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纳米技术在农业上的应用
* 来源: 河北麦森 * 作者: * 发表时间: 2017-06-30 11:09:48
纳米技术在农业上的应用
摘要：本文了介绍了纳米技术，以及目前运用较为广泛的光触媒，论述了光触媒的消毒杀菌、促进光合作用、调节生长激素等机理，全面阐述了纳米技术在植物种子处理上、纳米生物农药上、植物叶面肥上、瓜果蔬菜的保鲜上、水培植物营养液消毒杀菌上，以及纳米技术在植物非试管快繁中等等上面的运用。关键词：纳米技术;农业;光触媒;光合作用;杀菌
自从扫描显微镜发明后，便诞生了一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学，这就是纳米科技。从2O世纪90年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新慨念不断涌现，像纳米电子学、钠米材料学、钠米机械学、钠米生物学等等。纳米技术已经部分应用于家电、轻工、电子行业、纺织、电力、建材等等，像合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的PVC磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米技术，但纳米技术在农业领域的切入点非常小，仍然有大部分空白领域有待研究，纳米技术适合我国农业的发展，可以使部分领域产生彻底的变革，具有广阔的应用前景。
1.认识纳米技术
所谓纳米是一种长度单位，1纳米相当于10亿分之一米，大约相当于一个中等原子直径的十几倍，自从扫描隧道显微镜问世后，世界上就产生一门以0.1至100纳米这样尺度研究对象的前沿学科，这就是“纳米科技”。他以空前的分辨率，为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，在0.1至100纳米空间尺度内，人们直接操纵原子、分子、对材料进行加工，制造具有特定功能的产品，纳米科技有着不可限量的潜力。
2.光触媒
光触媒[Photocatalyst]是光 [Photo=Light] + 触媒(催化剂)[catalyst]的合成词。光触媒是一种以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称，光触媒是一种光催化剂，催化剂是用于降低化学反应所需的能量，促使化学反应加快速度，但其本身却不因化学反应而产生变化的物质。光触媒顾名思义即是以光的能量来作为化学反应能量来源，利用二氧化钛作为催化剂，加速氧化还原反应，使吸附在表面的氧气及水分子激发成极具活性的氢氧基OH-及负氧离子O2-，这些氧化力极强的自由基几乎可分解所有对人体或环境有害的有机物质及部分无机物质，使其迅速氧化分解为稳定且无害物质(水、二氧化碳)，以达到净化空气的功用。光触媒是以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称，是目前国际上治理室内环境污染的最理想材料。高品质的纳米级光触媒在微弱的光线下也能做反应，若在紫外线的照射下光触媒的活性会加强。
光触媒的功能： 1.抗菌、杀菌：破坏大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌、肺炎克雷伯氏菌、绿脓杆菌、病毒等致病菌的细胞壁，分解空气中的过敏源，凝固病毒的蛋白质，抑制病毒的活性，灭菌率高达99.99%。抑制如肠病毒、流行性感冒、滤过性病毒等病原的传播。对一般消毒剂有抗性的病毒微生物也能彻底分解。2.空气净化： 光触媒可以破坏有机体的能量键，可持续高效的分解空气中如苯、甲醛、氨、TVOC等室内存在的有害气体。 3.除臭去味：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭 4.防霉防藻： 防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附着 5.防污 自洁：分解油污,自清洗 6.防锈防褪色： 防止金属生锈，防止被涂物体褪色 7.防紫外线功能。由于二氧化钛光触媒的紫外光吸收特性，使被涂面免遭紫外线的老化作用。
3.光触媒杀菌、促进光合作用的机理
3.1杀菌机理
光触媒(二氧化钛)在紫外光作用下，激发物质表面电子，可连续发生能级跃迁，继而电子飞出，形成具有超强氧化能力的空穴(正穴)和具有超强还原能力的电子;空穴/电子对与表面和空气中水反应后可产生活性氧[0]和氢氧自由基[HO]等活性物质。这种反应过程可有以下几个步骤：在光的作用下产生空穴/电子对即TiO2+光能(hv)→ → →电子(e-)+正穴(h+ );空穴/电子对与表面和空气中水反应生成活性自由基即正穴(h+ )+水分子(H20)→→→0H+H+ ，电子(e-)+氧(02)→ → →活性氧(02-)。光触媒反应所形成的空穴/电子对与表面和空气中有机物结合而发生氧化还原反应，可彻底将其氧化成水等无害物质;另1方面，空穴/电子对与表面和空气中水反应后可产生活性氧[0]和氢氧自由基[HO]等活性物质[1,2]。这些活性物质具有极强的氧化作用，不仅能氧化破坏细菌、霉菌这些有机物的细胞膜，固化病毒的蛋白质，在杀菌的同时还能分解细菌尸体上释放出的有害复合物，也可将有机化学污染物完全氧化破坏，从而起到洁净环境和除臭等作用。由于在这种反应过程中光触媒不参与反应，从而使反应可反复进行，所以光触媒可长期持久地起作用。
纳米TiO2光触媒与一般抗菌剂银和铜相比有更彻底的杀菌效能，杀菌效果高达99.997%。纳米TiO2，光触媒不但可以杀死细菌，还能够杀死细菌死后产生的内毒素。而抗菌剂银和铜只能杀死细菌，不能消除内毒素[3]，河北省卫生厅卫生监督局，刘静、邢荣琦等做了光触媒喷涂剂抑菌性能试验研究，试验表明光触媒喷涂剂作用24h对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的平均抑菌率分别达97.71%，97.34% ，93.32% ，均在90% 以上[4]。而甲醛、苯类化合物、氨的最大降解为：甲醛100%,苯79.0%,甲苯86.6%,对二甲苯85.4%,间二甲苯90.1%,邻二甲苯93.3%,氨97.2%[5].
