纳米技术在精准农业中的应用研究进展

吴灵辉

(杨凌职业技术学院 经济与贸易分院, 陕西 杨凌 712100)

1 纳米技术介绍

“纳米技术”这个术语是基于前缀“纳米”，该前缀来自希腊语，表示为“十亿分之一”。它是生物技术、化学加工、材料科学、系统工程、生物芯片、纳米晶体和纳米生物材料等多学科的融合[1]。它在自然界中随处可见，比如壁虎爪子的黏附系统结构中有纳米量级的凹形结构，可使得其脚掌与各种表面完美贴合；人的牙齿也是高度钙化的纳米结构组织，硬度超过钢铁等等。

同时，纳米技术被广泛应用于材料与制备、微电子与计算机、生物技术与农产品等领域。比如，纳米纤维素添加到食品包装材料中，可改善包装的机械性能，提高降解能力，也可提高包装的阻隔性能，抑制空气中水分、氧气等对所包装食品品质的影响，从而发挥延长食品货架期的作用[2]；利用纳米技术制作的纳米颗粒，可以成功穿透“血脑屏障”，为修复脑损伤精准送药[3]；金属氧化物、有机颗粒、无机颗粒和其他类型纳米颗粒等纳米材料可以提高原油采集率[4]。

2 纳米技术在精准农业中的应用

2.1 农药、化肥缓释与精准输送

农药、化肥在控制病虫危害、提高农产品产量方面有显著作用，但农药和化肥的过度使用不仅不能被农作物有效吸收，还会污染我们赖以生存的环境并危及人体健康。因此精准科学地施用农药和化肥，对促进植物生长、改善农业生产环境是必不可少的[5]。农药控释制剂对于实现农药的有效利用以及减少环境污染是非常理想的。相较与传统材料，纳米材料颗粒尺寸小和比表面积大等特点使其具有了传统材料所不具备的物理和化学特性。因此将纳米材料作为载体，使农药和化肥均匀地分布其中，缓慢地向土壤中释放药剂和养分，可以更好的提高农药和化肥的利用率。

目前，有金属纳米颗粒(如无机纳米材料、纳米金)及生物活性纳米颗粒(如纳米羟基磷灰石、碳纳米管)等作为纳米载体，在农药、化肥缓释和精准输送中采用[6]。其中，无机纳米材料由于具有物理稳定性和生物稳定性，吸附力强，被广泛用于药物担载和释放领域中，Kun等(2011)将农药负载于纳米碳酸钙中，考察了载药效率、缓释性能、杀菌效果和稳定性。表明该材料对立枯病丝核菌的杀菌效果优于传统工业用的缬氨霉素，释放时间可延长至2周[7]。

纳米微球、纳米微囊、纳米胶束和纳米凝胶等是现有基于材料负载的纳米农药[8]。例如，纳米凝胶载体可以改善小分子农药的抗病毒活性。Lv等(2021)在前人合成的抗病毒化合物氯因康嗪(CHI)的基础上，对制备的CHI负载海藻酸钠纳米凝胶进行了改进，发现CHI@ALGNP表现出比CHI更高的叶片粘附力，并且表现出长达7 d的持续释放，并能持续激活活性氧和抗氧化水平，诱导水杨酸含量的增加及其应答基因PR2的表达，从而实现烟草对烟草花叶病毒侵染的持续抗性[9]。

在精准农业中，通过包膜、胶结处理肥料也可以达到肥料的控释和缓释。如，Adisa等(2019)表明工程纳米材料(ENMs)可以通过影响土壤中肥料养分的有效性和植物对养分的吸收来提高作物生产力[10]；滕青等(2018)研究得出使用缓释纳米肥料，可实现养分持久缓慢地释放，也可提高土壤中微生物数量和酶活性[11]。

如何将农药和化肥精准的输送至特定农作物上，生物技术的进步以及纳米材料的应用，可为此提供解决方法。基于纳米传感器的智能输送系统，可以检测到植物病毒的存在、土壤养分水平和作物病原体[12]，从而精准地将农药和营养液输送到特定农作物，以此减少不必要的浪费，降低投入成本，提高精准农业生产效率。而涂有氧化锌纳米颗粒的肥料可增强植物对养分的吸收，并将养分输送到特定地点[13]。

