纳米材料在农业中的创新应用：提升生产力、效率与可持续性

《Journal of Crop Health》：Nanomaterials in Agriculture: Innovations for Productivity, Efficiency and Sustainability

　　

摘要 纳米材料在推动可持续农业发展中发挥着至关重要的作用。认识到纳米材料在可持续增长中的作用，并教育利益相关者了解其益处，是至关重要的。纳米材料在农业的各个方面（包括机械、农艺实践和可持续性）都发挥着重要作用。它能够提高效率、减少资源消耗并促进可持续运营。随着纳米技术的进步，生物传感器（biosensors）现已被用于监测作物参数和早期检测植物胁迫。纳米肥料（nano-fertilizers）和纳米农药（nano-pesticides）因其更高的效率、有效性以及减少的环境危害，正在取代传统肥料和农药。与传统肥料相比，它们能提高作物产量，并通过纳米农药控制害虫。纳米材料被应用于机械部件以减少磨损并承受应力。表面可以通过电镀纳米材料来提高耐磨性。液压油、制动液、传动液和发动机油中的纳米添加剂可减少摩擦，并维持最佳油膜厚度，以确保机械平稳运行。纳米材料是提高农业效率和可持续性的关键。

纳米材料在农业中的创新应用：提升生产力、效率与可持续性

引言

纳米材料是指至少有一个维度尺寸在1–100 nm之间的材料。颗粒的尺寸和形态决定了纳米材料的大部分特性。尽管体积微小，它们却具备卓越的性能。两种材料的平均粒径不同，其表现也可能不同。颗粒尺寸不仅影响其物理和化学特性，还影响其电学、力学、光学及其他物理化学特性。由于其独特的性能，科学家们发现纳米材料在农业机械制造、受控农业系统、纳米农业传感器、纳米涂层、土壤粘结剂、纳米肥料、纳米农药、发电、航空工业、热电器件、电池、涂料、化学工业、光学、航空及建筑/施工等不同领域有着巨大的应用潜力。纳米材料主要根据其尺寸进行分类。由于纳米材料能够提高农业过程的效率和可持续性，因此在农业领域受到了广泛关注。使用纳米肥料可使养分吸收能力比传统肥料提高30%，同时消除传统方法造成的浪费和土壤污染。纳米农药的应用有助于以更有效的方式消灭昆虫和害虫，且不构成任何威胁。此外，纳米颗粒还用于涂层机械，以提高其抗磨损效率。

纳米材料的分类

根据维度，纳米材料可分为四类。零维纳米材料（量子点和纳米棒），其所有维度均在1–100 nm之间。一维纳米材料（纳米线和纳米管），其一个维度超出1–100 nm范围，另外两个维度在1–100 nm范围内。二维纳米材料（纳米片、纳米板），其两个维度超出1–100 nm范围，一个维度在1–100 nm范围内。三维纳米材料（多晶体和层状结构）具有多个超出1–100 nm范围的维度。

纳米材料在农业中的应用

拖拉机发动机中的节能

发动机能量耗散的主要原因是滑动表面之间的摩擦，这会导致发动机部件磨损并降低发动机性能。发动机产生的总功率中有17–19%因发动机内部表面摩擦而损失。摩擦越大，效率越低，反之亦然。为了解决这个问题，传统润滑剂被石墨烯纳米润滑剂所取代。这种合成润滑剂具有抗摩擦特性，将减少发动机部件的磨损。它可将抗摩擦性能提高35%，抗磨损性能提高29%。这种石墨烯纳米润滑剂不仅改善了摩擦特性，还将燃油消耗降低了17%。它还有助于将废气排放（NOx、COx和HC）限制在5.24%以内。据估计，我们每年因发动机摩擦损失而损失1200亿美元。通过采用纳米润滑剂，我们可以节省这笔巨额资金。在90 N载荷下，使用传统润滑剂的活塞环组件平均摩擦系数（μ_avg）为0.0615262，而在相同载荷和条件下，使用石墨烯纳米润滑剂的平均摩擦系数为0.0465875。这表明使用石墨烯纳米润滑剂后摩擦系数降低了。同样，在较高载荷下，石墨烯纳米润滑剂的摩擦系数也低于传统润滑剂。当载荷为90 N时，使用石墨烯纳米润滑剂，摩擦系数从0.0615降至0.0466。在368 N载荷下，使用石墨烯纳米润滑剂时，系数保持在0.0356不变，而使用发动机油时，由于边界润滑，系数在0.0476处波动。

