洪昕

摘要? ? 近年來納米材料與技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展。碳納米材料具備納米材料的特性，在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也日益增加，正緩慢地推動著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的變革。本文主要綜述了碳納米材料在農(nóng)業(yè)環(huán)境改良方面的應(yīng)用，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。目前由于納米材料的安全性評價體系尚不完善，因而將納米技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)時，必須重視相應(yīng)的毒理學(xué)、安全性研究，引導(dǎo)農(nóng)業(yè)納米技術(shù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞? ? 碳納米材料;農(nóng)業(yè)環(huán)境改良;安全性;應(yīng)用

中圖分類號? ? TB383? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）17-0174-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract? ? In recent years，the application of nanomaterials and nanotechnology in agriculture has made great progress.Carbon nanomaterials has the characteristics of nanomaterials，and its application in agriculture is increasing，which is slowly promoting the change in agricultural production.In this paper，the application of carbon nanomaterials in agricultural environment improvement was reviewed，and its application prospect was forecasted.Now the safety evaluation system on nanomaterials is not perfect，therefore，when applying nanotechnology to agriculture，the corresponding toxicology and safety research must be paid attention to，so as to guide the healthy development of agricultural nanotechnology.

Key words? ? carbon nanomaterial;agricultural environment improvement;safety;application

碳納米材料是在納米尺度內(nèi)直接對碳原子的大小、結(jié)構(gòu)進(jìn)行操控而產(chǎn)生的納米材料，是21世紀(jì)的新興材料，擁有巨大的應(yīng)用潛力和價值，主要包括碳納米管（carbon nanotubes）、石墨烯（graphene）、富勒烯（fullerene）、碳點（carbon dots）和碳納米纖維（carbon fiber）。碳納米材料具有納米材料的一些特殊效應(yīng)，如小尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)等。此外，碳納米材料的碳-碳鍵雜化狀態(tài)決定了其空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)電子性質(zhì)，還具有制備簡單、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異等特點。

碳納米材料在農(nóng)業(yè)納米技術(shù)中的應(yīng)用廣泛，尤其是在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改良上，如：將碳納米材料應(yīng)用于農(nóng)藥、肥料等農(nóng)業(yè)投入品中，可以提高其利用率，極大地減少因其濫用和流失造成的環(huán)境污染問題。在土壤和水體中的重金屬離子和有機污染物的治理上，碳納米材料應(yīng)用前景廣闊。此外，碳納米材料可以用于制備高靈敏度的傳感器，對農(nóng)業(yè)環(huán)境中的污染物（農(nóng)藥、重金屬和有機物等）進(jìn)行快速簡便的檢測，達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)污染、控制污染、治理污染的目的。

1? ? 碳納米材料在農(nóng)業(yè)投入品中的應(yīng)用

1.1? ? 植物病害防治

碳納米管對諸如革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌等細(xì)菌具有抑制作用，屬于一種廣譜抗菌劑，可以用于植物病害的防治。碳納米管抑菌作用的基礎(chǔ)是其與病原菌細(xì)胞表面的有效接觸，可能的殺菌機制主要是細(xì)胞膜損傷和氧化應(yīng)激反應(yīng)，而這種物理性抑菌作用不容易引起病原菌的抗性，有望成為一種防御植物病害的新型殺菌劑。但是由于碳納米管表面缺少羥基和羧基等功能基團，抗菌的活性有限，因而需要對其進(jìn)行改性。如孫? 鵬等[1]將納米銅負(fù)載在碳納米管上，能夠有效發(fā)揮碳納米管和銅納米材料的協(xié)同殺菌效果。

目前，碳納米管只在少數(shù)幾種病害的防御上表現(xiàn)較成功，應(yīng)用范圍狹小。下一步的研究重點應(yīng)放在擴大碳納米管的抑菌對象上，同時要通過革新生產(chǎn)技術(shù)來降低使用成本。

