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納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
* 來源: 河北麥森 * 作者: * 發(fā)表時間: 2017-06-30 11:09:48
納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
摘要：本文了介紹了納米技術(shù)，以及目前運用較為廣泛的光觸媒，論述了光觸媒的消毒殺菌、促進光合作用、調(diào)節(jié)生長激素等機理，全面闡述了納米技術(shù)在植物種子處理上、納米生物農(nóng)藥上、植物葉面肥上、瓜果蔬菜的保鮮上、水培植物營養(yǎng)液消毒殺菌上，以及納米技術(shù)在植物非試管快繁中等等上面的運用。關(guān)鍵詞：納米技術(shù);農(nóng)業(yè);光觸媒;光合作用;殺菌
自從掃描顯微鏡發(fā)明后，便誕生了一門以0.1至100納米這樣的尺度為研究對象的前沿科學(xué)，這就是納米科技。從2O世紀90年代初起，納米科技得到迅速發(fā)展，新名詞、新慨念不斷涌現(xiàn)，像納米電子學(xué)、鈉米材料學(xué)、鈉米機械學(xué)、鈉米生物學(xué)等等。納米技術(shù)已經(jīng)部分應(yīng)用于家電、輕工、電子行業(yè)、紡織、電力、建材等等，像合肥美菱集團從1996開始研制納米冰箱，可折疊的PVC磁性冰箱門封不發(fā)霉，用的是抗菌涂料，里面的果盤都采用納米技術(shù)，但納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的切入點非常小，仍然有大部分空白領(lǐng)域有待研究，納米技術(shù)適合我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，可以使部分領(lǐng)域產(chǎn)生徹底的變革，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1.認識納米技術(shù)
所謂納米是一種長度單位，1納米相當于10億分之一米，大約相當于一個中等原子直徑的十幾倍，自從掃描隧道顯微鏡問世后，世界上就產(chǎn)生一門以0.1至100納米這樣尺度研究對象的前沿學(xué)科，這就是“納米科技”。他以空前的分辨率，為人類揭示了一個可見的原子、分子世界，在0.1至100納米空間尺度內(nèi)，人們直接操縱原子、分子、對材料進行加工，制造具有特定功能的產(chǎn)品，納米科技有著不可限量的潛力。
2.光觸媒
光觸媒[Photocatalyst]是光 [Photo=Light] + 觸媒(催化劑)[catalyst]的合成詞。光觸媒是一種以納米級二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導(dǎo)體材料的總稱，光觸媒是一種光催化劑，催化劑是用于降低化學(xué)反應(yīng)所需的能量，促使化學(xué)反應(yīng)加快速度，但其本身卻不因化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生變化的物質(zhì)。光觸媒顧名思義即是以光的能量來作為化學(xué)反應(yīng)能量來源，利用二氧化鈦作為催化劑，加速氧化還原反應(yīng)，使吸附在表面的氧氣及水分子激發(fā)成極具活性的氫氧基OH-及負氧離子O2-，這些氧化力極強的自由基幾乎可分解所有對人體或環(huán)境有害的有機物質(zhì)及部分無機物質(zhì)，使其迅速氧化分解為穩(wěn)定且無害物質(zhì)(水、二氧化碳)，以達到凈化空氣的功用。光觸媒是以納米級二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導(dǎo)體材料的總稱，是目前國際上治理室內(nèi)環(huán)境污染的最理想材料。高品質(zhì)的納米級光觸媒在微弱的光線下也能做反應(yīng)，若在紫外線的照射下光觸媒的活性會加強。