我们可以通过在发动机油中添加不同的添加剂来提高传统润滑剂的效率。在一项研究中，将Al₂O₃和TiO₂混合纳米材料以不同的重量浓度添加到市售的简单润滑剂中。将2 wt%的添加剂混合物（包含等量的Al₂O₃、TiO₂和油酸）与98 wt%的传统5W-30发动机油混合，以获得0.05 wt%的浓度。0.05%重量浓度的Al₂O₃和0.05%重量浓度的TiO₂给出了最令人满意的结果。油酸用于将纳米材料分散在发动机油中。与传统润滑剂相比，摩擦损失减少了40–51%。该实验还表明，在滑动50 km后，活塞的磨损率降低了17%。这可以延长发动机寿命并改善燃油经济性。由于活塞与发动机壁之间的磨损，发动机油与燃料一起燃烧，导致有害排放并造成环境污染。由于这些添加剂，磨损减少，因此发动机油不再与燃料一起燃烧。这样，它有助于排放控制。在四种不同浓度的混合和单独纳米润滑剂中，Al₂O₃/TiO₂混合纳米润滑剂的平均摩擦系数最低。添加纳米润滑剂导致的摩擦水平低于基础油，其中使用油酸略微降低了摩擦。在三个样品中，Al₂O₃/TiO₂的组合在所有浓度下都提供了最高水平的摩擦减少，而Al₂O₃和TiO₂适度减少了摩擦，并且在低浓度下TiO₂比Al₂O₃略有效。发动机的热效率通过其气缸盖、活塞壁和活塞顶的陶瓷涂层而提高。纳米润滑剂可将摩擦系数降低高达51%。它们保持稳定，不会失去其厚度。当传统冷却剂被纳米冷却剂替代时，热效率可提高45%。

纳米材料的农艺应用

用于提高作物产量和预防作物病害的肥料和农药，研究表明它们对环境和生态系统有负面影响。纳米技术的近期进展为我们提供了解决这个问题的方案，即纳米肥料和纳米农药。当这些施用于土壤时，会缓慢释放养分。与传统肥料相比，它们所需的用量更少，从而大大降低了处理和运输成本。它们对环境的毒性较小，在未来有广阔的前景。一些研究表明，纳米材料的应用可促进种子萌发、提高产量和植物生长。纳米催化剂用于合成不同的化学品和不同的过程。纳米催化剂可回收利用达6次。纳米传感器是农业机械化的支柱。纳米肥料具有较小的粒径，因此更有效，并且肥料对植物的可用性非常缓慢，从而减少了富营养化和水污染。在收获后阶段，有40%的产品损失。纳米技术可以通过多种方式帮助减少收获后损失，例如物质涂层、改进的气调包装、可食用纳米涂层等。这些技术可以保持水分并抑制微生物活动。纳米技术应用于农业用水处理，这可以带来更好的作物健康和优质的农产品。用纳米处理过的水处理种子可以保护种子免受不同病害。这可以提高发芽率、芽长、直径和抗病性。纳米863水用于大多数作物种子的浸泡。在温室中，农药和肥料与纳米技术处理过的水混合用于喷洒。这将使纳米农药的效率提高三倍，并将生产成本降低一半。在乳制品和畜牧业中，在饲料中添加纳米微量物质以增强其免疫系统并增加其营养成分。纳米肥料可以将某些蔬菜中的维生素C含量提高1.5倍。纳米技术用于检测土壤和农产品中的残留农药。在土壤中添加纳米材料具有多种好处，如减少侵蚀、增加保水性、易于养分利用等。纳米传感器通过提供实时数据来帮助精准农业，它们非常高效，甚至可以测量外部试剂的攻击并发送化学或电信号，从而提高产量。一些传感器非常小，甚至可以测量形成的蛋白质的大小。