2.2 病虫害管理

农作物病虫害的高发以及其对药物抗药性的增强，会造成农作物的大面积减产，进而威胁我国粮食安全。而纳米技术的产生和发展对解决农作物病虫害问题提供了新的路径，有助于开发高效和有潜力的病虫害管理办法。纳米载体在病虫害控制方面的作用。比如，天然材料羧甲基纤维素(CMC)和松香(RS)为原料，制备CMC-g-PRSG载体，组成纳米农药AVM@CMC可提高被包裹农药在水中的分散性和稳定性，并能有效的黏贴在叶片上防止农药损失，还能调节pH值控制农药在纳米载体中的释放率，进而实现长时间控制害虫[14]。相对于传统的病虫害防治，纳米技术的优势在于：纳米载体可损伤害虫体壁造成失水或扰乱害虫的正常生理功能；功能化的纳米载体可实现靶向递药来提高药物利用率；纳米载体上功能基团的引入及其尺度效应，可提高杀虫剂在植物表面的粘附性及被植物吸收的性能，可运载核算农药进入植物，进而调控植物或害虫目标基因表达[15]。

纳米材料在病虫害控制方面的作用。银纳米颗粒物、铜纳米颗粒物、硅纳米颗粒物等均可提高植物对病原菌的抗菌性[16]。其中，2 ug·mL-1银纳米颗粒物能显著抑制小麦根腐病菌孢子的萌发，10 ug·mL-1可高效控制玫瑰白粉病；100 ug·mL-1对黄瓜和南瓜等白粉病有较好的防控力度[17～22]；纳米二氧化硅可通过物理吸附作用穿透害虫的表皮脂质，破坏它们的水屏障，进而杀死害虫[23]。另外，多种纳米颗粒合成物，如纳米二氧化硅-银纳米颗粒可控制植物病原真菌，包括灰葡萄孢菌、稻瘟病和炭疽病菌等[24]。纳米乳液也可用于农药制剂，有效防治农业中的各种害虫[25]。

2.3 植物生长发育

植物生长过程是指细胞、组织或植物体在发育过程中发生体积和质量不可逆增加[26]。Nasrollahzadeh等(2020)表明施用金属纳米颗粒能有效提高植物中对应元素的含量，进而促进植物生长[27]。比如，氧化钛和铁基纳米颗粒能够通过改变植物激素水平来延缓衰老和加速细胞分裂，进而促进植物生长[28]。纳米氧化镁(MgONPs)可显著促进番茄幼苗生长，在该纳米颗粒物的刺激下番茄叶绿素含量提高了47.37%，含水量提高了13.14%[29]。其他的纳米银、纳米铁等金属纳米颗粒物，也对植物生长发挥着重要作用[30～31]。它们或是通过提升植物矿物质元素含量，或是使植物高效率吸收营养物，来提升植物生长速度。

除金属纳米颗粒物外，非金属纳米颗粒物也可促进植物生长。比如，李婷婷等(2020)发现纳米陶瓷对高羊茅的种子萌发和幼苗生长有促进作用，但是过量添加对高羊茅生长构成逆境胁迫[32]。原海燕等(2021)发现纳米硫可极大阻控油菜对铅的吸收，并显著缓解铅对油菜的毒害，促进油菜幼苗的生长[33]。同时，碳纳米颗粒物可以在一定浓度下促进小麦、玉米的根和茎生长，也可以促进大豆的发芽率[34～35]。另外，纳米传感器(位移、电感式、图像采集、植物激素和植物径流传感器)可测量植物的叶片、果实、茎杆等外部特征，也可测量植物径流、激素等内部特征，这些传感器通过测量植物内外部特征变化来指导精准灌溉、施肥以及病虫害防治等，植物始终处于最佳生长状态[26]。

2.4 农产品质量安全检测

农产品质量安全检测关乎人体健康，也被消费者越来越重视。为满足人们对安全可靠农产品日益增加的需求，必须研发出可以有效快速检测农产品中有害物质残留的技术，建立追溯机制，倒逼农产品种养殖环节的提档升级。但是，现有的农产品质量安全检测技术——质谱法、气相色谱法、酶抑制法等[36～39]，存在操作复杂、耗时长、对仪器和操作人员要求高等缺点，不利于快速、灵敏地检测农产品质量[40]。新型快速的纳米检测技术的研发和应用可以很好解决以上问题。传感器在快速检测领域具有种类分布广、应用范围大、研究潜力强等特点。而纳米材料具备光学、热学、电学以及化学等方面的特殊性质，将其应用在传感器中，对改进和提升农产品质量安全检测技术具有重要意义[41]。