1.2? ? 土壤肥力改良

碳納米材料能夠促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的富集和釋放，改善土壤肥力。其作用機理：將碳納米顆粒施入根系周圍的土壤中，能夠吸附植物生長所需的一些陽離子并運輸?shù)礁H，從而促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收，如氮肥揮發(fā)時所產(chǎn)生的NH4+，提高了肥料的生物利用率。此外，碳納米顆粒由于尺寸微小，施入土壤后，能夠輕易擴散入土壤大粒子中，增大活化能，使大粒子變?yōu)樾×Ｗ樱岣吡Ｗ訚舛?，加大土壤與根系之間的接觸面積，促進(jìn)養(yǎng)分的釋放及活化。王小燕等[2]的研究表明，將碳納米材料與氮素混合施用能夠使稻田表面水層中的總氮含量顯著降低，減輕施用氮肥所引起的環(huán)境污染。姚玉鵬[3]研究發(fā)現(xiàn)，施用3‰納米碳肥料增效劑并且減少肥料施用量30%能夠使大豆生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟效益增加。

目前，碳納米材料在鹽堿地的改良方面取得了一定的進(jìn)展。將改良劑“納米碳液”兌水后，在鹽堿地上均勻噴施，通過吸附作用，形成以碳納米粒子為膠核的膠體顆粒，實現(xiàn)土壤微團聚體的重組，釋放出大量營養(yǎng)元素，形成疏松多孔、透氣且pH值為中性的隔離層，能有效改良鹽堿地。趙振杰等[4]認(rèn)為，碳納米材料與肥料混合施用對多種作物的生長發(fā)育有促進(jìn)作用，但是在一定條件下也可能具有抑制作用，這與材料種類、濃度以及植物品種、生長條件等有關(guān)。目前，對于碳納米材料與作物之間的作用規(guī)律、調(diào)節(jié)機制等方面的有效研究還很缺乏。因此，碳納米材料對作物的影響方式、進(jìn)入途徑以及對作物的基因表達(dá)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等的作用將成為今后相關(guān)研究的重點。

2? ? 碳納米材料在污染治理中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于化學(xué)藥物的不當(dāng)使用，畜禽排泄物等帶來的土壤、水體污染、富營養(yǎng)化等已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的因素。碳納米材料由于具有較大的比表面積、極強的表面疏水性以及π電子系統(tǒng)共軛等特點，對有機物和無機物的吸附親和能力都很強，在對土壤和水體中的重金屬離子和有機物污染物的治理上應(yīng)用前景廣闊。

2.1? ? 對重金屬的吸附

碳納米管對水中的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Co2+等二價重金屬離子有較強的吸附力;碳納米管有一定的再生能力，并且不影響吸附效果，這使得碳納米管的循環(huán)利用極為方便。但是，碳納米管在實際應(yīng)用中存在從水溶液中回收困難、吸附選擇性差、容易聚集沉淀等問題。因此，應(yīng)用碳納米管吸附除去水中的污染物前，需要進(jìn)行表面改性。碳納米管的表面改性主要由改變其自身的官能團以及與其他材料復(fù)合來實現(xiàn)。劉泊良[5]研究發(fā)現(xiàn)，次氯酸鈉氧化法改性的碳納米管對Cu2+、Ni2+的吸附能力明顯提高。Peng等[6]首次利用復(fù)合材料（碳納米管-磁性金屬氧化物）來去除水溶液中的Cu2+和Pb2+，且該復(fù)合材料能夠采用非常簡單便捷的磁處理進(jìn)行分離，為碳納米材料的回收問題提供了有效的解決途徑。