光觸媒的功能： 1.抗菌、殺菌：破壞大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、霉菌、肺炎克雷伯氏菌、綠膿桿菌、病毒等致病菌的細胞壁，分解空氣中的過敏源，凝固病毒的蛋白質(zhì)，抑制病毒的活性，滅菌率高達99.99%。抑制如腸病毒、流行性感冒、濾過性病毒等病原的傳播。對一般消毒劑有抗性的病毒微生物也能徹底分解。2.空氣凈化： 光觸媒可以破壞有機體的能量鍵，可持續(xù)高效的分解空氣中如苯、甲醛、氨、TVOC等室內(nèi)存在的有害氣體。 3.除臭去味：去除香煙臭、垃圾臭、生活臭等惡臭 4.防霉防藻： 防止發(fā)霉、防止藻類的產(chǎn)生, 防止水垢的附著 5.防污 自潔：分解油污,自清洗 6.防銹防褪色： 防止金屬生銹，防止被涂物體褪色 7.防紫外線功能。由于二氧化鈦光觸媒的紫外光吸收特性，使被涂面免遭紫外線的老化作用。
3.光觸媒殺菌、促進光合作用的機理
3.1殺菌機理
光觸媒(二氧化鈦)在紫外光作用下，激發(fā)物質(zhì)表面電子，可連續(xù)發(fā)生能級躍遷，繼而電子飛出，形成具有超強氧化能力的空穴(正穴)和具有超強還原能力的電子;空穴/電子對與表面和空氣中水反應(yīng)后可產(chǎn)生活性氧[0]和氫氧自由基[HO]等活性物質(zhì)。這種反應(yīng)過程可有以下幾個步驟：在光的作用下產(chǎn)生空穴/電子對即TiO2+光能(hv)→ → →電子(e-)+正穴(h+ );空穴/電子對與表面和空氣中水反應(yīng)生成活性自由基即正穴(h+ )+水分子(H20)→→→0H+H+ ，電子(e-)+氧(02)→ → →活性氧(02-)。光觸媒反應(yīng)所形成的空穴/電子對與表面和空氣中有機物結(jié)合而發(fā)生氧化還原反應(yīng)，可徹底將其氧化成水等無害物質(zhì);另1方面，空穴/電子對與表面和空氣中水反應(yīng)后可產(chǎn)生活性氧[0]和氫氧自由基[HO]等活性物質(zhì)[1,2]。這些活性物質(zhì)具有極強的氧化作用，不僅能氧化破壞細菌、霉菌這些有機物的細胞膜，固化病毒的蛋白質(zhì)，在殺菌的同時還能分解細菌尸體上釋放出的有害復(fù)合物，也可將有機化學(xué)污染物完全氧化破壞，從而起到潔凈環(huán)境和除臭等作用。由于在這種反應(yīng)過程中光觸媒不參與反應(yīng)，從而使反應(yīng)可反復(fù)進行，所以光觸媒可長期持久地起作用。
納米TiO2光觸媒與一般抗菌劑銀和銅相比有更徹底的殺菌效能，殺菌效果高達99.997%。納米TiO2，光觸媒不但可以殺死細菌，還能夠殺死細菌死后產(chǎn)生的內(nèi)毒素。而抗菌劑銀和銅只能殺死細菌，不能消除內(nèi)毒素[3]，河北省衛(wèi)生廳衛(wèi)生監(jiān)督局，劉靜、邢榮琦等做了光觸媒噴涂劑抑菌性能試驗研究，試驗表明光觸媒噴涂劑作用24h對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌的平均抑菌率分別達97.71%，97.34% ，93.32% ，均在90% 以上[4]。而甲醛、苯類化合物、氨的最大降解為：甲醛100%,苯79.0%,甲苯86.6%,對二甲苯85.4%,間二甲苯90.1%,鄰二甲苯93.3%,氨97.2%[5].
3.2促進光合作用機理
人類以生存的食物無一例外地來源于綠色植物的光合作用，光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，是作物產(chǎn)量形成的保障，所謂光合作用是指綠色植物利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物釋放氧氣的過程。
植物光合作用的原初反應(yīng)是在葉綠體的類囊體上進行的，通過類囊體上的作用中心色素，把可見光的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，水被光解，形成電子氧氣質(zhì)子，這些電子和質(zhì)子通過光合磷酸化，形成不穩(wěn)定的化學(xué)能，不穩(wěn)定的化學(xué)能通過碳的同化形成穩(wěn)定的化學(xué)能，也就是形成碳水化合物的過程，供給植物生長發(fā)育所使用[6]。
2H2O+葉綠體+光能→ → →4H++O2+4e-
CO2+H2O+綠色細胞+光能→ → →(CH2O)+O2
