納米粒子進入植物體內(nèi)通常會發(fā)生化學變化，最終影響植物對其的吸收、轉(zhuǎn)運。

許多納米顆粒具有植物毒性，抑制植物生長和改變生理活性、生化和遺傳特征。抑制植物生長體現(xiàn)在降低種子發(fā)芽率，抑制葉片、根莖生長，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，包括產(chǎn)生活性氧、脂質(zhì)過氧化、蒸騰速率降低，細胞壁破壞，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，細胞活力下降等。

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

納米材料對人、動物的毒性

大量研究表明，納米粒子會對人和動物產(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，對人類健康造成巨大的安全隱患，nAg的毒性大于石棉，碳納米管在動物試驗中也體現(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，隨著食物鏈進入人體，將會引發(fā)一系列健康問題。

針對納米毒性的相關(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，人們對于納米產(chǎn)品的風險評估越來越重視。各國政府先后啟動了對納米生物毒性的研究，且支持力度不斷增加。近幾年來，世界各地政府和企業(yè)紛紛建立相關(guān)政策來管理納米材料的生產(chǎn)和流通。

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

這種建立相關(guān)機構(gòu)和法規(guī)來規(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，通過國際合作可以規(guī)避納米產(chǎn)品風險和減少環(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)域的應用，其帶來的社會經(jīng)濟價值也越來越大。農(nóng)業(yè)納米技術(shù)的快速發(fā)展，在解決了糧食問題的同時也帶來了一系列的環(huán)境問題，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)境的安全和人類的健康。

納米技術(shù)應用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛力在很大程度上仍需要探索和開發(fā)，人們希望通過納米技術(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，面對納米材料的毒性，在研究和應用過程中應該謹慎，需要對納米粒子對環(huán)境的影響進行檢測，同時制定相關(guān)的法律法規(guī)來規(guī)范納米粒子的使用和處理。否則，其可能威脅到整個生態(tài)系統(tǒng)。

相關(guān)從業(yè)人員、企業(yè)和政府應努力掌握納米材料相關(guān)知識和性能，具備開發(fā)納米新材料的能力；同時，要在應用納米技術(shù)的各個環(huán)節(jié)上制定相關(guān)規(guī)范和標準，將風險降到最低；生產(chǎn)過程中制定安全操作條例和產(chǎn)品保存及運輸?shù)姆绞?；發(fā)展納米材料回收、再利用和再處理技術(shù)；在應用納米材料對環(huán)境進行修復治理時，必須確保這些技術(shù)不會給環(huán)境帶來二次污染。

未來，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)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中，可以推動我國農(nóng)資產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，提高農(nóng)產(chǎn)品加工質(zhì)量與效率，促進生物質(zhì)資源多級轉(zhuǎn)化利用，有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。