3.2促进光合作用机理
人类以生存的食物无一例外地来源于绿色植物的光合作用，光合作用是植物生长的基础，是作物产量形成的保障，所谓光合作用是指绿色植物利用太阳能将二氧化碳和水转化为碳水化合物释放氧气的过程。
植物光合作用的原初反应是在叶绿体的类囊体上进行的，通过类囊体上的作用中心色素，把可见光的光能转变为电能，水被光解，形成电子氧气质子，这些电子和质子通过光合磷酸化，形成不稳定的化学能，不稳定的化学能通过碳的同化形成稳定的化学能，也就是形成碳水化合物的过程，供给植物生长发育所使用[6]。
2H2O+叶绿体+光能→ → →4H++O2+4e-
CO2+H2O+绿色细胞+光能→ → →(CH2O)+O2
喷洒在植物绿叶上的二氧化钛颗粒，吸收到植物后通过积极的光水解，给植物的光合作用补充、传递电子能量，以此来达到促进光合作用的主效果，而未被植物吸收的二氧化钛已固态留在植物表面，对于各种植物病原体显示杀菌以及防御的补助效果。也就是当紫外光照射在二氧化钛颗粒上时，在价带的电子被紫外光所激发，跃迁到导带形成自由电子(e-)，经过反应产生氢，而在价带形成一个带正电的空穴(h+)，并氧化水后产生氧，也就是在紫外线的作用下二氧化钛能够独立光水解形成电子、质子以及氧气，这样分解出来的电子、质子，并行于植物光反应阶段的电子传递，由此提高光合作用的速度。
植物的生长发育不但需要水分、矿质和有机物的供应，而且还受到植物激素的调节与控制，生长素就是其中之一。生长素对植物生长的细胞伸长、分裂和分化、果实的长大、豆科作物根瘤的形成均有作用。实验证明钛元素对植物的生长有一种类似于激素(生长素和细胞分裂素)的效应。例如在烟叶愈伤组织的溶液培养实验中.当培养液中缺少生长素时愈伤组织的生长就受到严重抑制，但当用钛元素代替生长素时愈伤组织的生长不仅不受到抑制，而且比生长素存在时长得更好。用钛元素代替分裂素时，愈伤组织生长受到的抑制作用得到大部分补偿。此外，示踪原子方法的试验还证明，钛元素促进生长素向幼叶及根的运输。由于生长素与分裂素对根芽、维管组织及胚状体分化都有诱导作用，它们活化细胞内的脱氧核糖核酸，使之解除抑制，而后进行基因表达，形成新的信使核糖核酸和蛋白质(酶)， 通过调节代谢而引起生长发育改变，钛元素既有类激素的效应，又有促进内源激素向根运输的作用。所以农作物使用钛微肥后，根系干重增加10～30% ， 根系容积提高10% 左右， 豆科作物根瘤数增加30～4o%。根是植物重要的营养器官， 靠它从土壤中吸收水分和肥料，根系发达，必然增加植物从土壤中吸收营养物质。对苹果、葡萄、番茄及小麦等的分析结果表明，使用钛微肥后叶片中的氮、磷、钾、钙、硼、铁、锰、锌等含量均有提高、这就为增加产量和改善作物品质提供了基础[7]。
4.纳米技术在农业上生产上的具体运用
4.1纳米娟花
所谓纳米绢花,就是在绢花的基础上进行纳米材料处理,使绢花除了单一的欣赏功能外,赋予更多新的功能与用途。它具有消除环境臭味与烟味,还可对新装修的房间进行空气净化,并且还能源源不断向空气中释放有利人体健康的负离子,更奇的是它不会脏,不管你放多久它都能保持崭新如初.在你的居室内或客厅 及人群多的环境进行布置摆放,能为你创造一个清新的空气环境。
4.2纳米生物农药
纳米生物农药是利用植物源农药使其粒子纳米化，使原始中药类复杂成分所表现的粒子组、部分固相沉积、部分挥发油漂浮、相当一部分不溶于水的复杂非均相体系，变为了高分散、极易溶于水的稳定均相体状态，其物理、化学、和生物学也随之发生突变。运用钠米技术促使植物细胞壁破壁，使有效的脂溶性和水溶性的杀虫物质有效释放并直接作用于害虫，极大的提高了药效。并且纳米物质的表面效应(粒度越小，比表面就越大)，充分降低用药量，从而在使用经济性上得到突破。像烟碱进行钠米技术加工后制备成的对人畜完全无毒副作用的钠米生物农药其杀虫效果达到普通农药的3倍，而生产成本相当于普通农药的一半[8]。