噴灑在植物綠葉上的二氧化鈦顆粒，吸收到植物后通過積極的光水解，給植物的光合作用補充、傳遞電子能量，以此來達到促進光合作用的主效果，而未被植物吸收的二氧化鈦已固態(tài)留在植物表面，對于各種植物病原體顯示殺菌以及防御的補助效果。也就是當紫外光照射在二氧化鈦顆粒上時，在價帶的電子被紫外光所激發(fā)，躍遷到導(dǎo)帶形成自由電子(e-)，經(jīng)過反應(yīng)產(chǎn)生氫，而在價帶形成一個帶正電的空穴(h+)，并氧化水后產(chǎn)生氧，也就是在紫外線的作用下二氧化鈦能夠獨立光水解形成電子、質(zhì)子以及氧氣，這樣分解出來的電子、質(zhì)子，并行于植物光反應(yīng)階段的電子傳遞，由此提高光合作用的速度。
植物的生長發(fā)育不但需要水分、礦質(zhì)和有機物的供應(yīng)，而且還受到植物激素的調(diào)節(jié)與控制，生長素就是其中之一。生長素對植物生長的細胞伸長、分裂和分化、果實的長大、豆科作物根瘤的形成均有作用。實驗證明鈦元素對植物的生長有一種類似于激素(生長素和細胞分裂素)的效應(yīng)。例如在煙葉愈傷組織的溶液培養(yǎng)實驗中.當培養(yǎng)液中缺少生長素時愈傷組織的生長就受到嚴重抑制，但當用鈦元素代替生長素時愈傷組織的生長不僅不受到抑制，而且比生長素存在時長得更好。用鈦元素代替分裂素時，愈傷組織生長受到的抑制作用得到大部分補償。此外，示蹤原子方法的試驗還證明，鈦元素促進生長素向幼葉及根的運輸。由于生長素與分裂素對根芽、維管組織及胚狀體分化都有誘導(dǎo)作用，它們活化細胞內(nèi)的脫氧核糖核酸，使之解除抑制，而后進行基因表達，形成新的信使核糖核酸和蛋白質(zhì)(酶)， 通過調(diào)節(jié)代謝而引起生長發(fā)育改變，鈦元素既有類激素的效應(yīng)，又有促進內(nèi)源激素向根運輸?shù)淖饔�。所以農(nóng)作物使用鈦微肥后，根系干重增加10～30% ， 根系容積提高10% 左右， 豆科作物根瘤數(shù)增加30～4o%。根是植物重要的營養(yǎng)器官， 靠它從土壤中吸收水分和肥料，根系發(fā)達，必然增加植物從土壤中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。對蘋果、葡萄、番茄及小麥等的分析結(jié)果表明，使用鈦微肥后葉片中的氮、磷、鉀、鈣、硼、鐵、錳、鋅等含量均有提高、這就為增加產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)提供了基礎(chǔ)[7]。
4.納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)上生產(chǎn)上的具體運用
4.1納米娟花
所謂納米絹花,就是在絹花的基礎(chǔ)上進行納米材料處理,使絹花除了單一的欣賞功能外,賦予更多新的功能與用途。它具有消除環(huán)境臭味與煙味,還可對新裝修的房間進行空氣凈化,并且還能源源不斷向空氣中釋放有利人體健康的負離子,更奇的是它不會臟,不管你放多久它都能保持嶄新如初.在你的居室內(nèi)或客廳 及人群多的環(huán)境進行布置擺放,能為你創(chuàng)造一個清新的空氣環(huán)境。
4.2納米生物農(nóng)藥
納米生物農(nóng)藥是利用植物源農(nóng)藥使其粒子納米化，使原始中藥類復(fù)雜成分所表現(xiàn)的粒子組、部分固相沉積、部分揮發(fā)油漂浮、相當一部分不溶于水的復(fù)雜非均相體系，變?yōu)榱烁叻稚ⅰO易溶于水的穩(wěn)定均相體狀態(tài)，其物理、化學(xué)、和生物學(xué)也隨之發(fā)生突變。運用鈉米技術(shù)促使植物細胞壁破壁，使有效的脂溶性和水溶性的殺蟲物質(zhì)有效釋放并直接作用于害蟲，極大的提高了藥效。并且納米物質(zhì)的表面效應(yīng)(粒度越小，比表面就越大)，充分降低用藥量，從而在使用經(jīng)濟性上得到突破。像煙堿進行鈉米技術(shù)加工后制備成的對人畜完全無毒副作用的鈉米生物農(nóng)藥其殺蟲效果達到普通農(nóng)藥的3倍，而生產(chǎn)成本相當于普通農(nóng)藥的一半[8]。
用硬脂酸對Ag/TiO 表面進行了改性，其表面由親水性變?yōu)橛H油性.將溴蟲腈農(nóng)藥、改性Ag/TiO2和相應(yīng)的添加劑混合制成顆粒分布較均勻、平均粒徑約為100 nm的納米農(nóng)藥制劑.溴蟲腈納米制劑光降解實驗表明，在黑暗中穩(wěn)定，在有光線的室內(nèi)放置15 d的分解率為15.8%，在太陽光直射下放置3 d的分解率為69.0% .紫外光照22.5 h時，納米制劑分解率是常規(guī)制劑的9.2倍.溴蟲腈納米制劑室內(nèi)、田間毒力試驗表明，納米制劑比常規(guī)制劑具有更強的毒力，其LC50為8.95 mg·L-，是乳油毒力的1.77倍.在田間藥效對比試驗中，施藥劑量減少一半條件下，納米制劑防治甘藍斜紋夜蛾的田間防效優(yōu)于溴蟲腈乳油，藥后1 d和3 d的校正防效分別高出4.89和3.05個百分點.土壤、植物的殘留試驗表明，納米制劑在甘藍、土壤中的消解較快，其t 1/2分別為3.91 d和1.27 d，而溴蟲腈SC的tl/2分別為8.64 d和3.27 d[9]。