农业制造中的纳米材料

与传统材料相比，纳米材料在其制造过程到应用方面都具有许多优势。绿色农业是一个涉及纳米材料的概念，因为它们不会像其他传统材料那样对环境产生负面影响。纳米材料的制造涉及更环保的操作，例如使用更少的电力、更少的金属氧化物和更少的有毒溶剂等。一些纳米材料甚至使用自然资源或植物提取物制造。已经开发出可以感知温室中不同生命体征的纳米传感器。纳米技术在农产品质量控制中也有应用。

由于农业设备（包括耕耘机、拖拉机、联合收割机等）的恶劣操作条件，用于生产任何设备部件的材料选择对于部件的寿命和经济可行性都至关重要。根据其使用方式，农业机械的每个部件都需要不同的材料。例如，收割机的刀片比机器的任何其他部件更容易受到剪切应力；因此，它们涂有纳米材料以延长其使用寿命，并避免频繁更换磨损部件。

在农业机械中，皮带主要用于在两个平行轴之间传递动力。由于严重的载荷和高皮带轮温度，农业设备中的皮带经常失效。皮带采用纳米添加剂制造，以提高其机械强度、耐磨性和耐热性。此外，它使皮带更不易燃。使用气凝胶技术，纳米材料被用于制造智能玻璃，在强烈阳光下允许更少的光线通过，反之亦然。此外，这种玻璃可以自清洁，非常适合在农业设备中使用。这是因为大多数农业机械在多尘环境中运行，这会妨碍操作员的视野。通过保护驾驶室免受太阳紫外线的伤害，它还能保持温度稳定。在制造纳米传感器时，我们可以使用纳米管和纳米载体来识别不同的病害、细菌入侵和植物生命体征。在过去的几十年里，纳米材料极大地改善了整个农业部门，特别是在农业制造业中，通过提高耐久性特性，使农业设备比传统机械更先进。使用纳米材料或纳米复合材料替代重型车辆或各种农业机器中使用的部件，可能使其牢不可破。与传统材料相比，它们轻22%。纳米材料涂层提高了材料的机械加工性、强度以及抗划伤、腐蚀和磨损的能力。由于重量减轻和燃油效率提高，这最终会减少土壤压实和硬磐的形成。带有陶瓷涂层的发动机部件更耐磨。纳米材料可以通过三种不同的技术进行电镀：直流电镀、脉冲电镀和电等离子体技术。与标准材料相比，直流电镀将耐磨性提高了30.41%，脉冲电镀提高了55.83%，电等离子体镀层提高了90%。涂有纳米管的硬铬复合材料比典型的碳钢材料更不易磨损。当用于机器轮胎时，纳米材料可以将其寿命延长高达800%。此外，它经济高效、重量轻，并保持轮胎的低温。

可持续食品生产

在现代世界，粮食安全是一个非常突出的问题，特别是在发展中国家。造成这一问题的因素很多，包括每英亩产量低、虫害、缺水、传统耕作、水质差、土地持有量小、农业面积有限以及人口增长。科学家必须采用新技术来满足食品工业日益增长的需求。所有这些问题的解决方案都在于纳米技术。因此，纳米技术通过改进收获后方法和提高农业生产产量，为粮食安全做出了重大贡献。纳米传感器利用纳米材料评估土壤质量。它们的目标是提高根据植物和土壤需求施用纳米肥料的有效性。某些土壤可以通过使用纳米材料进行土壤改良而变得更加肥沃。作物产量直接受施肥影响。在实验中，番茄幼苗在三个不同的盒子中生长。一号盒中的碳纳米管浓度为10 μg/mL，三号盒中为40 μg/mL，一号盒是对照组，其生长培养基中不含碳纳米管。我们可以观察到，第二和第三个盒子中的幼苗比第一个盒子中的幼苗生长得好得多。根据一项研究，2009年世界农业生产损失了32%，使作物加工和保存成为一个重要问题。这表明问题有多严重。食品保鲜技术可以利用纳米技术。在太阳能干燥器中，阳光的间歇性限制了其使用，因此使用太阳能存储设备使其使用变得可行。