用硬脂酸对Ag/TiO 表面进行了改性，其表面由亲水性变为亲油性.将溴虫腈农药、改性Ag/TiO2和相应的添加剂混合制成颗粒分布较均匀、平均粒径约为100 nm的纳米农药制剂.溴虫腈纳米制剂光降解实验表明，在黑暗中稳定，在有光线的室内放置15 d的分解率为15.8%，在太阳光直射下放置3 d的分解率为69.0% .紫外光照22.5 h时，纳米制剂分解率是常规制剂的9.2倍.溴虫腈纳米制剂室内、田间毒力试验表明，纳米制剂比常规制剂具有更强的毒力，其LC50为8.95 mg·L-，是乳油毒力的1.77倍.在田间药效对比试验中，施药剂量减少一半条件下，纳米制剂防治甘蓝斜纹夜蛾的田间防效优于溴虫腈乳油，药后1 d和3 d的校正防效分别高出4.89和3.05个百分点.土壤、植物的残留试验表明，纳米制剂在甘蓝、土壤中的消解较快，其t 1/2分别为3.91 d和1.27 d，而溴虫腈SC的tl/2分别为8.64 d和3.27 d[9]。
4.3纳米技术改良盐碱地
盐碱地改良技术主要是将以纳米技术制造的盐碱地改良剂“纳米碳液”兑水后，均匀地喷洒在盐碱地上，通过纳米离子的有机活动，吸附土壤中的盐、碱离子，形成疏松、透气、PH值为中性的隔离层，从而达到盐碱地有效改良的目的。
4.4果蔬的保鲜
运用纳米二氧化钛制和纳米银分散到树脂中制成成保鲜袋和保鲜膜，在紫外线的照射下以及在无光的情况下也能发挥其良好的杀菌效果，以及有效的分解果蔬产生的乙烯和环境中有害有机物，不使用任何药剂就能起到良好的保鲜效果。
4.5营养液的消毒杀菌
水生诱变及水培技术是当前农业领域较为先进的栽培技术,在蔬菜瓜果园艺花卉上有着广泛的用途与运用空间,能使植物的生长速度及农作物的产量质量大幅度提高,是未来设施农业中的一种主要栽培模式。但同时也存在着许多不足与弊端,就是营养液的交叉感染及绿藻的滋生。针对这些问题,国内及国际上都积极地采用与研发了各种杀菌灭藻措施,如紫外线电场复合杀菌,热处理杀菌,活性碳过滤杀菌,以及化学杀菌,但这些方法都不能起到根本性的作用。有些作用虽好,但成本极高不利于生产推广运用,如热杀菌;有些杀菌效果不是十分好,一些种类的病毒还是不能得到解决;另外虽然杀菌效果都不错,但对于水培过程中根系分泌的代谢物造成的营养液障碍还是不能解决,也就是有机物的污染。针对这些问题,生产上急需解决一种综合效果好又节能的杀菌灭藻法,否则将会大大影响水生诱变技术及水培产业的发展。其中最明显的危害就是出现烂根与病害的蔓延。随着科技的发展,特别是纳米技术的发展,有许多纳米材料具有极好的杀菌灭藻及分解有机物的作用,如半导体纳米极材料就是一种很好的杀菌材料。纳米营养液杀菌系统,这种系统主要由紫外线和半导体材料组成，这种系统能有效地杀除细菌、真菌、病毒等微生物，并且更主要的是它还能有效分解根系代谢物如乙酸、乙醇、乙醛、乙烯等，使营养液得到了生物与非生物的最有效净化。只要营养液在循环时，流经这个系统装置，就可起到很好的杀菌灭藻的作用，另外也可用于废液的净化，减少农业污染，有了这种技术水培或诱变过程中的病害及烂根问题就可以得到有效的解决。
纳米杀菌系统图：
如何提高植物的光合作用，是加快植物生长和提高产量的有效办法，目前最主要的是以补充二氧化碳提高碳源来促进光合作用，像二氧化碳发生器、碳酸水等的应用，而运用光触媒和暗触媒,喷施于植物叶面主要是提高光的利用率，使光合作用更活跃，即使是日照量不足的雨季(因为吸收的是紫外线)也有很好的促进效果，它不同于现有的利用化肥和植物生长调节剂的技术，是根据植物基于太阳能的光合作用合成的物质中得到养分并生长这一自然规律， 由可利用太阳能促进光合作用、并对人体以及植物具有确保安全性、和具有包括灭菌以及分解有毒生物在内的功能。
4.61 促进植物快速生长。植物叶面喷施之后其光合作用速率大大的增加，叶片变厚变绿，光合作用量的增加,带来植物体内营养物质运动更加的顺畅,着根旺盛,吸收矿质营养的能力大大的加强,生长状态明显好转.
