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納米技術在農業(yè)上的應用
* 來源: 河北麥森 * 作者: * 發(fā)表時間: 2017-06-30 11:09:48
納米技術在農業(yè)上的應用
摘要：本文了介紹了納米技術，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、調節(jié)生長激素等機理，全面闡述了納米技術在植物種子處理上、納米生物農藥上、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，以及納米技術在植物非試管快繁中等等上面的運用。關鍵詞：納米技術;農業(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，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，像納米電子學、鈉米材料學、鈉米機械學、鈉米生物學等等。納米技術已經部分應用于家電、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，但納米技術在農業(yè)領域的切入點非常小，仍然有大部分空白領域有待研究，納米技術適合我國農業(yè)的發(fā)展，可以使部分領域產生徹底的變革，具有廣闊的應用前景。
1.認識納米技術
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，世界上就產生一門以0.1至100納米這樣尺度研究對象的前沿學科，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，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反應所需的能量，促使化學反應加快速度，但其本身卻不因化學反應而產生變化的物質。光觸媒顧名思義即是以光的能量來作為化學反應能量來源，利用二氧化鈦作為催化劑，加速氧化還原反應，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)境有害的有機物質及部分無機物質，使其迅速氧化分解為穩(wěn)定且無害物質(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體材料的總稱，是目前國際上治理室內環(huán)境污染的最理想材料。高品質的納米級光觸媒在微弱的光線下也能做反應，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，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后可產生活性氧[0]和氫氧自由基[HO]等活性物質。這種反應過程可有以下幾個步驟：在光的作用下產生空穴/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-)。光觸媒反應所形成的空穴/電子對與表面和空氣中有機物結合而發(fā)生氧化還原反應，可徹底將其氧化成水等無害物質;另1方面，空穴/電子對與表面和空氣中水反應后可產生活性氧[0]和氫氧自由基[HO]等活性物質[1,2]。這些活性物質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，在殺菌的同時還能分解細菌尸體上釋放出的有害復合物，也可將有機化學污染物完全氧化破壞，從而起到潔凈環(huán)境和除臭等作用。由于在這種反應過程中光觸媒不參與反應，從而使反應可反復進行，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生的內毒素。而抗菌劑銀和銅只能殺死細菌，不能消除內毒素[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，是作物產量形成的保障，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，把可見光的光能轉變?yōu)殡娔�，水被光解，形成電子氧氣質子，這些電子和質子通過光合磷酸化，形成不穩(wěn)定的化學能，不穩(wěn)定的化學能通過碳的同化形成穩(wěn)定的化學能，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)，躍遷到導帶形成自由電子(e-)，經過反應產生氫，而在價帶形成一個帶正電的空穴(h+)，并氧化水后產生氧，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、質子以及氧氣，這樣分解出來的電子、質子，并行于植物光反應階段的電子傳遞，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、礦質和有機物的供應，而且還受到植物激素的調節(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。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作用，它們活化細胞內的脫氧核糖核酸，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(酶)， 通過調節(jié)代謝而引起生長發(fā)育改變，鈦元素既有類激素的效應，又有促進內源激素向根運輸的作用。所以農作物使用鈦微肥后，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。對蘋果、葡萄、番茄及小麥等的分析結果表明，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、這就為增加產量和改善作物品質提供了基礎[7]。
4.納米技術在農業(yè)上生產上的具體運用
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納米生物農藥
納米生物農藥是利用植物源農藥使其粒子納米化，使原始中藥類復雜成分所表現的粒子組、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雜非均相體系，變?yōu)榱烁叻稚�、極易溶于水的穩(wěn)定均相體狀態(tài)，其物理、化學、和生物學也隨之發(fā)生突變。運用鈉米技術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。并且納米物質的表面效應(粒度越小，比表面就越大)，充分降低用藥量，從而在使用經濟性上得到突破。像煙堿進行鈉米技術加工后制備成的對人畜完全無毒副作用的鈉米生物農藥其殺蟲效果達到普通農藥的3倍，而生產成本相當于普通農藥的一半[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.將溴蟲腈農藥、改性Ag/TiO2和相應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、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納米技術改良鹽堿地
鹽堿地改良技術主要是將以納米技術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是當前農業(yè)領域較為先進的栽培技術,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作物的產量質量大幅度提高,是未來設施農業(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,如紫外線電場復合殺菌,熱處理殺菌,活性碳過濾殺菌,以及化學殺菌,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及水培產業(yè)的發(fā)展。其中最明顯的危害就是出現爛根與病害的蔓延。隨著科技的發(fā)展,特別是納米技術的發(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，減少農業(yè)污染，有了這種技術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，它不同于現有的利用化肥和植物生長調節(jié)劑的技術，是根據植物基于太陽能的光合作用合成的物質中得到養(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,帶來植物體內營養(yǎng)物質運動更加的順暢,著根旺盛,吸收礦質營養(yǎng)的能力大大的加強,生長狀態(tài)明顯好轉.
4.62 節(jié)約化肥、農藥 。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。納米技術處理能活化體內細胞，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 增加產量。運用納米技術處理植物，可提高水、肥、農藥等物質的能量，增強體內酶的活性，促進新陳代謝，一般可增產20%.
4.65 改善果實品質。其增強了光合作用，促進干物質的積累，改善了果實的品質，糖度以及各種營養(yǎng)物質的含量大大的提高。
4.7在植物非試管快繁中的應用
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，在新根數量上也有所增加，植物切口經遠紅外處理后，可對細胞產生共振作用，引起細胞內外水分子的振動，使細胞活化，發(fā)生一系列有益于健康的細胞生物化學及細胞組織化學改變[10]，同時促進呼吸作用成為代謝中心，使營養(yǎng)物質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果：
| 處理 | 生根率（%） | 新根數量（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在植物種子上的應用
運用納米技術處理種子是應用納米“FLM”材料的能量轉換性能，增強種子活力，提高植物種子體內酶的活性。從而促進植物生長，在原有品種農藝性狀的基礎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 用納米技術處理過的種子能將吸收的自然界的光波轉化為電磁波.從而使體內大分子團分裂成小分子團，在空間不變，分子數增加的情況下，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，用納米技術處理種子可調節(jié)植物體內的新陳代謝，提高抗逆性，促進根系生長，根系活力可提高82.09%。
4.9納米技術在遺傳育種中的應用
納米技術結合轉基因技術在培育新品種方面取得了突破性的進展。通過納米技術先將DNA，染色體全部分解為單個基因，然后根據需要進行組裝，轉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分子鏈展現出其內部的精細結構，并可以操縱它實現分子結構性能改進，進而形成納米結構或圖形，使人類得以在更小的世界范圍內、更深的層次上探索生命的奧秘。
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