4.3納米技術(shù)改良鹽堿地
鹽堿地改良技術(shù)主要是將以納米技術(shù)制造的鹽堿地改良劑“納米碳液”兌水后，均勻地噴灑在鹽堿地上，通過納米離子的有機活動，吸附土壤中的鹽、堿離子，形成疏松、透氣、PH值為中性的隔離層，從而達到鹽堿地有效改良的目的。
4.4果蔬的保鮮
運用納米二氧化鈦制和納米銀分散到樹脂中制成成保鮮袋和保鮮膜，在紫外線的照射下以及在無光的情況下也能發(fā)揮其良好的殺菌效果，以及有效的分解果蔬產(chǎn)生的乙烯和環(huán)境中有害有機物，不使用任何藥劑就能起到良好的保鮮效果。
4.5營養(yǎng)液的消毒殺菌
水生誘變及水培技術(shù)是當前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域較為先進的栽培技術(shù),在蔬菜瓜果園藝花卉上有著廣泛的用途與運用空間,能使植物的生長速度及農(nóng)作物的產(chǎn)量質(zhì)量大幅度提高,是未來設(shè)施農(nóng)業(yè)中的一種主要栽培模式。但同時也存在著許多不足與弊端,就是營養(yǎng)液的交叉感染及綠藻的滋生。針對這些問題,國內(nèi)及國際上都積極地采用與研發(fā)了各種殺菌滅藻措施,如紫外線電場復(fù)合殺菌,熱處理殺菌,活性碳過濾殺菌,以及化學(xué)殺菌,但這些方法都不能起到根本性的作用。有些作用雖好,但成本極高不利于生產(chǎn)推廣運用,如熱殺菌;有些殺菌效果不是十分好,一些種類的病毒還是不能得到解決;另外雖然殺菌效果都不錯,但對于水培過程中根系分泌的代謝物造成的營養(yǎng)液障礙還是不能解決,也就是有機物的污染。針對這些問題,生產(chǎn)上急需解決一種綜合效果好又節(jié)能的殺菌滅藻法,否則將會大大影響水生誘變技術(shù)及水培產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中最明顯的危害就是出現(xiàn)爛根與病害的蔓延。隨著科技的發(fā)展,特別是納米技術(shù)的發(fā)展,有許多納米材料具有極好的殺菌滅藻及分解有機物的作用,如半導(dǎo)體納米極材料就是一種很好的殺菌材料。納米營養(yǎng)液殺菌系統(tǒng),這種系統(tǒng)主要由紫外線和半導(dǎo)體材料組成，這種系統(tǒng)能有效地殺除細菌、真菌、病毒等微生物，并且更主要的是它還能有效分解根系代謝物如乙酸、乙醇、乙醛、乙烯等，使營養(yǎng)液得到了生物與非生物的最有效凈化。只要營養(yǎng)液在循環(huán)時，流經(jīng)這個系統(tǒng)裝置，就可起到很好的殺菌滅藻的作用，另外也可用于廢液的凈化，減少農(nóng)業(yè)污染，有了這種技術(shù)水培或誘變過程中的病害及爛根問題就可以得到有效的解決。
納米殺菌系統(tǒng)圖：
如何提高植物的光合作用，是加快植物生長和提高產(chǎn)量的有效辦法，目前最主要的是以補充二氧化碳提高碳源來促進光合作用，像二氧化碳發(fā)生器、碳酸水等的應(yīng)用，而運用光觸媒和暗觸媒,噴施于植物葉面主要是提高光的利用率，使光合作用更活躍，即使是日照量不足的雨季(因為吸收的是紫外線)也有很好的促進效果，它不同于現(xiàn)有的利用化肥和植物生長調(diào)節(jié)劑的技術(shù)，是根據(jù)植物基于太陽能的光合作用合成的物質(zhì)中得到養(yǎng)分并生長這一自然規(guī)律， 由可利用太陽能促進光合作用、并對人體以及植物具有確保安全性、和具有包括滅菌以及分解有毒生物在內(nèi)的功能。
4.61 促進植物快速生長。植物葉面噴施之后其光合作用速率大大的增加，葉片變厚變綠，光合作用量的增加,帶來植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)運動更加的順暢,著根旺盛,吸收礦質(zhì)營養(yǎng)的能力大大的加強,生長狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn).