4.62 节约化肥、农药 。植物吸收水肥离不开硝酸还原酶，硝酸还原酶的活性大小将直接影响到植物吸收的能力，而用纳米技术处理的植物，能使硝酸还原酶的活性提高132%，这无疑提高植物对水肥的吸收能力，提高了植物对肥料的利用率，实现节省化肥的目的。
4.63 提高抗病、抗涝、抗旱、抗寒、抗衰等。纳米技术处理能活化体内细胞，促进新陈代谢，提高机体的免疫力，增强植物的生长势，同时自身也有一定的消毒杀菌能力，这样就大大降低发病率。
4.64 增加产量。运用纳米技术处理植物，可提高水、肥、农药等物质的能量，增强体内酶的活性，促进新陈代谢，一般可增产20%.
4.65 改善果实品质。其增强了光合作用，促进干物质的积累，改善了果实的品质，糖度以及各种营养物质的含量大大的提高。
4.7在植物非试管快繁中的应用
运用光触媒喷施快繁的母本园，促进光合作用，优化母本的性状，在快繁苗床繁材叶面喷施光触媒促进光合作用，提供大量的碳水化合物，促进繁材生根，同时又有一定的消毒杀菌的功能。
用于离体材料的切口处理，运用钠米远红外粉进行切口处理能提高其生根率，在新根数量上也有所增加，植物切口经远红外处理后，可对细胞产生共振作用，引起细胞内外水分子的振动，使细胞活化，发生一系列有益于健康的细胞生物化学及细胞组织化学改变[10]，同时促进呼吸作用成为代谢中心，使营养物质往切口方向运输促进生根，也大大促进了切口对生长素类物质的吸收起到促进生根作为生长素的辅助药剂，其能加强切口的呼吸作用，加快切口对生长素物质的吸收，从而大大的促进生根。
下面是纳米远红外在金钱榕上快繁生根试验结果：
| 处理 | 生根率（%） | 新根数量（根） | 新根长度（cm） |
| 远红外钠米粉500PPM | 63.64a | 4.56a | 2.25a |
| 远红外钠米粉1000PPM | 71.88ab | 5.15a | 2.16a |
| 快繁宝100PPM | 90.91b | 9.53b | 2.94b |
| 快繁宝100PPM+远红外钠米粉500PPM | 100c | 9.58b | 2.82b |
| 快繁宝100PPM+远红外钠米粉1000PPM | 100c | 10.25b | 2.83b |
| 清水处理（CK） | 62.5a | 3.25a | 2.45a |
4.8在植物种子上的应用
运用纳米技术处理种子是应用纳米“FLM”材料的能量转换性能，增强种子活力，提高植物种子体内酶的活性。从而促进植物生长，在原有品种农艺性状的基础上进一步提高植物的抗虫、抗病以及各种抗逆性能力[11]。
4.81 提高出苗率 用纳米技术处理过的种子能将吸收的自然界的光波转化为电磁波.从而使体内大分子团分裂成小分子团，在空间不变，分子数增加的情况下，分子团的运动速度加剧，相互碰撞的几率加大，活性也随之增加，能量也就增强，种子破土的能力也就大大的提高。
4.82 幼苗长势快，根系发达，用纳米技术处理种子可调节植物体内的新陈代谢，提高抗逆性，促进根系生长，根系活力可提高82.09%。
4.9纳米技术在遗传育种中的应用
纳米技术结合转基因技术在培育新品种方面取得了突破性的进展。通过纳米技术先将DNA，染色体全部分解为单个基因，然后根据需要进行组装，转基因整合成功率几乎可达100%[12]。研究成果表明，科研人员可以让单个D N A分子链展现出其内部的精细结构，并可以操纵它实现分子结构性能改进，进而形成纳米结构或图形，使人类得以在更小的世界范围内、更深的层次上探索生命的奥秘。
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