传统与前沿的交汇——纳米技术赋能现代农业

极中极正骨养生堂

随着农业现代化的逐步推进，食品安全、土壤退化、沙漠治理、气候变化、农业废弃物的综合利用、生物质能源等问题将进一步显现，这也是国内外科技工作者致力于研究的重点和难点。农业是从生物学科中分化独立出来的，实际上无论是植物还是动物，均属于生物学科的范畴，有着共同之处。纳米技术在生物学科研究中发挥了巨大的作用，在农业上也同样有广阔的应用前景。



纳米技术具有提高农业光利用效率的潜力。事实上，由于植物只利⽤了百分之几的入射光⼦，非最佳光化学反应导致的碳同化比理论上可能降低20%，⽽呈现出改变的光保护机制的生物工程植物则将其产量提⾼了15%。叶⾯施⽤特殊纳米材料在提⾼植物光合作⽤效率⽅⾯可以：
(1) 保护光合作⽤免受⾮⽣物胁迫
(2) 增加叶绿素含量
(3) 增强光吸收和光⼦利⽤
(4) 清除活性氧物质
(5) 辅助电⼦转移



植物光合作用原理图

可⽤⽔量是农业作物产量的关键预测指标。水资源不足已经限制了⼲旱、农业⽣产地区的作物产量，预计未来⽓候变化将加剧这种情况。新的纳米材料和处理技术可以通过利⽤缺⽔地区的⾮传统农业⽔源为农业⽣产⼒提供⾜够⾼质量的⽔。纳米技术还可增强作物的保⽔性以提高农业作物的用水效率。

所有作物都需要⼤量的氮(N)、磷(P)、钾(K)和微量营养素（如钙、锌、铜、铁等）作为肥料来维持繁荣连续的增长周期。然而过度施⽤肥料（使⽤效率低<50%）会导致⼤量养分浪费，并会对周围⼟壤和地表⽔造成不利影响。应用纳⽶技术和纳米材料可以极大地提高肥料和药物的使用效率，减少对环境的破坏并减少能源损失。纳米材料的小尺⼨（<100 nm）效应使它们能够跨越⽣物屏障，在根部或叶⾯施⽤后扩散到植物脉管系统，可以实现新的输送营养物质/药物途径。许多此类纳米材料是亚稳态的，因此可以提供微量营养素或抗⽣素的受控释放，以促进植物对疾病的抵抗⼒。重要的是，可以修改纳米材料的结构和表⾯化学，以提供将它们引导到植物或⼟壤中正确位置所需的特性和功能，并提供智能释放解决方案。



工程纳米材料能够靶向递送到植物中的选定位置
（类似于⼈类的药物递送）

陕西师范大学任引哲教授的团队用喷洒纳米CaCO3悬浮液的方法，解决了苹果生长期的补钙问题，同时提高了苹果的硬度和表面光洁度，改善了苹果品质，并通过大面积田间试验证明了这一补钙方法的可行性。中国农业科学院黄啟良等人采用介孔二氧化硅为载体，制备了负载螺虫乙酯的纳米颗粒，与传统剂型相比，纳米颗粒改善了药物在黄瓜植株中的沉积、吸收和转运性能，并有效防止药物在植物体内的降解。

迦蓝海美国研究中心的Casteele教授等人已于2021年与美国农业部（USDA）在新型纳米水培系统展开了技术上的合作，目前正在探索培育多种蔬菜及果类植物，未来还将在超级营养水培作物、水培功能性作物等方面做进一步的研究。



纳米技术将成为未来农业技术革命的重要驱动力，这场革命有望建立一个更高效和更可持续的农业体系。迦蓝海纳米技术集团将在强化科技自主创新能力的基础上，充分发挥自身积累的技术优势和资源优势，积极布局纳米技术应用领域，为推动传统产业变革贡献迦蓝海力量！

参考文献：
[1] Zhu, X. G., Ort, D. R., Whitmarsh, J. & Long, S. P. The slow reversibility of photosystem IIthermal energy dissipation on transfer from high to low light may cause large losses in carbon gain by crop canopies: a theoretical analysis. J . Exp. Bot. 55, 1167–1175 (2004).

[2] Long, S. ,  A. Marshall-Colon , and  X. G. Zhu . "Meeting the Global Food Demand of the Future by Engineering Crop Photosynthesis and Yield Potential." Cell 161.1(2015):56-66.
[3] Charles J. Vörösmarty, et al. "Global Water Resources: Vulnerability from Climate Change and Population Growth." Science 289.
[4] Smith, A. M. , and  L. M. Gilbertson . "Rational Ligand Design To Improve Agrochemical Delivery Efficiency and Advance Agriculture Sustainability." ACS Sustainable Chemistry & Engineering 6(2018).
[5] 任引哲, 王建英, and 王玉湘. "纳米CaCO3微粉的制备及在苹果生产中的应用." 化学世界 42.10(2001):3.
[6] Pengyue, et al. "Enhancement of Spirotetramat Transfer in Cucumber Plant Using Mesoporous Silica Nanoparticles as Carriers. " Journal of agricultural and food chemistry (2018).

萧藤新一

LZ是天才，坚定完毕