2.2? ? 對有機物的吸附

納米碳管對多環(huán)芳烴萘、菲和芘的吸附能力非常強，比土壤自身的吸附能力至少要強2個量級。碳納米管還能夠強力吸附脂肪烴、胺、酚、酮等有機物，如多壁碳納米管（MWCNTs）能夠從環(huán)境水樣中有效地富集和凈化有機磷農(nóng)藥和除草劑。此外，經(jīng)過表面改性的碳納米材料對有機污染物的吸附親和能力明顯提高，如Xie等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過硝酸、檸檬酸以及高錳酸鉀處理的碳納米管比處理前的碳納米管具有更強的吸附能力。Oliveira等[8]通過合成碳納米管-磁性顆粒復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其對水中的氯仿、氯酚和苯酚等揮發(fā)性有機物的吸附作用極強。目前的研究多局限在實驗室階段或小規(guī)模應(yīng)用階段，缺乏大田生產(chǎn)條件下的有效試驗數(shù)據(jù)，距離大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用還有很大差距。因此，開發(fā)新型的碳納米修復(fù)材料、降低使用成本、提高環(huán)境改良的效率等問題將成為未來的研究重點。

3? ? 納米檢測技術(shù)

3.1? ? 農(nóng)藥殘留檢測

用碳納米管修飾電極能促進(jìn)電子的傳遞，同時由于碳納米管對某些物質(zhì)的電化學(xué)行為具有催化效應(yīng)，使得碳納米管修飾電極具有靈敏、便捷、抗干擾性等特點，在農(nóng)藥殘留檢測方面具有重要的應(yīng)用價值，主要包括直接的電化學(xué)分析和基于酶反應(yīng)的電化學(xué)分析法。使用直接的電化學(xué)分析法進(jìn)行農(nóng)藥殘留檢測的試驗有很多，如：屈永霞等[9]利用多壁碳納米管修飾玻碳電極建立了一種新的檢測百草枯的電化學(xué)分析方法;Tan等[10]采用基于氧化石墨稀及金納米顆粒的分子印跡法來檢測呋喃丹。基于酶反應(yīng)的電化學(xué)分析法主要是用于檢測對膽堿酯酶有抑制作用的有機磷類和氨基甲酸酯類農(nóng)藥，如：Han等[11]利用乙酰膽堿酯酶修飾的多孔氧化石墨稀檢測西維因;姜春環(huán)[12]構(gòu)建了一種基于Nafion-多壁碳納米管（MWNTs）復(fù)合材料的乙酰膽堿酯酶生物傳感器，可以對有機磷農(nóng)藥進(jìn)行高靈敏檢測。

3.2? ? 重金屬污染檢測

用碳納米管修飾的電極不僅能夠用于農(nóng)藥殘留的檢測，還能用于重金屬種類以及含量的檢測。Wu等[13]用多壁碳納米管來修飾電極，使其具有性能穩(wěn)定、選擇性強的特點，在不引入汞膜的情況下，可同時在水中檢測出Cd2+和Pb2+含量。據(jù)肖? 亦等[14]報道，用碳納米管修飾玻碳電極可以同時測定出土壤中的Cu2+和Cd2+含量。目前，傳感器系統(tǒng)的研究還處在基礎(chǔ)階段，將碳納米材料用于制備傳感器的相關(guān)研究在未來具有很大的發(fā)展空間。開發(fā)出能大規(guī)模用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場檢測和診斷的設(shè)備，對于發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、減少農(nóng)藥和化肥等的使用量等具有重要意義。

4? ? 問題與展望

碳納米材料是一種良好的吸附材料，在治理重金屬和有機物污染以及土壤改良等方面有很好的效果。但是，碳納米材料在植物生產(chǎn)安全性評價方面的研究仍舊存在很多難題，如碳納米材料極為微小，在環(huán)境中難以鑒別和發(fā)現(xiàn)，特別是在食物鏈中的運輸途徑和積累方式仍不清楚;對碳納米材料從進(jìn)入環(huán)境到其在環(huán)境中的積累、降解以及轉(zhuǎn)化過程缺乏完整的解析;碳納米材料的環(huán)境風(fēng)險問題等。因此，一方面，應(yīng)盡量選擇或開發(fā)出毒性低、生物相容度高、可降解的碳納米材料;另一方面，應(yīng)盡快研究出碳納米材料與植物發(fā)生作用的機理及其向食物中的轉(zhuǎn)移途徑，建立定量的分析方法和模型，使碳納米材料的安全性評價工作不斷完善和規(guī)范。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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