目前，纳米材料主要在生物传感、光学传感和电化学传感上得到应用。例如，生物纳米传感器可以精确定量地快速检测细菌和病毒，从而提高消费者的食品安全性[42]；基于纳米颗粒的生物传感器，检测有害物质残留的灵敏性和准确性都优于传统检测技术，如对硫磷或有机磷，被广泛用于检测农产品中的污染物和杀虫剂或肥料中的禁用添加剂[43～44]。光学传感器可通过金属纳米颗粒制备不同基底的拉曼光学传感器，可提高药物残留的检测精度、速度和可靠性，在药物残留检测方面应用前景广阔[45]。Hengye等(2021)采用金纳米粒子(AuNPs)和四(N-甲基-4-吡啶基)卟啉组成的纳米杂化系统作为光学探针，实现了对百草枯、敌百虫、甲基托布津、毒死蜱和杀螟丹等5种农药的定量检测[46]。而电化学传感器规模小、易操作，可作为理想的现场检测技术[47]。

2.5 农产品加工

目前，由于农产品加工副产物的非有效利用，造成了一定的资源浪费。而纳米技术可实现农产品加工副产物的有效利用，将其转化成具有特殊功能的材料，这一转化可提高农产品附加值，带动农民增收、减少资源浪费[48]。比如，利用纳米技术可将包含果胶、纤维素等副产物，转化成胶体纳米粒子、纳米纤维素等材料，在其他领域发挥作用[49～54]。

纳米技术也可以加强农产品的保鲜度，避免因保鲜程度不佳，造成农产品浪费。Fatemeh等(2015)发现，脱脂牛奶、海藻糖和纳米纤维素的有机结合，可以避免在冷冻中造成部分食物损失，比如蛋白质变质引发的食物变质[56]。Neha等(2015)发现可以利用纳米胶囊通过将气味和不需要的成分截留在食物中，从而进行食物保护[57]。李月明等(2017)发现纳米级缓释膜抗菌效果佳、保鲜时间长，但有成本高的特点[55]。

纳米化技术的融入可使食物中的有益成分充分地发挥作用，减少食品添加剂对于人体健康造成的危害。比如，用天然脂类将苹果汁包装成纳米微粒，添加到水中可制成纳米苹果汁，进入人体后，可让人体快速吸收[58]。通过纳米封装技术可以将灵芝中孢子成分运送到人体内，加速人体对孢子的吸收，有利于改善传统技术中，由于孢子不易被人体吸收，导致其利用效率不高难以充分发挥灵芝药用价值的现状[59]。

3 纳米技术安全性

精准农业中应用纳米技术和材料，虽会为其发展提供更多可能，但鉴于纳米材料的独特性质，会对人类健康和生态环境产生一定的负面影响。研究表明引发纳米材料毒性的主要因素为自身理化性质和环境因素，比如颗粒粒径、浓度、作用时间、温度及紫外线等都会影响纳米材料的毒性强弱[60～63]。纳米材料与技术的发展创新，纳米安全性更值得被全社会共同关注，未来纳米材料在精准农业中的应用，应重点研究其安全使用范围、使用环境等，提高纳米农药和化肥等纳米产品的利用率、稳定性，减少其毒性，解决其潜在危害，推进纳米技术和纳米材料在精准农业中的可持续应用。

4 展望

纳米技术可以在精准农业中发挥巨大潜力，包括可实现农药和化肥的缓释和精准输送，减少农药、化肥过度使用，避免造成资源浪费及环境污染；减少因农作物病虫害造成的农业产量损失，推动农业发展；还可促进植物生长，保障农产品质量安全、提高农产品保鲜能力等等。纳米技术在这几方面的作用，符合精准农业精准高效的理念，能实现低投入、高产出的精准农业目标。目前，我国纳米技术发展迅速，但仍有很大的发展空间。未来发展纳米技术的同时，应考虑纳米技术的安全性，尤其是纳米材料的毒性。