4.62 節(jié)約化肥、農(nóng)藥 。植物吸收水肥離不開硝酸還原酶，硝酸還原酶的活性大小將直接影響到植物吸收的能力，而用納米技術(shù)處理的植物，能使硝酸還原酶的活性提高132%，這無疑提高植物對水肥的吸收能力，提高了植物對肥料的利用率，實現(xiàn)節(jié)省化肥的目的。
4.63 提高抗病、抗?jié)场⒖购�、抗寒、抗衰等。納米技術(shù)處理能活化體內(nèi)細胞，促進新陳代謝，提高機體的免疫力，增強植物的生長勢，同時自身也有一定的消毒殺菌能力，這樣就大大降低發(fā)病率。
4.64 增加產(chǎn)量。運用納米技術(shù)處理植物，可提高水、肥、農(nóng)藥等物質(zhì)的能量，增強體內(nèi)酶的活性，促進新陳代謝，一般可增產(chǎn)20%.
4.65 改善果實品質(zhì)。其增強了光合作用，促進干物質(zhì)的積累，改善了果實的品質(zhì)，糖度以及各種營養(yǎng)物質(zhì)的含量大大的提高。
4.7在植物非試管快繁中的應(yīng)用
運用光觸媒噴施快繁的母本園，促進光合作用，優(yōu)化母本的性狀，在快繁苗床繁材葉面噴施光觸媒促進光合作用，提供大量的碳水化合物，促進繁材生根，同時又有一定的消毒殺菌的功能。
用于離體材料的切口處理，運用鈉米遠紅外粉進行切口處理能提高其生根率，在新根數(shù)量上也有所增加，植物切口經(jīng)遠紅外處理后，可對細胞產(chǎn)生共振作用，引起細胞內(nèi)外水分子的振動，使細胞活化，發(fā)生一系列有益于健康的細胞生物化學(xué)及細胞組織化學(xué)改變[10]，同時促進呼吸作用成為代謝中心，使營養(yǎng)物質(zhì)往切口方向運輸促進生根，也大大促進了切口對生長素類物質(zhì)的吸收起到促進生根作為生長素的輔助藥劑，其能加強切口的呼吸作用，加快切口對生長素物質(zhì)的吸收，從而大大的促進生根。
下面是納米遠紅外在金錢榕上快繁生根試驗結(jié)果：
| 處理 | 生根率（%） | 新根數(shù)量（根） | 新根長度（cm） |
| 遠紅外鈉米粉500PPM | 63.64a | 4.56a | 2.25a |
| 遠紅外鈉米粉1000PPM | 71.88ab | 5.15a | 2.16a |
| 快繁寶100PPM | 90.91b | 9.53b | 2.94b |
| 快繁寶100PPM+遠紅外鈉米粉500PPM | 100c | 9.58b | 2.82b |
| 快繁寶100PPM+遠紅外鈉米粉1000PPM | 100c | 10.25b | 2.83b |
| 清水處理（CK） | 62.5a | 3.25a | 2.45a |
4.8在植物種子上的應(yīng)用
運用納米技術(shù)處理種子是應(yīng)用納米“FLM”材料的能量轉(zhuǎn)換性能，增強種子活力，提高植物種子體內(nèi)酶的活性。從而促進植物生長，在原有品種農(nóng)藝性狀的基礎(chǔ)上進一步提高植物的抗蟲、抗病以及各種抗逆性能力[11]。
4.81 提高出苗率 用納米技術(shù)處理過的種子能將吸收的自然界的光波轉(zhuǎn)化為電磁波.從而使體內(nèi)大分子團分裂成小分子團，在空間不變，分子數(shù)增加的情況下，分子團的運動速度加劇，相互碰撞的幾率加大，活性也隨之增加，能量也就增強，種子破土的能力也就大大的提高。
4.82 幼苗長勢快，根系發(fā)達，用納米技術(shù)處理種子可調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的新陳代謝，提高抗逆性，促進根系生長，根系活力可提高82.09%。
4.9納米技術(shù)在遺傳育種中的應(yīng)用
納米技術(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)基因技術(shù)在培育新品種方面取得了突破性的進展。通過納米技術(shù)先將DNA，染色體全部分解為單個基因，然后根據(jù)需要進行組裝，轉(zhuǎn)基因整合成功率幾乎可達100%[12]。研究成果表明，科研人員可以讓單個D N A分子鏈展現(xiàn)出其內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)，并可以操縱它實現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)性能改進，進而形成納米結(jié)構(gòu)或圖形，使人類得以在更小的世界范圍內(nèi)、更深的層次上探索生命的奧秘。
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