纳米材料在温室中的应用

在由于不利气候条件而无法避免农业的地区，温室是一种可持续的农业技术。尽管温室已通过为植物提供最佳条件和促进可持续农业证明了其价值，但仍有一些纳米材料的应用可以改善作物，包括种子处理、水培、光合作用气候控制。在极端天气条件下，当温室内的温度高于植物生长所需的最佳温度时，使用蒸发冷却系统来降低内部温度。其冷却性能取决于多孔介质的特性。流经多孔材料的水需要更大的水表面积与体积比。通过增加水的表面积与体积比，纳米技术可以加快热交换速率。冷却垫材料中添加了纳米添加剂，这改善了冷却垫的传热特性和质量。由于其降低温度的能力，它也用于许多产品的冷藏。喷雾或雾化系统是降低温室温度的另一种有效方法。它们将温度降低约5至6 °F，并改善湿度和冷却。雾滴尺寸与温度降低成反比。纳米技术被应用于减小雾滴尺寸，以在全年甚至极端气候条件下实现最佳温度。纳米技术已经改变了温室的概念，并将其可行性扩展到传统温室无法运作的地区。植物通过光合作用产生营养。植物的生长与光合作用速率密切相关。植物的人工光合作用速率可以通过纳米技术加速。这可以通过将纳米添加剂掺入温室的生长库材料中来实现。这些化学物质通过提高紫外线对光合作用过程的适用性来加速该过程。光激发纳米材料也可用于产生人工光合作用。水培是一种全新的无土植物种植方法。对于植物发育，它完全消除了对土壤介质的需求。在温室中，光是为光合作用过程人工产生的。我们可以通过多种方式在这一领域利用纳米技术。用于水培的基于纳米磷光体的光可以优化生长植物的生长和营养成分。纳米流体用于提高太阳能存储容量和太阳能收集器的效率。由于纳米材料的高表面积与体积比，收集器的大部分将暴露在阳光下，集中高能量密度。为了防止产品在尺寸减小过程中氧化并提供热稳定性，纳米材料涂层被应用于机械部件。据报道，纳米材料在生物质转化为生物燃料的过程中充当生物催化剂。

农业中的生物传感器

世界农业系统的正常运作依赖于肥料、农药和水的可用性。它们的制造正在迅速恶化环境，因为这些化学品的制造过程正在污染环境。为了解决这些问题并减缓环境退化，科学家们一直在开发可持续农业技术和替代材料。纳米材料可以用作肥料和杀虫剂的替代品，因为它们粒径小，可以通过植物维管组织流动。植物可以进行基因编辑以提高抗逆性和生产力。传统的基因编辑技术效率低下，只对有限数量的植物有效，并且会损害植物组织。最有效的植物基因编辑纳米材料是那些尺寸约为50 nm的材料。使用石墨烯生物传感器可以检测细菌生长并获得所需的农业性状信息。通过使用基于石墨烯的纳米材料，可以调节从土壤到植物的养分转移。这导致微量元素向植物的缓慢释放，并延长了它们对植物的可用时间。总而言之，石墨烯改善了植物水分胁迫管理，增加了生物量产生，并提高了施肥效率。如今，生物传感器被用于提高植物产量。它们能够精确识别植物正常生长所需的养分，从而实现及时决策和提高产量。

纳米材料在胁迫缓解中的作用

纳米材料可以帮助作物耐受非生物胁迫，如干旱、盐度、高温和重金属毒性。例如，ZnO和TiO₂纳米材料可减少氧化损伤，维持光合作用，并改善胁迫下的生长。纳米肥料和纳米硅可提高水分利用效率和抗氧化活性，而养分或生长调节剂的靶向递送可帮助植物更快恢复。这些特性使纳米材料在挑战性环境条件下提高作物恢复力和生产力方面具有重要价值。

纳米材料在植物中的吸收、转运和积累

纳米材料可以通过根、叶或种子被植物吸收，并通过木质部和韧皮部转运到不同组织。研究表明，ZnO、TiO₂和SiO₂等纳米材料可以在根、茎和叶中积累，影响生长和生理过程。例如，施用于土壤的ZnO纳米材料在根和叶组织中均被检测到，改善了营养成分，但在高浓度下可能影响植物代谢。积累和分布取决于粒径、表面电荷、浓度和植物种类，这凸显了控制施用以确保效益而不引起毒性的重要性。

纳米材料在农业中的环境影响

然而，由于对可持续性的关注，必须考虑农业中纳米材料利用所产生的环境影响。纳米材料的重复使用会导致纳米材料在土壤中积累，这可能会影响土壤的物理化学性质和微生物的行为。此外，植物对纳米材料的吸收可能会沿着食物链转移。

农业中纳米材料的挑战与局限性

纳米材料已被用于各种农业目的，包括作为润滑剂、肥料和纳米传感器，但重要的是要认识到，在关注其益处的同时，同样重要的是了解其利用所面临的挑战。各种因素可以限制纳米材料的使用，特别是关于其可能的环境后果和毒性。农业中的纳米材料可能通过影响土壤中的微生物活动并对用于消费的植物部分构成污染风险而引起问题。同样，在机械和温室应用中，应仔细考虑纳米颗粒稳定性、环境污染和工作场所暴露等问题。此外，经济可行性仍然是影响此类技术采用的另一个重要限制因素，特别是考虑到其相对昂贵的制造工艺、大规模测试不足以及缺乏既定的指导方针和政策。因此，尽管通过纳米技术提高农业产出和可持续性有许多机会，但必须有一个客观的观点，考虑其优缺点。

农业中纳米技术的风险

尽管纳米材料的使用带来了许多优势，但其农业应用可能对人类、环境和土壤生物群构成多种健康风险。研究发现，大量的纳米材料，如氧化锌、氧化铜和二氧化钛，可以阻碍种子萌发，影响植物生长，并破坏土壤微生物。事实上，过量的ZnO纳米材料已被观察到可使微生物多样性降低25%，从而损害养分循环。此外，纳米颗粒在土壤中的积累会导致水源污染和食物链污染。此外，与其环境持久性、缺乏标准法规和昂贵的制造工艺相关的问题对其使用构成了一定的挑战。

结论与未来展望

纳米材料正在通过提高效率、可持续性和生产力来改变现代农业。其应用包括用于靶向养分递送并减少环境损失的纳米肥料和纳米农药，以及提高农业机械耐久性和性能的纳米润滑剂、涂层和复合材料。在农艺学中，纳米传感器和纳米种子及土壤处理支持精准农业、高效用水以及提高作物产量和品质。温室和水培系统受益于优化能源使用和生长条件的纳米流体和气候调节纳米添加剂。生物传感器和基于石墨烯的材料能够实时监测植物和土壤健康状况。未来的研究必须通过研究人员、政策制定者、行业和农民的协调努力，解决长期环境影响、经济可行性和田间规模应用的问题。关于纳米材料可能造成的生态危害，仍然存在很大的不确定性。缺乏田间试验、风险评估实践不足以及对纳米材料在复杂农业生态系统中行为方式的了解不足，是阻碍纳米技术在农业中安全使用的一些因素。进一步的研究应解决与纳米材料的归宿、迁移和生命周期评估相关的问题。未来的研究应侧重于可规模化、成本效益高的农业纳米材料。将纳米解决方案与精准农业相结合、明确的应用指南和农民培训可以促进采用，而监管标准可确保安全和可持续的使用。